[發明專利]基線約束下單頻單歷元GNSS快速定向方法

有效

• 申請號: 201610125152.3
• 申請日: 2016-03-06
• 公開（公告）號: CN105785416B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 張晶宇;吳美平
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01S19/55
• 分類號: G01S19/55
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心43202
• 代理人: 邱軼

技術領域：

本發明涉及一種快速GNSS定向方法，特別涉及了基線約束下單頻單歷元GNSS快速定向方法。

背景技術：

GNSS定向是GNSS精密應用中的重要組成部分，主要通過計算固聯在載體上的兩個接收機構成的基線矢量，確定載體在特定坐標系中的航向角和俯仰角，其核心關鍵技術在于實現基于載波相位觀測的整周模糊度快速解算。為了實現模糊度的快速解算，國內學者先后提出了各種各樣的方法。這一技術的難點在于如何高效地利用基線長度的約束最終實現快速的模糊度搜索。

實現單頻單歷元下的快速GNSS定向，也一直是GNSS研究中一個得到較多關注的應用問題。文獻(Wang B.et al.A constrained LAMBDA method for GPS attitude determination,GPS Solution,2009)提出了利用不等式來約束模糊度搜索的方法，盡管有效但約束的空間仍然不夠充分，因而也導致了其模糊度首次固定時間較長，對于快速實時的GNSS應用場合仍然是無法滿足要求的。文獻(Chen W.et al.New method for single epoch,single frequency land vehicle attitude determination using low-end GPS receiver.GPS Solution,2012)給出了一種單頻單歷元條件下采用低端接收機進行車載實時GNSS定向的方法，該方法本質上利用了汽車在地面上俯仰角變化的范圍這一額外的約束信息，且實現方法過于復雜。盡管國內還有一些學者(吳美平等，衛星定向技術,國防工業出版社,2013)提出了基線長度約束的方法，但在效率和適用性上均不夠理想，主要在于基線長度約束信息的利用沒有實現最優化，理論方法不嚴謹。

模糊度解算中基線長度約束的利用方法，決定了最終的模糊度解算效果。基線長度的約束，本質上是一種二次等式約束。如果不能有效利用這一約束信息，將帶來較長的模糊度搜索時間，或者依賴于額外的傳感器提供先驗的信息，從而增加應用成本。因此，實現一種基線約束下的GNSS快速定向方法具有很高的應用價值。

發明內容:

本發明針對單頻單歷元條件下模糊度固定困難且搜索時間較長的問題，提出了一種基線約束下單頻單歷元GNSS快速定向方法，主要的技術方案如下

步驟一，建立雙差觀測模型：

由于在短基線條件下大氣延遲等共性誤差可以忽略，對于單頻雙差觀測模型可以簡化為

其中E(·)表示期望運算符，為星地視線矢量構成的雙差矩陣，Λ為GNSS信號波長構成的常系數對角矩陣，這里的Y為雙差觀測，a為雙差模糊度b即為基線矢量Δr_ur；

單頻雙差觀測方程的隨機模型可直接記為

其中為非差碼觀測的方差，為非差載波觀測的方差,D(·)為方差算子，E為單差算子且I_k-1為k-1維的單位矩陣，e_m為元素為1的m×1列向量；

步驟二，采用最小二乘估計浮點模糊度解和浮點基線解：

浮點模糊度和基線矢量的浮點解表示為

此時，浮點模糊度和基線矢量的構成的協方差陣表示為B為星地視線矢量矩陣；

步驟三，引入基線長度約束，求解基線約束下的最優解：

基線約束下的最小二乘問題可以建模為

基于約束(Cx)^TCx＝l²(4)

建立拉格朗日方程解問題(4)

對方程(5)求偏微分

整理方程組可得

問題轉化為求解非線性方程的根，根據牛頓迭代法，求得相應的解；

步驟四，采用LAMBDA(Least-squares ambiguity decorrelation adjustment)算法，求得模糊度最優和次優候選解；

步驟五，進行模糊度檢驗，獲得基線解；模糊度檢驗采用比例檢驗法，即

其中為模糊度最優解，為次優解，μ為檢驗閾值，這里取1.5；通過模糊度檢驗后采用最優模糊度候選解，否則采用浮點解；

基于模糊度解算結果，求解相應的條件基線解，根據基線解即可求得載體的航向角和俯仰角