CN109782315A - 一种基于浮空平台的多基线gnss姿态测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多基线GNSS姿态测量领域，特别是一种基于浮空平台多基线GNSS姿态测量装置及方法。所述装置包括：定位信息解算模块，用于确定接收天线在WGS‑84直角坐标系下的位置坐标值；导航系位置计算模块，根据接收天线在WGS‑84直角坐标系下的位置坐标值确定接收天线在导航坐标系下的位置坐标值；偏航角和俯仰角计算模块，根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标值确定浮空平台偏航角和俯仰角；滚转角计算模块，根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标确定浮空平台滚转角。本装置成本低，误差不随时间积累，且不需要进行初始对准，解决了通常姿态测量方法成本高、误差随时间积累、准备时间长的问题，实现了浮空平台长航时飞行。
Description
技术领域
本发明涉及多基线GNSS姿态测量领域，特别是一种基于浮空平台多基线GNSS姿态测量装置及方法。
背景技术
某浮空平台航行时间长，需要测姿***提供实时连续高精度的姿态测量信息。通常的高精度姿态测量***主要是指惯性导航***，它能够同时输出位置、速度、姿态等导航信息，不受外界干扰，具有良好的隐蔽性，自主性强，短时间精度高，是目前技术最为成熟，应用最广泛的一种导航方式。但惯性导航***也有其局限性，主要表现在：误差随时间不断积累；高精度的惯性器件成本高；通常的惯性器件功耗体积大；惯性导航***在开始导航前需要长时间的初始对准，初始对准精度对后续导航精度影响较大。在浮空平台长航时飞行的条件下，惯性导航***精度已无法满足***的要求。
有鉴于此，提出一种基于浮空平台多基线GNSS(Global Navigation SatelliteSystem)姿态测量装置及方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于浮空平台多基线GNSS姿态测量装置及方法，解决通常姿态测量***成本高、误差随时间积累等问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置，包括：
定位信息解算模块、天线导航系位置计算模块、偏航角和俯仰角计算模块、滚转角计算模块；其中，所述天线导航系位置为浮空平台接收天线的位置；
定位信息解算模块，用于确定接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值；
导航系位置计算模块，根据接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值确定接收天线在导航坐标系下的位置坐标值；
偏航角和俯仰角计算模块，根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标值确定浮空平台偏航角和俯仰角；
滚转角计算模块，根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标确定浮空平台滚转角。
进一步地，所述定位信息解算模块包括专用卫星接收机和卫星信号接收天线；
所述专用卫星接收机设置为1个，所述卫星信号接收天线设置为3个，所述3个卫星信号接收天线设置有1个主天线，2个从天线，2个从天线与主天线安装在同一平面内并构成直角三角形；主天线安装在浮空平台质心，3个天线在同一平面构成直角三角形；主天线和另外两个从天线分别构成两条基线；
可选地，利用接收机求解3个天线在WGS-84系下的位置坐标值，
进一步地，导航系位置计算模块利用3个天线在WGS-84系下的位置坐标值和WGS-84系到导航系的坐标转换矩阵计算3个天线在导航系下位置坐标值：
其中，为发射点在WGS-84系的坐标值；
其中，L0和B0分别为发射点经度和纬度。
进一步地，偏航角和俯仰角计算模块利用3个天线在导航系下位置坐标值计算偏航角和俯仰角，分别为：
进一步地，滚转角计算模块利用3个天线在导航系下位置坐标值、偏航角和俯仰角计算中间坐标值
根据中间坐标值，计算滚转角为：
另一方面，本发明还提供了一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法，包括：
获取浮空平台的定位信息进行解算，以确定接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值；
根据接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值确定收天线在导航坐标系下的位置坐标值，以获取接收天线在导航坐标系下的位置坐标值；
根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标值确定浮空平台偏航角，俯仰角和滚转角，以确定浮空平台的多基线GNSS姿态。
进一步地，所述定位信息包括浮空平台专用卫星接收机信息和卫星信号接收天线信息；
所述专用卫星接收机设置为1个，所述卫星信号接收天线设置为3个，所述3个卫星信号接收天线设置有1个主天线，2个从天线，2个从天线与主天线安装在同一平面内并构成直角三角形；主天线安装在浮空平台质心，3个天线在同一平面构成直角三角形；主天线和另外两个从天线分别构成两条基线；
可选地，利用接收机求解3个天线在WGS-84系下的位置坐标值，
进一步地，利用3个天线在WGS-84系下的位置坐标值和WGS-84系到导航系的坐标转换矩阵计算3个天线在导航系下位置坐标值：
其中，为发射点在WGS-84系的坐标值；
其中，L0和B0分别为发射点经度和纬度。
进一步地，利用3个天线在导航系下位置坐标值计算偏航角和俯仰角，分别为：
进一步地，利用3个天线在导航系下位置坐标值、偏航角和俯仰角计算中间坐标值
根据中间坐标值，计算滚转角为：
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
图1为一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置示意图；
图2为一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请，下面结合优选实施例和附图对本申请做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本申请的保护范围。
参考图1，作为本发明实施例的一个示例，一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置包括：
定位信息解算模块1、天线导航系位置计算模块设置为三天线导航系位置计算模块2、偏航角和俯仰角计算模块3、滚转角计算模块4。
其中，所述天线导航系位置为浮空平台接收天线的位置；
定位信息解算模块，用于确定接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值；
导航系位置计算模块，根据接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值确定接收天线在导航坐标系下的位置坐标值；
偏航角和俯仰角计算模块，根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标值确定浮空平台偏航角和俯仰角；
滚转角计算模块，根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标确定浮空平台滚转角。
在本实施例中，所述定位信息解算模块包括专用卫星接收机和卫星信号接收天线；
所述专用卫星接收机设置为1个，所述卫星信号接收天线设置为3个，所述3个卫星信号接收天线设置有1个主天线，2个从天线，2个从天线与主天线安装在同一平面内并构成直角三角形；主天线安装在浮空平台质心，3个天线在同一平面构成直角三角形；主天线和另外两个从天线分别构成两条基线；
可选地，利用接收机求解3个天线在WGS-84系下的位置坐标值，
因此，定位信息解算模块1的功能为：确定三个接收机天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值。
导航系位置计算模块2的功能为：确定三个接收机天线在导航坐标系下的位置坐标值。
偏航角和俯仰角计算模块3的功能为：确定浮空平台偏航角和俯仰角。
滚转角计算模块4的功能为：确定浮空平台滚转角。
定位信息解算模块1计算三天线在WGS-84系下位置坐标值
定位信息解算模块1主要由一个专用卫星接收机和三个卫星信号接收天线构成，主天线安装在浮空平台质心，三天线在同一平面构成直角三角形。主天线和另外两个从天线分别构成两条基线。利用接收机求解三个天线在WGS-84系下的位置坐标值，
导航系位置计算模块2计算三天线在导航系下位置坐标值
三天线导航系位置计算模块2利用三个天线在WGS-84系下的位置坐标值和WGS-84系到导航系的坐标转换矩阵计算三天线在导航系下位置坐标值：
其中，为发射点在WGS-84系的坐标值。
其中，L0和B0分别为发射点经度和纬度。
偏航角和俯仰角计算模块3完成偏航角和俯仰角计算
偏航角和俯仰角计算模块3利用三天线在导航系下位置坐标值计算偏航角和俯仰角，分别为：
偏航角：
俯仰角：
滚转角计算模块4完成滚转角计算
滚转角计算模块4利用三天线在导航系下位置坐标值、偏航角和俯仰角计算中间坐标值
滚转角为：
至此，完成了多基线GNSS姿态测量。
本发明提出了一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置，本装置成本低，误差不随时间积累，且不需要进行初始对准，解决了通常姿态测量方法成本高、误差随时间积累、准备时间长的问题，实现了浮空平台长航时飞行。
参考图2，作为本发明实施例的一个示例，一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法包括：
S1.获取浮空平台的定位信息进行解算，以确定接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值；
S2.根据接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值确定收天线在导航坐标系下的位置坐标值，以获取接收天线在导航坐标系下的位置坐标值；
S3.根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标值确定浮空平台偏航角，俯仰角和滚转角，以确定浮空平台的多基线GNSS姿态。
进一步地，所述定位信息包括浮空平台专用卫星接收机信息和卫星信号接收天线信息；
在本实施例中，所述定位信息来源于专用卫星接收机和卫星信号接收天线；
所述专用卫星接收机设置为1个，所述卫星信号接收天线设置为3个，所述3个卫星信号接收天线设置有1个主天线，2个从天线，2个从天线与主天线安装在同一平面内并构成直角三角形；主天线安装在浮空平台质心，3个天线在同一平面构成直角三角形；主天线和另外两个从天线分别构成两条基线；
可选地，利用接收机求解3个天线在WGS-84系下的位置坐标值，
计算三天线在导航系下位置坐标值
利用三个天线在WGS-84系下的位置坐标值和WGS-84系到导航系的坐标转换矩阵计算三天线在导航系下位置坐标值：
其中，为发射点在WGS-84系的坐标值。
其中，L0和B0分别为发射点经度和纬度。
完成偏航角和俯仰角计算
利用三天线在导航系下位置坐标值计算偏航角和俯仰角，分别为：
完成滚转角计算
利用三天线在导航系下位置坐标值、偏航角和俯仰角计算中间坐标值
滚转角为：
至此，完成了多基线GNSS姿态测量。
本发明提出了一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法，本方法成本低，误差不随时间积累，且不需要进行初始对准，解决了通常姿态测量方法成本高、误差随时间积累、准备时间长的问题，实现了浮空平台长航时飞行。
显然，本申请的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本申请的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置，其特征在于，包括：
定位信息解算模块、天线导航系位置计算模块、偏航角和俯仰角计算模块、滚转角计算模块；其中，所述天线导航系位置为浮空平台接收天线的位置；
定位信息解算模块，用于确定接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值；
导航系位置计算模块，根据接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值确定接收天线在导航坐标系下的位置坐标值；
偏航角和俯仰角计算模块，根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标值确定浮空平台偏航角和俯仰角；
滚转角计算模块，根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标确定浮空平台滚转角。
2.根据权利要求1所述的一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置，其特征在于，所述定位信息解算模块包括专用卫星接收机和卫星信号接收天线；
所述专用卫星接收机设置为1个，所述卫星信号接收天线设置为3个，所述3个卫星信号接收天线设置有1个主天线，2个从天线，2个从天线与主天线安装在同一平面内并构成直角三角形；主天线安装在浮空平台质心，3个天线在同一平面构成直角三角形；主天线和另外两个从天线分别构成两条基线；
利用接收机求解3个天线在WGS-84系下的位置坐标值，i＝1,2,3。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置，其特征在于，导航系位置计算模块利用3个天线在WGS-84系下的位置坐标值和WGS-84系到导航系的坐标转换矩阵计算3个天线在导航系下位置坐标值：
其中，为发射点在WGS-84系的坐标值；
其中，L0和B0分别为发射点经度和纬度。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置，其特征在于，偏航角和俯仰角计算模块利用3个天线在导航系下位置坐标值计算偏航角和俯仰角，分别为：
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量装置，其特征在于，滚转角计算模块利用3个天线在导航系下位置坐标值、偏航角和俯仰角计算中间坐标值
根据中间坐标值，计算滚转角为：
6.一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法，其特征在于，包括：
获取浮空平台的定位信息进行解算，以确定接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值；
根据接收天线在WGS-84直角坐标系下的位置坐标值确定收天线在导航坐标系下的位置坐标值，以获取接收天线在导航坐标系下的位置坐标值；
根据接收天线在导航坐标系下的位置坐标值确定浮空平台偏航角，俯仰角和滚转角，以确定浮空平台的多基线GNSS姿态。
7.根据权利要求6所述的一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法，其特征在于，所述定位信息包括浮空平台专用卫星接收机信息和卫星信号接收天线信息；
所述专用卫星接收机设置为1个，所述卫星信号接收天线设置为3个，所述3个卫星信号接收天线设置有1个主天线，2个从天线，2个从天线与主天线安装在同一平面内并构成直角三角形；主天线安装在浮空平台质心，3个天线在同一平面构成直角三角形；主天线和另外两个从天线分别构成两条基线；
利用接收机求解3个天线在WGS-84系下的位置坐标值，i＝1,2,3。
8.根据权利要求6-7任一所述的一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法，其特征在于，利用3个天线在WGS-84系下的位置坐标值和WGS-84系到导航系的坐标转换矩阵计算3个天线在导航系下位置坐标值：
其中，为发射点在WGS-84系的坐标值；
其中，L0和B0分别为发射点经度和纬度。
9.根据权利要求6-8任一所述的一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法，其特征在于，利用3个天线在导航系下位置坐标值计算偏航角和俯仰角，分别为：
10.根据权利要求6-9任一所述的一种基于浮空平台的多基线GNSS姿态测量方法，其特征在于，利用3个天线在导航系下位置坐标值、偏航角和俯仰角计算中间坐标值
根据中间坐标值，计算滚转角为：
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2019
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