CN101470190B - 一种水面载体的综合定位装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水面载体的综合定位装置和方法，包括：多路GPS信号接收模块，将接收的载体多个测量点的GPS卫星信号转化为多路卫星伪距原始数据和卫星状态数据；信标信号接收模块，将收到的信标台差分信号转化为伪距差分数据；数传电台，将收到的动基站差分数据发送到信息处理监控模块；信息处理监控模块，根据多路卫星伪距原始数据、卫星状态数据、伪距差分数据以及动基站差分数据，获取所述水面载体的定位数据。本发明通过多点测量和多差分源综合处理技术提高GPS定位精度。本装置可以在较大范围提高大载体的定位精度；设备利用率高，同时具备定位、导航、通讯多种功能，能够用于海上试验的多种用途和场合。

Description

一种水面载体的综合定位装置和方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，更具体地，本发明涉及一种水面载体的综合定位装置和方法。

背景技术

水面导航和定位可以为各种测量跟踪设备提供初始的位置基准，是测量目标位置、速度、航行状况的重要手段。随着系统性能的不断提高，对海区的海域、定位测速的精度、设备协同使用、目标航行等综合信息都有了更高的要求，因此需要建设不受固定基站限制的大范围、高精度、对空对海兼容、高动态、性价比高的综合差分GPS定位系统。

为了提高定位精度，现有的GPS接收机常用双差方法来消除相关性较强的误差，常用的双差方法包括伪距差分和载波相位差分两种。

伪距差分得到的定位精度严重依赖于基线长度和基站本身的精度，其差分信号由自建差分基站或信标台提供。信标台是由国家交通部沿海建立的免费差分信号广播系统，在海上传播的距离大约为300～400km，能在近岸距离内提供米级定位精度，在距离超过100km后定位精度迅速下降。

载波相位差分可使定位精度达到厘米级，但是由于其计算收敛时间长，要求基准站相对固定。当舰船离岸基准站约20km后，由于信号的相关性减弱，定位精度迅速下降。星站差分在载波相位差分的基础上，采用误差模型分离技术和同步卫星广播方式，可以在较大范围内获得较高精度(约分米级)的定位结果，但全球星站差分信号的服务费用非常昂贵，不具有普适性。

发明内容

为克服现有水面载体的大范围综合定位中的精度低、普适性差的缺陷，本发明提出一种水面载体的综合定位装置和方法。

根据本发明的一个方面，提出了一种水面载体的综合定位装置，包括：多路GPS信号接收模块、信标信号接收模块、数传电台和信息处理监控模块；

其中，所述多路GPS信号接收模块用于将接收的多个测量点的GPS卫星信号转化为卫星伪距原始数据和卫星状态数据发送到所述到信息处理监控模块；

所述信标信号接收模块用于将收到的信标台差分信号转化为伪距差分数据并发送给所述信息处理监控模块；

数传电台用于将收到的动基站差分数据发送到信息处理监控模块；

信息处理监控模块，根据所接收的所述卫星伪距原始数据、卫星状态数据、所述伪距差分数据以及所述动基站差分数据，使用伪距观测方程消除影响GPS定位的多种误差源，获取所述水面载体的精确定位数据。

其中，所述多路GPS信号接收模块包括分别固定在所述水面载体的多个测量点的多套GPS接收系统。

其中，所述信息处理监控模块包括：

伪距差分信号综合模块，接收所述信标差分数据和所述动基站差分数据；

共视卫星监测模块，根据所述卫星状态数据和所述伪距差分信号综合模块的差分数据信息获得共视卫星信息，反馈给所述伪距差分信号综合模块，所述伪距差分信号综合模块根据所述共视卫星信息形成最优差分改正量；

GPS定位数据解算模块，根据所述最优差分改正量、GPS原始数据和基线长度，基于伪距观测方程，获取所述水面载体的定位数据。

其中，所述共视卫星信息包括卫星编号、卫星仰角。

其中，所述定位数据可以用文字显示，或者与矢量海图数据匹配后以图形界面显示；所述定位数据传送到数传电台，与其它所述装置进行定位数据交互。

其中，所述GPS定位数据解算模块所消除的GPS误差源包括：卫星钟差、接收机钟差、对流层延迟误差、电离层延迟误差轨道误差、天线相位中心偏差、地球旋转和地球固体潮影响误差。

其中，所述GPS定位数据解算模块根据下述公式来修正并获取水面载体的位置：

其中，

为卫星s_i到基站b_j的伪距差分改正数，P₀为水面载体伪距初始值；Δε_τ为测量站的接收机钟差，

为基站与测量站的对流层延迟误和电离层延迟残差，ε_v为接收机噪声误差；P₁为水面载体坐标值。

根据本发明的另一方面，提出了一种水面载体的综合定位方法，包括：

步骤10)、接收多个测量点的GPS卫星信号，转化为卫星伪距原始数据和卫星状态数据；

步骤20)、接收信标台差分信号和动基站差分数据；

步骤30)、根据所接收的所述卫星伪距原始数据、卫星状态数据、所述伪距差分数据以及所述动基站差分数据，使用伪距观测方程消除影响GPS定位的多种误差源，获取所述水面载体的精确定位数据。

其中，步骤30)包括：

根据所述卫星状态数据和差分数据信息获得共视卫星信息，形成最优差分改正量；根据所述最优差分改正量、GPS原始数据和基线长度，基于伪距观测方程，获取所述水面载体的定位数据；其中，所述共视卫星信息包括卫星编号、卫星仰角。

其中，根据下述公式来修正并获取水面载体的位置：

其中，

为卫星s_i到基站b_j的伪距差分改正数，P₀为水面载体伪距初始值；Δε_τ为测量站的接收机钟差，

为基站与测量站的对流层延迟误和电离层延迟残差，ε_v为接收机噪声误差；P₁为水面载体坐标值。

本发明提供的装置和方法通过多点测量和多差分源综合处理技术提高GPS定位精度；数传电台既是差分信号接收设备，也可同时作为多个测量系统之间的定位数据互传设备。本装置采用的差分信号综合方法可以在较大范围提高大载体的定位精度；设备利用率高，同时具备定位、导航、通讯多种功能，能够用于海上试验的多种用途和场合。

附图说明

图1是多功能高精度综合定位装置的结构示意图；

图2是多路GPS信号接收模块结构示意图；

图3是信号处理监控模块的结构示意图；

图4示出载体测量点个数与共视卫星数的关系；

图5是表示海上试验定位测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种水面载体的综合定位装置进行详细描述。

根据本发明的一个实施例，图1示出一种多功能高精度的综合定位装置的结构，用于为海上舰船及大型载体在大范围的定位测量中提供高性价比的解决方案。

如图1所示，该定位装置包括多路GPS信号接收模块1、信标信号接收模块2、数传电台3、多串口连接模块4和信息处理监控模块5。

其中，多路GPS信号接收模块1用于接收多个测量点的GPS卫星信号，本实施例中由3路GPS双频差分信号接收板组成，也即3套GPS接收系统。每套接收系统包含：GPS双频差分天线、馈线、GPS信号接收处理板、串口数据连接线、电源连接线。3个GPS双频差分天线分别固定安装在船体高处无遮挡的3个测量点(如船头、中部和船尾)，相互间的基线长度事先经过测量。多路GPS信号接收模块1将所接收的3路GPS卫星信号转化为卫星伪距原始数据和卫星状态数据通过多串口连接模块4输出到信息处理监控模块5。

信标信号接收模块2设备包括：信标天线、馈线、信标信号接收处理板、串口数据连接线和电源连接线。信标信号接收模块2将收到的信标台差分信号转化为伪距差分数据，通过多串口连接模块4输出给信息处理监控模块5。

数传电台3包括：全向电台天线、馈线、半双工数传电台、串口数据连接线和电源连接线。数传电台3将收到的动基站差分数据通过多串口连接模块4输出到信息处理监控模块5。

多串口连接模块4的作用是汇聚多个串口设备的数据，本实施例中使用的是带8个扩展串口的外置式串口服务器，将模块1、2、3的串口数据汇聚，通过网口送给信息处理监控模块5。

信息处理监控模块5是带网口的高性能计算机，通过网口与多串口连接模块4连接，接收多路GPS信号接收模块1、信标信号接收模块2、数传电台3的所述卫星伪距原始数据、卫星状态数据、所述伪距差分数据以及所述动基站差分数据，进行定位解算。该模块的结构如图3所示：伪距差分信号综合模块接收来自模块2的信标差分数据和来自模块3的动基站差分数据；共视卫星监测模块根据卫星状态数据和伪距差分信号综合模块的差分数据信息获得共视卫星信息，包括卫星编号、卫星仰角等，并将这些信息反馈给伪距差分信号综合模块；伪距差分信号综合模块根据卫星的仰角形成一组最优差分改正量；GPS定位数据解算模块根据该改正量、GPS原始数据和已知的基线长度代入伪距观测方程，解算出载体中心的精确定位数据，传给定位显示模块。定位数据除了用文字显示外，还与矢量海图数据进行匹配后显示为图形界面；同时通过数据交互模块连接到数传电台3，与其他系统进行定位数据交互。

在本发明的一个实施例中，影响GPS定位的误差源主要有：卫星钟差

接收机钟差

对流层延迟误差

电离层延迟误差以及其它误差

(包括轨道误差、天线相位中心偏差、地球旋转和地球固体潮影响误差等)。

${\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}^i+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}^j+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\β}}^{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ζ}}^{\mathrm{ij}}---\left(1\right)$

有些误差可以在伪距差分计算前进行预处理：根据卫星播发的导航电文可以获得卫星钟差的修正参数；利用双频技术，可以将基准站和流动站的对流层延迟误差

和电离层延迟误差

减小到一定范围内；其它误差

也可通过模型拟合或事前校准，尽量削弱。在伪距差分计算中主要包含的误差：接收机钟差

对流层延迟和电离层延迟残差

基站到卫星的伪距差分量和伪距差分修正计算公式如下：

其中，

为卫星s_i到基站b_j的伪距差分改正数，P₀为测量点伪距初始值，均为已知量；Δε_τ为测量站的接收机钟差，为基站与测量站的对流层延迟误和电离层延迟残差，ε_v为接收机噪声误差；P₁为待求的测量点坐标值。设共视卫星数量为n_i，则该测量点需求解的未知量个数为：

S_n＝4+n_i                                      (4)

观测方程数为：

M_n＝n_i                                        (5)

为了得到确定的解，观测方程数必须大于未知量个数。在近距离情况下可以忽略对流层延迟和电离层延迟残差

的影响，未知量个数降为4。只要能观测4颗以上的共视卫星数据(GPS卫星覆盖度为4重)就可以获得较高精度的定位结果。但随着基站与流动站距离增大，

的影响越来越大，须观测更多的共视卫星数才能保证定位数据精度下降不致太多。而随着距离的增大，共视卫星的数量只会越来越少。

为了解决这一矛盾，在本方案中采取了两个措施。一是借鉴了广域差分原理，将多个基站差分信息源进行汇集，增加共视卫星的数量；二是在载体内增加多个测量点，其位置相对固定，由于这些测量点的位置足够近，可以认为各测量点与基站间的残差相同，设测量点个数为n_j，则需求解的未知量个数变为：

S_n＝4n_j+n_i                               (6)

观测方程数变为：

M_n＝n_in_j+(n_j-1)                           (7)

观测点个数和共视卫星数只要满足以下关系就能获得确定解(见附图5阴影区)。

$n_j\≥\frac{(3n_i+1)}{n_i-1}---\left(8\right)$

从图中曲线可以看到测量点小于3时，计算所需的共视卫星数太高，基本难以满足；当测量点大于3时，所需共视卫星数下降不明显，而增加的成本迅速升高。故测量点个数取3较为合适，这时共视卫星数只要大于5即可。根据共视卫星监控模块挑选出所有可用的差分信息，当可用共视卫星数大于最小要求时，用最小二乘平差法进行迭代计算，可进一步提高定位精度和稳定性。

如附图5所示的海上试验中，有4艘试验船只，在主船0处(离岸约250km)布设了一个由Navcom公司提供的基于Starfire星站差分信号服务的动基站，其自身水平定位精度大约为0.15m，采用30MHz的短波数传电台，传播距离可达到100km以上，无线数据通信速率可达到9600bps。信标基站的自身定位精度大约为0.5m。

假设试验船1在动基站与岸基之间，距动基站约120km，距岸基信标台1约180km，距岸基信标台2约150km；试验船2也在动基站与岸基之间，距动基站约80km，距岸基信标台1约120km，距岸基信标台2约250km；试验船3距动基站约30km，距岸基信标台1约280km，距岸基信标台2约350km。每台试验船上配置本方案所述的多功能高精度综合定位装置，GPS天线(GPS天线的架设点)分别布设在船头、船尾和中部驾驶舱顶，由信号处理监控终端根据GPS星历数据对收到的信标台和动基站差分(来自信标台和自建动基站)进行综合计算，形成新的差分信号改正量，再对多点测量的GPS原始数据进行解算。根据该方法，各试验船在从海岸到距动基站离岸100km(见附图5白色区域)处都能获得基本一致的定位精度。本发明的装置单个可以实现载体的定位，在此实施例中多个试验船是为了说明不同位置的精度可基本保持已知，体现本装置的主要作用是在距离基站较远时使定位精度不致下降太快。

从该实施例可以看到，使用本装置，只需要开通少量的星站差分服务基站就可以在较大范围内显著提高定位精度。

在本发明的另一个实施例中，提供一种水面载体的综合定位方法，包括：接收多个测量点的GPS卫星信号，转化为卫星伪距原始数据和卫星状态数据；接收信标台差分信号和动基站差分数据；根据所接收的所述卫星伪距原始数据、卫星状态数据、所述伪距差分数据以及所述动基站差分数据，获取所述水面载体的定位数据。

其中，可以使用固定在所述水面载体的多个测量点的多套GPS接收系统来获取GPS数据。所述共视卫星信息包括卫星编号、卫星仰角。

所述定位数据可以用文字显示，或者与矢量海图数据匹配后以图形界面显示；所述定位数据传送到数传电台，与其它所述装置进行定位数据交互。

所述获取所述水面载体的定位数据步骤中，所消除的GPS误差源包括：卫星钟差、接收机钟差、对流层延迟误差、电离层延迟误差轨道误差、天线相位中心偏差、地球旋转和地球固体潮影响误差。其中，根据所述卫星状态数据和差分数据信息获得共视卫星信息，形成最优差分改正量；根据所述最优差分改正量、GPS原始数据和基线长度，基于伪距观测方程，获取所述水面载体的定位数据；其中，所述共视卫星信息包括卫星编号、卫星仰角。根据下述公式来修正并获取水面载体的位置：

其中，

为卫星s_i到基站b_j的伪距差分改正数，P₀为水面载体伪距初始值；Δε_τ为测量站的接收机钟差，

为基站与测量站的对流层延迟误和电离层延迟残差，ε_v为接收机噪声误差；P₁为水面载体坐标值。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (8)

1.一种水面载体的综合定位装置，包括：多路GPS信号接收模块、信标信号接收模块、数传电台和信息处理监控模块；

其中，所述多路GPS信号接收模块用于将接收的多个测量点的GPS卫星信号转化为卫星伪距原始数据和卫星状态数据发送到所述信息处理监控模块，其中所述多个测量点位于所述水面载体内，位置相对固定且足够近，以至于认为各测量点与基站间的残差相同；

所述信标信号接收模块用于将收到的信标台差分信号转化为伪距差分数据并发送给所述信息处理监控模块；

数传电台用于将收到的动基站差分数据发送到信息处理监控模块；

信息处理监控模块，根据所接收的所述卫星伪距原始数据、卫星状态数据、所述伪距差分数据以及所述动基站差分数据，使用伪距观测方程消除影响GPS定位的多种误差源，获取所述水面载体的定位数据。

2.权利要求1的装置，其中，所述多路GPS信号接收模块包括分别固定在所述水面载体的多个测量点的多套GPS接收系统。

3.权利要求1的装置，其中，所述信息处理监控模块包括：

伪距差分信号综合模块，接收所述信标台差分信号和所述动基站差分数据；

共视卫星监测模块，根据所述卫星状态数据和所述伪距差分信号综合模块的差分数据信息获得共视卫星信息，反馈给所述伪距差分信号综合模块，所述伪距差分信号综合模块根据所述共视卫星信息形成最优差分改正量；

GPS定位数据解算模块，根据所述最优差分改正量、GPS原始数据和基线长度，基于伪距观测方程，获取所述水面载体的定位数据。

4.权利要求3的装置，其中，所述共视卫星信息包括卫星编号、卫星仰角。

5.权利要求3的装置，其中，所述定位数据用文字显示，或者与矢量海图数据匹配后以图形界面显示；所述定位数据传送到数传电台，与其它所述装置进行定位数据交互。

6.权利要求3的装置，其中，所述GPS定位数据解算模块所消除的GPS误差源包括：卫星钟差、接收机钟差、对流层延迟误差、电离层延迟误差、轨道误差、天线相位中心偏差、地球旋转和地球固体潮影响误差。

7.一种水面载体的综合定位方法，包括：

步骤10)、接收多个测量点的GPS卫星信号，转化为卫星伪距原始数据和卫星状态数据，其中所述多个测量点位于所述水面载体内，位置相对固定且足够近，以至于认为各测量点与基站间的残差相同；

步骤20)、接收信标台差分信号和动基站差分数据，将信标台差分信号转化为伪距差分数据；

步骤30)、根据所接收的所述卫星伪距原始数据、卫星状态数据、所述伪距差分数据以及所述动基站差分数据，使用伪距观测方程消除影响GPS定位的多种误差源，获取所述水面载体的定位数据。

8.权利要求7的方法，其中，步骤30)包括：根据所述卫星状态数据和伪距差分数据获得共视卫星信息，形成最优差分改正量；根据所述最优差分改正量、GPS原始数据和基线长度，基于伪距观测方程，获取所述水面载体的定位数据；其中，所述共视卫星信息包括卫星编号、卫星仰角。

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