技术领域
[0001] 本
发明提供一种基于旋转平台的GNSS多径误差消除定姿方法，它涉及一种对于旋转平台的消除多路径误差的GNSS定姿方法，属于导航定姿技术领域。
背景技术
[0002] 全球导航卫
星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)指的是所有的具有导航
定位功能的卫星系统。目前GNSS主要包括美国的全球定位系统(GPS，Global Positioning System)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS，Global Navigation Satellite System)、中国的北斗卫星
导航系统和欧洲的伽利略(Galileo)卫星导航定位系统，还包括了相应的增强系统。
[0003] 同时，基于GNSS的各种应用也越来越体现出它得天独厚的优势。就
姿态确定而言，目前实时、精确、连续、稳定的姿态信息对于各类运动载体(包括卫星、导弹、飞机、舰船、
汽车等)完成自主导航控制和智能任务规划而言是至关重要和必不可少的。传统的载体姿态测量通常依赖
陀螺仪加其它
传感器(星敏感器、太阳敏感器、地磁仪等)的模式，后者用于补偿和校正陀螺仪漂移，从而保证姿态的恒稳输出。近年来，国内外学者提出了无陀螺姿态确定的概念：一方面，对于在轨飞行的
航天器，陀螺长期运行后可能出现故障甚至失效，例如美国“哈勃太空望远镜”和欧空局“欧洲遥感卫星2号”分别在1999年和2000年发生了陀螺失效问题；另一方面，对于低成本小型载体(微纳卫星、炮弹、小型无人机等)，激光陀螺、光纤陀螺等高
精度陀螺仪由于受到功耗、体积、价格等因素限制而难以应用，而低成本的微机电陀螺又无法满足高精度导航的需求。在诸多的无陀螺姿态确定方案中，基于GNSS的定姿技术由于其低成本，高精度，零漂移等优势已被广泛应用于军事国防和国民经济的各个领域。
[0004] 多径误差是接收机测量过程中遇到的主要误差源之一。导航卫星发射的
信号会被物体反射，经过反射的信号与直射信号
叠加后同样可以被接收机收到。经过叠加后的信号振幅和
相位会发生变化，这样会导致测量时的天线相位中心发生变化，从而产生测量误差，而且对伪距的影响最大，甚至可能达到10m。一般而言，导航卫星的高度
角越高，多径噪声就越少，多径信号的延迟也越短。多径噪声不仅会导致测量结果产生较大误差，甚至还会造成
卫星信号的失
锁，即丢失卫星。多径误差难以通过建模或者通过其它物理方法消除，多径误差的消除一直是GNSS定位、定姿技术的重点和难点。
发明内容
[0005] (一)发明目的
[0006] 本发明利用旋转平台能够准确获取转动
角速度的特性，根据GNSS双差模型中，对称基线多径误差相同的特点，提出了一种基于旋转平台的消除多路径误差的方法。该方法充分利用旋转平台的特性，能避免模糊度解算、周跳检测与修复等难题，实现高精度的姿态确定。
[0007] (二)技术方案
[0008] 本发明涉及一种基于旋转平台的GNSS多径误差消除定姿方法，该方法需要一个旋转平台，其组成包括：
单片机1、SD卡槽2、遥控信号接收器3、步进
电机驱动器4、GNSS接收机5、天线6、T型架7、转台8、、遥控器9。参照
附图1。该旋转平台通过步进电机驱动转台旋转，其上搭载GNSS接收机，在每次GNSS接收机测量时记录下转台转角，然后记录GNSS测量数据。此实验平台已
申请专利《一种GPS定姿实验平台》。
[0009] 本发明需要在旋转平台上安装3根天线，组成不共线的2条基线。电机驱动平台旋转，接收机从天线接收测量数据，单片机在每次GNSS接收机测量时记录下转台转角。然后通过GNSS测量数据和转角计算得到旋转平台的姿态。
[0010] 本发明所述的基于旋转平台的GNSS多径误差消除定姿方法实施步骤如下：
[0011] 步骤一：驱动转台旋转
[0012] 通过电机驱动转台旋转，接收机从天线接收测量数据，单片机在每次GNSS接收机测量时记录下转台转角。
[0013] 步骤二：寻找t1、t2时刻
[0014] 转台开始转动后，任取一时刻作为t1，此时转角记为θ1，寻找转角与t1时刻转角相差180度(或180度奇数倍)的时刻作为t2，t2时刻转角记为θ2。t1、t2时刻基线是对称的，多路径误差相同。
[0015] θ2＝θ1+(2k+1)π，k＝0，1，2，3...... (1)
[0016] 步骤三：构建t1、t2时刻的星际-站际双差模型
[0017] 3个接收机对n+1个GNSS卫星的载波观测量的站际-星际双差观测线性化方程如下所示：
[0018]
[0019] 式(2)中，y为2条基线向量的载波双差观测量组成的n×2阶矩阵，每一列向量表示一条基线对应的n个双差观测量；λ是载波
波长；a是双差整周模糊度组成的n×2阶矩阵，每一列向量表示一条基线对应的n个双差整周模糊度；B是从卫星到接收机方向的双差单位向量在GNSS参考
坐标系下的表示组成的n×3阶矩阵(由于各个副接收机之间距离很小，而卫星距离各接收机很远，所以这里认为同一个卫星到任何一个接收机方向的单位向量相同)；b为2条未知基线向量在GNSS参考坐标系下的坐标值组成的3×2阶矩阵；f(B)为多路径误差，与B有关；ε为观测噪声组成的n×2阶矩阵；因此，t1时刻线性化的星际-站际双差模型为：
[0020] y1＝λa1+B1b1+f(B1)+ε1 (3)
[0021] t2时刻，有b1＝-b2，此时的星际-站际双差模型为：
[0022] y2＝λa2+B2b2+f(B2)+ε2 (4)
[0023] 而对于短基线，有a1＝a2＝a，B1＝B2＝B，且令b1＝b2＝b，所以t1，t2时刻的星际-站际双差模型为：
[0024] y1＝λa+Bb+f(B)+ε1 (5)
[0025] y2＝λa-Bb+f(B)+ε2 (6)
[0026] 步骤四：基线解算
[0027] 式(5)、(6)相减，ε1、ε2很小，可忽略，得：
[0028] y1-y2＝2Bb (7)
[0029] 对于矩阵B，B是列满秩的，BTB是可逆的，基线矩阵b可解得：
[0030]
[0031] 步骤五：姿态确定
[0032] 解得基线后，可通过QUEST
算法进行姿态确定，由于QUEST算法是已有的算法，这里不做详细说明；通过QUEST算法可得到平台相对参考坐标系的姿态。
[0033] 综上所述，本发明的实施步骤流程如附图2所示。通过上述流程提出了一种基于旋转平台的GNSS多径误差消除定姿方法，本方法通过电机驱动平台旋转，利用对称基线多径误差相同的特点，选取转角相差180度(或180度奇数倍)的两个观测时刻的数据，解得消除多路径误差后的基线，进而进行姿态解算。该方法充分利用旋转平台的特性，除能消除多径误差外，还能避免模糊度解算、周跳检测与修复等难题，实现高精度的姿态确定。
[0034] (三)优点
[0035] 本发明提供的一种基于旋转平台的GNSS多径误差消除定姿方法的优点在于：
[0036] ①本发明提出的方法不需要伪距测量量的辅助，很好地适用于在高伪距测量噪声条件下。
[0037] ②本发明提出的方法能消除多径误差，提高姿态确定精度。
[0038] ③本发明中提出的方法能避免模糊度解算、周跳检测与修复等难题，减小计算量附图说明
[0039] 图1是本发明所需的旋转平台示意图。
[0041] 图1中，1单片机、2SD卡槽、3遥控信号接收器、4步进电机驱动器、5GNSS接收机、6天线、7T型架、8转台、9遥控器。
具体实施方式
[0042] 下面将结合技术方案对本发明的具体实施过程做进一步的详细说明。
[0043] 本发明涉及一种基于旋转平台的GNSS多径误差消除定姿方法，该方法需要一个旋转平台。其组成包括：单片机1、SD卡槽2、遥控信号接收器3、步进电机驱动器4、GNSS接收机5、天线6、T型架7、转台8、、遥控器9。参照附图1。
[0044] 本发明需要在旋转平台上安装3个天线，组成不共线的2条基线。电机驱动平台旋转，接收机从天线接收测量数据，单片机在每次GNSS接收机测量时记录下转台转角。然后通过GNSS测量数据和转角计算得到旋转平台的姿态。
[0045] 本发明所述的基于旋转平台的GNSS多径误差消除定姿方法实施步骤如下：
[0046] 步骤一：驱动转台旋转
[0047] 通过电机驱动转台旋转，接收机从天线接收测量数据，单片机在每次GNSS接收机测量时记录下转台转角。
[0048] 步骤二：寻找t1、t2时刻
[0049] 转台开始转动后，任取一时刻作为t1，此时转角记为θ1，寻找转角与t1时刻转角相差180度(或180度奇数倍)的时刻作为t2，t2时刻转角记为θ2。t1、t2时刻基线是对称的，多路径误差相同。
[0050] θ2＝θ1+(2k+1)π，k＝0，1，2，3...... (9)
[0051] 步骤三：构建t1、t2的星际-站际双差模型
[0052] 3个接收机对n+1个GNSS卫星的载波观测量的站际-星际双差观测线性化方程如下所示：
[0053]
[0054] 式(10)中，y为2条基线向量的载波双差观测量组成的n×2阶矩阵，每一列向量表示一条基线对应的n个双差观测量；λ是载波波长；a是双差整周模糊度组成的n×2阶矩阵，每一列向量表示一条基线对应的n个双差整周模糊度；B是从卫星到接收机方向的双差单位向量在GNSS参考坐标系下的表示组成的n×3阶矩阵(由于各个副接收机之间距离很小，而卫星距离各接收机很远，所以这里认为同一个卫星到任何一个接收机方向的单位向量相同)；b为2条未知基线向量在GNSS参考坐标系下的坐标值组成的3×2阶矩阵；f(B)为多路径误差，与B有关；ε为观测噪声组成的n×2阶矩阵；因此，t1时刻线性化的星际-站际双差模型为：
[0055] y1＝λa1+B1b1+f(B1)+ε1 (11)
[0056] t2时刻，有b1＝-b2，此时的星际-站际双差模型为：
[0057] y2＝λa2+B2b2+f(B2)+ε2 (12)
[0058] 而对于短基线，有a1＝a2＝a，B1＝B2＝B，且令b1＝b2＝b，所以t1，t2时刻的星际-站际双差模型为：
[0059] y1＝λa+Bb+f(B)+ε1 (13)
[0060] y2＝λa-Bb+f(B)+ε2 (14)
[0061] 步骤四：基线解算
[0062] 式(13)、(14)相减，ε1、ε2很小，可忽略，得：
[0063] y1-y2＝2Bb (15)
[0064] 对于矩阵B，B是列满秩的，BTB是可逆的，基线矩阵b可解得：
[0065]
[0066] 步骤五：姿态确定
[0067] 解得基线后，可通过Quest算法进行姿态确定，由于Quest算法是已有的算法，这里不做详细说明；通过Quest算法可得到平台相对参考坐标系的姿态。
[0068] 综上所述，本发明的算法流程如附图2所示。通过上述流程提出了一种基于旋转平台的GNSS多径误差消除定姿方法，本方法通过电机驱动平台旋转，利用对称基线多径误差相同的特点，选取转角相差180度(或180度奇数倍)的两个观测时刻的数据，解得消除多路径误差后的基线，进而进行姿态解算。该方法充分利用旋转平台的特性，除能消除多径误差外，还能避免模糊度解算、周跳检测与修复等难题，实现高精度的姿态确定。
