[发明专利]基于阵列天线求解整周模糊度以实现单频测姿的方法

说明书

本发明主要属于卫星导航技术领域，具体涉及基于阵列天线的单频测姿的方法。包括：设计直线型阵列天线，并按照设定规则配置天线阵元间距；根据载波相位测量模型建立载波相位单差方程或载波相位双差方程，共钟接收机之间采用所述载波相位单差方程，不共钟接收机采用所述载波相位双差方程；求解所述第一组天线的载波相位整周模糊度，确定第一组天线对应的第一条基线矢量的初始姿态；根据上一组天线对应的基线矢量的初始姿态角，来计算下一组天线对应的基线矢量的载波相位整周模糊度，求解所述下一组天线对应的基线矢量所确定的姿态角；构建直线型阵列天线，确定载体的姿态角。本发明所述方法具有体积尺寸小、功耗低、成本低等优点。

技术领域

本发明主要属于卫星导航技术领域，具体涉及基于阵列天线实现单频测姿的方法，更具体地涉及一种基于阵列天线实现无人机单频测姿的方法。

背景技术

卫星导航姿态测量是卫星导航应用中的一个重要方面，主要是确定载体坐标系相对参考坐标系(一般选择当地水平坐标系)的取向，一般用航向角、俯仰角、横滚角等描述。卫星导航测姿技术是基于卫星导航载波相位干涉观测原理，精确估计出天线间的相对位置，进而利用天线间的基线矢量确定载体的姿态信息。一般情况下，两个天线构成一条基线矢量，可以确定两个姿态角；三个不共线的天线构成两条基线矢量，可以确定载体的三个姿态角。

卫星导航姿态测量的核心问题是求解载波相位整周模糊度。由于正弦信号的周期特性，载波相位测量值的小数部分是比较准确的，载波相位测量值的整数部分存在一个整周模糊度。解算出载波相位整周模糊度后，就可以确定载体的姿态。

传统的GNSS测姿方法中，多数方法是同时使用载波相位和伪距的多频测量值求解整周模糊度，如模糊度搜索算法(AFM、LAMBDA等方法)和模糊度逐级确定法(TCAR等)。这些方法中，需要使用到多频信号的观测量或通过搜索的方法确定整周模糊度，因此需要的量测信息较多，且计算量较大。最近，一些学者提出使用单频观测量求解整周模糊度的方法，这种方法一般需要使用到多历元的观测数据或其他平台辅助数据进行求解，其限定条件较多，并且至少需要5颗以上的可见卫星才能成功测姿。

发明内容

针对现有测姿技术中整周模糊度求解困难，本发明提供一种基于阵列天线实现GNSS整周模糊度求解和无人机单频测姿的方法，通过设计直线型阵列天线，快速求解单频信号的载波相位整周模糊度，实现卫星导航单频测姿功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于阵列天线实现单频测姿的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)设计直线型阵列天线，并按照设定规则配置天线阵元间距；

(2)建立载波相位单差方程或载波相位双差方程，共钟接收机之间采用所述载波相位单差方程，不共钟接收机采用所述载波相位双差方程；

(3)对于间距小于半个载波波长的第一组天线，求解所述第一组天线的载波相位整周模糊度，确定第一组天线对应的第一条基线矢量的初始姿态；

(4)根据上一组天线对应的基线矢量的初始姿态角，来计算下一组天线对应的基线矢量的载波相位整周模糊度，求解所述下一组天线对应的基线矢量所确定的姿态角；

(5)在载体上构建直线型阵列天线，确定载体的姿态角。

进一步地，步骤(1)中，在所述直线型阵列天线中，将位于阵列一端的一个天线阵元作为参考天线，所述参考天线与所述直线型阵列天线中的每一个天线阵元均构成一天线组；所述参考天线与相邻的天线阵元构成第一组天线，所述第一组天线中天线阵元之间的间距小于半个载波波长，其余天线组中天线阵元之间的间距依次增大。

进一步地，在所述直线型阵列天线中，天线阵元之间的间距配置规则应该满足：