本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置及测量方法。
背景技术：
随着无人系统及智能装备的发展，姿态成为系统必不可少的测量参数，因此惯导系统被大量采用，用于测量系统的姿态参数。
惯性导航系统因为精度高(姿态精度小于1°)，被广泛用作姿态传感器，但由于惯导是以积分的形式计算得到姿态角度，因此姿态信息会随时间累积误差，导致误差越来越大，最终导致误差过大影响系统而姿态信息不可用，必须定时输入校准源进行定期校准，而很多应用条件下无法输入校准源，而且校准源也存在不可靠性。
gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球卫星导航系统)具有全天候、高精度、实时性、连续性等优点，随着单点定位、差分定位、rtk(real-time)等高精度定位反方法的研究，基于gnss信号的接收机也被用来进行测姿测向，但目前的测姿采用多接收机和单点定位的方式，要求天线间距大，但姿态测量结果精度低，成本高；而基于rtk的接收机目前最多支持双天线，仅能实现测向，无法测得三维姿态。
目前，实时的三维姿态测量系统中都采用惯导系统，如陀螺仪、加速度计等，而惯导存在两方面问题：一是价格昂贵，光纤陀螺动辄几十万上百万的成本；二是姿态飘移，陀螺仪与加速度计的误差会随着时间不断积累，无法消除。对于海上等长期无人值守设备，姿态、航向的角度漂移会随时间日积月累，性能不能满足使用要求，而给设备带来无法预测的风险。目前已有产品利用rtk(real-timekinematic，实时动态)载波差分技术来解算双天线基线矢量，得到基线的方位角和俯仰角，但无法得到三维姿态的横滚角。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置及测量方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置，包括3个双频天线、3路射频前端、3路中频采样单元、3路基带解算单元、2个rtk基线解算单元和1个姿态解算单元；
双频天线，被配置为用于接收gps/北斗导航卫星的l1/b1和l2/b2导航信号；
射频前端，被配置为用于对接收的导航信号进行低噪声放大和带通滤波处理，抑制带外干扰，通过混频模块进行混频得到中频信号；
中频处理单元，被配置为用于对中频信号进行采样，将中频信号转换为数字中频信号，并对导航信号进行跟踪，为基带解算做准备；
基带解算单元，被配置为用于对码相位和载波相位信息进行解调，得到伪距，经伪距解算得到位置和时间数据；
rtk基线解算单元，包括第一基线解算单元和第二基线解算单元；被配置为用于解算载波相位和载波整周模糊度，计算得到两个天线之间的基线矢量；
姿态解算单元，被配置为用于计算三个天线所构成的坐标系的方位角、俯仰角和横滚角，得到姿态角度。
此外，本发明还提到一种基于三天线的gnss姿态实时测量方法，该方法采用如上所述的一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置，具体包括如下步骤：
步骤1：三个双频天线同步接收gps/北斗导航卫星的l1/b1和l2/b2导航信号，经过低损馈线分三路传输给接收机的射频前端；
步骤2：三路射频前端分别对接收信号进行低噪声放大和带通滤波处理，抑制带外干扰，通过混频模块进行混频得到中频信号；
步骤3：中频处理单元对中频信号进行采样，将中频信号转换为数字中频信号，然后经中频处理单元中的锁相环pll和dll对伪随机码序列和载波分别进行锁频和锁相，得到码相位和载波相位信息，完成对导航信号的跟踪；
步骤4：基带解算单元对码相位和载波相位信息进行解调，得到伪距，经伪距解算得到位置和时间数据；
步骤5：rtk基线解算单元通过双频模型计算得出两路信号载波的整周模糊度，结合载波相位得到其中两个天线之间的基线矢量(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)；
步骤6：两个rtk基线解算单元将两个基线矢量信息发送给姿态解算单元，进行三维姿态角度的计算三维姿态角包括方位角yaw、俯仰角tilt和横滚角roll；计算公式如下：
yaw＝yaw1(1)；
tilt＝tilt1(2)；
其中，yaw1为第一基线解算单元输出基线(x1,y1,z1)的方位角1，tilt1为第一基线解算单元输出基线(x1,y1,z1)的俯仰角1；
其中x,y,z的计算过程如下：
设yaw2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的方位角2，tilt2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的俯仰角2，则计算公式如下：
设
其中：
其中，
x,y,z的表达式如下：
本发明所带来的有益技术效果：
本发明采用三天线的gnss接收机结构，通过测量3个天线接收到的gnss卫星信号的载波相位差值来获得天线所在平面的方位角、俯仰角和横滚角；由于卫星信号实时更新和解算，因此不存在误差累积的问题，并且能够实现高精度的实时姿态测量，集定位、测姿于一身；3个天线位置任意摆放，不受天线几何形状限制，相比单点定位等姿态测量系统，精度高，实时性好；相比双天线rtk接收机能够获得三维姿态角度。
本发明利用gnss信号进行位置、基线、姿态解算，系统可自动计算出方位角、俯仰角和横滚角，其中方位角精度为0.1°@1m，即方位角精度在1m的条件下，达到0.1°，俯仰角和横滚角为0.2°@1m。
附图说明
图1为一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置的结构示意图。
图2为方位角、俯仰角、横滚角定义示意图。
图3为向量投影、正交示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明的核心是姿态解算单元，该姿态解算算法不依赖于天线的几何构造，通过正交投影计算得到姿态角度，因此不需要天线连线矢量正交，三个天线的位置可以任意摆放，只要能构成三角形不共线即可。不妨设系统输出方位角为yaw，俯仰角为tilt，横滚角为roll，基线解算单元1输出基线(x1,y1,z1)的方位角1为yaw1＝θ1，基线解算单元1输出基线(x1,y1,z1)的俯仰角1为
yaw＝yaw1(1)；
tilt＝tilt1(2)；
其中x,y,z的计算过程如下：
设
其中x,y,z的计算过程如下：
设yaw2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的方位角2，tilt2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的俯仰角2，则计算公式如下：
设
其中：
其中，
x,y,z的表达式如下：
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
技术特征：
1.一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置，其特征在于：包括3个双频天线、3路射频前端、3路中频采样单元、3路基带解算单元、2个rtk基线解算单元和1个姿态解算单元；
双频天线，被配置为用于接收gps/北斗导航卫星的l1/b1和l2/b2导航信号；
射频前端，被配置为用于对接收的导航信号进行低噪声放大和带通滤波处理，抑制带外干扰，通过混频模块进行混频得到中频信号；
中频处理单元，被配置为用于对中频信号进行采样，将中频信号转换为数字中频信号，并对导航信号进行跟踪，为基带解算做准备；
基带解算单元，被配置为用于对码相位和载波相位信息进行解调，得到伪距，经伪距解算得到位置和时间数据；
rtk基线解算单元，包括第一基线解算单元和第二基线解算单元；被配置为用于解算载波相位和载波整周模糊度，计算得到两个天线之间的基线矢量；
姿态解算单元，被配置为用于计算三个天线所构成的坐标系的方位角、俯仰角和横滚角，得到姿态角度。
2.一种基于三天线的gnss姿态实时测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置，具体包括如下步骤：
步骤1：三个双频天线同步接收gps/北斗导航卫星的l1/b1和l2/b2导航信号，经过低损馈线分三路传输给接收机的射频前端；
步骤2：三路射频前端分别对接收信号进行低噪声放大和带通滤波处理，抑制带外干扰，通过混频模块进行混频得到中频信号；
步骤3：中频处理单元对中频信号进行采样，将中频信号转换为数字中频信号，然后经中频处理单元中的锁相环pll和dll对伪随机码序列和载波分别进行锁频和锁相，得到码相位和载波相位信息，完成对导航信号的跟踪；
步骤4：基带解算单元对码相位和载波相位信息进行解调，得到伪距，经伪距解算得到位置和时间数据；
步骤5：rtk基线解算单元通过双频模型计算得出两路信号载波的整周模糊度，结合载波相位得到其中两个天线之间的基线矢量(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)；
步骤6：两个rtk基线解算单元将两个基线矢量信息发送给姿态解算单元，进行三维姿态角度的计算三维姿态角包括方位角yaw、俯仰角tilt和横滚角roll；计算公式如下：
yaw＝yaw1(1)；
tilt＝tilt1(2)；
其中，yaw1为第一基线解算单元输出基线(x1,y1,z1)的方位角1，tilt1为第一基线解算单元输出基线(x1,y1,z1)的俯仰角1；
其中x,y,z的计算过程如下：
设yaw2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的方位角2，tilt2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的俯仰角2，则计算公式如下：
设
其中：
其中，
x,y,z的表达式如下：
技术总结
本发明公开了一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置及测量方法，属于测量测绘技术领域。本发明采用三天线的GNSS接收机结构，通过测量3个天线接收到的GNSS卫星信号的载波相位差值来获得天线所在平面的方位角、俯仰角和横滚角；由于卫星信号实时更新和解算，因此不存在误差累积的问题，并且能够实现高精度的实时姿态测量，集定位、测姿于一身；3个天线位置任意摆放，不受天线几何形状限制，相比单点定位等姿态测量系统，精度高，实时性好；相比双天线RTK接收机能够获得三维姿态角度；本发明利用GNSS信号进行位置、基线、姿态解算，系统可自动计算出方位角、俯仰角和横滚角。
技术研发人员：刘恩晓;许建华;杜会文;张超;王峰;向长波;刘德鹏
受保护的技术使用者：中电科仪器仪表有限公司
技术研发日：.11.28
技术公布日：.02.28
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