CN102590839B - 一种三天线定位定向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三天线定位定向的方法，该方法对双频GPS信号进行实时动态处理，通过该处理可以提供载体的位置信息，包括：经度、纬度、高度，速度信息和方向，以及姿态信息，包括：俯仰角、横滚角。本方法采用三个天线接收GPS信号，相对于四天线GPS定位定向设备能够减少被遮挡的机率，相对与GPS+MEMS组合导航设备能够提高姿态精度，相对于纯惯性定位定向设备具有不随时间而发生精度变化。该方案操作起来简便，给实际使用带来很多方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种定位定向方法，特别是一种三天线定位定向的方法。
背景技术
目前国内外使用的定位定向方法主要有纯惯性定位定向方法、GPS+MEMS组合导航方法、四天线GPS定位定向方法等几个种类。其中纯惯性定位定向方法短时间内它测得的姿态和航向非常准确，但随着时间的延续它不能很准确的得到姿态角度同时位置数据也会发散。GPS+MEMS组合导航方法的姿态精度受到MEMS的制约不能满足高精度姿态要求。四天线GPS定位定向方法有其使用局限性，在很多情况下不能满足四个GPS天线同时接收到相同的几颗卫星信号的条件，导致四天线GPS定位定向设备无法进行姿态解算。
发明内容
本发明目的在于提供一种三天线定位定向的方法，解决多个GPS不能同时接收到相同的几颗卫星信号，在很多情况下不能进行姿态解算的问题。
一种三天线定位定向的方法的具体步骤为：
第一步 搭建三天线定位定向系统
三天线定位定向系统，包括：GPS天线A、GPS天线B、GPS天线C、双频GPS接收机A、双频GPS接收机B、双频GPS接收机C、数据采集模块、数据存储模块、中心控制模块、实时星历解算模块、定位测速模块、基线解算模块、模糊度解算模块和姿态解算模块。
数据采集模块的功能为采集GPS的数据；数据存储模块的功能为存储采集到的GPS数据；中心控制模块的功能为进行定位定向系统的中心控制；实时星历解算模块的功能为实时解算GPS卫星星历；定位测速模块的功能为根据GPS卫星数据计算载体的速度；基线解算模块的功能为解算两个GPS天线之间的连线与地理北向之间的夹角；模糊度解算模块的功能为解算GPS的模糊度；姿态解算模块的功能为通过GPS天线解算载体的姿态。
GPS天线A、GPS天线B、GPS天线C分别与双频GPS接收机A、双频GPS接收机B、双频GPS接收机C采用射频接口连接。双频GPS接收机A、双频GPS接收机B及双频GPS接收机C的数据接口与数据采集模块相连，数据存储模块的数据接口分别与数据采集模块的三个数据接口相连，实时星历解算模块的数据接口分别与数据采集模块的三个数据接口相连，实时星历解算模块、定位测速模块、基线解算模块、模糊度解算模块与姿态解算模块采用数据接口连接，中心控制模块的控制接口与数据采集模块连接，中心控制模块的控制接口与数据存储模块连接，中心控制模块的数据接口与实时星历解算模块连接，中心控制模块的数据接口与定位测速模块连接，中心控制模块的数据接口与基线解算模块连接，中心控制模块的数据接口与模糊度解算模块连接，中心控制模块的数据接口与姿态解算模块连接。GPS天线A与GPS天线B之间的基线和GPS天线A与GPS天线C之间的基线成90°。
第二步 双频GPS接收机捕获及跟踪信号
双频GPS接收机捕获GPS信号，捕获过程包括时域和频域的两维搜索。双频GPS接收机完成伪码的粗对齐，得到中频信号的载波粗估计值，随后转入码跟踪和载波跟踪过程，达到码相位精确对齐和载波频率精确跟踪。
第三步 三天线定位定向系统读取GPS数据
中心控制模块向数据采集模块发送数据采集命令，数据采集模块分别读取三个对应的双频GPS接收机接收的GPS数据。数据采集模块将采集到的数据文件同时向数据存储模块和实时星历解算模块发送。
第四步 三天线定位定向系统存储GPS数据并解算星历
数据存储模块将接收到的数据文件存储起来。实时星历解算模块实时解算GPS卫星的空间位置。
第五步 三天线定位定向系统进行单点定位并计算速度
定位测速模块根据GPS数据和实时星历解算模块输出结果计算载体的位置和速度，同时定位测速模块使用双差方式消除接收机与卫星钟差影响。
第六步 三天线定位定向系统解算双GPS基线向量
基线解算模块根据实时星历解算模块输出结果，组建附有基线长度约束的GPS基线差分观测方程，进行动基线向量解算。
第七步 三天线定位定向系统解算GPS最佳模糊度
模糊度解算模块使用附有基线长度约束条件的降相关平差法LAMBDA实时解算单GPS模糊度。
模糊度解算模块以上次GPS最佳模糊度结果为基础，组合出任意的双差GPS模糊度结果，连续解模糊度。利用卡尔曼滤波法进行解算，利用基线长度、俯仰角、伪距观测值和载波相位作为约束条件解出模糊度的浮点解，然后按照最小二乘法与LAMBDA法相结合的搜索方法搜索多组模糊度，并按照残差检验进一步检查多组模糊度，最终确定出本次GPS最佳模糊度；上次GPS最佳模糊度是指前一解算周期GPS模糊度计算过程中，利用相关性、搜索时间及条件数的最优组合所解算出的模糊度值。
第八步 姿态解算模块进行姿态解算
姿态解算模块根据双GPS基线向量和GPS最佳模糊度，解算双频GPS接收机A和双频GPS接收机B基线向量的方位角α和俯仰角β及精度指标。
解算双频GPS接收机A和双频GPS接收机C基线向量的俯仰角γ及精度指标。
第九步 中心控制模块输出导航数据
方位角α为载体的方位角、俯仰角β为载体的俯仰角、俯仰角γ为载体的横滚角。GPS模糊度解算中输出的双频GPS接收机A的位置为载体的位置，双频GPS接收机A的速度为载体的速度。
经过以上步骤完成三天线定位定向。
本方法不仅能够实现载体的高精度定位定向测量而且长时间使用精度不会下降。使用方便，能够广泛运用于车辆、舰船、武器装备等方面。
具体实施方式
一种三天线定位定向的方法的具体步骤为：
第一步 搭建三天线定位定向系统
三天线定位定向系统，包括：GPS天线A、GPS天线B、GPS天线C、双频GPS接收机A、双频GPS接收机B、双频GPS接收机C、数据采集模块、数据存储模块、中心控制模块、实时星历解算模块、定位测速模块、基线解算模块、模糊度解算模块和姿态解算模块。
数据采集模块的功能为采集GPS的数据；数据存储模块的功能为存储采集到的GPS数据；中心控制模块的功能为进行定位定向系统的中心控制；实时星历解算模块的功能为实时解算GPS卫星星历；定位测速模块的功能为根据GPS卫星数据计算载体的速度；基线解算模块的功能为解算两个GPS天线之间的连线与地理北向之间的夹角；模糊度解算模块的功能为解算GPS的模糊度；姿态解算模块的功能为通过GPS天线解算载体的姿态。
GPS天线A、GPS天线B、GPS天线C分别与双频GPS接收机A、双频GPS接收机B、双频GPS接收机C采用射频接口连接。双频GPS接收机A、双频GPS接收机B及双频GPS接收机C的数据接口与数据采集模块相连，数据存储模块的数据接口分别与数据采集模块的三个数据接口相连，实时星历解算模块的数据接口分别与数据采集模块的三个数据接口相连，实时星历解算模块、定位测速模块、基线解算模块、模糊度解算模块与姿态解算模块采用数据接口连接，中心控制模块的控制接口与数据采集模块连接，中心控制模块的控制接口与数据存储模块连接，中心控制模块的数据接口与实时星历解算模块连接，中心控制模块的数据接口与定位测速模块连接，中心控制模块的数据接口与基线解算模块连接，中心控制模块的数据接口与模糊度解算模块连接，中心控制模块的数据接口与姿态解算模块连接。GPS天线A与GPS天线B之间的基线和GPS天线A与GPS天线C之间的基线成90°。
第二步 双频GPS接收机捕获及跟踪信号
双频GPS接收机捕获GPS信号，捕获过程包括时域和频域的两维搜索。双频GPS接收机完成伪码的粗对齐，得到中频信号的载波粗估计值，随后转入码跟踪和载波跟踪过程，达到码相位精确对齐和载波频率精确跟踪。
第三步 三天线定位定向系统读取GPS数据
中心控制模块向数据采集模块发送数据采集命令，数据采集模块分别读取三个对应的双频GPS接收机接收的GPS数据。数据采集模块将采集到的数据文件同时向数据存储模块和实时星历解算模块发送。
第四步 三天线定位定向系统存储GPS数据并解算星历
数据存储模块将接收到的数据文件存储起来。实时星历解算模块实时解算GPS卫星的空间位置。
第五步 三天线定位定向系统进行单点定位并计算速度
定位测速模块根据GPS数据和实时星历解算模块输出结果计算载体的位置和速度，同时定位测速模块使用双差方式消除接收机与卫星钟差影响。
第六步 三天线定位定向系统解算双GPS基线向量
基线解算模块根据实时星历解算模块输出结果，组建附有基线长度约束的GPS基线差分观测方程，进行动基线向量解算。
第七步 三天线定位定向系统解算GPS最佳模糊度
模糊度解算模块使用附有基线长度约束条件的降相关平差法LAMBDA实时解算单GPS模糊度。
模糊度解算模块以上次GPS最佳模糊度结果为基础，组合出任意的双差GPS模糊度结果，连续解模糊度。利用卡尔曼滤波法进行解算，利用基线长度、俯仰角、伪距观测值和载波相位作为约束条件解出模糊度的浮点解，然后按照最小二乘法与LAMBDA法相结合的搜索方法搜索多组模糊度，并按照残差检验进一步检查多组模糊度，最终确定出本次GPS最佳模糊度；上次GPS最佳模糊度是指前一解算周期GPS模糊度计算过程中，利用相关性、搜索时间及条件数的最优组合所解算出的模糊度值。
第八步 姿态解算模块进行姿态解算
姿态解算模块根据双GPS基线向量和GPS最佳模糊度，解算双频GPS接收机A和双频GPS接收机B基线向量的方位角α和俯仰角β及精度指标。
解算双频GPS接收机A和双频GPS接收机C基线向量的俯仰角γ及精度指标。
第九步中心控制模块输出导航数据
方位角α为载体的方位角、俯仰角β为载体的俯仰角、俯仰角γ为载体的横滚角。GPS模糊度解算中输出的双频GPS接收机A的位置为载体的位置，双频GPS接收机A的速度为载体的速度。
经过以上步骤完成三天线定位定向。
Claims (1)
1.一种三天线定位定向的方法，其特征在于本方法的具体步骤为：
第一步 搭建三天线定位定向系统
三天线定位定向系统，包括：GPS天线A、GPS天线B、GPS天线C、双频GPS接收机A、双频GPS接收机B、双频GPS接收机C、数据采集模块、数据存储模块、中心控制模块、实时星历解算模块、定位测速模块、基线解算模块、模糊度解算模块和姿态解算模块；
数据采集模块的功能为采集GPS的数据；
数据存储模块的功能为存储采集到的GPS数据；
中心控制模块的功能为进行定位定向系统的中心控制；
实时星历解算模块的功能为实时解算GPS卫星星历；
定位测速模块的功能为根据GPS卫星数据计算载体的速度；
基线解算模块的功能为解算两个GPS天线之间的连线与地理北向之间的夹角；
模糊度解算模块的功能为解算GPS的模糊度；
姿态解算模块的功能为通过GPS天线解算载体的姿态；
GPS天线A、GPS天线B、GPS天线C分别与双频GPS接收机A、双频GPS接收机B、双频GPS接收机C采用射频接口连接；双频GPS接收机A、双频GPS接收机B及双频GPS接收机C的数据接口与数据采集模块相连，数据存储模块的数据接口分别与数据采集模块的三个数据接口相连，实时星历解算模块的数据接口分别与数据采集模块的三个数据接口相连，实时星历解算模块、定位测速模块、基线解算模块、模糊度解算模块与姿态解算模块采用数据接口连接，中心控制模块的控制接口与数据采集模块连接，中心控制模块的控制接口与数据存储模块连接，中心控制模块的数据接口与实时星历解算模块连接，中心控制模块的数据接口与定位测速模块连接，中心控制模块的数据接口与基线解算模块连接，中心控制模块的数据接口与模糊度解算模块连接，中心控制模块的数据接口与姿态解算模块连接；GPS天线A与GPS天线B之间的基线和GPS天线A与GPS天线C之间的基线成90°；
第二步 双频GPS接收机捕获及跟踪信号
双频GPS接收机捕获GPS信号，捕获过程包括时域和频域的两维搜索；双频GPS接收机完成伪码的粗对齐，得到中频信号的载波粗估计值，随后转入码跟踪和载波跟踪过程，达到码相位精确对齐和载波频率精确跟踪；
第三步 三天线定位定向系统读取GPS数据
中心控制模块向数据采集模块发送数据采集命令，数据采集模块分别读取三个对应的双频GPS接收机接收的GPS数据；数据采集模块将采集到的数据文件同时向数据存储模块和实时星历解算模块发送；
第四步 三天线定位定向系统存储GPS数据并解算星历
数据存储模块将接收到的数据文件存储起来；实时星历解算模块实时解算GPS卫星的空间位置；
第五步 三天线定位定向系统进行单点定位并计算速度
定位测速模块根据GPS数据和实时星历解算模块输出结果计算载体的位置和速度，同时定位测速模块使用双差方式消除接收机与卫星钟差影响；
第六步 三天线定位定向系统解算双GPS基线向量
基线解算模块根据实时星历解算模块输出结果，组建附有基线长度约束的GPS基线差分观测方程，进行动基线向量解算；
第七步 三天线定位定向系统解算GPS最佳模糊度
模糊度解算模块使用附有基线长度约束条件的降相关平差法LAMBDA实时解算单GPS模糊度；
模糊度解算模块以上次GPS最佳模糊度结果为基础，组合出双差GPS模糊度结果，连续解模糊度；利用卡尔曼滤波法进行解算，利用基线长度、俯仰角、伪距观测值和载波相位作为约束条件解出模糊度的浮点解，然后按照最小二乘法与LAMBDA法相结合的搜索方式搜索多组模糊度，并按照残差检验进一步检查多组模糊度，最终确定出本次GPS最佳模糊度；上次GPS最佳模糊度是指前一解算周期GPS模糊度计算过程中，利用相关性、搜索时间及条件数的最优组合所解算出的模糊度值；
第八步 姿态解算模块进行姿态解算
姿态解算模块根据双GPS基线向量和GPS最佳模糊度，解算双频GPS接收机A和双频GPS接收机B基线向量的方位角α和俯仰角β及精度指标；
解算双频GPS接收机A和双频GPS接收机C基线向量的俯仰角γ及精度指标；
第九步 中心控制模块输出导航数据
方位角α为载体的方位角、俯仰角β为载体的俯仰角、俯仰角γ为载体的横滚角；GPS模糊度解算中输出的双频GPS接收机A的位置为载体的位置，双频GPS接收机A的速度为载体的速度；
经过以上步骤完成三天线定位定向。
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