CN116540285B - 惯性辅助的gnss双天线定向方法、装置与电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法、装置与电子设备，其基于双天线全球卫星导航***（GNSS）接收机及惯性测量单元（IMU）硬件嵌入式平台实现，基于双GNSS天线观测数据构建双差观测方程，采用初始化后IMU输出的方位角及基线长度对GNSS双天线基线解算进行约束，提高基线解算的精度、缩短收敛时间。本发明结合了IMU定向和GNSS双天线定向的优点，采用IMU输出的方位角对GNSS双天线基线解算进行约束，提高基线解算的精度、缩短收敛时间，从而提高双天线定向的精度及实时性。
Description
技术领域
本发明属于卫星精密导航、定位与定向测姿领域，具体涉及一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法、装置与电子设备。
背景技术
定向是指载体在运动过程中相对于参考空间的取向，是描述载体运动状态的重要参数之一。在陆地导航中，随着无人驾驶技术的深入发展，在汽车行驶过程中必须对车辆姿态进行实时监测，以确保行车安全。在海洋应用中，为海上船只提供高精度的位置、速度和航向等信息是安全行船的必要条件。在5G应用中，安置5G天线面板时，需要准确的监测面板的方位信息，以确保通信质量。
随着全球卫星导航***（Global Navigation Satellite System，GNSS）的发展与完善，利用GNSS进行定向、测姿也得到了广泛的应用，例如在无人农机、无人飞机、无人船上，GNSS除了可以为载体提供定位、测速、授时等功能外，还可以提供载体的航向信息。
目前，定向的方法主要有惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)定向和GNSS双天线定向。IMU定向输出的方位角结果连续，但存在初始标定困难、精度随时间发散的缺点。双天线定向装置需要获得模糊度固定解后才能获得高精度的航向信息，模糊度固定后，会一直保持高精度的输出结果。当遇到遮挡环境时，容易造成信号失锁，无法获得方位角，重新捕获信号后，需要重新搜索模糊度。由于收敛时间慢，因此存在实时性差、结果中断等缺点。
发明内容
针对以上技术存在的缺陷，本发明提供了一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法、装置与电子设备，装置集成GNSS双天线测量单元、惯性测量单元及数据处理模块，基于方位角约束的GNSS双天线定向方法，可提高基线解算收敛的速度及定向的稳定性。
本发明实现其目的所采取的技术方案是：
一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法，包括如下步骤：
步骤1）采用GNSS双天线初始位置、方位信息完成IMU初始对准；
步骤2）进行GNSS原始观测数据的粗差剔除和周跳探测以进行GNSS原始观测数据的预处理，确保GNSS原始观测数据质量；
步骤3）采用伪距单点定位方式获得第一GNSS天线的位置信息；
步骤4）进行IMU方位角A的估计，对IMU方位角A进行线性化，泰勒展开后忽略二次项得到：；/>为A的近似值，g为A在/>处x方向的一阶导数，h为A在/>处y方向的一阶导数，w为A在/>处z方向的一阶导数，dx、dy、dz分别为泰勒公式x、y、z三个方向一阶项的幂次因子；
步骤5）根据第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线双差伪距观测值、双差相位观测值、基线长度虚拟观测值和方位角虚拟观测值，建立方位角约束的第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线双差分相对定位观测方程：
；
式中，为载波相位观测值，/>为伪距观测值，/>为基线长度虚拟观测值，为方位角虚拟观测值，/>，，/>为第二GNSS天线的位置坐标近似值，I为单位矩阵，/>为对应卫星i的波长，为第二GNSS天线的坐标改正数，为第二GNSS天线的x，y，z轴的坐标改正数，N为双差模糊度，/>为载波相位观测值误差，/>为伪距观测值误差，/>为基线长度虚拟观测误差，为方位角虚拟观测误差；/>为基线长度近似值，/>为基线长度测量值，C为测量矩阵；
步骤6）解基线获得第二GNSS天线的位置信息；
步骤7）进行第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线定向解算，根据步骤3）、步骤6）获得的第一GNSS天线的位置信息和第二GNSS天线的位置信息，通过下式求得基于第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线指向的方位角B：
，
步骤8）重复步骤2）-步骤6）进行下一历元方位信息估计。
本发明还提供一种惯性辅助的GNSS双天线定向装置，包括：
GNSS双天线测量模块，包括第一GNSS天线、第二GNSS天线及GNSS接收机板卡，用于输出双天线观测值；
惯性测量单元，包括IMU模块，初始化后输出三轴角速度观测值；
数据处理模块，通过IMU数据处理模块处理三轴角度获得方位角，并由基于方位角约束的GNSS双天线定向模块解算出方位信息。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法的步骤。
与传统差分定位技术相比，本发明的优点在于：
本发明结合了IMU定向和GNSS双天线定向的优点，采用IMU输出的方位角对GNSS双天线基线解算进行约束，提高基线解算的精度及收敛时间，从而提高双天线定向的精度及实时性。
附图说明
图1为本发明的一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法流程示意图。
图2 为本发明的一种惯性辅助的GNSS双天线定向装置与电子设备示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法包括如下步骤：
步骤1）采用GNSS双天线初始位置、方位信息完成IMU初始对准；
步骤2）进行GNSS原始观测数据的粗差剔除和周跳探测等GNSS数据预处理，以确保GNSS观测数据质量；
步骤3）采用伪距单点定位方式获得第一GNSS天线的位置信息；
步骤4）进行IMU方位角A估计，对IMU方位角A进行线性化，泰勒展开后忽略二次项可得；/>为A近似值，g为A在/>处x方向的一阶导数，h为A在/>处y方向的一阶导数，w为A在/>处z方向的一阶导数，dx、dy、dz分别为泰勒公式x、y、z三个方向一阶项的幂次因子；
步骤5）根据第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线双差伪距观测值、双差相位观测值、基线长度虚拟观测值和方位角虚拟观测值，建立方位角约束的第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线双差分相对定位观测方程：
；
式中，为载波相位观测值，/>为伪距观测值，/>为基线长度虚拟观测值，/>为方位角虚拟观测值，/>，，/>为第二GNSS天线的位置坐标近似值，I为单位矩阵，/>为对应卫星i的波长，/>为第二GNSS天线的坐标改正数，/>分别为x，y，z轴的坐标改正数，N为双差模糊度，/>为载波相位观测值误差，/>为伪距观测值误差，/>为基线长度虚拟观测误差，/>为方位角虚拟观测误差。/>为基线长度近似值，l为基线长度测量值，C为测量矩阵；
步骤6）解基线获得第二GNSS天线的位置信息；
步骤7）进行第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线定向解算，根据步骤3）、步骤6）获得的第一GNSS天线、第二GNSS天线的位置信息、/>，通过下式求得基于第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线指向的方位角B：
，
步骤8）重复步骤2）-步骤6）进行下一历元方位信息估计。
如图2所示，本发明的一种惯性辅助的GNSS双天线定向装置包括：
GNSS双天线测量模块，包括第一GNSS天线、第二GNSS天线及GNSS接收机板卡，用于输出双天线观测值；
惯性测量单元，包括IMU模块，初始化后输出三轴角速度观测值；
数据处理模块，通过IMU数据处理模块处理三轴角度获得方位角，并由基于方位角约束的GNSS双天线定向模块解算出方位信息。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法的步骤。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）采用GNSS双天线初始位置、方位信息完成IMU初始对准；
步骤2）进行GNSS原始观测数据的粗差剔除和周跳探测以进行GNSS原始观测数据的预处理，确保GNSS原始观测数据质量；
步骤3）采用伪距单点定位方式获得第一GNSS天线的位置信息；
步骤4）进行IMU方位角A的估计，对IMU方位角A进行线性化，泰勒展开后忽略二次项得到：；/>为A的近似值，g为A在/>处x方向的一阶导数，h为A在/>处y方向的一阶导数，w为A在/>处z方向的一阶导数，dx、dy、dz分别为泰勒公式x、y、z三个方向一阶项的幂次因子；
步骤5）根据第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线双差伪距观测值、双差相位观测值、基线长度虚拟观测值和方位角虚拟观测值，建立方位角约束的第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线双差分相对定位观测方程：
；
式中，为载波相位观测值，/>为伪距观测值，/>为基线长度虚拟观测值，/>为方位角虚拟观测值，/>，
，/>为第二GNSS天线的位置坐标近似值，I为单位矩阵，/>为对应卫星i的波长，为第二GNSS天线的坐标改正数，/>为第二GNSS天线的x，y，z轴的坐标改正数，N为双差模糊度，/>为载波相位观测值误差，/>为伪距观测值误差，/>为基线长度虚拟观测误差，/>为方位角虚拟观测误差；/>为基线长度近似值，/>为基线长度测量值，C为测量矩阵；
步骤6）解基线获得第二GNSS天线的位置信息；
步骤7）进行第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线定向解算，根据步骤3）、步骤6）获得的第一GNSS天线的位置信息和第二GNSS天线的位置信息，通过下式求得基于第一GNSS天线和第二GNSS天线的双天线指向的方位角B：
,
步骤8）重复步骤2）-步骤6）进行下一历元方位信息估计。
2.实现权利要求1所述的一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法的GNSS双天线定向装置，其特征在于，包括：
GNSS双天线测量模块，包括第一GNSS天线、第二GNSS天线及GNSS接收机板卡，用于输出双天线观测值；
惯性测量单元，包括IMU模块，初始化后输出三轴角速度观测值；
数据处理模块，通过IMU数据处理模块处理三轴角度获得方位角，并由基于方位角约束的GNSS双天线定向模块解算出方位信息。
3.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1所述的一种惯性辅助的GNSS双天线定向方法的步骤。
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