用于基于具有确信完整性的GNSS载波相位测量结果来估计姿态和航向的系统和方法与流程

用于基于具有确信完整性的gnss载波相位测量结果来估计姿态和航向的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年9月10日提交的标题为“system and methods for estimating attitude and heading based on gnss carrier phase measurements with assured integrity”的美国临时申请序列第63/076,649号的权益，该临时申请据此以引用方式并入本文。
3.关于非美国赞助研究或开发的声明
4.产生该申请的项目已根据拨款协议第807097号从欧盟地平线2020研究和创新计划下的清洁天空2联合执行体获得资金。


背景技术：

5.低级混合惯性导航系统(例如，全球导航卫星系统(gnss)辅助姿态和航向参考系统(gpahrs))依赖于外部测量结果来在飞行/操作的静态或稳定阶段期间辅助航向。这些系统不能使用陀螺仪罗盘定向来估计航向，因此通常使用磁力计来提供航向估计。然而，使用磁力计是有问题的，因为磁力计易受环境条件的影响并且具有依赖于位置(不能在磁极附近使用)的有限性能。


技术实现要素：

6.在一个示例中，一种用于估计系统的姿态和航向的方法包括从一个或多个惯性传感器获得惯性测量结果和从通信地耦接到相应gnss天线的两个或更多个全球导航卫星系统(gnss)接收器获得原始载波相位测量结果。该方法进一步包括由原始载波相位测量结果确定载波相位双差(cdd)测量结果，并且基于统计滤波器预测状态来确定预测cdd值。该方法进一步包括基于cdd测量结果和预测cdd值来确定cdd测量残差和相应的方差，并且将具有gnss载波信号波长的
±
一半的极限的包裹函数应用于cdd测量残差以生成细化的cdd测量残差。该方法进一步包括验证细化的cdd测量残差方差以确定有效cdd测量结果，并且使用有效cdd测量结果和惯性测量结果来估计系统的姿态和航向。
7.在另一个示例中，一种系统包括被配置为捕获惯性测量结果的一个或多个惯性传感器。该系统进一步包括通信地耦接到第一gnss天线的第一全球导航卫星系统(gnss)接收器，其中第一gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号。该系统进一步包括通信地耦接到第二gnss天线的第二全球导航卫星系统(gnss)接收器，其中第二gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号。该系统进一步包括通信地耦接到存储器、一个或多个惯性传感器、第一gnss接收器和第二gnss接收器的至少一个处理器。该至少一个处理器被配置为从一个或多个惯性传感器获得惯性测量结果，并且从第一gnss接收器和第二gnss接收器获得原始载波相位测量结果。该至少一个处理器被进一步配置为由原始载波相位测量结果确定载波相位双差(cdd)测量结果，并且基于统计滤波器预测状态来确定预测cdd值。该至少一个处理器被进一步配置为基于cdd测量结果和预测cdd值来确定cdd测量残差和相应的方
差，并且将具有gnss载波信号波长的
±
一半的极限的包裹函数应用于cdd测量残差以生成细化的cdd测量残差。该至少一个处理器被进一步配置为验证细化的cdd测量残差以确定有效cdd测量结果，并且使用有效cdd测量结果和惯性测量结果来估计系统的姿态和航向。
8.在另一个示例中，一种系统包括被配置为捕获惯性测量结果的一个或多个惯性传感器。该系统进一步包括通信地耦接到第一gnss天线的第一全球导航卫星系统(gnss)接收器，其中第一gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号。该系统进一步包括通信地耦接到第二gnss天线的第二全球导航卫星系统(gnss)接收器，其中第二gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号。该系统进一步包括通信地耦接到存储器、一个或多个惯性传感器、第一gnss接收器和第二gnss接收器的至少一个处理器。该至少一个处理器被配置为从一个或多个惯性传感器获得惯性测量结果，并且从第一gnss接收器和第二gnss接收器获得原始载波相位测量结果。该至少一个处理器被进一步配置为由原始载波相位测量结果确定载波相位单差(csd)测量结果，并且基于csd测量结果来确定第一gnss接收器和第二gnss接收器之间的时钟偏差的估计。该至少一个处理器被进一步配置为基于统计滤波器预测状态来确定预测csd值，并且基于csd测量结果和预测csd值来确定csd测量残差和相应的方差。该至少一个处理器被进一步配置为将具有gnss载波信号波长的
±
一半的极限的包裹函数应用于csd测量残差以生成细化的csd测量残差。该至少一个处理器被进一步配置为验证细化的csd测量残差以确定有效csd测量结果，并且使用有效csd测量结果和惯性测量结果来估计系统的姿态和航向。
附图说明
9.应当理解，附图仅示出了一些实施方案，因此不应认为是限制范围，将使用附图以附加特征和细节来描述示例性实施方案，在附图中：
10.图1是示例性导航系统的框图；
11.图2是估计姿态和航向的示例性方法的流程图；并且
12.图3是估计姿态和航向的示例性方法的流程图。
13.根据惯例，所描述的各种特征未必按比例绘制，而是用于强调与示例实施方案相关的特定特征。
具体实施方式
14.在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示方式示出了特定的例示性实施方案。然而，应当理解可以利用其它实施方案，并且可以进行逻辑、机械和电气改变。此外，附图和说明书中呈现的方法不应被解释为限制可执行各个步骤的顺序。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
15.许多导航系统包括gnss天线，并且将gnss辅助信息与来自惯性传感器的导航信息混合/集成/杂化。然而，导航系统的航向通常不能使用单个gnss天线测量结果直接观测。即使是集成单个gnss天线测量结果和低级惯性传感器的导航系统也依赖于外部传感器测量结果来在飞行/操作的静态或稳定阶段期间辅助航向(例如，来自磁力计)。由于飞机通常包括多于一个gnss天线和板载接收器，因此可使用双天线gnss航向估计算法来代替磁力计。然而，双天线gnss航向算法使用载波相位测量结果来操作，其中需要估计整周模糊度，这已
被证明是困难的。此外，双天线gnss航向解决方案的完整性监测确信也是非常具有挑战性的。
16.本文所述的一些示例性系统和方法利用载波相位双差(cdd)测量结果来辅助混合(例如，ins/gnss)导航系统，并且针对cdd测量结果实现有效性测试以确信用于辅助混合导航系统的每个cdd测量结果的完整性。有效性测试包括确定cdd测量残差的方差是否低于阈值。在一些示例中，有效性测试被应用于每次测量结果更新。在其他示例中，有效性测试应用于第一迭代中，并且确定载波相位范围整周模糊度，并且通常以δ范围的形式表示的累积载波相位用于在接下来的迭代期间传播它们。在一些示例中，cdd测量结果也被去相关以实现顺序测量处理，这减少了计算负载。
17.本文所述的一些示例性系统和方法利用载波相位单差(csd)测量结果来辅助混合(例如，ins/gnss)导航系统。第一csd测量结果被提供给全局统计估计器，该全局统计估计器使用第一csd测量结果来估计gnss接收器之间的时钟偏差。全局统计估计器提供全局有效状态估计，并且不依赖于局部(就估计状态和真实状态而言)有效性约束。在一些示例中，全局统计估计器可为粒子滤波器或点质量滤波器。在其他具体实施中，可首先基于所有csd测量结果(例如，使用基于三角函数的平均算法)来识别gnss接收器之间的实际时钟偏差，然后可部署本地统计估计器(诸如扩展卡尔曼滤波器)以杂化所有可用的传感器测量结果并潜在地微调实际时钟偏差。在估计或识别gnss接收器之间的时钟偏差之后，系统和方法针对csd测量结果实现有效性测试以确信用于辅助混合导航系统的每个csd测量结果的完整性。有效性测试包括确定csd测量残差的方差是否低于阈值。在一些示例中，有效性测试被应用于每次测量结果更新。在其他示例中，在估计gnss接收器之间的时钟偏差之后在第一迭代中应用有效性测试，确定载波相位范围整周模糊度，并且通常以δ范围的形式表示的累积载波相位用于在接下来的迭代期间传播它们。
18.示例性系统和方法使得低级混合惯性导航系统即使在飞行/操作的静态或稳定阶段期间也能够以完整性且在没有磁力计或不需要整周模糊度分辨率的情况下估计姿态和航向。
19.图1示出了示例性导航系统100的框图。在图1所示的示例中，导航系统100包括导航计算机102、管理系统108、gnss天线110、112、gnss接收器114、116、惯性传感器118和其他传感器120。
20.在一些示例中，导航系统100被安装到载具上或结合到载具(例如，飞机、海船、航天器、汽车或其他类型的载具)中。在其他示例中，导航系统100位于可移动物体(例如，电话、个人电子器件、陆地勘测设备或能够从一个位置移动到另一个位置的其他物体)上或其一部分上。导航系统100被配置为从多个源获取导航信息。为了处理所获取的导航信息，导航系统100可包括导航计算机102，该导航计算机可包括至少一个处理器104和至少一个存储器106。
21.在一些示例中，导航系统100获取包括惯性运动信息的惯性测量结果。在图1所示的示例中，导航系统100包括测量和感测导航系统100的惯性运动的惯性传感器118。例如，导航系统100可以是惯性导航系统(ins)，其从惯性传感器118(诸如陀螺仪和加速度计)的组合接收原始惯性测量数据。另选地，惯性传感器118可以是向导航计算机102提供经处理的从惯性测量结果获取的惯性导航数据的ins。
22.在一些示例中，导航系统100可包括一个或多个其他传感器120以提供附加导航信息。一个或多个其他传感器120可包括竖直位置传感器(例如，高度计)、电光传感器、磁力计、气压传感器、速度计和/或其他类型的传感器。
23.在图1所示的示例中，导航系统100包括第一gnss天线110，该第一gnss天线通信地耦接到第一gnss接收器114并且被配置为将所接收的gnss信号提供给第一gnss接收器114。在图1所示的示例中，导航系统100还包括第二gnss天线112，该第二gnss天线通信地耦接到第二gnss接收器116并且被配置为将所接收的gnss信号提供给第二gnss接收器116。第一gnss天线110和第二gnss天线112以特定距离分隔开，该特定距离被称为基线。在一些示例中，第一gnss天线110和第二gnss天线112经由刚性体耦接在一起，以在操作期间降低基线的灵活性。
24.导航系统100任选地包括通信地耦接到任选的第三gnss接收器117的第三gnss天线113。第三gnss天线113、第一gnss天线110和第二gnss天线112以特定距离分隔开，该特定距离被称为基线。在一些示例中，第三gnss天线113和第一gnss天线110以及第二gnss天线112经由刚性体耦接在一起，以在操作期间降低基线的灵活性。在一些示例中，第三gnss天线113和第二gnss天线112经由刚性体耦接在一起，以在操作期间降低基线的灵活性。
25.在一些示例中，导航系统100从对于第一gnss天线110、第二gnss天线112和任选的第三gnss天线113可观测到的多个gnss卫星接收卫星信号。例如，在操作期间，gnss接收器114、116和任选的gnss接收器从当前可观测到的gnss卫星接收gnss卫星信号。如本文所用，gnss卫星可以是提供导航信号的卫星的任何组合。例如，gnss卫星可以是全球定位系统(gps)、全球导航卫星系统(globalnaya navigatsionnaya sputnikovaya sistema)(glonass)、伽利略(galileo)系统、罗盘(北斗(beidou))或形成gnss的一部分的另一卫星系统的一部分。gnss卫星可提供可用于导航目的的信息。导航计算机102和gnss接收器114、116以及任选的gnss接收器117可接收卫星信号并从信号中提取位置、速度和时间数据以获取伪距和/或原始载波相位测量结果。
26.可以使用软件、固件、硬件或它们的适当组合来实现导航系统100、管理系统108中或本文所述的其他系统和方法中使用的处理器104和/或其他计算设备。处理器104和其他计算设备可以由专门设计的专用集成电路(asic)或现场可编程门阵列(fpga)补充或并入其中。在一些示例中，处理器104和/或其他计算设备可通过附加收发器与导航系统100外部的其他计算设备进行通信，诸如与管理系统108相关联的计算设备或与由管理系统108控制的其他子系统相关联的计算设备。处理器104和其他计算设备还可包括软件程序、固件或其他计算机可读指令或与它们一起运行，以执行在本文所述的方法和系统中使用的各种处理任务、计算和控制功能。
27.本文所述的方法(诸如方法200)可由计算机可执行指令(例如，姿态和航向确定指令122)诸如程序模块或部件来实现，该计算机可执行指令由至少一个处理器诸如处理器104来执行。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、数据组件、数据结构、算法等。
28.用于执行本文所述方法的操作中所用的其他数据的各种过程任务、计算和生成的指令可以在软件、固件或其他计算机可读指令中实现。这些指令通常存储在适当的计算机程序产品上，这些计算机程序产品包括用于存储计算机可读指令或数据结构的计算机可读
介质。此类计算机可读介质可以是可以由通用或专用计算机或处理器或任何可编程逻辑设备访问的可用介质。例如，存储器106可以是能够存储计算机可读指令和/或数据结构的计算机可读介质的示例。另外，存储器106可以存储导航信息，诸如地图、地形数据库、磁场信息、路径数据和其他导航信息。
29.合适的计算机可读存储介质(诸如存储器106)可以包括例如非易失性存储器设备，包括半导体存储器设备，诸如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程rom(eeprom)、或闪存存储器设备；磁盘，诸如内部硬盘和可移动磁盘；光盘存储设备，诸如光盘(cd)、数字通用光盘(dvd)、蓝光盘；或可以用于以计算机可以执行指令或数据结构的形式携带或存储所期望的程序代码的任何其他介质。
30.在一些示例中，导航计算机102可使用统计滤波(例如，使用本地统计估计器(例如，扩展卡尔曼滤波器)、全局统计估计器(例如，粒子滤波器、点质量滤波器)或其他统计滤波技术)将通过gnss接收器114、116获取的测量结果与从惯性传感器118和其他传感器120获取的测量结果组合。当导航计算机102使用卡尔曼滤波器来组合测量结果时，导航计算机102可使用动态模型、导航系统100的控制输入以及从惯性传感器118、其他传感器120并且通过gnss接收器114、116和任选的gnss接收器117获取的多个顺序测量结果，以形成导航系统100的导航参数的估计，该估计优于从各个测量源中的任一个测量源获取的测量结果。
31.当实现卡尔曼滤波器时，导航计算机102(或与导航计算机102通信的其他计算系统)可执行预测步骤和更新(校正)步骤。在预测步骤中，导航计算机102可预测用于导航系统100的导航解决方案的状态估计和估计协方差。在更新/校正步骤中，导航计算机102可通过将卡尔曼增益应用于从测量源获取的测量结果来创建加权测量结果，并且将加权测量结果添加到预测步骤中计算的预测状态估计。此外，当执行更新步骤时，导航计算机102计算测量残差。为了计算测量残差，导航计算机102将观测到的测量结果与预测状态估计进行比较。虽然导航计算机102的计算已被描述为应用于卡尔曼滤波器，但应当理解，这是一个示例，并且该计算也可应用于扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器和其他统计滤波器。例如，可在对ins和gnss测量结果进行集成时应用扩展卡尔曼滤波器。
32.如上所述，当使用低级惯性传感器118时，导航系统100需要在飞行/操作的静态或稳定阶段期间从另一个源获得航向信息。在图1所示的示例中，导航计算机102被配置为利用由gnss天线110、112(和任选的gnss天线113，如果适用的话)通过gnss接收器114、116(和任选的gnss接收器117，如果适用的话)接收的原始载波相位测量结果，以便估计导航系统100的三个姿态和航向角中的两个姿态和航向角。如果gnss天线之间的基线与飞机/载具/对象的主体框架的x轴共线，则航向角和俯仰角是可直接观测的。
33.图2是确定用于计算有效并且确信用于确定姿态和航向的测量结果的完整性的导航系统(诸如，例如导航系统100)的姿态和航向的示例性方法200。上文相对于图1中的导航系统100所讨论的共同特征可包括与相对于方法200所讨论的那些特征类似的特征，反之亦然。
34.方法200包括从惯性传感器获得惯性测量结果(框201)。在一些示例中，惯性传感器包括一个或多个加速度计和一个或多个陀螺仪。
35.方法200包括从两个或更多个gnss接收器获得原始载波相位测量结果(框202)。在一些示例中，gnss接收器通信地耦接到由已知基线分隔开的相应gnss天线。
36.方法200进一步包括由原始载波相位测量结果确定载波相位双差(cdd)测量结果(框204)。在一些示例中，通过确定单差(其为来自相同卫星的两个天线测量结果之间的差值)，然后确定与所选卫星的定义对相关的单差的第二差值来获得cdd测量结果。使用cdd测量结果通常消除了估计两个gnss接收器之间的时钟偏差的需要，这在使用单差时是需要的。在一些示例中，基于具有单差测量残差的最小方差的特定卫星来选择每个相应定义的一对选定卫星中的至少一个卫星(主卫星)。在一些此类示例中，主卫星部署在每个cdd测量结果中以形成所有可能的第二差值(在视野中的卫星之间)。在一些此类示例中，通过应用具有gnss载波信号波长的
±
一半的极限的包裹函数来细化cdd测量残差。在一些此类示例中，选择具有(细化的)单差测量残差的最小方差的主卫星可以使得更多数量的cdd测量结果能够通过下文讨论的框212的有效性测试。
37.在第三gnss天线(或利用更多数量的gnss天线)和第三gnss接收器(或利用更多数量的gnss接收器)的情况下，可使用与所有gnss接收器中的两个接收器的一些或所有附加组合相关的cdd测量结果。例如，当使用三个gnss天线和接收器时，可使用第一和第二gnss天线以及gnss接收器、第一和第三gnss天线以及gnss接收器和/或第二和第三gnss天线以及gnss接收器来确定cdd测量结果。
38.方法200进一步包括基于预测状态确定预测cdd值(框206)。在一些示例中，预测cdd值由导航计算机确定(例如，使用扩展卡尔曼滤波器)。在此类示例中，用于确定预测cdd值的扩展卡尔曼滤波器的预测状态包括导航系统的位置、根据星历表、姿态和航向确定的卫星的位置、以及基于导航系统的先前状态的其他估计的cdd量(例如，gnss天线基线中的误差)。
39.方法200进一步包括基于cdd测量结果和预测cdd值确定cdd测量残差和相关方差(框208)。通过获取cdd测量结果与预测cdd值之间的差值来确定cdd测量残差。
40.由于测量残差预测所需的并且除了载波波长整周模糊度之外的所有状态的动态可利用显著低于载波信号波长的性能来很好地预测，因此可细化cdd测量残差。由于不能重建cdd测量残差的符号，因此方法200进一步包括以gnss载波信号波长的
±
一半的极限对cdd测量残差应用包裹函数(框210)。
41.为了确信cdd测量结果的完整性，方法200进一步包括验证细化的cdd测量残差(框212)。对于框212的有效性测试，假设导航系统将能够通过初始预测(例如，通过姿态对准算法和独立gnss航向算法、磁力计等)测量姿态和航向的变化，并且假设预测和测量的cdd误差两者都具有高斯分布。通过确定细化的cdd测量残差的协方差是否满足阈值来验证cdd测量残差。在一些示例中，使用所需的危险误导信息概率(phmi)值(这是特定应用的完整性要求)和独立采样率(isr)来确定阈值。phmi值和isr用于确定应用于cdd测量残差协方差的σ乘数。为了验证cdd测量残差，必须满足以下条件：
[0042][0043]
其中λ是gnss载波信号波长，并且是σ乘数，其被定义为：
[0044]
[0045]
其中q-1
为以下的求逆：
[0046][0047]
在一些示例中，相对于框212描述的有效性测试被应用于每次测量结果更新(例如，扩展卡尔曼滤波器测量结果更新)。在此类示例中，可使用基于伪距、原始载波相位和δ范围确定的原始载波相位测量结果或载波相位范围测量结果。
[0048]
使用针对每次测量结果更新的有效性测试可限制可用于确定导航系统的姿态和航向的cdd测量结果的数量。在一些示例中，上面讨论的有效性测试仅应用于第一迭代。在此类示例中，确定载波相位范围整周模糊度，并且通常以δ范围的形式表示的累积载波相位用于在后续迭代期间传播它们。由于有效性测试在此类示例中仅应用一次，因此可放宽阈值(例如，isr可被设置为1)并且可在姿态和航向的确定中使用更多cdd测量结果。
[0049]
由于卫星测量结果之间应用的第二差值，即使来自gnss接收器的载波相位测量结果不相关，cdd测量结果也彼此相关。该相关性防止在卡尔曼滤波器的滤波步骤中直接利用cdd测量结果的计算有效的顺序处理。为了克服该限制并利用顺序测量处理，第一可能选择是计算每个时刻(完全,例如，非对角线)cdd测量噪声协方差矩阵的求逆。然而，此类选择引入了由于需要在每个时刻进行协方差矩阵求逆计算而导致的额外计算复杂性。
[0050]
第二可能选择包括允许利用相关测量噪声进行顺序测量处理的计算有效的实现。在一些示例中，可以合理地很好地假设，对于具有较高高度的足够大的一组卫星测量结果，载波相位噪声统计几乎相同，并且方法200任选地包括cdd测量噪声协方差矩阵求逆(至多为与测量噪声统计量相关的缩放参数)的离线(并且可能计算密集型)预计算以及有效cdd测量结果的后续在线(并且计算成本低)去相关(框214)。在一些此类示例中，反映单差和双差之间的变换矩阵的协方差矩阵的预先计算/预先确定的因子化(至多为缩放)基于cholesky因子化、奇异值分解或其他矩阵分解。可针对视野中卫星的最大预期量来计算因子化矩阵，并且基于视野中卫星的当前数量来确定用于去相关的矩阵的特定部分(左上部分)。这样，仅需要预先计算和存储单个矩阵，并且该矩阵可用于视野中的任何数量的卫星。
[0051]
方法200进一步包括使用有效cdd测量结果和惯性测量结果来估计姿态和航向(框216)。在一些示例中，导航计算机(例如，实现卡尔曼滤波器的导航计算机)将cdd测量结果与来自惯性传感器的惯性测量结果集成/混合/杂化，以估计导航系统的姿态和航向。通过仅利用通过框212中的有效性测试的cdd测量结果，方法200不需要解析整周模糊度并且在姿态和航向的估计中使用的cdd测量结果的完整性得到确信。
[0052]
图3是确定用于计算有效并且确信用于确定姿态和航向的测量结果的完整性的导航系统(诸如，例如导航系统100)的姿态和航向的另一示例性方法300。上文相对于图1中的导航系统100所讨论的共同特征可包括与相对于方法300所讨论的那些特征类似的特征，反之亦然。
[0053]
方法300包括从惯性传感器获得惯性测量结果(框301)。在一些示例中，惯性传感器包括一个或多个加速度计和一个或多个陀螺仪。
[0054]
方法300包括从两个或更多个gnss接收器获得原始载波相位测量结果(框302)。在一些示例中，gnss接收器通信地耦接到由已知基线分隔开的相应gnss天线。
[0055]
方法300进一步包括由原始载波相位测量结果确定载波相位单差(csd)测量结果
(框304)。csd测量结果包括确定来自相同卫星的两个天线测量结果之间的差值。
[0056]
在第三gnss天线(或利用更多数量的gnss天线)和第三gnss接收器(或利用更多数量的gnss接收器)的情况下，可使用与所有gnss接收器中的两个接收器的一些或所有附加组合相关的csd测量结果。例如，当使用三个gnss天线和接收器时，可使用第一和第二gnss天线以及gnss接收器、第一和第三gnss天线以及gnss接收器和/或第二和第三gnss天线以及gnss接收器来确定csd测量结果。
[0057]
由于在方法300中使用csd测量结果而不是像方法200那样使用cdd测量结果，因此gnss接收器之间的时钟偏差不像方法200那样被消除。因此，方法300进一步包括基于csd测量结果来估计gnss接收器之间的时钟偏差(框305)。在一些示例中，使用全局统计估计器(例如，粒子滤波器)和第一csd测量结果来估计gnss接收器之间的时钟偏差。然后使用该全局统计估计器来杂化所有可用的传感器测量结果。在一些示例中，可首先基于所有csd测量结果(例如，使用基于三角函数的平均算法)来识别gnss接收器之间的时钟偏差，然后由本地统计估计器进行微调，该本地统计估计器也可被部署成杂化所有可用传感器测量结果。在一些示例中，在验证任何csd测量残差之前估计gnss接收器之间的时钟偏差，如下文相对于框306至312所述。在一些示例中，csd测量结果被提供给导航计算机(例如，实现全局统计估计器的导航计算机)，并且gnss接收器之间的时钟偏差在基于预测状态确定预测csd值之前进行估计，如下文相对于框306所述。
[0058]
方法300进一步包括基于预测状态确定预测csd值(框306)。在一些示例中，预测csd值由导航计算机使用全局统计估计器(例如，粒子滤波器)来确定。在此类示例中，用于确定预测csd值的全局统计估计器的预测状态包括导航系统的位置、根据星历表、姿态和航向确定的卫星的位置、以及基于导航系统的先前状态的其他估计的csd量(例如，gnss天线基线中的误差)。在一些示例中，使用在框305中确定的gnss接收器之间的估计时钟偏差来确定预测csd值，并且仅针对在用于估计gnss接收器之间的时钟偏差的第一csd测量结果之后对csd测量结果的后续迭代预测csd值。
[0059]
方法300进一步包括基于csd测量结果和预测csd值来确定csd测量残差和相关方差(框308)。csd测量残差通过获取csd测量结果与预测csd值之间的差值来确定。
[0060]
由于测量残差预测所需的并且除了载波波长整周模糊度和gnss接收器之间的时钟偏差(在框305中确定)之外的所有状态的动态可利用显著低于载波信号波长的性能来很好地预测，因此csd测量残差可被细化。由于不能重建csd测量残差的符号，因此方法300进一步包括以gnss载波信号波长的
±
一半的极限对csd测量残差应用包裹函数(框310)。
[0061]
为了确信csd测量结果的完整性，方法200进一步包括验证细化的csd测量残差(框312)。对于框312的有效性测试，假设导航系统将能够通过初始预测(例如，通过姿态对准算法和独立gnss航向算法、磁力计等)测量姿态和航向的变化，并且假设预测和测量的csd误差两者都具有高斯分布。通过确定细化的csd测量残差的协方差是否满足阈值来验证csd测量残差。在一些示例中，使用所需的危险误导信息概率(phmi)值(这是特定应用的完整性要求)和独立采样率(isr)来确定阈值。phmi值和isr用于确定应用于csd测量残余协方差的σ乘数。为了验证csd测量残差，必须满足以下条件：
[0062]
[0063]
其中λ是gnss载波信号波长，并且是σ乘数，其被定义为：
[0064][0065]
其中q-1
为以下的求逆：
[0066][0067]
在一些示例中，相对于框312描述的有效性测试被应用于每次测量结果更新(例如，粒子滤波器测量结果更新)。在此类示例中，可使用基于伪距、原始载波相位和δ范围确定的原始载波相位测量结果或载波相位范围测量结果。
[0068]
使用针对每次测量结果更新的有效性测试可限制可用于确定导航系统的姿态和航向的csd测量结果的数量。在一些示例中，上面讨论的有效性测试仅应用于第一迭代。在此类示例中，确定载波相位范围整周模糊度，并且通常以δ范围的形式表示的累积载波相位用于在后续迭代期间传播它们。由于有效性测试在此类示例中仅应用一次，因此可放宽阈值(例如，isr可被设置为1)并且可在姿态和航向的确定中使用更多csd测量结果。
[0069]
方法300进一步包括使用有效csd测量结果和惯性测量结果来估计姿态和航向(框314)。在一些示例中，全局统计估计器(例如，粒子滤波器)将csd测量结果与来自惯性传感器的惯性测量结果集成/混合/杂化，以估计导航系统的姿态和航向。
[0070]
通过应用包裹函数并且仅利用通过框312中的有效性测试的csd测量结果来估计姿态和航向，方法300不需要解析整周模糊度，并且在姿态和航向的估计中使用的csd测量结果的完整性得到确信。
[0071]
示例性实施方案
[0072]
实施例1包括一种用于估计系统的姿态和航向的方法，包括：从一个或多个惯性传感器获得惯性测量结果；从通信地耦接到相应gnss天线的两个或更多个全球导航卫星系统(gnss)接收器获得原始载波相位测量结果；由原始载波相位测量结果确定载波相位双差(cdd)测量结果；基于统计滤波器预测状态确定预测cdd值；基于cdd测量结果和预测cdd值确定cdd测量残差和相应的方差；将具有gnss载波信号波长的
±
一半的极限的包裹函数应用于cdd测量残差以生成细化的cdd测量残差；验证细化的cdd测量残差以确定有效cdd测量结果；以及使用有效cdd测量结果和惯性测量结果来估计系统的姿态和航向。
[0073]
实施例2包括根据实施例1所述的方法，进一步包括：使有效cdd测量结果去相关；并且其中使用有效cdd测量结果和惯性测量结果来估计系统的姿态和航向包括顺序地处理去相关的有效cdd测量结果。
[0074]
实施例3包括根据实施例2所述的方法，其中使有效cdd测量结果去相关包括向有效cdd测量结果应用至多为缩放参数的预先确定的因子化测量噪声协方差矩阵。
[0075]
实施例4包括根据实施例1至3中任一项所述的方法，其中验证细化的cdd测量残差以确定有效cdd测量结果包括将细化的cdd测量残差的协方差与阈值进行比较。
[0076]
实施例5包括根据实施例1至4中任一项所述的方法，其中验证细化的cdd测量残差以确定有效cdd测量结果被应用于每次测量结果更新。
[0077]
实施例6包括根据实施例1至4中任一项所述的方法，其中验证细化的cdd测量残差
以确定有效cdd测量结果仅应用于测量结果更新的第一迭代；并且其中该方法进一步包括确定载波相位范围整周模糊度，并且在测量结果更新的后续迭代期间使用累积载波相位来传播载波相位范围。
[0078]
实施例7包括一种系统，包括：一个或多个惯性传感器，该一个或多个惯性传感器被配置为捕获惯性测量结果；第一全球导航卫星系统(gnss)接收器，该第一gnss接收器通信地耦接到第一gnss天线，其中该第一gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号；第二gnss接收器，该第二gnss接收器通信地耦接到第二gnss天线，其中该第二gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号；和至少一个处理器，该至少一个处理器通信地耦接到存储器、一个或多个惯性传感器、第一gnss接收器和第二gnss接收器，其中该至少一个处理器被配置为：从一个或多个惯性传感器获得惯性测量结果；从第一gnss接收器和第二gnss接收器获得原始载波相位测量结果；由该原始载波相位测量结果确定载波相位双差(cdd)测量结果；基于统计滤波器预测状态确定预测cdd值；基于cdd测量结果和预测cdd值确定cdd测量残差和相应的方差；将具有gnss载波信号波长的
±
一半的极限的包裹函数应用于cdd测量残差以生成细化的cdd测量残差；验证细化的cdd测量残差以确定有效cdd测量结果；以及使用有效cdd测量结果和惯性测量结果来估计系统的姿态和航向。
[0079]
实施例8包括根据实施例7所述的系统，其中至少一个处理器被进一步配置为使有效cdd测量结果去相关；并且其中至少一个处理器被配置为使用有效cdd测量结果和惯性测量结果来估计系统的姿态和航向包括顺序地处理去相关的有效cdd测量结果。
[0080]
实施例9包括根据实施例8所述的系统，其中至少一个处理器被配置为通过向有效cdd测量结果应用至多为缩放参数的预先确定的因子化测量噪声协方差矩阵来使有效cdd测量结果去相关。
[0081]
实施例10包括根据实施例7至9中任一项所述的系统，其中至少一个处理器被配置为通过将细化的cdd测量残差的协方差与阈值进行比较来验证细化的cdd测量残差以确定有效cdd测量结果。
[0082]
实施例11包括根据实施例7至10中任一项所述的系统，其中至少一个处理器被配置为验证细化的cdd测量残差以确定每次测量结果更新的有效cdd测量结果。
[0083]
实施例12包括根据实施例7至10中任一项所述的系统，其中至少一个处理器被配置为验证细化的cdd测量残差，以通过仅针对测量结果更新的第一迭代来确定有效cdd测量结果；并且其中至少一个处理器被进一步配置为确定载波相位范围整周模糊度，并且在测量结果更新的后续迭代期间使用累积载波相位来传播载波相位范围。
[0084]
实施例13包括根据实施例7至12中任一项所述的系统，进一步包括通信地耦接到至少一个处理器的一个或多个传感器，其中该一个或多个传感器被配置为向至少一个处理器提供附加导航信息。
[0085]
实施例14包括根据实施例7至13中任一项所述的系统，其中该系统被安装到载具上或结合到载具中。
[0086]
实施例15包括根据实施例7至14中任一项所述的系统，进一步包括：通信地耦接到第三gnss天线的第三gnss接收器，其中该第三gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号，其中该第三gnss接收器通信地耦接到至少一个处理器；其中该至少一个处理器被进一步配置为：从第三gnss接收器获得原始载波相位测量结果；以及由从第三gnss接收器获得
的原始载波相位测量结果确定cdd测量结果。
[0087]
实施例16包括一种系统，包括：一个或多个惯性传感器，该一个或多个惯性传感器被配置为捕获惯性测量结果；第一全球导航卫星系统(gnss)接收器，该第一gnss接收器通信地耦接到第一gnss天线，其中该第一gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号；第二gnss接收器，该第二gnss接收器通信地耦接到第二gnss天线，其中该第二gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号；和至少一个处理器，该至少一个处理器通信地耦接到存储器、一个或多个惯性传感器、第一gnss接收器和第二gnss接收器，其中该至少一个处理器被配置为：从一个或多个惯性传感器获得惯性测量结果；从第一gnss接收器和第二gnss接收器获得原始载波相位测量结果；由该原始载波相位测量结果确定载波相位单差(csd)测量结果；基于csd测量结果来确定第一gnss接收器和第二gnss接收器之间的时钟偏差的估计；基于统计滤波器预测状态确定预测csd值；基于csd测量结果和预测csd值来确定csd测量残差和相应的方差；将具有gnss载波信号波长的
±
一半的极限的包裹函数应用于csd测量残差以生成细化的csd测量残差；验证细化的csd测量残差以确定有效csd测量结果；以及使用有效csd测量结果和惯性测量结果来估计系统的姿态和航向。
[0088]
实施例17包括根据实施例16所述的系统，其中至少一个处理器被配置为验证细化的csd测量残差，以通过将细化的csd测量残差的协方差与阈值进行比较来确定有效csd测量结果。
[0089]
实施例18包括根据实施例16至17中任一项所述的系统，其中至少一个处理器被配置为验证细化的csd测量残差以确定每次测量结果更新的有效csd测量结果。
[0090]
实施例19包括根据实施例16至17中任一项所述的系统，其中至少一个处理器被配置为验证细化的csd测量残差，以通过仅针对测量结果更新的第一迭代来确定有效csd测量结果；并且其中至少一个处理器被进一步配置为确定载波相位范围整周模糊度，并且在测量结果更新的后续迭代期间使用累积载波相位来传播载波相位范围。
[0091]
实施例20包括根据实施例16至19中任一项所述的系统，进一步包括：通信地耦接到第三gnss天线的第三gnss接收器，其中该第三gnss接收器被配置为从多个gnss卫星接收信号，其中该第三gnss接收器通信地耦接到至少一个处理器；其中至少一个处理器被进一步配置为：从第三gnss接收器获得原始载波相位测量结果；以及由从第三gnss接收器获得的原始载波相位测量结果确定cdd测量结果。
[0092]
尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到，经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施方案。因此，显而易见的是，本发明仅受权利要求书以及其等同物所限制。