一种单天线船舶姿态测量方法、装置及电子设备

技术领域

本发明涉及导航技术领域，尤其涉及一种单天线船舶姿态测量方法、装置及电子设备。

背景技术

载体姿态信息的准确获取在导航、制导、控制或目标追踪等领域都发挥着极其重要的作用。现如今，一般基于全球卫星导航系统GNSS进行姿态确定，其具有高精度、低成本、低功耗、误差不累积的优点，一般应用于机器人、无人机以及船舶等领域。

目前，许多传感器可以用于姿态检测，例如惯性测量单元、星敏感器、磁强针等。近年来，基于全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System）的测姿技术备受国内外学者的关注。姿态确定是GNSS应用的一个重要分支。相较于传统的惯性导航系统，GNSS定姿技术具有高精度、低成本、低功耗、误差不累积，无需实时校正和经常维护等优势，目前，在船舶领域，大多数GNSS测姿方法主要采用多天线，通过解算多组基线向量求解姿态信息，如载体偏航角、横滚角与俯仰角。

然而，在实际应用中，采用多天线测姿的该方法在某些特殊场景下存在一些弊端。特别是对于一些微小型系统，例如小型无人机、无人船和微型机器人等，存在一些弊端：1、受限于空间大小，多天线的安装难度大；2、若随着使用时间越来越长过长，其天线支架之间容易发生形变，导致基线向量发生改变，使得估算的角度存在较大偏差。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种单天线船舶姿态测量方法、装置及电子设备，能够实现使用单天线在空间受限的船舶上即可完成船舶实际姿态的测量的目的。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种单天线船舶姿态测量方法，包括：

在目标船舶的单天线GNSS系统中获取每一组卫星的载波相位观测值；

利用历元间载波相位差分算法对相邻历元的载波相位观测值求差，确定地心坐标系下的单天线TDCP测速模型；

基于所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，构建站心坐标系下的载体速度模型；

根据所述站心坐标系下的载体速度模型和目标船舶的重力加速度求解得到目标船舶的姿态信息。

在一些可能的实现方式中，所述利用历元间载波相位差分算法对相邻历元的载波相位观测值求差，确定地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，包括：

构建关于所述载波相位观测值的初始载波相位观测模型；

当卫星信号无周跳的情况时，基于TDCP算法对相邻历元的所述载波相位观测值求差以消除所述载波相位观测模型中的模糊度参数，并经过误差修正得到目标载波相位观测模型；

基于最小二乘算法解算所述目标载波相位观测模型，确定所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型。

在一些可能的实现方式中，所述初始载波相位观测模型表达式如下：

式中，

在一些可能的实现方式中，所述卫星间几何距离的表达式如下：

式中，

在一些可能的实现方式中，所述基于最小二乘算法解算所述目标载波相位观测模型，确实所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，包括：

当选出的卫星数大于卫星数量阀值时，根据最小二乘算法解算所述目标载波相位观测模型中的船舶位置变化向量；

根据所述船舶位置变化向量得到所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型。

在一些可能的实现方式中，所述基于所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，构建站心坐标系下的载体速度模型，包括：

将所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型通过旋转得到站心坐标系下的载体速度模型。

在一些可能的实现方式中，所述将所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型通过旋转得到站心坐标系下的载体速度模型，包括：

根据地心坐标系下的坐标得到球坐标系下的坐标；

根据需要旋转的角度得到旋转矩阵和转换矩阵；

根据所述球坐标系下的坐标、所述旋转矩阵和所述转换矩阵得到所述站心坐标系下的载体速度模型。

在一些可能的实现方式中，所述目标船舶的姿态信息包括伪航向角、伪俯仰角和伪横滚角；所述根据所述站心坐标系下的载体速度模型和目标船舶的重力加速度求解得到目标船舶的姿态信息，包括：

所述站心坐标系下的载体速度模型包括站心坐标系中东向分量的速度、北向分量的速度和垂向分量的速度，根据所述东向分量的速度和所述北向分量的速度得到所述目标船舶的伪航向角；

根据所述东向分量的速度、所述北向分量的速度和所述垂向分量的速度得到所述目标船舶的伪俯仰角；

根据所述东向分量的速度、所述北向分量的速度和所述垂向分量的速度确定东向分量的加速度、北向分量的加速度和垂向分量的加速度；

根据目标船舶的重力加速度和所述东向分量的加速度、北向分量的加速度和垂向分量的加速度得到所述目标船舶的伪横滚角。

另一方面，本发明还提供了一种单天线船舶姿态测量装置，包括：

载波相位获取单元，用于在目标船舶的单天线GNSS系统中获取每一组卫星的载波相位观测值；

单天线TDCP测速模型构建单元，利用历元间载波相位差分算法对相邻历元的载波相位观测值求差，确定地心坐标系下的单天线TDCP测速模型；

载体速度模型构建单元，用于基于所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，构建站心坐标系下的载体速度模型；

数据获取单元，用于根据所述站心坐标系下的载体速度模型和目标船舶的重力加速度求解得到目标船舶的姿态信息。

另一方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，其中，

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现上述任意一种实现方式中所述的一种单天线船舶姿态测量方法中的步骤。

采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的一种单天线船舶姿态测量方法，首先在单天线GNSS系统中获取每一组卫星的载波相位观测值，然后根据历元间载波相位差分算法对载波相位观测值求差，得到地心坐标系下的载体速度模型，进一步根据地心坐标系下的载体速度模型得到站心坐标系下的载体速度，最后根据目标船舶的载体速度模型和目标船舶的重力加速度得到目标船舶的姿态信息。本发明在空间受限的船舶上利用单天线采用历元间载波相位差分算法获取目标船舶的位置和速度，从而计算出目标船舶的姿态信息。

附图说明

图1为本发明提供的一种单天线船舶姿态测量方法的一实施例的方法流程图；

图2为本发明提供的一种单天线船舶姿态测量装置的一实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的电子设备的一个实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明提供的一种单天线船舶姿态测量方法的一个实施例流程示意图，如图1所示，其包括：

S101、在目标船舶的单天线GNSS系统中获取每一组卫星的载波相位观测值；

S102、利用历元间载波相位差分算法对相邻历元的载波相位观测值求差，确定地心坐标系下的单天线TDCP测速模型；

S103、基于所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，构建站心坐标系下的载体速度模型；

S104、根据所述站心坐标系下的载体速度模型和目标船舶的重力加速度求解得到目标船舶的姿态信息。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种单天线船舶姿态测量方法，首先在单天线GNSS系统中获取每一组卫星的载波相位观测值，然后根据历元间载波相位差分算法对载波相位观测值求差，得到地心坐标系下的载体速度模型，进一步根据地心坐标系下的载体速度模型得到站心坐标系下的载体速度，最后根据目标船舶的载体速度模型和目标船舶的重力加速度得到目标船舶的姿态信息。本发明在空间受限的船舶上利用单天线采用历元间载波相位差分算法获取目标船舶的位置和速度，从而计算出目标船舶的姿态信息。

需要说明的是，在步骤S101中，GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统），单天线GNSS系统可以是单GNSS系统，也可以是多GNSS系统。

需要说明的是，上述实施例中的天线GNSS系统中的卫星可以是但不限定于包括GPS（Global Positioning System）卫星、BDS（BeiDou Navigation Satellite System）卫星、Galileo卫星、GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）卫星。

需要说明的是，TDCP（Time Differenced Carrier Phase，历元间载波相位差分算法），相较于基于位置序列的直接差分法，TDCP 避免了整周模糊度解算的问题，历元差分后显著削弱了电离层、对流层的影响，可以有效提高速度估算精度，进而更好地估计出船舶的运动姿态。在本发明的一些实施例中，在步骤S102中，所述利用历元间载波相位差分算法对相邻历元的载波相位观测值求差，确定地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，包括：

构建关于所述载波相位观测值的初始载波相位观测模型；

当卫星信号无周跳的情况时，基于TDCP算法对相邻历元的所述载波相位观测值求差以消除所述载波相位观测模型中的模糊度参数，并经过误差修正得到目标载波相位观测模型；

基于最小二乘算法解算所述目标载波相位观测模型，确定所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型。

可以理解的是，上述实施例中的卫星信号可以是GPS卫星、BDS卫星、Galileo卫星、GLONASS卫星任意一种接收的信号。

在本发明的具体实施例中，首先根据接船舶上GNSS系统接收机在t时刻接收卫星s观测数据中的载波相位观测值，建立初始载波相位观测模型。在本发明的一些实施例中，所述初始载波相位观测模型表达式如下：

式中，

需要说明的是，整周模糊度又称整周未知数，是在全球定位系统技术的载波相位测量时，载波相位与基准相位之间相位差的首观测值所对应的整周未知数，GNSS中的硬件延迟是指不同类型的导航信号在卫星和船舶上GNSS系统接收机端不同通道产生的时间延迟不一致；相对论效应改正表示相对论效应对电磁波传播、时间系统和坐标系统等影响的改正；对流层延迟是GNSS卫星信号传输过程中的重要误差源,一般采用模型法或参数估计法进行改正；电离层延迟亦称电离层折射误差，是由电离层效应引起的观测值误差。

在本发明的一些实施例中，

时刻所述卫星间几何距离的表达式如下：

式中，

需要说明的是，卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁，计数器无法连续计数，当信号重新被跟踪后，使整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的，这种现象称为周跳。当卫星信号无周跳的情况时，基于TDCP算法对相邻历元的所述载波相位观测值求差以消除所述载波相位观测模型中的模糊度参数，即：

式中，

式中，

则目标载波相位观测模型可以表示为：

进一步，目标载波相位观测模型可简化为：

其中，

在本发明的一些实施例中，所述基于最小二乘算法解算所述目标载波相位观测模型，确实所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，包括：

当选出的卫星数大于卫星数量阀值时，根据最小二乘算法解算所述目标载波相位观测模型中的船舶位置变化向量；

根据所述船舶位置变化向量得到所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型。

在本发明的具体实施例中，当卫星数量阀值为4时，即当观测的卫星数s大于4时，就可利用最小二乘法进行求解船舶位置变化向量

其中，Q表示卫星高度角权阵，X、D、L的矩阵表示为：

TDCP利用船舶相对位置变化量求得载体相邻两个历元间的速度，即所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型：

其中，

在本发明的一些实施例中，所述基于所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，构建站心坐标系下的载体速度模型，包括：

将所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型通过旋转得到站心坐标系下的载体速度模型。

在本发明的一些实施例中，所述将所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型通过旋转得到站心坐标系下的载体速度模型，包括：

根据地心坐标系下的坐标得到球坐标系下的坐标；

根据需要旋转的角度得到旋转矩阵和转换矩阵；

根据所述球坐标系下的坐标、所述旋转矩阵和所述转换矩阵得到所述站心坐标系下的载体速度模型。

在本发明的一些实施例中，把船舶点归算到以地球平均半径为半径的球面上，由于坐标平移不会影响速度矢量的分向量，所以我们仅考虑坐标轴旋转。

地心坐标用(X，Y，Z)表示，球坐标用(

站心坐标系先绕Z轴顺时针转

另一方面，我们要求水平速度要归算到平均半径的球面上，所以船舶北、东速度分向量还要乘以一个比例系数，即第二站心坐标系速度公式：

在第一站心坐标系速度公式和第二站心坐标系速度公式中，(

/>

式中

上式即为由地心坐标系中的速度分向量到球面站心坐标系中速度分向量的转换公式。

在本发明的一些实施例中，所述目标船舶的姿态信息包括伪航向角、伪俯仰角和伪横滚角；所述根据所述站心坐标系下的载体速度模型和目标船舶的重力加速度求解得到目标船舶的姿态信息，包括：

所述站心坐标系下的载体速度模型包括站心坐标系中东向分量的速度、北向分量的速度和垂向分量的速度，根据所述东向分量的速度和所述北向分量的速度得到所述目标船舶的伪航向角；

根据所述东向分量的速度、所述北向分量的速度和所述垂向分量的速度得到所述目标船舶的伪俯仰角；

根据所述东向分量的速度、所述北向分量的速度和所述垂向分量的速度确定东向分量的加速度、北向分量的加速度和垂向分量的加速度；

根据目标船舶的重力加速度和所述东向分量的加速度、北向分量的加速度和垂向分量的加速度得到所述目标船舶的伪横滚角。

在本发明的具体实施例中，单天线测姿算法的主要思想是通过船舶上GNSS系统接收机获取船舶的速度信息，基于加速度计算出载体的伪姿态角。伪姿态反映的是关于速度矢量轴线的姿态信息，更具有反应姿态的实际应用价值。本发明根据所得的速度对船舶偏航角、横滚角与俯仰角进行求解，具体方法如下：

进一步，对站心坐标系下的速度向量

进一步，定义伪航向角以北偏东为正。可由GNSS天线的东向和北向速度得到目标船舶的伪航向角

/>

进一步，通过加速度和站心坐标系下的速度向量

首先将地心坐标系下目标船舶的重力加速度a分解为目标船舶单天线TDCP测速模型速度V的切线方向和法线方向分量，并将目标船舶的重力加速度切向方向和法向方向表示为

进一步，把站心坐标系下目标船舶的重力加速度 g =［0，0，-g0］也沿目标船舶单天线TDCP测速模型速度V的切线方向和法线方向分解为

进一步，得到合成的加速度l的表达式:

l =

进一步，利用目标船舶的重力加速度g和目标船舶单天线TDCP测速模型速度V构造一个水平向量P，公式如下：

进一步，得到P和l的夹角为：

进一步，得到目标船舶的伪横滚角：

为了更好实施本发明实施例中的一种单天线船舶姿态测量方法，在一种单天线船舶姿态测量方法基础之上，对应的，如图2所示，本发明实施例还提供了一种单天线船舶姿态测量和装置，一种单天线船舶姿态测量装置200包括：

载波相位获取单元201，用于在目标船舶的单天线GNSS系统中获取每一组卫星的载波相位观测值；

单天线TDCP测速模型构建单元202，用于利用历元间载波相位差分算法对相邻历元的载波相位观测值求差，推导出单天线TDCP测速模型；

载体速度模型构建单元203，用于基于所述的单天线TDCP测速模型，构建站心坐标系下的载体速度模型；

数据获取单元204，用于根据所述站心坐标系下的载体速度模型和目标船舶的重力加速度求解得到目标船舶的姿态信息。

上述实施例提供的一种单天线船舶姿态测量装置200可实现上述一种单天线船舶姿态测量方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述一种单天线船舶姿态测量方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。

如图3所示，本发明还相应提供了一种电子设备300。该电子设备300包括处理器301、存储器302及显示器303。图3仅示出了电子设备300的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。

存储器302在一些实施例中可以是电子设备300的内部存储单元，例如电子设备300的硬盘或内存。存储器302在另一些实施例中也可以是电子设备300的外部存储设备，例如电子设备300上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card，SMC），安全数字（Secure Digital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。

进一步地，存储器302还可既包括电子设备300的内部储存单元也包括外部存储设备。存储器302用于存储安装电子设备300的应用软件及各类数据。

处理器301在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit，CPU），微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器302中存储的程序代码或处理数据，例如本发明中的一种单天线船舶姿态测量方法。

显示器303在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。显示器303用于显示在电子设备300的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备300的部件301-303通过系统总线相互通信。

在本发明的一些实施例中，当处理器301执行存储器302中的一种单天线船舶姿态测量程序时，可实现以下步骤：

在目标船舶的单天线GNSS系统中获取每一组卫星的载波相位观测值；

利用历元间载波相位差分算法对相邻历元的载波相位观测值求差，确定地心坐标系下的单天线TDCP测速模型；

基于所述地心坐标系下的单天线TDCP测速模型，构建站心坐标系下的载体速度模型；

根据所述站心坐标系下的载体速度模型和目标船舶的重力加速度求解得到目标船舶的姿态信息。

应当理解的是：处理器301在执行存储器302中的一种单天线船舶姿态测量程序时，除了上面的功能之外，还可实现其它功能，具体可参见前面相应方法实施例的描述。

进一步地，本发明实施例对提及的电子设备300的类型不做具体限定，电子设备300可以为手机、平板电脑、个人数字助理(personaldigital assistant，PDA)、可穿戴设备、膝上型计算机(laptop)等便携式电子设备。便携式电子设备的示例性实施例包括但不限于搭载IOS、android、microsoft或者其他操作系统的便携式电子设备。上述便携式电子设备也可以是其他便携式电子设备，诸如具有触敏表面(例如触控面板)的膝上型计算机(laptop)等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，电子设备300也可以不是便携式电子设备，而是具有触敏表面(例如触控面板)的台式计算机。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。