GNSS定姿技術(shù)發(fā)展綜述

楊潔 王新龍 陳鼎 李群生

摘要：GNSS定姿技術(shù)是利用GNSS接收機(jī)接收到信號(hào)的載波相位來(lái)實(shí)現(xiàn)載體姿態(tài)的測(cè)量與確定，是GNSS應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域，具有低成本、高精度、無(wú)漂移、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展與研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，本文詳細(xì)闡述了GNSS的各種定姿方法，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)整周模糊度確定與周跳檢測(cè)與修復(fù)等進(jìn)行了深入分析。最后，展望了GNSS定姿技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：GNSS;姿態(tài)確定;整周模糊度;周跳檢測(cè)與修復(fù)

中圖分類號(hào)：TJ765.1;V249.32+8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2018）06-0016-10[SQ0]

0引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、授時(shí)、測(cè)地等各種領(lǐng)域，而利用GNSS信號(hào)對(duì)載體姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量是GNSS應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域[1]。GNSS定姿基于載波相位干涉測(cè)量原理，利用載波相位差分量測(cè)信息解算出基線矢量，并結(jié)合各天線的安裝關(guān)系，進(jìn)而確定出載體的姿態(tài)信息。GNSS定姿方法具有精度高、成本低、體積小、功耗低、無(wú)誤差積累等優(yōu)點(diǎn)，隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展，利用GNSS信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)載體姿態(tài)的測(cè)量越來(lái)越受到學(xué)者們的重視[2]。

可用于定姿的GNSS觀測(cè)量包括偽碼觀測(cè)量與載波相位觀測(cè)量?jī)煞N，精度較差的偽碼觀測(cè)量無(wú)法滿足精密定姿需求，因此GNSS定姿需要借助高精度的載波相位觀測(cè)量。利用GNSS確定姿態(tài)的構(gòu)想是在1976年由Spinney針對(duì)GPS提出的，該技術(shù)的關(guān)鍵在于載波相位的準(zhǔn)確測(cè)量和整周模糊度的正確解算[3]。GPS發(fā)展早期，由于接收機(jī)硬件動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性差、整周模糊度不能很好解決，從而限制了GNSS姿態(tài)測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用[4]。但隨著GNSS技術(shù)的不斷進(jìn)步，接收機(jī)對(duì)載波相位測(cè)量的精度和穩(wěn)定性越來(lái)越高，而且隨著各種快速整周模糊度解算方法和GNSS姿態(tài)確定算法的提出，GNSS定姿技術(shù)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。

國(guó)外在相關(guān)技術(shù)研究領(lǐng)域起步較早，1988年前蘇聯(lián)人Kruczynski進(jìn)行了首次實(shí)時(shí)姿態(tài)確定試驗(yàn)，同年美國(guó)Trimble公司研制的接收機(jī)在美海軍Yorktown號(hào)導(dǎo)彈巡洋艦上進(jìn)行了試驗(yàn)，首次驗(yàn)證了GPS能給低、中動(dòng)態(tài)運(yùn)載體提供姿態(tài)信息[5]。1990年德國(guó)攝影測(cè)量學(xué)家阿克曼教授在遙感飛機(jī)上架設(shè)3副以上的GPS微帶天線，測(cè)量得到姿態(tài)角精度為0.017°[6]。1993年RADCAL（RadarCalibration）衛(wèi)星搭載斯坦福大學(xué)Parkinson等人設(shè)計(jì)的四天線接收機(jī)首次使用GPS對(duì)空間飛行器姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，其數(shù)據(jù)經(jīng)地面處理后定姿精度達(dá)到0.3°[7]。1994年亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)在第66次航天飛行任務(wù)中釋放了一顆名為Crista-SPAS的衛(wèi)星，星上裝有經(jīng)過(guò)改造的Trimble公司的TANSVECTOR接收機(jī)，這是首次使用星載GPS接收機(jī)確定姿態(tài)[8]。目前已商業(yè)化的產(chǎn)品有Ashtech的3DF系統(tǒng)、Novatel的Beeline以及Trimble的TANSVECTOR和MS860等，精度能達(dá)到0.03°～0.5°（1σ）[9-10]。

而國(guó)內(nèi)對(duì)GNSS定姿系統(tǒng)的研究仍處于起步階段，一些學(xué)者和研究人員利用輸出載波測(cè)量信息的GPS接收板或整機(jī)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了定姿系統(tǒng)樣機(jī)。靳文瑞等人采用兩塊SuperStarⅡOEM（OriginalEquipmentManufacturer）板和一塊PC104板（主頻300MHz）搭建了GPS定姿系統(tǒng)，其中，單差算法解算得到航向角誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.1°，俯仰角誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.2°（基線長(zhǎng)度為2m）;雙差算法航向角誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.11°，俯仰角誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.23°（基線長(zhǎng)度為2.88m）[11]。王永泉等人則采用三塊NovAtel公司的單頻SuperStarⅡOEM板和研華的PCM-5825板、PC104板設(shè)計(jì)了一種GPS/GLONASS多天線姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)原理樣機(jī)，結(jié)果表明：在2m基線長(zhǎng)度下，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的偏航角、俯仰角和橫滾角的精度均達(dá)到了0.1°（1σ）[12]。胡國(guó)輝、范勝林等人采用Ashtech的GG24OEM板、PC/104586工控機(jī)等構(gòu)成高精度定姿系統(tǒng)，方位精度達(dá)到0.052°（RMS）[13-14]。王銀華等人針對(duì)靜態(tài)基線情況，利用自行編制的軟件對(duì)Ashtech的ADU2定姿接收機(jī)所采集的載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)果表明：利用1m基線觀測(cè)1h左右偏航角精度可達(dá)0.01°[15]。劉根友等人利用JAVAD雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行了靜基線定姿試驗(yàn)，并采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理方法，定姿誤差為偏航0.003°、俯仰0.007°、橫滾0.027°（航向基線38.636m）[16]。總體而言，國(guó)內(nèi)GNSS定姿技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距。

近年來(lái)，隨著GNSS定姿技術(shù)的不斷發(fā)展，利用GNSS信號(hào)進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量已經(jīng)成為當(dāng)前姿態(tài)測(cè)量的主要手段之一。基于此，本文對(duì)GNSS定姿方法、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)等問(wèn)題進(jìn)行了分析。

1GNSS定姿原理

GNSS定姿方法基于載波相位信號(hào)干涉測(cè)量原理，通過(guò)配置至少三個(gè)非共線接收天線，構(gòu)成至少兩條非共線基線矢量，利用載波相位差分量測(cè)信息確定各基線矢量在導(dǎo)航參考坐標(biāo)系下的指向，并結(jié)合各天線在載體坐標(biāo)系下的安裝關(guān)系，進(jìn)而確定出載體相對(duì)導(dǎo)航參考系的姿態(tài)[17]。

1.1載波相位干涉測(cè)量原理

2.1GNSS單歷元定姿方法

GNSS單歷元定姿方法就是根據(jù)單個(gè)歷元的多天線測(cè)量信息完成整周模糊度的實(shí)時(shí)解算進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單歷元實(shí)時(shí)姿態(tài)確定，其流程框圖如圖2所示。

定姿。但是該方法面臨的最大困難就是單歷元的可用觀測(cè)信息不足，當(dāng)只利用載波相位觀測(cè)信息時(shí)，整周模糊度和基線矢量的同時(shí)確定會(huì)使觀測(cè)方程面臨虧秩問(wèn)題，無(wú)法給出唯一解[21]。所以該方法需要利用更多的可用觀測(cè)信息才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的單歷元定姿，根據(jù)所用輔助信息的不同又可將單歷元定姿方法分為以下三類：

（1）利用偽碼觀測(cè)信息的單歷元定姿方法

利用偽碼觀測(cè)信息的單歷元定姿方法借助測(cè)量精度較差的偽碼觀測(cè)量（這里指粗碼）來(lái)解決觀測(cè)方程虧秩問(wèn)題，碼觀測(cè)量不含未知整周數(shù)問(wèn)題，所以它的加入不會(huì)帶來(lái)未知數(shù)的增加[22]。但碼觀測(cè)量的低精度會(huì)造成單歷元觀測(cè)方程可靠性下降，使得整周模糊度解算成功率不高，進(jìn)而造成定姿精度下降的后果。

（2）利用多頻信息的單歷元定姿方法

隨著擁有三個(gè)及以上載波頻率的GNSS逐漸成為新的發(fā)展趨勢(shì)，多頻觀測(cè)量的組合受到了更廣泛的關(guān)注。利用多頻信息的單歷元定姿方法借助多頻載波相位觀測(cè)量來(lái)增加觀測(cè)信息的冗余度，通過(guò)多頻載波相位測(cè)量值的線性組合可以組成波長(zhǎng)更長(zhǎng)的超寬巷、寬巷組合測(cè)量值，并結(jié)合碼測(cè)量值進(jìn)行逐級(jí)模糊度的確定，進(jìn)而完成單歷元定姿。這種方法在求解整周模糊度的過(guò)程中無(wú)需復(fù)雜的搜索過(guò)程，運(yùn)算流程簡(jiǎn)單，但是對(duì)觀測(cè)信息精度要求較高，否則求解成功率將大大降低，甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤的姿態(tài)導(dǎo)航信息[23]。另外多頻接收機(jī)的使用造成定姿成本增加也是一般用戶需要考慮的問(wèn)題。

（3）利用共線基線信息的單歷元定姿方法

利用共線基線信息的單歷元定姿方法需要將三天線共線配置成一條基線，通過(guò)這種方式可以提供更多的約束信息，用以簡(jiǎn)化整周模糊度的固定。每條基線向量不再單純由兩個(gè)天線構(gòu)成，通過(guò)合理配置共線三天線的相對(duì)位置，直接或間接構(gòu)造出長(zhǎng)度小于半個(gè)載波波長(zhǎng)的“短基線”，這樣便消除了“短基線”模糊度的影響[24-25]。通過(guò)共線長(zhǎng)短基線間的長(zhǎng)度關(guān)系可以確定出“長(zhǎng)基線”的模糊度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單歷元定姿?！岸袒€”可以消除模糊度影響，而“長(zhǎng)基線”受測(cè)量誤差的影響更小，定姿精度更高，這種方法融合長(zhǎng)短基線各自優(yōu)勢(shì)，通過(guò)長(zhǎng)短基線間的共線定長(zhǎng)約束實(shí)現(xiàn)快速定姿。但這種方法的缺點(diǎn)除了增加硬件成本、對(duì)共線安裝要求高之外，“短基線”矢量的確定受測(cè)量誤差影響較大，會(huì)導(dǎo)致“長(zhǎng)基線”模糊度確定成功率不高，進(jìn)而影響定姿精度。

單歷元定姿方法的最大優(yōu)勢(shì)就是不受周跳的影響，尤其適合動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定姿場(chǎng)合，但單歷元的整周模糊度求解成功率較低，可靠性難以保證，仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

2.2GNSS多歷元定姿方法

GNSS多歷元定姿方法就是根據(jù)多個(gè)歷元的多天線測(cè)量信息完成整周模糊度的解算并實(shí)現(xiàn)姿態(tài)確定，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

積分多普勒建立了載波鎖定后各歷元整周模糊度間的聯(lián)系，通過(guò)聯(lián)立多個(gè)歷元觀測(cè)方程，在增加觀測(cè)信息的同時(shí)并未引起待求解未知數(shù)的增加。這樣不僅可以解決單歷元載波相位觀測(cè)方程的虧秩問(wèn)題，而且與GNSS單歷元定姿方法相比，GNSS多歷元定姿方法只利用高精度的載波相位觀測(cè)量，觀測(cè)方程的魯棒性大大提高，解算得到的初始?xì)v元整周模糊度以及定姿結(jié)果也更加精確。

但是，GNSS多歷元定姿方法也有其不足之處，首先通過(guò)多個(gè)歷元的觀測(cè)信息才能確定初始?xì)v元時(shí)刻的整周模糊度，顯然無(wú)法滿足實(shí)時(shí)定姿要求。其次，上述理論是建立在積分多普勒計(jì)數(shù)值正確，即接收機(jī)對(duì)載波持續(xù)鎖定的基礎(chǔ)上，而實(shí)際應(yīng)用中，由于衛(wèi)星信號(hào)被暫時(shí)阻擋或外界干擾等因素，經(jīng)常引起衛(wèi)星跟蹤的暫時(shí)中斷，這時(shí)積分多普勒可能發(fā)生錯(cuò)誤，產(chǎn)生周跳現(xiàn)象。由于GNSS多歷元定姿算法需要借助周跳的檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)，而該技術(shù)本身就具有一定的挑戰(zhàn)性，這也就加劇了GNSS多歷元定姿算法的復(fù)雜性。

3GNSS定姿關(guān)鍵技術(shù)分析

不論是單歷元定姿方法還是多歷元定姿方法，當(dāng)利用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行姿態(tài)確定時(shí)，整周模糊度的求解都是其中的一個(gè)核心問(wèn)題，只有在整周模糊度準(zhǔn)確確定的前提下，載波相位觀測(cè)量的高精度才具有實(shí)際意義。此外，對(duì)于GNSS多歷元定姿方法來(lái)說(shuō)，周跳檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)是保證積分多普勒正確的前提，而只有積分多普勒正確計(jì)數(shù)才可以得到準(zhǔn)確的初始整周模糊度。因此，快速準(zhǔn)確地解算出整周模糊度是GNSS定姿中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，而周跳的檢測(cè)和修復(fù)是GNSS姿態(tài)確定中的另一重要環(huán)節(jié)。

3.1整周模糊度確定算法

整周模糊度的正確解算是利用載波相位觀測(cè)量實(shí)現(xiàn)GNSS精密定姿的保障，而整周模糊度解算的實(shí)時(shí)性又是制約GNSS實(shí)時(shí)定姿的關(guān)鍵，因此快速準(zhǔn)確的整周模糊度求解算法一直是研究的重點(diǎn)。目前，基于GNSS定姿應(yīng)用的整周模糊度求解算法主要有對(duì)模糊度空間進(jìn)行搜索的算法和基于多頻觀測(cè)線性組合的逐級(jí)模糊度確定算法兩類。

3.1.1對(duì)模糊度空間進(jìn)行搜索的算法

對(duì)模糊度空間進(jìn)行搜索的算法，其基本流程為：模糊度估計(jì)→模糊度搜索→模糊度固定，其數(shù)學(xué)本質(zhì)為帶有二次約束條件的整數(shù)最小二乘搜索[26]。整周模糊度解算的依據(jù)是載波相位差分方程，方程中模糊度和基線矢量均為未知參數(shù)，但模糊度具有整數(shù)特性，而基線矢量又有長(zhǎng)度、夾角等先驗(yàn)約束，因此對(duì)模糊度空間進(jìn)行搜索是解算整周模糊度的一種有效方法。不同的搜索算法主要聚焦如何減小模糊度搜索空間以提高搜索的實(shí)時(shí)性，其中，最小二乘降相關(guān)平差法LAMBDA（LeastSquaresAmbiguityDecorrelationAdjustment）對(duì)模糊度實(shí)時(shí)解算技術(shù)起到了革命性的影響，經(jīng)過(guò)不斷研究形成了較為完備的理論體系，現(xiàn)已成為模糊度解算的主要方法之一[27-31]。

LAMBDA算法基于整數(shù)高斯變換將模糊度重新參數(shù)化，并對(duì)原始模糊度協(xié)方差陣及搜索空間進(jìn)行變換，使得變換后的協(xié)方差陣接近對(duì)角化狀態(tài)，這樣置信橢球球形化可使模糊度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差變小，最后結(jié)合約束條件進(jìn)行最小二乘搜索。該算法可以實(shí)現(xiàn)模糊度的高效準(zhǔn)確搜索，是因?yàn)槠洳捎昧藢?duì)搜索空間同時(shí)進(jìn)行變換和分層的思想，從而極大地提高了變換后模糊度參數(shù)的搜索效率與成功率;并且由于高斯變換保持了正逆變化的整數(shù)性，當(dāng)確定了重新參數(shù)化后的模糊度待定值后，原始模糊度參數(shù)也會(huì)很容易得到。

LAMBDA算法已成為世界公認(rèn)的理論最嚴(yán)密、成功率最高的方法，并在實(shí)踐中形成了一個(gè)和CholeskyLDL分解相結(jié)合的搜索方法，具有較高的搜索效率和可靠性。但是，LAMBDA算法的成功率依賴于初始的模糊度浮點(diǎn)解，只能將高精度的浮點(diǎn)解準(zhǔn)確映射到整數(shù)解[32]。而只利用單個(gè)歷元的觀測(cè)信息很難得到高精度浮點(diǎn)解，因此該算法往往需要利用多個(gè)歷元的載波相位觀測(cè)信息才能獲得高精度浮點(diǎn)解，這將導(dǎo)致初始化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)定姿需求。

總體而言，對(duì)模糊度空間搜索的算法還有待進(jìn)一步發(fā)展和完善。模糊度估計(jì)和搜索環(huán)節(jié)可以利用其他輔助信息進(jìn)一步提高模糊度浮點(diǎn)解精度并加速模糊度搜索效率，其中如何發(fā)掘并充分利用各種約束條件以及如何融合其他導(dǎo)航方式得到的有效信息，是一個(gè)具有重要研究?jī)r(jià)值的問(wèn)題。而模糊度固定環(huán)節(jié)從理論上講還是一個(gè)尚未完全解決的問(wèn)題，由于無(wú)法對(duì)各種測(cè)量誤差進(jìn)行準(zhǔn)確建模，幾乎所有的模糊度求解算法都基于觀測(cè)無(wú)偏、觀測(cè)噪聲服從高斯分布的假設(shè)，通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)的方法進(jìn)行模糊度固定。這樣做顯然與實(shí)際測(cè)量誤差不符，會(huì)對(duì)模糊度固定造成不利影響。

3.1.2基于多頻觀測(cè)線性組合的逐級(jí)模糊度確定算法

逐級(jí)模糊度確定算法（CAR）基于寬巷測(cè)量值的整周模糊度比窄巷測(cè)量值更容易確定的事實(shí)，通過(guò)對(duì)多頻測(cè)量值進(jìn)行線性組合而產(chǎn)生一系列不同拍頻波長(zhǎng)的組合測(cè)量值，然后沿著從最寬巷到最窄巷組合的順序逐級(jí)求解出所有組合中的整周模糊度。這種算法無(wú)需搜索，計(jì)算簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)模糊度的單歷元解算。

逐級(jí)模糊度確定的思想起源于利用偽距的整周模糊度取整估算法，通過(guò)比較平滑偽距與載波相位觀測(cè)值的差別就可以獲得模糊度的實(shí)值估計(jì)[33]。但由于碼觀測(cè)誤差方差和載波相位觀測(cè)誤差方差相差懸殊，所以解算成功率很低。而雙頻觀測(cè)量的線性組合可以形成波長(zhǎng)更長(zhǎng)的寬巷組合測(cè)量值，這樣觀測(cè)方程殘差項(xiàng)對(duì)求解模糊度的影響就會(huì)相對(duì)減小，從而對(duì)寬巷組合的整周模糊度確定更為有利。其中，比較典型的算法是雙頻P碼偽距法，通過(guò)使用P碼先解算寬巷模糊度，然后求解L1和L2模糊度，實(shí)現(xiàn)單歷元解算模糊度[34]。當(dāng)然這種算法需要雙頻接收機(jī)通過(guò)交叉互相關(guān)技術(shù)提取調(diào)制在L1和L2載波上的P碼，同時(shí)恢復(fù)出純凈的載波，技術(shù)復(fù)雜性和成本相比于其他模糊度解算方法要高很多。

隨著三頻以上的GNSS成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，更多可用的載波頻率可以形成等效波長(zhǎng)更長(zhǎng)的頻率組合，將為快速可靠的模糊度解算提供更多機(jī)會(huì)。TCAR（ThreeCarrierAmbiguityResolution）法通過(guò)三頻載波信號(hào)的線性組合來(lái)逐級(jí)確定整周模糊度[35]。雖然可視為L(zhǎng)AMBDA算法的特殊情況，但無(wú)需復(fù)雜的搜索過(guò)程，求解速度快[36]。另外TCAR本身是一種幾何無(wú)關(guān)算法，具有幾何無(wú)關(guān)算法的諸多優(yōu)點(diǎn)：整周模糊度確定可與基線矢量求解分離，因而模糊度求解精度不受幾何誤差影響;求解方程有更多的自由度，因而更利于驗(yàn)證模糊度求解的正確性[37]。

逐級(jí)模糊度確定算法中每一步模糊度的求解成功率都會(huì)對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，而每步模糊度確定的成功率受組合相位觀測(cè)值的等效波長(zhǎng)和測(cè)量誤差比值大小的影響，比值越大模糊度解算成功率越高。但TCAR法的寬巷及基礎(chǔ)頻段的等效波長(zhǎng)與測(cè)量誤差比值較小，使得TCAR法對(duì)觀測(cè)信息精度要求較高，否則寬巷及基礎(chǔ)頻段的整周模糊度求解成功率將大大降低。

基于多頻載波相位觀測(cè)量的逐級(jí)模糊度確定算法是實(shí)現(xiàn)單歷元整周模糊度求解的有效途徑，這種方法不受幾何誤差影響，操作簡(jiǎn)單靈活。但該方法對(duì)載波相位測(cè)量精度要求高，實(shí)際解算中成功率較低，因而對(duì)該類算法的研究主要集中在如何提高算法可靠性的問(wèn)題上。隨著GNSS的不斷發(fā)展，載波跟蹤的誤差不斷減小，這種方法將會(huì)在GNSS單歷元實(shí)時(shí)定姿中發(fā)揮更重要的作用。

3.2周跳檢測(cè)與修復(fù)方法

周跳是指GNSS接收機(jī)對(duì)載波相位跟蹤不連續(xù)而使積分多普勒出現(xiàn)錯(cuò)誤的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，將產(chǎn)生周跳的原因分為三類：第一類是GNSS信號(hào)被障礙物遮擋而暫時(shí)中斷;第二類是由于接收機(jī)故障導(dǎo)致的不正確的信號(hào)處理，比如儀器線路的瞬間故障使本地信號(hào)無(wú)法和接收信號(hào)混頻產(chǎn)生差頻信號(hào)，或雖然產(chǎn)生了差頻信號(hào)但無(wú)法正確計(jì)數(shù);第三類是由于外界環(huán)境干擾使載波跟蹤環(huán)路無(wú)法鎖定信號(hào)而引起信號(hào)的暫時(shí)失鎖，比如惡劣的電離層狀況、強(qiáng)烈的多路徑干擾、載體的高速運(yùn)動(dòng)或較低的衛(wèi)星仰角[38]。

周跳會(huì)嚴(yán)重干擾整周模糊度固定和基線矢量求解，進(jìn)而影響姿態(tài)參數(shù)的解算精度。當(dāng)檢測(cè)出發(fā)生周跳時(shí)，可以采取兩種補(bǔ)救措施：一種是重新初始化;另一種就是周跳修復(fù)。顯然后者可以在周跳頻繁發(fā)生的情況下保持定姿的連續(xù)性，因此周跳檢測(cè)與修復(fù)是GNSS多歷元定姿的關(guān)鍵技術(shù)。

由于碼相位和多普勒頻移不存在周跳，將相同歷元的不同觀測(cè)值進(jìn)行組合可以構(gòu)造特定的虛擬觀測(cè)值，所以周跳檢測(cè)與修復(fù)的基本思想是借助GNSS接收機(jī)所提供的多種觀測(cè)信息間的相互關(guān)系來(lái)檢測(cè)出積分多普勒的異常情況并進(jìn)行修復(fù)。將滿足動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定姿需求的周跳檢測(cè)與修復(fù)方法根據(jù)所用觀測(cè)信息不同分為三類：第一類方法基于多普勒頻率測(cè)量信息;第二類方法只利用多頻載波相位信息;第三類方法基于單頻或多頻碼和載波相位信息，下面對(duì)每種方法的特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

3.2.1基于多普勒頻率測(cè)量信息的方法

基于多普勒頻率測(cè)量信息的周跳檢測(cè)與修復(fù)方法的基本思想是認(rèn)為多普勒頻率的測(cè)量不受周跳的影響，這樣就可以通過(guò)多普勒頻率來(lái)對(duì)載波相位的測(cè)量進(jìn)行預(yù)測(cè)[39]。這種方法不受鐘差和星站距離的影響，不僅可以檢測(cè)是否有周跳發(fā)生還可以直接確定發(fā)生周跳的數(shù)值用于修復(fù)。但是這種方法也有其局限性，首先其基于多普勒頻率的漂移為常值，即載體運(yùn)動(dòng)加速度為常值的假設(shè)，實(shí)際應(yīng)用環(huán)境不一定符合這種假設(shè)，此外這種方法只能用來(lái)檢測(cè)較大的周跳值，因此對(duì)周跳的修復(fù)不是很準(zhǔn)確。

3.2.2基于多頻載波相位觀測(cè)信息的方法

基于多頻載波相位觀測(cè)信息的周跳檢測(cè)與修復(fù)方法由于只利用多頻載波相位觀測(cè)信息，又被稱為無(wú)幾何相位組合法，其中比較有代表性的是電離層殘差法[40]。這種方法利用雙頻載波相位觀測(cè)信息構(gòu)建電離層殘差組合，該殘差組合在歷元間差分后主要與電離層活動(dòng)水平以及噪聲水平有關(guān)。由于只使用精度較高的載波相位觀測(cè)值，該組合測(cè)量值的噪聲很小，且不受鐘差項(xiàng)影響，可以實(shí)現(xiàn)小周跳的檢測(cè)與修復(fù)。這種方法同樣與衛(wèi)地幾何距離無(wú)關(guān)，可用于動(dòng)態(tài)、非差觀測(cè)值的周跳檢測(cè)。但是該方法也有其自身缺陷：一是在采樣間隔較大或電離層異?；钴S條件下，精度會(huì)受較大影響;二是由于雙頻觀測(cè)量存在不敏感周跳組合，當(dāng)兩頻率同時(shí)發(fā)生特殊周跳后，會(huì)出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象;三是無(wú)法確定單個(gè)載波頻率上的周跳值[41]。

隨著三頻衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，利用三頻載波相位觀測(cè)信息進(jìn)行周跳檢測(cè)與修復(fù)得到了更多的關(guān)注。這是因?yàn)槿l觀測(cè)量能形成具有更長(zhǎng)波長(zhǎng)、更小噪聲、更小電離層影響等優(yōu)良特性的組合觀測(cè)量，有利于提高周跳檢測(cè)與修復(fù)的精度[42]。然而由于基于三頻載波相位的組合觀測(cè)量只能形成兩個(gè)線性無(wú)關(guān)的無(wú)幾何相位組合觀測(cè)量，所以存在不敏感周跳組合的弊端無(wú)法消除，并且同樣無(wú)法確定單個(gè)載波頻率上的周跳值[43]。

3.2.3基于碼和載波相位觀測(cè)信息的方法

根據(jù)所用載波頻率數(shù)目的不同，基于碼和載波相位觀測(cè)信息的周跳檢測(cè)與修復(fù)方法又可分為單頻組合法、雙頻組合法和三頻組合法。

單頻碼/載波相位組合法通過(guò)單頻載波相位觀測(cè)值與偽距觀測(cè)值差分，不受星站距離的影響，簡(jiǎn)單易行，適用于動(dòng)態(tài)、非差數(shù)據(jù)的周跳檢測(cè)。但檢測(cè)能力與電離層活動(dòng)水平、多徑效應(yīng)和偽距噪聲水平關(guān)系較大，更適用于大周跳的檢測(cè)[44]。

雙頻碼/載波相位組合法中寬巷相位減窄巷偽距（M-W）組合法比較有代表性。M-W組合可以消除星站距離及電離層影響，僅受多路徑效應(yīng)和接收機(jī)噪聲影響，所以適用范圍廣，可用于動(dòng)態(tài)、非差觀測(cè)值的周跳檢測(cè)。同時(shí)，由于寬巷組合波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于原始觀測(cè)值，因而更有利于檢測(cè)周跳，并且可以檢測(cè)小周跳。但無(wú)法區(qū)分周跳發(fā)生的頻率，檢測(cè)和修復(fù)精度受偽距噪聲影響較大[45]。

三頻碼/載波相位組合法隨著三頻載波技術(shù)的發(fā)展逐漸成為研究的熱點(diǎn)，通過(guò)利用碼相位觀測(cè)信息，可以構(gòu)造三個(gè)線性無(wú)關(guān)的碼/載波相位組合觀測(cè)量，從而克服無(wú)幾何相位組合法存在不敏感周跳組合的弊端，并且可以確定單個(gè)載波頻率上的周跳值[46-47]。但該方法的周跳檢測(cè)和修復(fù)精度受數(shù)據(jù)采樣率和偽距觀測(cè)噪聲影響，如何能檢測(cè)并修復(fù)失鎖時(shí)間較長(zhǎng)的周跳需做進(jìn)一步研究[48]。

雖然單歷元定姿技術(shù)無(wú)需進(jìn)行周跳的檢測(cè)和修復(fù)工作，但GNSS姿態(tài)測(cè)量尚無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)單歷元模糊度解算，因此周跳的檢測(cè)與修復(fù)技術(shù)仍具有重要意義。幾何相位組合法只利用載波相位觀測(cè)信息，周跳檢測(cè)與修復(fù)的精度高;而碼/載波相位組合法不存在不敏感周跳組合，兩種方法的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是目前研究的熱點(diǎn)之一。

4GNSS定姿技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著GNSS定姿技術(shù)的不斷成熟，小型化、低成本、高精度、高可靠性和快速實(shí)時(shí)的GNSS定姿系統(tǒng)將會(huì)成為未來(lái)的發(fā)展方向。目前商品化的GPS定姿接收機(jī)已經(jīng)推向市場(chǎng)，相關(guān)技術(shù)的研究正如火如荼，GNSS作為一種新的包含定姿功能的全能導(dǎo)航敏感器，將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。可以預(yù)見(jiàn)GNSS定姿技術(shù)將具有以下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）GNSS觀測(cè)量的誤差進(jìn)一步降低。測(cè)量誤差是影響定姿精度的決定性因素，受到整個(gè)GNSS產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的限制，隨著GNSS系統(tǒng)的不斷完善，各類測(cè)量誤差將會(huì)不斷減小。隨著接收機(jī)、天線等關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，對(duì)各種誤差更加精確建模并予以補(bǔ)償，以及硬件制造水平的飛速發(fā)展，將會(huì)使GNSS觀測(cè)精度進(jìn)一步提高，使得GNSS單歷元定姿的精度和可靠性進(jìn)一步提升。

（2）GNSS定姿的完好性亟待深入研究。如果沒(méi)有性能可靠的GNSS完好性監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，那么GNSS只能處于輔助導(dǎo)航的地位，因此除定姿精度之外，GNSS定姿的完好性是備受關(guān)注的又一重大問(wèn)題[49-50]。而目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)GNSS完好性監(jiān)測(cè)和性能增強(qiáng)技術(shù)存在一些弱點(diǎn)和盲點(diǎn)問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，姿態(tài)測(cè)量結(jié)果經(jīng)常被不良衛(wèi)星信號(hào)影響，因此，GNSS定姿的完好性監(jiān)測(cè)十分必要?？梢灶A(yù)見(jiàn)，基于概率空間統(tǒng)一模型體系研究、系統(tǒng)完好性評(píng)估、在強(qiáng)干擾和惡劣環(huán)境條件下的多學(xué)科交叉的完好性研究將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展方向[51]。

（3）GNSS多系統(tǒng)兼容共用將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。隨著GPS的現(xiàn)代化、GLONASS的復(fù)興、北斗和Galileo的建成與完善以及各類增強(qiáng)系統(tǒng)和區(qū)域系統(tǒng)的補(bǔ)充，多星座衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的融合將會(huì)顯著改善單星座系統(tǒng)在可靠性、精度、完好性方面的不足。特別是多頻載波信號(hào)的復(fù)用將會(huì)使信息冗余度大大提高，推動(dòng)整周模糊度解算和周跳檢測(cè)與修復(fù)等GNSS定姿關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單歷元實(shí)時(shí)定姿。

（4）多源異質(zhì)信息的融合也將會(huì)進(jìn)一步提升GNSS的定姿性能。多源異質(zhì)信息的融合通過(guò)對(duì)不同來(lái)源數(shù)據(jù)的綜合處理，可以得到比單一數(shù)據(jù)來(lái)源更加全面和準(zhǔn)確的結(jié)果。隨著導(dǎo)航方式的不斷豐富與發(fā)展，多源異質(zhì)信息的融合將是導(dǎo)航領(lǐng)域永恒的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)與其他姿態(tài)傳感器測(cè)量信息的深度融合，將會(huì)對(duì)整周模糊度的快速準(zhǔn)確解算提供重要的輔助信息，并進(jìn)一步彌補(bǔ)GNSS定姿系統(tǒng)易受干擾和信息輸出率低的缺陷，提高GNSS定姿系統(tǒng)的定姿精度和可靠性。

（5）小型化、低成本的GNSS定姿設(shè)備將會(huì)受到市場(chǎng)青睞。近年來(lái)，能提供載波相位信息的GPSOEM板正快速發(fā)展，相較于專用定姿系統(tǒng)，低成本的OEM板適合構(gòu)建嵌入式定姿系統(tǒng)，方便靈活，可以滿足各類用戶不同需求。隨著硬件制造水平的不斷升級(jí)和系統(tǒng)算法的不斷改進(jìn)，價(jià)格低廉、配置靈活、信息輸出率高的GNSS精密定姿系統(tǒng)將會(huì)受到市場(chǎng)的青睞，成為重要的定姿產(chǎn)品。

5結(jié)束語(yǔ)

GNSS定姿技術(shù)具有低成本、高精度、無(wú)漂移、易于安裝等顯著優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于衛(wèi)星、航天器、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、船舶、汽車等高動(dòng)態(tài)載體，已成為載體姿態(tài)確定領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。整周模糊度的單歷元可靠解算是實(shí)現(xiàn)GNSS動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定姿的關(guān)鍵，而周跳的檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)是GNSS多歷元定姿的重要保障，這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相研究的焦點(diǎn)。隨著多頻GNSS系統(tǒng)的不斷發(fā)展和硬件制造水平的飛速提升，基于多模多頻的GNSS定姿技術(shù)將在精度、實(shí)時(shí)性與魯棒性等方面不斷改進(jìn)，其必將成為未來(lái)導(dǎo)航領(lǐng)域中一個(gè)重要的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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