CN101446634A - 一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

公开一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量方法及装置，利用两个卫星接收天线所在测量标志点构成测量基线；双系统卫星定位接收机板和信标接收机板同步接收第一卫星天线和信标天线信号；双系统卫星定位接收机板同步接收信标接收机的数字信号；GPS接收机板同步接收第二卫星天线信号；对第一、第二卫星天线信号和信标信号同步计算实现对卫星天线所在位置的三维精确测量和天线基线在地理坐标系下方位角和俯仰角测量。本发明集成双系统卫星定位、GPS、信标接收机板和计算机，盒外安装液晶显示屏和两个卫星和信标接收天线，保证定位精度优于8米，在沿海地区接收信标差分信号，使得精度优于1米，在3米基线的情况下定向精度优于0.1度。

Description

一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量方法及装置

技术领域

本发明属于定位定向技术领域，涉及一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量装置。

背景技术

随着国民经济和交通事业的发展，定位定向技术显现出突出重要的地位，尤其在武器系统中它是一个重要组成部分，是提高自行火炮射击精度、快速反应能力和机动性能的主要设备，能够快速为自行火炮、指挥车、前观侦察车和侦察枝射雷达、气象雷达等提供精确的位置和基准方向，并能使自行火炮在射击过程中实现逐发自动复位。

为了真正做到在未来战争中有效地保存自己，同时又准确地打击敌人，实施导弹武器的机动发射已成为导弹作战的一个发展趋势。实施导弹的机动发射，从保障方面来说，首先要解决的一个问题就是发射阵地的快速定位、定向，其定位、定向速度的快慢和精度的高低将直接影响导弹机动发射的速度及命中目标的效果。当前主要的定位定向技术分为两大类。一类是惯性定位定向技术，另一类是基于卫星定位系统(如GPS)定位定向技术。目前，追求快速、高精度正是卫星定位技术研究的一个重要方向，已经有许多成熟的经验、技术。

美国全球定位系统GPS以及俄罗斯的卫星定位系统GLONASS自成功应用以来，已经在为用户提供三维位置、三维速度和时间信息等方面发挥了巨大的作用，应用领域也日趋扩大。GPS和GLONASS载波相位观测量是能达到毫米级测量精度的测量信息，这为武器系统的定向提供了强大的技术基础。应用GPS或GLONASS测量技术进行发射阵地的快速定位、定向具有精度高、设备简单、时间短且不受限制的特点，已成为极有可能取代常规保障方法的一种手段。

目前国内外已经开始采用GPS来研制和开发定位定向装置，但它们一般以GPS系统为基础，使用中卫星数量有限，在受部分遮挡时会无法定位，而且接收机依赖于GP单系统，特殊情况也下会无法工作。本发明装置采用了GPS和俄罗斯GLONASS双系统的接收机为主，同时集成了信标差分技术，确保了系统在GPS受影响时仍然工作，在沿海地区时接收信标差分信号，能提高实时定位精度到1米。

发明内容

为了解决现有技术定位精度还不能满足使用要求的问题，本发明的目的是提供一种三维位置、方位角和俯仰角的组合测量装置及方法。

为达到上述目的，本发明提供一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量方法，其解决问题的技术方案包括：

步骤1：利用两个卫星接收天线所在的测量标志点构成测量基线；

步骤2：由双系统卫星定位接收机板和信标接收机板分别同步接收第一卫星天线信号和信标天线信号；

步骤3：双系统卫星定位接收机板同步接收信标接收机的数字信号；

步骤4：GPS接收机板同步接收第二卫星天线信号；

步骤5：对第一卫星天线信号、第二卫星天线信号和信标信号进行同步计算来实现对卫星天线所在位置的三维精确测量和天线基线在地理坐标系下的方位角和俯仰角的精确测量。

根据本发明的实施例，所述三维位置和方位角、俯仰角的精确测量，是根据坐标基准转换原理以及坐标投影变换原理，对测量的三维位置和方位角、俯仰角在WGS—84坐标基准和北京54坐标基准之间进行转换，或在空间地理坐标和高斯平面坐标之间进行转换。

根据本发明的实施例，通过对双系统卫星定位接收机板和GPS接收机板的观测数据同步采集，根据采集的载波相位数据、卫星星历数据、伪距数据和多普勒数据，依据载波相位差分的原理，采用顾及残差平方和的方位角、俯仰角两维搜索方法来实现对卫星天线基线的方位角和俯仰角的实时测量。

为达到上述目的，本发明提供一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量装置，解决技术问题的方案包括：一块GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板、一块GPS接收机板、一块信标接收机板、一台计算机进行集成，盒外安装液晶显示屏和两个卫星接收天线和一个信标接收天线；

系统卫星定位接收机板的第一端与第一卫星接收天线一端电性连接，并进行信号通讯；

双系统卫星定位接收机板的第二端与信标接收机板的第一端电性连接，进行信号通讯；

双系统卫星定位接收机板的第三端与计算机的第一端电性连接，进行信号通讯。

信标接收机板的第二端与信标接收天线的一端电性连接，并进行信号通讯。

GPS接收机板的第一端与第二卫星接收天线的一端电性连接，并进行信号通讯；

GPS接收机板的第二端与计算机的第二端电性连接，进行信号通讯；

液晶显示单元与计算机的第二端电性连接。

根据本发明的实施例，双系统卫星定位接收机板的第一端与第一卫星接收天线一端之间采用同轴电缆电性连接；双系统卫星定位接收机板的第二端与信标接收机板之间采用串口电性连接；双系统卫星定位接收机板的第三端与计算机之间采用串口电性连接。

根据本发明的实施例，信标接收机板和信标接收天线之间采用同轴电缆电性连接。

根据本发明的实施例，GPS接收机板的第一端与第二卫星接收天线一端之间采用同轴电缆电性连接；GPS接收机板的第二端与计算机之间采用串口电性连接。

根据本发明的实施例，所述双系统卫星定位接收机板和GPS接收机板分别与串口电性连接。

根据本发明的实施例，所述的组合测量装置，通过计算机同步采集双系统卫星定位接收机板和GPS接收机板的观测数据，经过实时处理来实现对卫星天线的三维位置和基线方位角、俯仰角的精确测量。

根据本发明的实施例，所述的组合测量装置，采用了系统卫星定位接收机板，用于在任何地区自主实现8米精度的三维位置测量；在沿海地区则根据信标天线和信标接收机板来实时接收GPS差分信息，实现优于1米精度的实时位置测量，在3米基线的情况下定向精度优于0.1度。

本发明的积极效果：本发明的组合测量装置，则综合了GPS+GLONASS双系统接收机、单系统GPS接收机，还集成了信标接收机，保证了定位精度优于8米，在沿海地区可以接收信标差分信号，使得精度优于1米，而根据两块接收机板同步接收的观测数据进行方位和俯仰的计算，从而测量方位角和俯仰角，在3米基线的情况下方位角精度优于0.1度。

附图说明

图1是本发明高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量装置框图

具体实施方式

下面将结合附图1对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明采用卫星定位技术，来实现对位置和方位角、俯仰角的快速测量，发明了一种实时测量卫星天线位置和方位角、俯仰角的装置。它为一个带液晶显示单元的密封铝盒，在铝盒内集成了固定安装了一台PC-104工业控制计算机7、一块GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4、一块GPS卫星定位接收机板6和一块信标接收机板5。盒外还配备了第一卫星接收天线2、第二卫星接收天线3和一个信标接收天线1，第一卫星接收天线2、第二卫星接收天线3与铝盒内的GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4、一块GPS卫星定位接收机板6电性连接，并进行信号通讯，信标接收天线1通过同轴电缆和铝盒内的信标接收机板5电性连接，并进行信号通讯。GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4和一块信标接收机板5通过电性连接进行信号通讯，实现实时高精度的三维位置测量。GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4和GPS卫星定位接收机板6都与PC-104工业控制计算机7通过电性连接，进行信号通讯，利用同步观测的数据来实现对第一卫星接收天线2、第二卫星接收天线3构成的方位角和俯仰角的实时动态测量，三维位置测量结果、方位角和俯仰角测量数值能够在液晶显示屏8上进行实时动态显示。

GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4的第一端与第一卫星接收天线2一端之间采用同轴电缆电性连接；GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4的第二端与信标接收机板5之间采用RS232串口电性连接；GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4的第三端与PC-104工业控制计算机7之间采用RS232串口电性连接。

信标接收机板5和信标接收天线1之间采用同轴电缆电性连接。

GPS接收机6板的第一端与第二卫星接收天线3一端之间采用同轴电缆电性连接；GPS接收机板6的第二端与PC-104工业控制计算机7之间采用RS232串口电性连接。PC-104工业控制计算机7的串口可以实时输出BCD码格式的定位和定向数据。

GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4和信标接收机板5分别接收第一卫星接收天线2、第二卫星接收天线3和信标接收天线1传来的信号来精确测量第一卫星接收天线2所在位置的三维位置。同时根据GPS+GLONASS双系统接收机板4和GPS接收机板6所同步接收采集的GPS载波相位观测数据、卫星星历数据、伪距数据和多普勒数据，根据采集的载波相位数据、卫星星历数据、伪距数据和多普勒数据，依据载波相位差分的原理，采用顾及残差平方和的方位角、俯仰角两维搜索方法，由PC-104工业控制计算机7来实时计算第一卫星接收天线2和第二卫星接收天线3构成的基线在地理坐标系中的方位角和俯仰角的实时测量。

本发明装置综合运用了GPS+GLONASS双系统卫星定位技术、GPS定位技术、信标差分技术，组合采用了接收机4和接收机6的载波相位差分思想，根据方位角和俯仰角的搜索原理来实现双天线基线的方位角和俯仰角的实时测量。

采用载波相位形成双差方程，这样可以消去电离层、对流层、接收机钟差等参数，方便数据处理。双差方程一般为：

$\mathrm{\Δ}{\▿\mathrm{\φ}}_{m,b}^{i,j}=\mathrm{\Δ}\▿R_{m,b}^{i,j}+\mathrm{\Δ}\▿N_{m,b}^{i,j}---\left(1\right)$

其中：

$\mathrm{\Δ}\▿{\text{\φ}}_{m,b}^{i,j}={\mathrm{\φ}}_m^i-{\mathrm{\φ}}_b^i-{\mathrm{\φ}}_m^j+{\mathrm{\φ}}_b^j,$ 为相位的双差组合。

$\mathrm{\Δ}\▿{\text{R}}_{m,b}^{i,j}=R_m^i-R_b^i-R_m^j+R_b^j,$ 为距离的双差组合。

$\mathrm{\Δ}\▿{\text{N}}_{m,b}^{i,j}=N_m^i-N_b^i-N_m^j+N_b^j,$ 为模糊度的双差组合。

而：

$R_m^i=\sqrt{{(X^i-X_m)}^2+{(Y^i-Y_m)}^2+{(Z^i-Z_m)}^2}---\left(2\right)$

$R_b^i=\sqrt{{(X^i-X_b)}^2+{(Y^i-Y_b)}^2+{(Z^i-Z_b)}^2}---\left(3\right)$

$R_m^i=\sqrt{{(X^j-X_m)}^2+{(Y^j-Y_m)}^2+{(Z^j-Z_m)}^2}---\left(4\right)$

$R_b^i=\sqrt{{(X^j-X_b)}^2+{(Y^j-Y_b)}^2+{(Z^j-Z_b)}^2}---\left(5\right)$

(Xⁱ，Yⁱ，zⁱ)为卫星i的位置，根据导航电文进行解算，(X^j，Y^j，Z^j)为卫星j的位置，也根据导航电文进行解算，(X_b，Y_b，Z_b)为基准站的位置，是已知量，(X_m，Y_m，Z_m)为流动站的位置，它为待求量。

利用双差载波相位求解的确关键是模糊度的准确求解。目前有不少求解模糊度的方法，如基于三维位置的搜索方法和基于模糊度组合的搜索方法，这些搜索方法一般都是三维的搜索过程，计算工作量较大。对于精密定向这种场合，基线的距离是精确已知的，因此为了方便计算，节省搜索时间，我们充分利用距离已知的条件，采用了基于俯仰和方位的二维搜索方法，搜索过程中采用了模糊度的方法，可以大大克服周跳的影响，而且能适应动态环境。

由于两个天线之间距离是固定已知的，因此根据方位角和俯仰角就可以计算两个天线间在站心坐标下的坐标增量：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_X=b\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\\ T_Y=b\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ T_Z=b\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(6\right)$

一般两个天线中的天线1坐标认为是已知量(采用单点定位结果)，并将该站作为基准站，根据坐标增量就可以计算，另一天线(看作流动站)的坐标可以进行如下计算：

$\{\left[\begin{array}{c}{X}_m\\ Y_m\\ Z_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\sin B\cos L& -\sin L& \cos B\cos L\\ -\sin B\sin L& \cos L& \cos B\sin L\\ \cos B& 0& \sin B\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{T}_X\\ T_Y\\ T_Z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_b\\ Y_b\\ Z_b\end{array}\right]---\left(7\right)$

(B，L)为当地的经纬度位置，给定一组方位角和俯仰角就可以计算出相应的流动站坐标。

对于单频接收机模糊度函数一般采用如下的方法进行计算：

$A=\frac{\underset{k=0}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\underset{i=1,i\≠j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left[2\mathrm{\π}({\mathrm{\Δ}\▿\mathrm{\φ}}_{\mathrm{im},b}^{i,j}-\mathrm{\Δ}\▿{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{m,b}^{i,j})\right]\right)}_k}{k*(n-1)}---\left(8\right)$

其中，为利用载波相位计算的双差观测值。

而：

是根据基准站位置、流动站位置计算的距离双差，即

$\mathrm{\Δ}\▿{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{m,b}^{i,j}={\tilde{R}}_m^i-R_b^i+{\tilde{R}}_m^j-R_b^j,$ 具体计算同上面的公式。k表示历元计数，i表示卫星号，j为双差的参考卫星，n为卫星数。

在正确位置上，模糊度函数A具有极大值，且接近1。但对于单个历元、单个双差所对应的模糊度极大值不是唯一的。因此实际应用中，常常先用若干个历元的所有双差模糊度函数联合起来一起计算，这样除了在正确位置上模糊度函数始终保持极大值外，其它点上出现极大值的可能性将逐步减少。

具体搜索时，可以先按0.5度间隔作为方位角和俯仰角的搜索步长，在搜索范围内进行二维搜索。计算相应的流动站位置后，计算出模糊度函数大于某个阈值(如0.85)的所有极值点作为检验点，再在这些检验点附近(±0.5度范围内)进行小步长0.01度的极大值点搜索，求出最大模糊度函数值所对应的位置和方位角、俯仰角。

本发明装置工作时，利用两个卫星接收天线所在的测量标志点构成测量基线；将第一卫星接收天线2和第二卫星接收天线3固定安装在要测量位置和方位角、俯仰角的物体上，并事先精确测量第一卫星接收天线2和第二卫星接收天线3之间的距离，精确到毫米。采用同轴电缆将第一卫星接收天线2和第二卫星接收天线3和信标接收天线1连接到组合测量装置的相应接口上。

GPS+GLONASS双系统卫星定位接收机板4通过同轴电缆接收卫星接收天线1传来的GPS和GLONASS卫星信号，信标接收机板5同轴电缆接收信标天线1传来的信标信号，并由串口将信标信号传送给GPS+GLONASS双系统接收机板4，GPS+GLONASS双系统接收机板4进行处理后再将信息通过串口传给PC—104工业控制计算机7。GPS接收机板6通过同轴电缆接收第二卫星接收天线3传来的GPS卫星信号，并由串口传给PC—104工业控制计算机7。PC-104工业控制计算机7根据GPS+GLONASS双系统接收机板4传来的信息来实时计算三维位置，在任何地区可以实现8米精度的定位，而在沿海地区可以根据信标传来的差分信息实现优于1米的高精度定位。同时PC—104工业控制计算机7根据同步接收的GPS+GLONASS双系统接收机板4的观测数据和GPS接收机板6的观测数据，采用载波相位差分思想，应用方位角俯仰角两维搜索方法来实时计算出第一卫星接收天线2和第二卫星接收天线3所构成基线的方位角和俯仰角。

所测量的三维位置和方位角、俯仰角等结果可以根据坐标变换原理，通过软按键操作，位置和方位俯仰信息可以在WGS—84坐标基准和北京54坐标基准之间进行实时转换，也能进行空间地理坐标和高斯投影坐标之间的相互转换，测量的结果能够在液晶显示单元8上实时显示当前的准确时间、地理经纬度和高度以及两个卫星天线所构成的方位角和俯仰角。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1：利用两个卫星接收天线所在的测量标志点构成测量基线；

步骤2：由双系统卫星定位接收机板和信标接收机板分别同步接收第一卫星天线信号和信标天线信号；

步骤3：双系统卫星定位接收机板同步接收信标接收机的数字信号；

步骤4：GPS接收机板同步接收第二卫星天线信号；

步骤5：对第一卫星天线信号、第二卫星天线信号和信标信号进行同步计算来实现对卫星天线所在位置的三维精确测量和天线基线在地理坐标系下的方位角和俯仰角的精确测量。

2、根据权利要求1所述的组合测量方法，其特征在于，所述三维位置和方位角、俯仰角的精确测量，是根据坐标基准转换原理以及坐标投影变换原理，对测量的三维位置和方位角、俯仰角在WGS—84坐标基准和北京54坐标基准之间进行转换，或在空间地理坐标和高斯平面坐标之间进行转换。

3、根据权利要求1所述的组合测量装置，其特征在于，通过对双系统卫星定位接收机板和GPS接收机板的观测数据同步采集，根据采集的载波相位数据、卫星星历数据、伪距数据和多普勒数据，依据载波相位差分的原理，采用顾及残差平方和的方位角、俯仰角两维搜索方法来实现对卫星天线基线的方位角和俯仰角的实时测量。

4、一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量装置，特征在于，包括：一块双系统卫星定位接收机板、一块GPS接收机板、一块信标接收机板、一台计算机进行集成，盒外安装液晶显示屏和两个卫星接收天线和一个信标接收天线；

双系统卫星定位接收机板的第一端与第一卫星接收天线一端电性连接，并进行信号通讯；

双系统卫星定位接收机板的第二端与信标接收机板的第一端电性连接，进行信号通讯；

双系统卫星定位接收机板的第三端与计算机的第一端电性连接，进行信号通讯；

信标接收机板的第二端与信标接收天线的一端电性连接，并进行信号通讯；

GPS接收机板的第一端与第二卫星接收天线的一端电性连接，并进行信号通讯；

GPS接收机板的第二端与计算机的第二端电性连接，进行信号通讯；

液晶显示单元与计算机的第二端电性连接。

5、根据权利要求4所述的组合测量装置，其特征在于，双系统卫星定位接收机板的第一端与第一卫星接收天线一端之间采用同轴电缆电性连接；双系统卫星定位接收机板的第二端与信标接收机板之间采用串口电性连接；双系统卫星定位接收机板的第三端与计算机之间采用串口电性连接。

6、根据权利要求4所述的组合测量装置，其特征在于，信标接收机板和信标接收天线之间采用同轴电缆电性连接。

7、根据权利要求4所述的组合测量装置，其特征在于，GPS接收机板的第一端与第二卫星接收天线一端之间采用同轴电缆电性连接；GPS接收机板的第二端与计算机之间采用串口电性连接。

8、根据权利要求4所述的组合测量装置，其特征在于，所述双系统卫星定位接收机板和GPS接收机板分别与串口电性连接。

9、根据权利要求4所述的组合测量装置，其特征在于，通过计算机同步采集双系统卫星定位接收机板和GPS接收机板的观测数据，经过实时处理来实现对卫星天线的三维位置和基线方位角、俯仰角的精确测量。

10、一种高精度位置、方位角和俯仰角的组合测量装置，采用了双系统卫星定位接收机板，用于在任何地区自主实现8米精度的三维位置测量；在沿海地区则根据信标天线和信标接收机板来实时接收GPS差分信息，实现优于1米精度的实时位置测量，在3米基线的情况下定向精度优于0.1度。

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