[发明专利]一种基于GPS载波双差方程的姿态角直接求解方法

说明书

技术领域

本发明涉及大型运载体的一种实时姿态测量方法，特别是涉及的是一种基于GPS载波双差方程的姿态角直接求解方法。

背景技术

为了满足不同应用平台对姿态信息的需求，目前已有大量的姿态测量设备问世，例如用于空间载体姿态测量的星敏感器、地平跟踪器、太阳敏感器、地磁仪等；用于为陆上或水下载体提供航向的磁罗盘、电磁罗盘；用于为各种飞行器、陆上运输设备、船舶、潜器、空间载体提供姿态信息的惯性器件等等。而这其中，星敏感器易受天气、地形或者其它客观因素的影响，不能实时地给出姿态或方位值；惯性导航设备结构复杂、价格昂贵，当工作时间较长时惯性器件误差会随时间积累而引起测姿精度的降低。

运用GPS定位信号进行载体姿态测量，只需要利用低成本的接收机即可以提供较高精度的姿态信息，以此来取代造价昂贵的传统测姿设备，同时还可以完成运载体的定位和授时，并且受环境的影响小，能够长时间进行高精度测姿任务。

GPS载体姿态测量是利用安装在载体固定位置上接收天线间的相对位置，以及坐标转换关系来确定姿态角。具体实现方法是，利用载体上安装的高精度定位系统作为基准站，并在载体固定位置安装三条（或多条）接收天线，运用GPS信号测量天线与基站间的相对位置求出基线在WGS-84（World Geodetic System-84）系下的坐标，根据已知的基线载体系下坐标确定姿态旋转矩阵最终求出姿态角。

目前，GPS姿态解算算法主要是基于对定位结果的处理来获取姿态角，将常用的数学估计方法应用到姿态解算中，按解算结果分为求姿态矩阵和求欧拉角两类。

求解姿态矩阵的方法确定姿态角，是利用定位方程建立多颗卫星以及多个历元的定位方程组，通过求解超定方程完成基线坐标的估计，利用基线在不同坐标系中的坐标转换关系来估计出姿态矩阵，从而确定出姿态角。这一类方法中需要运用数学估计手段来实现基线坐标解算以及姿态角的确定。常用的方法包括：

（1）根据基线在地理系与载体系的坐标关系，利用姿态矩阵的正交性进行最优估计的TRIAD算法；

（2）基于Wahba问题的解算方法：如QUEST（QUaternion ESTimator）算法、FOAM（FastOptimal Attitude Matrix）算法、Euler-q算法、SVD（Singular Value Decomposition）算法等；

（3）利用多历元基线坐标解算的最小二乘直接估计法；

（4）利用伪距或载波观测量以及载体系下基线坐标，建立观测方程估计姿态矩阵的方法。

姿态角的直接估计方法一般是利用已知的天线位置与旋转姿态角的关系，分步求解姿态角。包括：使一条基线设置在载体的主轴方向，先求出偏航角和俯仰角，再利用第二条基线的旋转关系求出横滚角的两天线测姿法；利用两天线测姿公式确定偏航角和俯仰角，将另外天线经两次转动得到横滚角的多天线测姿法。

总的来讲，GPS测姿中存在如下问题：

1.运用数学估计方法对姿态矩阵进行估计中，并未直接得到姿态角结果，需要进行多历元的信息采集来完成最终姿态角计算，这一点一方面引入了进一步估计误差，另一方面也影响了姿态测量的实时性。

2.而运用直接测量方法进行姿态角测量，不需要对基线载体系坐标，也不用计算姿态矩阵，但所有天线基线的载体坐标z轴分量为零，坐标构成的矩阵不满秩，会导致姿态结果不可靠，精度远不及数学估计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高估计过程精度，并实现实时测姿要求的一种基于GPS载波双差方程的姿态角直接求解方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于GPS载波双差方程的姿态角直接求解方法包括以下步骤：

（1）采用三个GPS接收机测量天线采集GPS卫星信号获取载波观测信息以直角处0号天线的载波观测信息作为基站信号；

（2）选取公共的可视卫星i，i＝1,2,…,M，并以可视卫星中仰角最大的卫星作为参考卫星（将其编号为1），接收机获取三天线载波观测信息后，以基站天线观测信息为基准，分别将各天线相对同一可见卫星的载波信号向基站信号作差获取单差载波相位观测量n=0,1,2，然后对应不同天线，将各卫星单差载波信息向参考卫星的单差载波观测量作差得到双差载波观测量

（3）利用公式（1）所示载波观测量与姿态角的关系式，建立姿态角解算方程：