一种低成本AHRS辅助GPS确定整周模糊度装置及方法

摘要

本发明公开一种低成本AHRS辅助GPS确定整周模糊度装置及方法，本装置由AHRS系统和GPS构成，其中AHRS由MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计和MEMS三轴磁力计构成，GPS模块由两个标准GPS天线和单频GPS接收机构成，所述MEMS三轴陀螺仪、MEMS三轴加速度计、MEMS三轴磁力计和单频GPS接收机与一个数据处理与控制单元相连，所述两个标准GPS天线与单频GPS接收机相连。同时本装置采用的卡尔曼滤波方法，对数据进行融合处理，在GPS出现周跳或其它异常情况时提供AHRS的姿态角输出，保证系统有效无间断运行，不会因为GPS系统失常而影响装备的可用性。

主权项

一种低成本AHRS辅助GPS确定整周模糊度的方法，采用的装置由AHRS系统和GPS模块构成，其中AHRS由MEMS三轴陀螺仪（12）MEMS三轴加速度计（11）和MEMS三轴磁力计（13）构成，GPS模块由两个标准GPS天线（14、15）和单频GPS接收机（16）构成，所述MEMS三轴陀螺仪（12）、MEMS三轴加速度计（11）、MEMS三轴磁力计（13）和单频GPS接收机（16）与一个数据处理与控制单元（17）相连，所述两个标准GPS天线（14、15）与单频GPS接收机（16）相连；该方法的操作步骤如下：（1）.GPS数据采集：单频GPS接收机（16）通过天线（14、15）采集卫星的L1载波信号，信号内容包括卫星星历、载波相位，然后该接收机对（16）星历进行处理，得出接收机（16）的在WGS‑84坐标系下的坐标；（2）.卡尔曼滤波：卡尔曼滤波初始的基线向量由AHRS确定的姿态角反算出来作为初始值，这样基线向量的初始值越接近真值，则可以缩短滤波时间，滤波方程如下：其中，为状态向量，，是预测的K+1时刻的状态向量，是k+1时刻的状态向量，系统噪声的方差矩阵为；为一步转移矩阵，，观测噪声的方差矩阵为，是K时刻系统的方差，是K时刻预测的K+1时刻的方差，是K+1时刻系统的方差，为单位矩阵，为双差载波相位观测量；其中，是k卫星和n卫星的载波相位的双差值；（7）其中，、、是接收机（16）到、卫星的单位向量双差值的三维分量；而，为接收机（16）到卫星的单位向量：（8）其中，、、为卫星在WGS‑84坐标系下的坐标；、、为接收机（16）在WGS‑84坐标系下的坐标；为载波的波长，长度为0.190293673；（3）.整周模糊度去相关：采用整数高斯变换法去相关，把整周模糊度的误差协方差矩阵进行上三角变换，然后确定整周模糊度的搜索空间；（4）.基线约束：通过增加约束找到正确的整周模糊度，由载波相位的双差观测原理得到：（9）式（9）中：为双差载波相位观测量，是中与对应的部分，为基线向量；为整周模糊度组合；为观测噪声；（10）、、是接收机到、卫星的单位向量双差值的三维分量；由式（9）可得基线矢量：（11）式（11）中：是中与对应的部分，是的转置矩阵，为基线向量；为整周模糊度组合，是载波相位的双差观测量，；可求出基线的长度：（12）式（12）中：为基线向量，是的转置矩阵；求出这个基线长度以后，可进行基线约束检验：（13）式（13）中：是解算出的基线长度，为事先测好的基线长度，为基线约束的门限值，可根据具体要求选取；在基线约束的过程中，剔除不满足基线约束的整周模糊度组合；（5）.姿态角约束: AHRS系统在GPS 对姿态角没有精确解出之前已经给出了载体的航向角及俯仰角，因此可继续对整周模糊度组合进行校验，从满足基线约束的多组备选值中，逐个求解载体航向及俯仰角，把不符合姿态角约束的剔除，假设基线的安装月载体的纵轴重合，那么可求出航向角及俯仰角：（14）（15）式（14、15）中：、、为基线在地理坐标系下的东北天三个方向的坐标；为航向角；为俯仰角；姿态约束检验：（16）（17）式（16、17）中：为AHRS解算出的载体航向角，为AHRS解算出的载体俯仰角，为姿态角约束的门限值，可根据具体要求选取；（6）.基线矢量结算，根据约束条件筛选出的整周模糊度求解基线向量，进而求出精确的载体姿态；    在求解出整周模糊度以后就可带入公式（11）得到载体在WGS‑84坐标系下的坐标，经过坐标转换矩阵，假设本系统基线的安装与载体的纵轴重合，则载体坐标系和地理坐标系重合：（19）得出基线在载体坐标系下的坐标；（7）.姿态解算，由上面根据式（19）解算出基线矢量，然后根据式（14）、（15）可求出基线在载体坐标系下的航向角和俯仰角。