CN106443744A - Gnss双天线姿态的标定和校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS双天线姿态的标定和校准方法，包括：步骤1，获取观测数据；步骤2，GNSS双天线姿态偏角的标定，本步骤进一步包括：利用惯导提供的偏航角、俯仰角和横滚角构建DCM矩阵利用GNSS双天线提供的航向角和俯仰角，构建DCM矩阵求GNSS双天线和惯导间的角度相对关系矩阵；根据角度相对关系矩阵反求GNSS双天线和惯导间的航向角和俯仰角的差异，获得差异序列；对所求的航向角和俯仰角的差异序列分别求平均，即得航向偏角和俯仰偏角的标定值。本发明实现了捷联惯性导航系统与GNSS双天线在同一平台完成安装的状态下，对误差角进行标定，对数据进行校正，大大简化了标定过程，降低了操作难度。

Description

GNSS双天线姿态的标定和校准方法

技术领域

本发明属于测绘、导航、制导与控制技术领域，尤其涉及一种GNSS双天线姿态的标定和校准方法。

背景技术

惯性导航系统(后文简称为“惯导”)可以测量载体的位置、姿态以及速度，其优点在于具有良好的短期精度，不受外界环境影响，不足是导航精度随着观测时间发散。GNSS卫星导航具有长期精度稳定，导航误差不随时间发散等优点，缺点在于GNSS观测信号易受环境干扰和遮挡。将二者结合起来组成GNSS/INS组合导航系统，取长补短，既可以保证短期精度与长期精度，又大大增强了系统的抗干扰能力。

高精度GNSS/INS定位定姿定向系统，可以提供高精度三维位置、速度和姿态，在开阔天空环境下，动态观测可达厘米级定位精度，结合高精度惯导设备，即使GNSS信号失锁一分钟，在后处理模式下，仍然可以将位置精度控制在1dm以内。目前，在无人机测图、车载移动测绘以及水上测绘领域，都在大范围使用组合导航系统。

实际使用中，惯导的精度等级千差万别，有售价高昂精度非常高的激光惯导，也有价格便宜精度较低的MEMS惯导。发挥低等级精度惯导的最优性能，从而降低组合导航系统成本，无论从市场推广还是科学研究的角度来看，都具有重大的实际使用价值。

组合导航系统中，当处于直线运动时，系统在航向上没有可观测量，将会导致航向精度随着时间发散，这种发散对于低等级惯导更为致命。实验表明，在系统中增加双天线观测，可以起到很好的辅助作用。

实际使用双天线时，必须处理好双天线的标定问题，否则，新引入的误差将会导致设备无法发挥应用的性能甚至损害导航精度。图1所示为双天线和航向与惯导航向间的几何关系。

现阶段惯性测量单元与双GNSS天线航向之间的偏角标定大多采用光学手段进行，即利用光学手段分别对惯导航向及双天线航向进行标定，并由航向差得到惯导航向和双天线航向间的偏角。然而，GNSS天线相位中心位于仪器内部，难以准确确定双天线的轴线，由于惯导结构限制，也难以直接测量惯导的航向，实际中，很难测量双天线和INS设备间的航向角关系。而且每当设备拆卸重装后，都需要对设备进行再次标定，操作较为复杂，难以简单快速的完成标定需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单快捷精准的GNSS双天线姿态的标定和校准方法。

本发明充分利用GNSS双天线提供的航向角和俯仰角，结合GNSS/INS设备在未使用航向辅助时解算的姿态，通过DCM矩阵变换，求取GNSS双天线和惯导间的姿态差异。现阶段GNSS双天线辅助中，对于GNSS双天线数据校正的不严谨，没有考虑横滚角带来的误差，当载体存在横滚角时，GNSS双天线和惯导间的航向差异随着载体运动而变化。如，载体水平放置时，二者的航向差异为惯导轴线与GNSS双天线轴线角度差异；当横滚角等于90度时，二者在航向上重合，不存在差异。所以，数据使用中，不能单一的以航向差异评定，还必须考虑到横滚角带来的影响。

本发明的技术方案如下：

一、GNSS双天线姿态的标定方法，包括：

步骤1，获取观测数据，所述的观测数据包括GNSS双天线和惯导的姿态；

步骤2，GNSS双天线姿态偏角的标定，本步骤进一步包括：

利用惯导提供的偏航角、俯仰角和横滚角构建DCM矩阵

利用GNSS双天线提供的航向角和俯仰角，令横滚角为零，构建DCM矩阵

求GNSS双天线和惯导间的角度相对关系矩阵 表示的转置矩阵；

根据反求GNSS双天线和惯导间的航向角和俯仰角的差异，获得差异序列；

对所求的航向角和俯仰角的差异序列分别求平均，即得航向偏角和俯仰偏角的标定值。

进一步的，观测数据为10分钟以上连续有效的观测数据，在开阔天空下获取。

二、GNSS双天线姿态的校准方法，包括：

利用权利要求1所获得的航向偏角和俯仰偏角的标定值构建DCM矩阵

利用DCM矩阵将惯导姿态转换到与GNSS双天线航向一致的方向上；

令GNSS双天线的横滚角为转换后惯导的横滚角，结合GNSS双天线提供的航向角和俯仰角，构造完整的DCM矩阵

将DCM矩阵的转置矩阵和DCM矩阵相乘，得DCM矩阵

利用DCM矩阵反求GNSS双天线的航向角，即校准后的GNSS双天线航向角。

本发明用于惯性导航系统与GNSS双天线航向偏角的标定与校准，实现了捷联惯性导航系统与GNSS双天线在同一平台完成安装的状态下，对误差角进行标定，对数据进行校正，大大简化标定过程，降低操作难度。

本发明具有如下特点和有益效果：

(1)本发明无需使用全站仪等光学测量仪器，大大降低了标定的难度和成本。

(2)本发明操作简单快捷，仅需在开阔天空环境下观测10分钟即可完成标定。

(3)本发明考虑了横滚角的影响，提高了双天线校准的精准度。

附图说明

图1为GNSS双天线航向与惯导航向间的几何关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

为便于描述，下文中将“GNSS双天线”均简写为“双天线”。

步骤1，在开阔天空下，获取10分钟以上连续有效的观测数据，即标定数据。所述的观测数据包括双天线和惯导提供的姿态。

步骤2，双天线姿态偏角的标定。

首先，利用惯导提供的姿态，包括偏航角、俯仰角和横滚角，构建DCM矩阵利用双天线提供的航向角和俯仰角，令横滚角为零，构建DCM矩阵

DCM矩阵的形式见式(1)：

式(1)中，θ表示航向角，为俯仰角，φ为横滚角。

然后，将DCM矩阵的转置矩阵和DCM矩阵相乘，获得双天线和惯导间的角度相对关系矩阵

式(2)中，表示的转置矩阵。

接着，根据角度相对关系矩阵反求双天线和惯导间的航向角和俯仰角的差异，见式(3)：

式(3)中，θ、φ表示航向角、俯仰角、横滚角的差异，-π＜θ≤π，-π＜φ≤π；C₁₁、C₂₂、C₃₁、C₃₂、C₃₃为角度相对关系矩阵中元素。

最后，将所求的航向角和俯仰角的差异序列求平均，即航向偏角和俯仰偏角的标定值。

步骤3，双天线航向数据的校准。

本步骤最关键的一步的是，如何给双天线补充横滚角，以构建完整的DCM矩阵，从而消除横滚角缺失带来的转换误差。

首先，利用步骤2所获的姿态差异构建DCM矩阵DCM矩阵即转换矩阵，利用转换矩阵将惯导姿态转换到与双天线航向一致的方向上。这里，姿态差异即航向偏角和俯仰偏角的标定值。

然后，令双天线的横滚角为转换后惯导的横滚角，结合双天线提供的航向角和俯仰角，构造完整的DCM矩阵

接着，将转换矩阵的转置矩阵和DCM矩阵相乘，即将双天线航向角转换到与惯导一致的方向上：

最后，结合式(3)，利用求取双天线的航向角，从而得到校准后的双天线航向角，此时航向与惯导不存在系统差异。

Claims (3)

1.GNSS双天线姿态的标定方法，其特征是，包括：

步骤1，获取观测数据，所述的观测数据包括GNSS双天线和惯导的姿态；

步骤2，GNSS双天线姿态偏角的标定，本步骤进一步包括：

利用惯导提供的偏航角、俯仰角和横滚角构建DCM矩阵

利用GNSS双天线提供的航向角和俯仰角，令横滚角为零，构建DCM矩阵

求GNSS双天线和惯导间的角度相对关系矩阵 表示的转置矩阵；

根据反求GNSS双天线和惯导间的航向角和俯仰角的差异，获得差异序列；

对所求的航向角和俯仰角的差异序列分别求平均，即得航向偏角和俯仰偏角的标定值。

2.如权利要求1所述的GNSS双天线姿态标定方法，其特征是：

所述的观测数据为10分钟以上连续有效的观测数据，在开阔天空下获取。

3.GNSS双天线姿态的校准方法，其特征是，包括：

利用权利要求1所获得的航向偏角和俯仰偏角的标定值构建DCM矩阵

利用DCM矩阵将惯导姿态转换到与GNSS双天线航向一致的方向上；

令GNSS双天线的横滚角为转换后惯导的横滚角，结合GNSS双天线提供的航向角和俯仰角，构造完整的DCM矩阵

将DCM矩阵的转置矩阵和DCM矩阵相乘，得DCM矩阵利用DCM矩阵反求GNSS双天线的航向角，即校准后的GNSS双天线航向角。