CN102928857A - 卫星导航中多载波的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航中多载波的定位方法，涉及卫星导航定位技术。本发明方法中，一颗导航卫星向用户终端发送用于导航定位的测距码和数据码，并被调制到多路导航载波上，用户终端解调导航信号，利用至少四颗可视导航卫星进行导航定位。对于用户终端来说，同一颗导航卫星的多载波测距能够降低该卫星的伪距测量误差，利用至少四颗导航卫星多载波的伪距观测方程进行定位解算，可以降低用户终端的定位误差。本发明方法提高了用户终端的导航定位精度，改善了系统的导航性能。

Description

卫星导航中多载波的定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航定位技术，是导航中的定位性能改进方法，尤其适用于一颗导航卫星可同时采用多路载波调制测距码和数据码的卫星导航系统。

背景技术

在卫星导航定位系统中，通常情况下，用户终端的定位精度由星座的空间布局和等效伪距测量误差决定。减小等效伪距测量误差和优化星座的空间布局都可以提高定位精度，改善系统的导航性能。

对于星座完备的全球卫星导航系统而言，星座的空间布局已经得到优化，导航载波的频率数量已经固化，通过技术途径降低伪距测量误差是改善系统的性能的重要措施。

对于星座布局不佳的卫星导航系统，如果系统内卫星上有多个载波可同时使用，即一颗导航卫星可同时下行多路导航载波，测距码和数据码同时被调制到多路载波上，可以降低该卫星的等效伪距测量误差，提高系统的导航定位性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星导航中多载波的定位方法，以提高用户终端定位的精度，在卫星星座布局不佳时，利用卫星导航系统内卫星多路载波同时工作，精确确定用户终端的位置。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种卫星导航中多载波的定位方法，适用于高精度单点定位；其包括步骤：

a)至少四颗导航卫星，其中每一颗导航卫星向用户终端发送用于导航定位的测距码和数据码被调制到多路导航载波上；

b)多路载波同时调制测距码和数据码，并向下发送；

c)用户终端同时测量同一颗导航卫星下行的多路导航信号，实现卫星到用户终端的多伪距测量；

d)用户终端利用至少四颗可视导航卫星的多个伪距观测方程进行导航定位。

所述的卫星导航中多载波的定位方法，其所述导航卫星，为可同时下行多路载波的导航卫星。

所述的卫星导航中多载波的定位方法，其所述用户终端，为固定终端或移动终端。

所述的卫星导航中多载波的定位方法，其所述固定终端，为固定卫星接收设备。

所述的卫星导航中多载波的定位方法，其所述移动终端，为车载、船载或手持接收设备。

所述的卫星导航中多载波的定位方法，其所述伪距观测方程为：

${\mathrm{\ρ}}_k^{j,i}={[{(X^j-X_k)}^2+{(Y^j-Y_k)}^2+{(Z^j-Z_k)}^2]}^{1/2}+b_k-\mathrm{c\δ}{t}^j$

(j＝1，2，…，n；i＝1，2，…，m)

式中，

为观测得到的伪距；(X_k，Y_k，Z_k)为用户终端在测量时刻t_k的坐标；(X^j，Y^j，Z^j)为卫星S_j在发射导航信号时的坐标；b_k为接收机钟差等效距离；δt_j为卫星钟钟差改正，可自导航电文中求得；c为真空中光速。

本发明的方法能够很好的提高用户终端的定位精度，能够改善系统的导航性能。

附图说明

图1为本发明卫星导航中多载波的定位方法中多频导航接收机的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种卫星导航中多载波的定位方法，涉及导航卫星和用户终端。

导航卫星：卫星导航系统内部的n(n≥4)颗卫星都同时下行m路导航载波，并在这m路载波上调制测距码和数据码。

用户终端：测量卫星S_j(j＝1，2，…，n)下行的m路导航信号，实现卫星的伪距测量。在t_k时刻，用户终端观测得到卫星S_j第i(i＝1，2，…，m)路载波的伪距

(j＝1，2，…，n；i＝1，2，…，m)，得到伪距观测方程：

${\mathrm{\ρ}}_k^{j,i}={[{(X^j-X_k)}^2+{(Y^j-Y_k)}^2+{(Z^j-Z_k)}^2]}^{1/2}+b_k-\mathrm{c\δ}{t}^j---\left(1\right)$

(j＝1，2，…，n；i＝1，2，…，m)

式中，为观测得到的伪距；(X_k，Y_k，Z_k)为用户终端在测量时刻t_k的坐标；(X^j，Y^j，Z^j)为卫星S_j在发射导航信号时的坐标；b_k为接收机钟差等效距离；δt_j为卫星钟钟差改正，可自导航电文中求得；c为真空中光速。

考虑电离层延迟

对流层延迟

和观测随机误差

有观测误差方程：

${\mathrm{\ρ}}_k^{j,i}={[{(X^j-X_k)}^2+{(Y^j-Y_k)}^2+{(Z^j-Z_k)}^2]}^{1/2}$ (2)

$+b_k-\mathrm{c\δ}{t}^j+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{k_n}^{j,i}+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{k_P}^{j,i}+v_k^{j,i}$

定位解算中，根据用户终端的概略坐标(X_k ⁰，Y_k ⁰，Z_k ⁰)，利用下式：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_k={X_k}^0+\mathrm{\δ}{X}_k\\ Y_k={Y_k}^0+\mathrm{\δ}{Y}_k\\ Z_k={Z_k}^0+\mathrm{\δ}{Z}_k\end{array}\right.---\left(3\right)$

对(2)式进行1阶Taylor级数展开，得到其线性化形式：

$v_k^{j,i}=l_k^j\mathrm{\δ}{X}_k+m_k^j\mathrm{\δ}{Y}_k+n_k^j\mathrm{\δ}{Z}_k$ (4)

$-b_k+{\mathrm{\ρ}}_k^{j,i}-{R_k}^j+\mathrm{c\δ}{t}^j-\mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{k_n}^{j,i}-\mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{k_P}^{j,i}$

式中，

为待定点到卫星S_j的方向余弦：

$l_k^j=\frac{X^j-{X_k}^0}{{R_k}^j},$ $m_k^j=\frac{Y^j-{Y_k}^0}{{R_k}^j},$ $n_k^j=\frac{Z^j-{Z_k}^0}{{R_k}^j}---\left(5\right)$

R_k ^j为待定点到卫星S_j的距离：

R_k ^j＝[(X^j-X_k ⁰)²+(Y^j-Y_k ⁰)²+(Z^j-Z_k ⁰)²]^1/2(6)

由导航电文可以计算出卫星S_j在信号发射时刻的坐标和钟差，由相关公式可以计算电离层和对流层时延。

根据概略坐标计算

和R_k ^j，并将观测方程(4)中的已知项用

表示，有：

$v_k^{j,i}=l_k^j\mathrm{\δ}{X}_k+m_k^j\mathrm{\δ}{Y}_k+n_k^j\mathrm{\δ}{Z}_k-b_k-L_k^j---\left(7\right)$

式中，

为观测误差方程的常数项：

$L_k^{j,i}={R_k}^j-{\mathrm{\ρ}}_k^{j,i}-\mathrm{c\δ}{t}^j+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{k_n}^{j,i}+\mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{k_P}^{j,i}---\left(8\right)$

将式(7)写成矩阵形式：

V＝AX-L    (9)

式中，X为待定参数矢量：

X＝[δX_kδY_kδZ_k b_k]^T    (10)

A为未知参数的系数矩阵：

卫星S_j在矩阵A中对应一个m行4列的子矩阵。L为常数项矢量：

$L={\left[\begin{array}{ccccccccccc}{L}_k^{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& L_k^{1,m}& L_k^{\mathrm{2,1}}& \·\·\·& L_k^{2,m}& \·\·\·& \·\·\·& L_k^{n,1}& \·\·\·& L_k^{n,m}\end{array}\right]}^T---\left(12\right)$

V为改正数矢量：

$V={\left[\begin{array}{ccccccccccc}{v}_k^{\mathrm{1,1}}& \·\·\·& v_k^{1,m}& v_k^{\mathrm{2,1}}& \·\·\·& v_k^{2,m}& \·\·\·& \·\·\·& v_k^{n,1}& \·\·\·& v_k^{n,m}\end{array}\right]}^T---\left(13\right)$

利用最小二乘法求解式(9)，得到未知参数矢量X：

X＝(A^TA)^-1A^TL    (14)

按式(3)多次迭代可以求得用户终端的坐标。进一步可以把空间直角坐标转换为用户终端的大地经纬度和大地高。

Claims (6)

1.一种卫星导航中多载波的定位方法，适用于高精度单点定位；其特征在于，包括步骤：

a)至少四颗导航卫星，其中每一颗导航卫星向用户终端发送用于导航定位的测距码和数据码被调制到多路导航载波上；

b)多路载波同时调制测距码和数据码，并向下发送；

c)用户终端同时测量同一颗导航卫星下行的多路导航信号，实现卫星到用户终端的多伪距测量；

d)用户终端利用至少四颗可视导航卫星的多个伪距观测方程进行导航定位。

2.如权利要求1所述的卫星导航中多载波的定位方法，其特征在于，所述导航卫星，为可同时下行多路载波的导航卫星。

3.如权利要求1所述的卫星导航中多载波的定位方法，其特征在于，所述用户终端，为固定终端或移动终端。

4.如权利要求3所述的卫星导航中多载波的定位方法，其特征在于，所述固定终端，为固定卫星接收设备。

5.如权利要求3所述的卫星导航中多载波的定位方法，其特征在于，所述移动终端，为车载、船载或手持接收设备。

6.如权利要求1所述的卫星导航中多载波的定位方法，其特征在于，所述伪距观测方程为：

${\mathrm{\ρ}}_k^{j,i}={[{(X^j-X_k)}^2+{(Y^j-Y_k)}^2+{(Z^j-Z_k)}^2]}^{1/2}+b_k-\mathrm{c\δ}{t}^j$

(j＝1，2，…，n；i＝1，2，…，m)

式中，

为观测得到的伪距；(X_k，Y_k，Z_k)为用户终端在测量时刻t_k的坐标；(X^j，Y^j，Z^j)为卫星S_j在发射导航信号时的坐标；b_k为接收机钟差等效距离；δt_j为卫星钟钟差改正，可自导航电文中求得；c为真空中光速。

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