基于低成本接收機的雙天線測姿算法

王守華 李云柯 孫希延 紀元法

摘 要：針對低成本接收機雙天線測姿系統利用直接法解算精度較低且存在系統粗差的問題，提出一種基于載波和偽距雙差實時動態定位（RTK）卡爾曼濾波算法。首先，引入基線長度作為觀測量，并將事先測量得到的精確基線長度作為觀測量誤差;然后，根據從天線接收機的歷元時間間隔對主天線位置進行實時矯正，而周整模糊度采用改進LABMDA算法求解。在靜態和動態情況下進行了測試，結果表明，在基線長度為1.1m、采用GPS和北斗雙系統進行觀測的情況下，所提算法解算出的航向角精度在1°左右，俯仰角精度在2°～3°。相比傳統的雙天線直接法測姿，該算法在系統抗差性能和精度上都較優。

關鍵詞：雙天線測姿;低成本接收機;卡爾曼濾波;基線約束;實時動態定位

中圖分類號：?TN967.1

文獻標志碼：A

Dual-antenna attitude determination algorithm based on low-cost receiver

WANG Shouhua1，2*， LI Yunke1，2， SUN Xiyan1，2， JI Yuanfa1，2

1.Guangxi Key Laboratory of Satellite Navigation and Location Awareness （Guilin University of Electronic Technology）， Guilin Guangxi 541004， China ;

2.National and Local Joint Engineering Research Center of Satellite Navigation and Location Awareness， Guilin Guangxi 541004， China

Abstract：?Concerning the problem that low-cost Dual-antenna Attitude determination System （DAS） has low accuracy and gross error because of using direct solution， an improved algorithm based on carrier phase and pseudo-range double-difference Real-Time Kinematic （RTK） Kalman filter was proposed. Firstly， the baseline length was employed as the observation， then the precise baseline length obtained in advance was taken as the observation error. Secondly， the position of master antenna was corrected according to the epoch time interval of the slave antenna receiver and the integer ambiguity was solved by MLABMDA （Modified LABMDA） algorithm. Experimental results in static and dynamic mode show that the accuracy of the heading angle calculated by the proposed algorithm is about 1 degree and the calculated pitch angle accuracy is about 2-3 degrees in the case of baseline length 1.1m with GPS and Beidou dual systems. The proposed algorithm improves the robustness and accuracy of the system greatly compared with the traditional dual-antenna attitude determination by direct solution.

Key words：?dual-antenna attitude determination; low-cost receiver; Kalman filter; baseline constraint; Real Time Kinematic （RTK）

0 引言

全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System， GNSS）技術在定位、導航和測繪領域有著眾多的應用，姿態測量就是其中之一，它可以實時提供低速載體的姿態信息，利用雙天線可以測量出載體的航向角和俯仰角，對于船舶、車輛等載體有著實際的應用價值。相比慣性導航系統，天線測姿系統所產生的誤差不會隨時間積累，具有成本低、維護簡單、功耗小的優點，然而受限于測量方法，系統精度與精密慣導系統相比還存在一定差距，且不適用于高速動態和信號遮擋的場景。目前天線測姿解算方法主要有三種：基于矢量觀測法、基于最優估計法和直接矩陣法[1]，其中直接法算法實現容易，對硬件平臺要求較低，且計算精度也能滿足實際需求[2];從天線布局上有立體布局和平面布局[3]，雙天線測姿屬于平面布局。

用基線參數來解算姿態角時，需要得到毫米級的基線向量，天線之間的基線向量采用實時動態定位（Real Time Kinematic， RTK）解算算法，該方法運用載波偽距雙差和周整模糊度解算技術來獲取天線之間精確的基線解[4]。另一種方法是通過姿態參數組合或四元數法，將姿態角引入到GNSS觀測方程中來求解[5];但是該方法在觀測方程中并沒有用到基線約束條件，而且引入四元數后，算法復雜度大大增加。文獻[6]和文獻[7]采用多天線接收機解決了鐘差所帶來的影響，解算精度較高;但是多天線接收機成本較高，不宜普及。文獻[8]使用傳感器融合技術對載體姿態進行求解，該方法使用磁力計、加速度計、陀螺儀等傳感器，通過多級濾波器融合進行解算，在精度和抗干擾性能上較好;但是傳感器的使用引入了更多的系統誤差，而且使用精度越高的傳感器相應成本也越高。