[发明专利]一种低成本双天线GNSS/AHRS组合测姿方法

摘要

本发明涉及一种低成本双天线GNSS/AHRS组合测姿方法，属于卫星定位与导航技术领域。该方法基于低成本GNSS模块以及9轴AHRS传感器，利用GNSS单频伪距与载波相位观测值，实时解算载体的位置与速度信息，结合AHRS加速度、角速度以及磁传感器数据，采用Kalman滤波技术实时估计载体的姿态信息，并基于虚拟观测值的最小二乘平差，实时解算载波相位的模糊度，修正载体的航向。本方法能够实时矫正AHRS传感器系统性偏差，并提高系统的稳定性与可靠性。

主权项

1.一种低成本双天线GNSS/AHRS组合测姿方法，其特征在于：该方法基于低成本GNSS模块以及9轴AHRS传感器，利用GNSS单频伪距与载波相位观测值，实时解算载体的位置与速度信息，结合AHRS加速度、角速度以及磁传感器数据，采用Kalman滤波技术实时估计载体的姿态信息，并基于虚拟观测值的最小二乘平差，实时解算载波相位的模糊度，修正载体的航向；该方法包括以下步骤：步骤一：采用单点定位估计主天线位置；原始的伪距观测值为：其中，为原始的伪距观测值，ρ^s为接收机到卫星的距离，t_r，g为接收机钟差，g表示不同得卫星导航系统，I^s为第一频段载波的电离层延迟，τ^s为对流层延迟，ε表示伪距的观测噪声；利用模型改正对流层，电离层误差影响，则观测方程可以表示为：对上式线性化，采用最小二乘法估计即可估计接收机位置；步骤二：原始的多普勒观测值估计主天线速度；原始的多普勒观测方程为：其中，为原始的多普勒观测值，λ_g为卫星导航系统对应的载波相位波长，为接收机到卫星的距离变化率，为接收机钟差漂移，为卫星钟差漂移，为第一频段载波的电离层延迟变化，为对流层延迟变化，∈表示多普勒观测噪声；对距离变化率展开可得：式中，v^s为卫星的速度，v_r为接收机速度，I^s为卫星到接收机的方向矢量；则可得：式中，G^s为观测系数矩阵，则采用最小二乘解算即可获得速度信息；步骤三：基于Kalman滤波技术AHRS姿态解算；基于步骤一与步骤二获得的位置与速度，以及AHRS提供的加速度、角速度、磁强度数据，建立GNSS/AHRS融合Kalman滤波方程：状态方程与过程方程如下：X_k＝φX_k‑1+Γw_k‑1z_k＝HX_k+v_k式中，下标k‑1，k为上个历元和当前历元标记，X为Kalman滤波的状态向量，φ为状态一步预测矩阵，Γ为过程噪声系数矩阵，w为过程噪声，z为观测矩阵，H为观测矩阵值系数矩阵，v为观测值噪声；采用Kalman滤波技术实时估计载体的姿态信息；步骤四：基线约束模糊度解算；基于步骤三解算的三维姿态信息以及已知的基线长度，实时解算基线分量：式中l为两个天线的基线长度，γ为俯仰角，ε为偏航角，为当地东北天坐标系基线分量；利用解算的基线分量，基于虚拟观测值建立双差载波相位与伪距观测方程为：式中，为双差伪距观测值，为双差载波相位观测值，A为观测值系数矩阵，m＝(e，n，u)^T，b为载波相位整周模糊度矢量；采用最小二乘技术，即可计算模糊度浮点解及其方差协方差阵采用LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解；式中b为整数模糊度候选矢量，为最优模糊度解算结果；步骤五：固定模糊度更新姿态信息；采用经典的Ratio检验方法，如果模糊度通过检验，则更新基线向量：式中为基线向量与模糊度的协方差，为浮点解基线向量，为固定解基线向量；计算更新后的航向与俯仰信息：利用更新后的航向信息修正磁传感器的地磁航向，获得地理北指向。