1、http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0453基于多变量约束的GNSS瞬时姿态确定方法陈佳佳1，2，袁洪2，徐颖2，袁超2，*，葛建2(1.宿迁学院信息工程学院，宿迁223800；2.中国科学院空天信息创新研究院，北京100094)摘要：传 统 的 直 接 定 姿 法 或 最 小 二 乘 法 依 赖 于 整 周 模 糊 度 的 成 功 固 定。当 卫 星 数 目 较 少或 存 在 干 扰 的 情 形 下，模 糊 度 固 定 成 功 率 会 大 大 降 低，进 而 导 致 定 姿 结 果 不 准 确。因 此，提 出 基 于多 变 量 约 束 的 姿 态 确
2、 定 方 法，所 提 方 法 将 整 周 模 糊 度 和 姿 态 确 定 视 作 联 合 问 题 进 行 解 算 且 对 基 线 长度 没 有 限 制。利 用 天 线 的 几 何 信 息 和 姿 态 矩 阵 的 正 交 特 性 对 观 测 模 型 进 行 多 变 量 约 束，能 够 有 效 提升 模 糊 度 固 定 成 功 率 并 实 现 瞬 时 定 姿。仿 真 结 果 表 明：即 使 在 信 号 观 测 精 度 非 常 低 的 场 景 下，所 提方 法 也 能 达到75.7%的 模 糊 度 固 定 成 功 率；即 使 只有4颗 卫 星，所 提 方 法 也 能 达到90%以 上 的 成 功率。
3、且在使用超短基线的前提下，所提方法能够达到0.93的定姿精度。关键词：全球卫星导航系统；多天线；最小二乘；整周模糊度；载波相位中图分类号：TN967.1文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）06-1394-08 载体精准姿态信息的获取是导航、制导和控制领 域 的 关 键 技 术 之 一。惯 性 导 航 系 统（inertialnavigationsystem，INS）常用于获取连续的姿态角信息 并且INS不 受 电 磁 信 号 的 干 扰 1。但 是 高 精 度INS的 价 格 非 常 昂 贵 且 误 差 会 随 着 时 间 累 积。因此，INS通 常 需 要 外 部 辅 助
4、信 息 的 校 正2。随 着 全球 卫 星 导 航 系 统（global navigation satellite system，GNSS）的 快 速 发 展，GNSS定 姿 技 术 以 其 低 成 本、无误差累积等特性得到了广泛的关注3-4。当前基于GNSS的姿态确定方法从整体上可以分为2类。第1类是将基线解算和姿态解算分2步进 行。例 如 先 分 别 对 多 个 基 线 使 用 无 约 束 的 最 小 二 乘模糊去相关调整（least-squaresambiguitydecorrelationadjustment，LAMBDA）方 法 进 行 整 周 模 糊 度 固 定 并求得基线向量的坐
5、标，随后使用多个基线向量进行载体姿态的计算5。常见的直接定姿法和最小二乘法 都 属 于 该 类 方 法6。第1类 方 法 相 对 简 单，在 整周 模 糊 度 正 确 固 定 的 前 提 下 能 够 获 得 较 为 精 准 的定姿结果。但是当卫星信号质量较差时（如用户位于 存 在 遮 挡 的 城 市 或 峡 谷 时），则 整 周 模 糊 度 的 成功率会大大降低。一旦模糊度固定失败，定姿精度会严重降低7。第2类 方 法 是 将 天 线 载 体 的 姿 态 角 信 息 和 整周 模 糊 度 都 作 为 未 知 量 进 行 联 合 求 解。通 过 天 线之 间 的 先 验 信 息 能 够 对 整
6、周 模 糊 度 求 解 过 程 进 行辅 助，进 而 提 升 整 周 模 糊 度 固 定 成 功 率8。该 类 方法将定姿和模糊度解算视作联合问题，即使在卫星质量较差的情况下，该类方法也通常能获得较为精准的定姿结果9。但该类方法对天线结构有着严格的要求，例如，为了保证整周模糊度的一致性，不同基线之间的长度差必须严格小于半个波长10。本 文 使 用 了 基 于 多 变 量 约 束 的 姿 态 确 定 方 法，其对基线的长度不存在严格的限定，具有更为广阔的 应 用 场 景。该 方 法 充 分 利 用 了 多 个 天 线 之 间 的几 何 关 系 及 姿 态 矩 阵 的 单 位 正 交 性对GNSS
7、姿 态模型进行多变量约束。相较于传统方法，该方法既能显著提升模糊度固定成功率，也不存在严格的天线构型限制。该方法添加了额外的约束信息，提升了观测模型的强度，因而在卫星信号质量较差的情收稿日期：2021-08-10；录用日期：2021-11-11；网络出版时间：2021-12-1508：48网络出版地址：瞬时姿态确定方法J.北京航空航天大学学报，2023，49（6）：1394-1401.CHEN J J，YUAN H，XU Y，et al.GNSS instantaneous attitude determination method based on multi-variable constraints J.Journal ofBeijing University of Aeronautics and Astronautics，2023，49（6）：1394-1401（in Chinese）.2023年6月 北京航空航天大学学报 June2023第49卷第6期 JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics Vol.49No.6
