基于北斗系統(tǒng)的三天線陣高精度定向方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及衛(wèi)星定位【技術領域】，公開了一種基于北斗系統(tǒng)的三天線陣高精度定向方法及系統(tǒng)，包括步驟：利用天線陣接收BDS信號，并將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號；根據(jù)所述數(shù)字信號得到BDS?RNSS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，同時測量載波相位信息；對所述載波相位信息進行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)；測量出天線陣之間的基線長度和俯仰角，并測量出天線之間的夾角，然后將測量結果再次進行迭代處理，計算出基線矢量的方位角；綜合計算并進行坐標轉換得到所需測量點的定向結果。本發(fā)明通過天線陣形成了完整、高精度的北斗系統(tǒng)導航定位的解算流程，實現(xiàn)了獨立于GPS技術的高精度導航定向定位技術。
【專利說明】基于北斗系統(tǒng)的三天線陣高精度定向方法及系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星定位【技術領域】，特別涉及基于北斗系統(tǒng)的三天線陣高精度定向方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)越來越廣泛而深入的應用，GPS應用領域已經(jīng)擴展到軍用民用的多個方面，為航空、航天、軍事、交通、運輸、資源勘探、通信、氣象等諸多領域提供導航定位、測速和授時的應用和服務。自20世紀90年代開始，隨著載波相位測量等技術的發(fā)展和應用，特別是GPS接收機硬件設備性能的提升、GPS高精度測量設備價格的下降和GPS快速定姿定向算法的研究和驗證，使得GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)在高精度測量領域得到了極大的發(fā)展，特別是快速的高精度定位定向、定姿領域。
[0003]在20世紀90年代，國內(nèi)就陸續(xù)開展了 GPS測姿定向方面的研究,但在定位定向精度，尤其是動態(tài)快速初始化等方面需要進一步提高。我國于2003年建成的“北斗一號”衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，后又開始建設“北斗二號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，兼具“北斗一號”(RDSS，RadioDetermination Satellite Service,衛(wèi)星無線電測定業(yè)務)和 RNSS (Radio NavigationSatellite System，衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng))功能的區(qū)域性高精度衛(wèi)星導航系統(tǒng)，最終將于2020年建成全球性的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
[0004]對于衛(wèi)星導航系統(tǒng)來說，快速高精度定位定向是系統(tǒng)有效性、可靠性和易用性的基礎。傳統(tǒng)的定向技術都是通過適當?shù)牟季职惭b在同一平面上且不在同一線上的3個GPS天線，采用載波相位差分測量，天線之間構成的基線向量能夠被精確地測定。目前北斗系統(tǒng)中的研究和應用基本都是通過購買兩個或三個及三個以上的GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)高精度零相位中心天線安裝固定到載體平臺上，利用兩套(可測兩維姿態(tài)-方位角Azimuth和俯仰角Pitch)或三套(可測三維姿態(tài)-方位角Azimuth、俯仰角Pitch和橫滾角Roll)國外廠家生產(chǎn)的GPS定制導航板卡(俗稱OEM板)配合定位定向處理器與顯控模塊組成GPS快速定位定向系統(tǒng)。系統(tǒng)的集成度低、可靠性不強、實用性弱，不能規(guī)?；褂?，成本、體積與重量卻偏高，最重要的是其技術嚴重依賴GPS和國外廠商，自主性和獨立性均受到牽制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是如何實現(xiàn)不依賴于GPS技術的高精度導航定向。
[0006]為解決上述問題，一方面，本發(fā)明提供了一種基于北斗系統(tǒng)的天線陣高精度定向方法，包括步驟:
[0007]SI，利用天線陣接收BDS信號，并將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號；
[0008]S2，根據(jù)所述數(shù)字信號得到BDS RNSS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，同時測量載波相位信息；
[0009]S3，對所述載波相位信息進行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)；
[0010]S4，測量出天線陣之間的基線長度和俯仰角，并測量出天線之間的夾角，然后將測量結果再次進行迭代處理，計算出基線矢量的方位角；
[0011]S5，綜合計算并進行坐標轉換得到所需測量點的定向結果。
[0012]優(yōu)選地，步驟SI中，將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號具體包括步驟:
[0013]對所述BDS信號經(jīng)前置濾波放大，再經(jīng)混頻、下變頻、A/D轉換成數(shù)字中頻信號。
[0014]優(yōu)選地，步驟S2中，利用天線陣同時跟蹤觀測多個衛(wèi)星載波相位得到所述載波相位信息。
[0015]優(yōu)選地，步驟S3中，采用快速降維法進行所述整周模糊度求解。
[0016]優(yōu)選地，步驟S3中，所述得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)具體為用確定的整數(shù)解模糊度的載波相位觀測量或平滑后的模糊度的載波相位觀測量來解算用戶位置。
[0017]優(yōu)選地，步驟S5中，所述綜合計算并進行坐標轉換為:
[0018]利用所述數(shù)字信號復制出與接收到的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤；
[0019]獲得衛(wèi)星信號的偽距和載波相位等測量值以及解調(diào)出導航電文；
[0020]利用解算結果獲得衛(wèi)星定位結果，通過轉換給出規(guī)定坐標系下的基準方向信息。
[0021]優(yōu)選地，采用北斗RNSS三頻及其組合進行所述測量。
[0022]另一方面，本發(fā)明還同時提供一種基于北斗系統(tǒng)的天線陣高精度定向系統(tǒng)，包括:
[0023]射頻模塊，用于利用天線陣接收BDS信號，并將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號；
[0024]測量模塊，用于根據(jù)所述數(shù)字信號得到BDS RNSS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，同時測量載波相位信息；
[0025]定位定向解算模塊，用于對所述載波相位信息進行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)；
[0026]迭代模塊，用于測量出天線陣之間的基線長度和俯仰角，并測量出天線之間的夾角，然后將測量結果再次進行迭代處理，計算出基線矢量的方位角；
[0027]綜合處理模塊，綜合計算并進行坐標轉換得到所需測量點的定向結果。
[0028]優(yōu)選地，所述天線陣包括布局成“丁”字形的三天線。
[0029]優(yōu)選地，所述綜合處理模塊進一步包括:
[0030]信號處理模塊，用于利用所述數(shù)字信號復制出與接收到的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤；
[0031]解調(diào)模塊，用于獲得衛(wèi)星信號的偽距和載波相位等測量值以及解調(diào)出導航電文；
[0032]轉換模塊，用于利用解算結果獲得衛(wèi)星定位結果，通過轉換給出規(guī)定坐標系下的基準方向信息。
[0033]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供了一種基于北斗系統(tǒng)的三天線陣高精度定向方法及系統(tǒng)，基于我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行定向，實現(xiàn)了獨立的導航定向定位過程，擺脫了對于GPS的限制，更重要的是實現(xiàn)了完整、高精度的解算流程，又利用獨特的三天線陣形式以及利用北斗三頻的優(yōu)勢，達到快速實現(xiàn)物體的高精度定向、測姿能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明的一個實施例中基于北斗系統(tǒng)的天線陣高精度定向方法流程示意圖；
[0035]圖2為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中三天線陣的布局結構示意圖；
[0036]圖3為本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中利用三天線陣同時測量衛(wèi)星的載波相位的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0037]如在說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領域技術人員應可理解，硬件制造商可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求并不以名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準則。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的“包含”為一開放式用語，故應解釋成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的誤差范圍內(nèi)，本領域技術人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電性連接于所述第二裝置，或通過其他裝置或連接手段間接地電性連接至所述第二裝置。說明書后續(xù)描述為實施本發(fā)明的較佳實施方式，然所述描述乃以說明本發(fā)明的一般原則為目的，并非用以限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的保護范圍當視所附權利要求所界定者為準。
[0038]以下結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，但不作為對本發(fā)明的限定。
[0039]現(xiàn)有的衛(wèi)星定向技術一般都是通過多個GPS天線采用載波相位差分測量，再配合定位定向處理器完成。從技術指標上來講，國內(nèi)外定向精度指標一般都可以達到每米基線
0.6° (約為72角秒)，但是相對于某些對于精度指標要求較高(如每米基線30角秒)的精度要求還是偏低，需要在精度上進一步提高。加上現(xiàn)有設備成本、體積與重量偏高，而且技術上嚴重依賴GPS和國外廠商，限制了定向技術的發(fā)展。本發(fā)明基于我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行定向，實現(xiàn)了獨立的導航定向定位過程，擺脫了對于GPS的限制，更重要的是實現(xiàn)了完整、高精度的解算流程，又利用獨特的三天線陣形式以及利用北斗三頻的優(yōu)勢，達到快速實現(xiàn)物體的高精度定向、測姿能力。
[0040]如圖1所示，在本發(fā)明的一個實施例中，基于北斗系統(tǒng)的天線陣高精度定向方法包括步驟:
[0041]SI,利用天線陣接收 BDS (BeiDou Navigation Satellite System,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，簡稱北斗系統(tǒng))信號，并將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號；
[0042]S2，根據(jù)所述數(shù)字信號得到BDS RNSS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，同時測量載波相位信息；
[0043]S3，對所述載波相位信息進行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)；
[0044]S4，測量出天線陣之間的基線長度和俯仰角，并測量出天線之間的夾角，然后將測量結果再次進行迭代處理，計算出基線矢量的方位角；
[0045]S5，綜合計算并進行坐標轉換得到所需測量點的定向結果。
[0046]其中，步驟SI中，將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號具體包括步驟:
[0047]對所述BDS信號經(jīng)前置濾波放大，再經(jīng)混頻、下變頻、A/D轉換成數(shù)字中頻信號。
[0048]步驟S2中，利用天線陣同時跟蹤觀測多個衛(wèi)星載波相位得到所述載波相位信息。
[0049]步驟S3中，采用快速降維法進行所述整周模糊度求解。此外，所述得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)具體為用確定的整數(shù)解模糊度的載波相位觀測量或平滑后的模糊度的載波相位觀測量來解算用戶位置。
[0050]步驟S4中，利用全站儀和反光鏡測量出天線陣之間的基線長度、俯仰角及天線之間的夾角。
[0051]步驟S5中，利用所述數(shù)字信號復制出與接收到的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號，從而實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤，并且從中獲得衛(wèi)星信號的偽距和載波相位等測量值以及解調(diào)出導航電文，再利用解算結果，最終獲得衛(wèi)星定位結果，通過轉換給出規(guī)定坐標系下的基準方向信息。
[0052]更進一步地，如圖2所示，本發(fā)明中利用天線陣接收BDS信號，所述天線陣包括布局成“丁”字形的三天線；在圖2中，兩輔天線B、C通過長度為d2的第二連接桿直接相連，主天線A通過長度為Cl1的第一連接桿連接到第二連接桿，三天線的實際位置構成頂角為α的等腰三角形，圖2中定向需要確定的是主天線A與正北方的方位角β。利用天線陣以及預先可以得到的附加信息可以進一步提高項目精度，原理如圖3所示:三天線A、B、C同時測量衛(wèi)星的載波相位，由于衛(wèi)星距離地面很遠，任意兩個天線間距離相對較小(約為10米)，因此，衛(wèi)星信號可以視為平面波。如圖3所示，波面陣到達三天線的時間不同，因此每兩個天線之間存在相位差，相位差反映了對應的兩天線到衛(wèi)星的距離差，尤其是主天線A與兩輔天線B、C的衛(wèi)星距離差?.Xi及7.元。在本發(fā)明中三天線A、B、C同時跟蹤觀測衛(wèi)星載波相位，可以得到載波觀測方程，同時三天線也構成了網(wǎng)平差使用的條件。利用最小二乘求解載波觀測方程組，得到誤差矢量，在加上由于預先可以精確測得的天線陣信息(如三天線間的各種距離信息X1、X0、屯、d2等)，可以進一步迭代結果，直到滿足迭代終止條件的定向結果。
[0053]步驟S3中，整周模糊度求解中的載波相位基線解算過程是一個利用觀測值進行信息提取過程。觀測值越多，信息提取成功的可靠性越大。對于動態(tài)定位由于待定測站每觀測歷元都有三個新的坐標未知數(shù)，加上整周模糊度未知數(shù)，完全依靠動態(tài)傳統(tǒng)定位方法來求解比較困難。
[0054]本發(fā)明中優(yōu)選采用快速降維法進行?？焖俳稻S法是對于動態(tài)定位定向載波相位雙差觀測方程而言，每個衛(wèi)星存在整周模糊度，出現(xiàn)周跳后，就會增加一個模糊度未知數(shù)，每個觀測歷元增加三個新的坐標未知數(shù)，所有這些未知數(shù)存在一定內(nèi)在聯(lián)系，這種內(nèi)在聯(lián)系基于衛(wèi)星星座和觀測數(shù)據(jù)，通過計算機語言用獨立三維星站空間可以描述出來。不需要直接對每個模糊度和坐標多維未知數(shù)進行求解，而是基于最小二乘原則，在獨立三維星站空間求解最優(yōu)解。然后同過三維星站空間求解最優(yōu)解回到模糊度和坐標未知數(shù)空間對其進行求解。
[0055]針對載波相位的跳周問題，利用快速降維法基本思想設計了周跳檢測及修復算法，加上數(shù)據(jù)平穩(wěn)性檢測等算法，解決了載波相位周跳的檢測和修復問題。同時采用快速降維法容錯技術提高算法的可靠性和魯棒性。采用時域濾波器技術保證差分定位數(shù)據(jù)的連續(xù)、穩(wěn)定可靠輸出。時域濾波器可以檢驗與剔除異常野值、時間插值、結果的插值與外推最優(yōu)估計，減少時間延遲。
[0056]此外，步驟S3中，優(yōu)選采用反向平滑靜態(tài)后處理方式處理載波相位觀測量，利用全局的載波相位數(shù)據(jù)對偽距做無電離層發(fā)散的平滑，則偽距的噪聲可以降到毫米級(在周跳不頻繁的情況下)。具體地`，利用本項目走停狀態(tài)，純測量5分鐘的特點，在后處理上有時間的滯后優(yōu)勢，可以利用全局的數(shù)據(jù)來剔除粗差、平滑偽距以及全局平滑的測量結果。其處理過程如下:
[0057]采用基于卡爾曼濾波器的正向處理數(shù)據(jù)，估計正向的浮點解整周模糊度和接收機的位置，記錄正向處理的每個歷元的浮點解的整周模糊度七，和相關的方差協(xié)方差Caf ；
[0058]采用基于卡爾曼濾波器的反向處理數(shù)據(jù)，估計反向處理的浮點解整周模糊度和接收機的位置，記錄反向處理的每個歷元的浮點解的整周模糊度忑知相關的方差協(xié)方差Cab ；
[0059]對每個歷元的正向反向的結果進行平滑，得到平滑的整周模糊度
【權利要求】
1.一種基于北斗系統(tǒng)的天線陣高精度定向方法，其特征在于，所述方法包括步驟: SI，利用天線陣接收BDS信號，并將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號； S2，根據(jù)所述數(shù)字信號得到BDS RNSS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，同時測量載波相位信息； S3，對所述載波相位信息進行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)； S4，測量出天線陣之間的基線長度和俯仰角，并測量出天線之間的夾角，然后將測量結果再次進行迭代處理，計算出基線矢量的方位角； S5，綜合計算并進行坐標轉換得到所需測量點的定向結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟SI中，將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號具體包括步驟: 對所述BDS信號經(jīng)前置濾波放大，再經(jīng)混頻、下變頻、A/D轉換成數(shù)字中頻信號。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2中，利用天線陣同時跟蹤觀測多個衛(wèi)星載波相位得到所述載波相位信息。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3中，采用快速降維法進行所述整周模糊度求解。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的方法，其特征在于，步驟S3中，所述得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)具體為用確定的整數(shù)解模糊度的載波相位觀測量或平滑后的模糊度的載波相位觀測量來解算用戶位置。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S5中，所述綜合計算并進行坐標轉換`為: 利用所述數(shù)字信號復制出與接收到的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤； 獲得衛(wèi)星信號的偽距和載波相位等測量值以及解調(diào)出導航電文； 利用解算結果獲得衛(wèi)星定位結果，通過轉換給出規(guī)定坐標系下的基準方向信息。
7.根據(jù)權利要求1或3所述的方法，其特征在于，采用北斗RNSS三頻及其組合進行所述測量。
8.一種基于北斗系統(tǒng)的天線陣高精度定向系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: 射頻模塊，用于利用天線陣接收BDS信號，并將所述BDS信號轉換為數(shù)字信號； 測量模塊，用于根據(jù)所述數(shù)字信號得到BDS RNSS衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，同時測量載波相位信息； 定位定向解算模塊，用于對所述載波相位信息進行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向數(shù)據(jù)； 迭代模塊，用于測量出天線陣之間的基線長度和俯仰角，并測量出天線之間的夾角，然后將測量結果再次進行迭代處理，計算出基線矢量的方位角； 綜合處理模塊，綜合計算并進行坐標轉換得到所需測量點的定向結果。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述天線陣包括布局成“丁”字形的三天線。
10.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述綜合處理模塊進一步包括: 信號處理模塊，用于利用所述數(shù)字信號復制出與接收到的衛(wèi)星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號，實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤；解調(diào)模塊，用于獲得衛(wèi)星信號的偽距和載波相位等測量值以及解調(diào)出導航電文； 轉換模塊，用于利用解算結果獲得衛(wèi)星定位結果，通過轉換給出規(guī)定坐標系下的基準方向 信息。
【文檔編號】G01S19/42GK103728641SQ201310733204
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權日:2013年12月27日
【發(fā)明者】譚吉福, 胡新漢, 楊必武, 張一 , 羅曉春, 楊春, 張玉華, 彭宜平, 李偉, 王 華 申請人:北京蒼穹數(shù)碼測繪有限公司, 中國人民解放軍第二炮兵裝備研究院第三研究所