[发明专利]一种低成本AHRS辅助GPS确定整周模糊度装置及方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种低成本AHRS辅助GPS确定整周模糊度装置及方法，属于卫星导航领域。

背景技术

GPS精确定位和定向是近年来国内外研究的热点，而要想得到载体的姿态角，必须快速准确的求得载波相位的整周模糊度，求整周模糊度的方法有很多，如双频相位的线性组合、双频相位与伪距的线性组合、模糊度函数搜索法、模糊度协方差法。GPS单独的数据处理，需要对整周模糊度进行搜索，搜索范围很大故而耗时且容易受到周跳或系统异常等的影响。

AHRS是微型航姿参考系统，融合了三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计的数据，并可以对这些数据进行处理以得到高精度的姿态数据。该系统近年来应用比较广泛，其与GPS的联合导航也是近来的研究热点。

发明内容

本发明的目的是为了解决GPS单独的数据处理耗时且容易受到周跳或系统异常等影响的问题，提出了一种低成本AHRS辅助GPS确定整周模糊度装置及方法。本发明可以缩小整周模糊度的搜索范围加大搜索效率，故可以更快的确定整周模糊度，进而快速解算出载体姿态角度，同时可以在GPS发生周跳或异常时系统输出AHRS的姿态角，保证系统有效无间断运行，不会因为GPS系统失常而影响装备的可用性。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明采用的求整周模糊度的方法是基于卡尔曼滤波的最小二乘去相关法，就是将整周模糊度的解算过程分为初值估计和模糊度确定两个环节。本发明采用基于 KALMAN滤波的初值估计和基于 LAMBDA 的模糊度确定方法。LAMBDA 方法包括两个步骤,一是模糊度的去相关处理,二是模糊度的搜索确定。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种低成本AHRS辅助GPS确定整周模糊度装置由AHRS系统和GPS模块构成，其中AHRS由MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计、MEMS三轴磁力计构成，GPS模块由两个标准GPS天线和单频GPS接收机构成。

优选的，所述三轴陀螺仪为低成本MEMS芯片。

优选的，所述三轴加速度计为低成本MEMS芯片。

优选的，所述三轴磁力计为低成本MEMS芯片。

优选的，所述A天线和B天线为标准的GPS天线。

优选的，单频GPS接收机，只接收卫星的L1载波信号，处理卫星的星历，载波相位等数据。

优选的，数据处理与控制单元模块，由单片机，通信接口构成，单片机可选择DSP、ARM、C8051或C51等微处理器。通信接口为串口，I2C或者SPI，把数据从传感器和GPS接收机传给主控制单片机。

一种AHRS辅助GPS确定整周模糊度方法，采用上述装置进行操作，操作步骤如下：

（1）.GPS数据采集：单频GPS接收机通过天线采集卫星的L1载波信号，信号内容包括卫星星历、载波相位，然后接收机对星历进行处理，得出接收机的在WGS-84坐标系下的坐标；

（2）.卡尔曼滤波：卡尔曼滤波初始的基线向量由AHRS确定的姿态角反算出来作为初始值，这样基线向量的初始值越接近真值，则可以缩短滤波时间，滤波方程如下：        

            （1）

     （2）

 （3）

    （4）

             （5）

    其中，为状态向量，，是预测的K+1时刻的状态向量，是k+1时刻的状态向量，系统噪声的方差矩阵为；为一步转移矩阵，，观测噪声的方差矩阵为，是K时刻系统的方差，是K时刻预测的K+1时刻的方差，是K+1时刻系统的方差，是单位矩阵，为双差载波相位观测量，

  

    其中，是k卫星和n卫星的载波相位的双差值；

  （6）

其中，、、是接收机（16）到、卫星的单位向量双差值的三维分量。而，为接收机（16）到卫星的单位向量。

 （7）

    其中，、、为卫星在WGS-84坐标系下的坐标；、、为接收机（16）在WGS-84坐标系下的坐标；为载波的波长，长度为0.190293673；

（3）.整周模糊度去相关：采用整数高斯变换法去相关，把整周模糊度的误差协方差矩阵进行上三角变换，然后确定整周模糊度的搜索空间；

（4）.基线约束：通过增加约束找到正确的整周模糊度，由载波相位的双差观测原理得到：

      （8）