CN117075166B - 一种船用卫星罗经艏向平滑方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种船用卫星罗经艏向平滑方法，包括在船舶轴向上安装两个卫星导航天线，卫星导航天线通过射频线缆连接卫星导航接收机，并实时输出载波相位观测量和星历数据给处理器；船舶测量纵轴安装陀螺仪和加速度计，二者实时数据传输给处理器；处理器利用星历数据计算卫星视向矢量，并对载波相位观测量进行差分处理，在完成整周模糊度估计后构建标准基线模型；处理器通过对观测噪声进行去相关处理和QR分解，构建递归基线模型；利用陀螺仪和加速度计数据，构建预测基线模型和联合递归基线模型；求解基线矢量，提取北分量和东分量，计算艏向。本发明能够改善卫星罗经艏向的锯齿状现象，实现角度平滑输出，计算量小，可在低成本处理器上实现。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，尤其是涉及一种船用卫星罗经艏向平滑方法。
背景技术
近年来，卫星罗经逐渐成为船舶测量纵轴轴向在水平面内的投影方向的重要导航设备。卫星罗经采用全球导航卫星系统的无线电信号解算船舶艏向，具有显著优点：相比于磁罗经，卫星罗经精度高且不受周围磁性物体的影响；相比于电罗经，卫星罗经无累计误差且无需人工校准和维护。船用卫星罗经的上述优点，使得卫星罗经在船舶导航中的地位日益凸显。
卫星罗经采用双天线安装于船舶测量纵轴轴向，双天线所连接的卫星导航接收机利用高精度的载波相位测量技术和差分技术，将双天线所确定的基线矢量进行准确估计，然后在地理坐标下将基线矢量转换成航向角和俯仰角，其中航向角为基线在水平面内的投影和地理经线的真北夹角，由于双天线所确定的基线矢量位于船舶测量纵轴轴向，即航向角等于船舶艏向。
目前，卫星罗经主要用于给自动操舵仪、雷达、海图仪、AIS(B)类船舶自动识别系统提供高精度的艏向数据，存在两个问题：（1）由于卫星导航接收机的原始输出速率较低，导致卫星罗经的输出速率较低，导致两次艏向测量存在显著的时间间隔；（2）卫星罗经多次连续测量得到船舶艏向，其测量结果随时间成锯齿状波动，艏向曲线不够平滑，不利于自动操舵仪等设备的效率提升。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中上述问题的不足之处，提出一种船用卫星罗经艏向平滑方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种船用卫星罗经艏向平滑方法，包括如下步骤：
步骤1：在船舶测量纵轴的轴向上安装两个卫星导航天线，标定两个卫星导航天线
的间距，记为基线长度；在船舶测量纵轴的轴向上安装一个陀螺仪和一个加速度计，陀螺
仪用于测量船舶的转动角度变化量，加速度计用于测量船舶的俯仰角，陀螺仪和加速度计
将实时数据传输给处理器；
步骤2：在船用卫星罗经电路系统中安装两个卫星导航接收机且分别与步骤（1）所述的两个卫星导航天线通过射频线缆相连；两个卫星导航接收机分别实时输出载波相位观测量和卫星星历数据给处理器；标定两个卫星导航接收机的载波相位测量精度；
步骤3：处理器以首先利用星历数据计算卫星视向矢量；然后将两个卫星导航接收机的载波相位观测量进行两次差分，得到双差载波相位观测矢量；
步骤4：处理器以双差载波相位观测矢量、卫星视向矢量、基线长度、载波相位测量精度为输入量，通过CLAMBDA算法完成双差载波相位观测矢量的整周模糊度估计，得到解模糊双差载波相位观测矢量；
步骤5：利用解模糊双差载波相位观测矢量、卫星视向矢量、载波相位测量精度，构
建标准基线模型，
其中，下标k表示所有观测向量和矩阵均属于第k个时刻；y表示解模糊双差载波相
位观测矢量；B为基线矢量b的系数矩阵，由卫星视向矢量所构建；v为y的观测噪声矢量，服
从高斯分布， ；为的协方差矩阵，由载波相位测量精度和协因数矩阵
确定；
步骤6：对标准基线模型的观测噪声进行去相关处理，对去相关处理后的方程进行
QR分解，得到递归基线模型，其中，是k时刻的递归观测矢量，是k时刻的
基线矢量的递归系数矩阵，是k时刻递归基线模型的等价观测噪声；
步骤7：若当前时刻为初始时刻， k=0，则计算初始时刻基线矢量的最小二乘估计
解，其中，是基线矢量在初始时刻的估计值，是初始时刻的基线矢量的递
归系数矩阵，是初始时刻的递归观测矢量，提取其中的东分量和北分量，计算航向
角，并通过加速度计测量俯仰角，然后执行步骤（3）；否则，进行步骤
（8）；
步骤8：利用上一时刻k-1的航向角，上一时刻和当前时刻k陀螺仪测量偏航角
的变化量，和当前时刻加速度计测量的俯仰角，计算当前时刻预测的基线矢量；
步骤9：用视作，其中为k-1时刻基线矢量的估计值，为k-1时刻的基
线矢量；利用步骤（8）所述的当前时刻预测的基线矢量构建新的观测值，构建方法
为，其中是k-1时刻的递归观测矢量，是k-1时刻的基线
矢量的递归系数矩阵，得到预测基线模型，其中，为预测基线模型的
等价观测矢量，为k时刻的基线矢量，为预测基线模型的等价观测噪声；
步骤10：将步骤（9）得到的预测基线模型乘以比例因子，使得噪声项服从正态分
布，得到附加基线模型；
步骤11：基于附加基线模型和递归基线模型，构建，，，得到联合标准基线模型；
步骤12：对联合标准基线模型进行QR分解，得到与递归基线模型矩阵结构相一致
的联合递归基线模型；
步骤13：计算当前时刻基线矢量的最小二乘估计解，提取其中的东分
量和北分量，计算航向角；
步骤14：用联合递归基线模型更新递归基线模型，分别对观测矢量和系数矩阵实
现赋值操作，，；
步骤15：重复步骤（3）至步骤（14）。
进一步的，所述步骤6中对标准基线模型的观测噪声进行去相关处理和对去相关处理后的方程进行QR分解，具体步骤如下：
步骤6.1：对协方差矩阵采用Cholesky分解，
（a）
其中为下三角矩阵；
步骤6.2：构造矩阵，标准基线模型两边同时乘以该构造矩阵，则得到
（b）
其中，，此时观测噪声服从标准正态分布，为
单位阵；
步骤6.3：对进行QR分解，得到
（c）
其中为正交方阵，其维度等于矩阵的行数，为上三角阵，其维度为3；
步骤6.4：令方阵视作和两部分，其中为前3行，其余部分为；
（d）
步骤6.5：令式（d）作用于式（b）的两边可得
（e）
，令，，则
（f）
由于式（c）为正交变换，其不会改变观测噪声的统计特性，所以依然保持标准
正态分布。
进一步的，所述比例因子根据场景确定，对于航海应用，取值区间为0.85~
0.89。
相对于现有技术，本发明所述的一种船用卫星罗经艏向平滑方法具有以下优势：
本发明利用陀螺仪测量两次艏向测量时间间隔的船舶艏向变化，并将此变化量融合到下一历元的艏向估计中，实现了陀螺仪数据、加速度计数据和卫星导航数据的紧耦合；
本发明所述算法可以递归实现；
本发明所述算法计算量较小，复杂度低，适用于单片机等低成本处理器。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的一种船用卫星罗经艏向平滑方法所用设备的结构示意图；
图2为本发明提供的一种船用卫星罗经艏向平滑方法的流程图；
图3为不采用平滑方法的卫星罗经锯齿状艏向输出示意图；
图4为采用本发明的平滑方法的平滑效果示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-2所示，本发明提供了一种船用卫星罗经艏向平滑方法，包括如下步骤：
步骤1：在船舶测量纵轴的轴向上安装两个卫星导航天线，标定两个卫星导航天线
的间距，记为基线长度；在船舶测量纵轴的轴向上安装一个陀螺仪和一个加速度计，陀螺
仪用于测量船舶的转动角度变化量，加速度计用于测量船舶的俯仰角，陀螺仪和加速度计
将实时数据传输给处理器；
步骤2：在船用卫星罗经电路系统中安装两个卫星导航接收机且分别与步骤（1）所述的两个卫星导航天线通过射频线缆相连；两个卫星导航接收机分别实时输出载波相位观测量和卫星星历数据给处理器；标定两个卫星导航接收机的载波相位测量精度；
步骤3：处理器以首先利用星历数据计算卫星视向矢量；然后将两个卫星导航接收机的载波相位观测量进行两次差分，得到双差载波相位观测矢量；
步骤4：处理器以双差载波相位观测矢量、卫星视向矢量、基线长度、载波相位测量精度为输入量，通过CLAMBDA算法完成双差载波相位观测矢量的整周模糊度估计，得到解模糊双差载波相位观测矢量；
步骤5：利用解模糊双差载波相位观测矢量、卫星视向矢量、载波相位测量精度，构
建标准基线模型，
其中，下标k表示所有观测向量和矩阵均属于第k个时刻；y表示解模糊双差载波相
位观测矢量；B为基线矢量b的系数矩阵，由卫星视向矢量所构建；v为y的观测噪声矢量，服
从高斯分布， ；为的协方差矩阵，由载波相位测量精度和协因数矩阵
确定；
步骤6：对标准基线模型的观测噪声进行去相关处理，对去相关处理后的方程进行
QR分解，得到递归基线模型，其中，是k时刻的递归观测矢量，是k时刻的
基线矢量的递归系数矩阵，是k时刻递归基线模型的等价观测噪声；
具体的，步骤6.1：对步骤（5）所述的协方差矩阵采用Cholesky分解，即
（b.1）
其中为下三角矩阵，
步骤6.2：构造矩阵，式（a）两边同时乘以该构造矩阵，则得到
（b.2）
其中，此时观测噪声 服从标准正态分布，为
单位阵。
步骤6.3：对进行QR分解，可以得到
（b.3）
其中为正交方阵，其维度等于矩阵的行数，为上三角阵，其维度为3。
步骤6.4：令方阵视作和两部分，其中为前3行，其余部分为；
（b.4）
步骤6.5：令式（b.4）作用于式（b.2）的两边可得
（b.5）
即，令，，即
（b.6）
由于式（b.3）为正交变换，其不会改变观测噪声的统计特性，所以依然保持标
准正态分布。
步骤7：若当前时刻为初始时刻， k=0，则计算初始时刻基线矢量的最小二乘估计
解，其中，是基线矢量在初始时刻的估计值，是初始时刻的基线矢量的递
归系数矩阵，是初始时刻的递归观测矢量，提取其中的东分量和北分量，计算航向
角，并通过加速度计测量俯仰角，然后执行步骤（3）；否则，进行步骤
（8）；
步骤8：利用上一时刻k-1的航向角，上一时刻和当前时刻k陀螺仪测量偏航角
的变化量，和当前时刻加速度计测量的俯仰角，计算当前时刻预测的基线矢量；
步骤9：用视作，其中为k-1时刻基线矢量的估计值，为k-1时刻的基
线矢量；利用步骤（8）所述的当前时刻预测的基线矢量构建新的观测值，构建方法
为，其中是k-1时刻的递归观测矢量，是k-1时刻的基线
矢量的递归系数矩阵，得到预测基线模型，其中，为预测基线模型的
等价观测矢量，为k时刻的基线矢量，为预测基线模型的等价观测噪声；
步骤10：将步骤（9）得到的预测基线模型乘以比例因子，使得噪声项服从正态分
布，得到附加基线模型；
具体的，比例因子根据场景确定，对于航海应用，取值区间为0.85~0.89，具体
结合船舶的大小进行微调，船体越小，数值越低。
步骤11：基于附加基线模型和递归基线模型，构建，，，得到联合标准基线模型；
步骤12：对联合标准基线模型进行QR分解，得到与递归基线模型矩阵结构相一致
的联合递归基线模型；
步骤13：计算当前时刻基线矢量的最小二乘估计解，提取其中的东分
量和北分量，计算航向角；
步骤14：用联合递归基线模型更新递归基线模型，分别对观测矢量和系数矩阵实
现赋值操作，，；
步骤15：重复步骤（3）至步骤（14）。
图3为卫星罗经未采用任何平滑算法，直接利用步骤（5）所述的标准基线模型得到的静态基线的艏向结果，可以看到输出的值随时间呈现锯齿状，图4为卫星罗经采用本发明所述的步骤得到的真实船体行驶过程中的艏向平滑效果示意图。通过对比我们能够看出，本发明的方法能够改善卫星罗经艏向的锯齿状现象，实现角度平滑输出。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种船用卫星罗经艏向平滑方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在船舶测量纵轴的轴向上安装两个卫星导航天线，标定两个卫星导航天线的间距，记为基线长度；在船舶测量纵轴的轴向上安装一个陀螺仪和一个加速度计，陀螺仪用于测量船舶的转动角度变化量，加速度计用于测量船舶的俯仰角，陀螺仪和加速度计将实时数据传输给处理器；
步骤2：在船用卫星罗经电路系统中安装两个卫星导航接收机且分别与步骤（1）所述的两个卫星导航天线通过射频线缆相连；两个卫星导航接收机分别实时输出载波相位观测量和卫星星历数据给处理器；标定两个卫星导航接收机的载波相位测量精度；
步骤3：处理器以首先利用星历数据计算卫星视向矢量；然后将两个卫星导航接收机的载波相位观测量进行两次差分，得到双差载波相位观测矢量；
步骤4：处理器以双差载波相位观测矢量、卫星视向矢量、基线长度、载波相位测量精度为输入量，通过CLAMBDA算法完成双差载波相位观测矢量的整周模糊度估计，得到解模糊双差载波相位观测矢量；
步骤5：利用解模糊双差载波相位观测矢量、卫星视向矢量、载波相位测量精度，构建标准基线模型，
其中，下标k表示所有观测向量和矩阵均属于第k个时刻；y表示解模糊双差载波相位观测矢量；B为基线矢量b的系数矩阵，由卫星视向矢量所构建；v为y的观测噪声矢量，服从高斯分布，；为的协方差矩阵，由载波相位测量精度和协因数矩阵确定；
步骤6：对标准基线模型的观测噪声进行去相关处理，对去相关处理后的方程进行QR分解，得到递归基线模型，其中，是k时刻的递归观测矢量，是k时刻的基线矢量的递归系数矩阵，是k时刻递归基线模型的等价观测噪声；
步骤7：若当前时刻为初始时刻，k=0，则计算初始时刻基线矢量的最小二乘估计解，其中，是基线矢量在初始时刻的估计值，是初始时刻的基线矢量的递归系数矩阵，是初始时刻的递归观测矢量，提取其中的东分量和北分量，计算航向角，并通过加速度计测量俯仰角，然后执行步骤（3）；否则，进行步骤（8）；
步骤8：利用上一时刻k-1的航向角，上一时刻和当前时刻k陀螺仪测量偏航角的变化量，和当前时刻加速度计测量的俯仰角，计算当前时刻预测的基线矢量；
步骤9：用视作，其中为k-1时刻基线矢量的估计值，为k-1时刻的基线矢量；利用步骤（8）所述的当前时刻预测的基线矢量构建新的观测值，构建方法为，其中是k-1时刻的递归观测矢量，是k-1时刻的基线矢量的递归系数矩阵，得到预测基线模型，其中，为预测基线模型的等价观测矢量，为k时刻的基线矢量，为预测基线模型的等价观测噪声；
步骤10：将步骤（9）得到的预测基线模型乘以比例因子，使得噪声项服从正态分布，得到附加基线模型；
步骤11：基于附加基线模型和递归基线模型，构建，，，得到联合标准基线模型；
步骤12：对联合标准基线模型进行QR分解，得到与递归基线模型矩阵结构相一致的联合递归基线模型；
步骤13：计算当前时刻基线矢量的最小二乘估计解，提取其中的东分量和北分量，计算航向角；
步骤14：用联合递归基线模型更新递归基线模型，分别对观测矢量和系数矩阵实现赋值操作，，；
步骤15：重复步骤（3）至步骤（14）。
2.根据权利要求1所述的一种船用卫星罗经艏向平滑方法，其特征在于：所述步骤6中对标准基线模型的观测噪声进行去相关处理和对去相关处理后的方程进行QR分解，具体步骤如下：
步骤6.1：对协方差矩阵采用Cholesky分解，
（a）
其中为下三角矩阵；
步骤6.2：构造矩阵，标准基线模型两边同时乘以该构造矩阵，则得到
（b）
其中，，此时观测噪声服从标准正态分布，为单位阵；
步骤6.3：对进行QR分解，得到
（c）
其中为正交方阵，其维度等于矩阵的行数，为上三角阵，其维度为3；
步骤6.4：令方阵视作和两部分，其中为前3行，其余部分为；
（d）
步骤6.5：令式（d）作用于式（b）的两边可得
（e）
，令，，则
（f）
由于式（c）为正交变换，其不会改变观测噪声的统计特性，所以依然保持标准正态分布。
3.根据权利要求1所述的一种船用卫星罗经艏向平滑方法，其特征在于：所述比例因子根据场景确定，对于航海应用，取值区间为0.85~0.89。
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