CN104502926B - 一种基于精密机械臂的室外gnss接收机绝对天线相位中心校正方法 - Google Patents
一种基于精密机械臂的室外gnss接收机绝对天线相位中心校正方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于天线测量技术与卫星导航定位领域，涉及一种基于精密机械的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法。该方法针对常规室外GNSS观测无法获得高精度的接收机绝对天线相位中心校正模型的问题，通过超短基线观测消除大部分公共误差，借助高精度的机械臂的快速旋转和倾斜实现接收机天线绝对相位中心补偿（Phase Center Offset简称PCO）和相位中心变化（Phase Center Variation简称PCV）的分离，最后通过最小二乘算法解算PCO并对观测残差进行拟合计算PCV。本发明能在室外操作，且能达到1mm的PCO和PCV的校正精度，适用于能跟踪GPS、BDS、GLONASS及Galileo等卫星导航系统信号的接收机PCO和PCV的精确标定，从而可以消除由于接收机PCO和PCV的不精确引入的系统性测量误差，进一步提高用户定位精度。
Description
技术领域
本发明属于天线测量技术与卫星导航定位领域，具体涉及一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法。
背景技术
在全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System 简称GNSS）导航定位领域，载波相位观测值精度比伪距观测值精度高得多，因此在高精度GNSS导航定位数据处理中载波相位观测值占有很大权重。相位观测值是通过测量卫星发射天线发射时刻相对于接收机接收时刻各自的瞬时相位中心得到。其瞬时相位中心随着高度角、方位角、卫星信号强度的变化而变化并且跟频率有关，在实际数据处理中无法得到卫星和接收机的瞬时相位中心的具体位置，因而引入一个平均相位中心来描述瞬时相位中心的平均值，该值相对于接收机参考点的差距称为绝对天线相位偏差（Phase Center Offset 简称PCO）。这样，如果将单个观测值的瞬时相位中心与平均相位中心相比较得到的偏差值就称为天线相位中心变化（Phase Center Variation 简称PCV）。实践证明，卫星以及接收机终端的天线相位中心偏差和相位中心变化，是影响用户定位精度的主要系统误差源。GNSS观测网络往往混合使用了各种不同类型的接收机，这些接收机在制造工艺、工作模式上存在差异，导致天线相位中心存在较大差异，在进行数据处理时容易引入系统性偏差。因此天线在使用前必须进行高精度的天线相位中心标定。
GNSS接收机天线相位中心的校正或标定目前主要有微波暗室校正法和利用室外实测全球定位系统（Global Positioning System 简称GPS）信号的相对定位法两种。微波暗室法采用的是在较为理想的环境下的GPS模拟信号进行标定，受干扰较少，但这种方法对设备要求较高，测试成本也较高，并且其模拟的观测环境与室外观测环境可能存在一定的差异，导致校正结果可行度不高，这也是国际GNSS服务组织（International GNSS ServiceOrganization 简称IGS）没有采用暗室校正结果的原因之一。而室外实测GPS信号的相对定位法要求参考站的天线相位中心信息事先已知，得到的待测天线结果是相对于参考天线的相对相位中心模型值，不能得到与参考站无关的绝对天线相位中心模型值；另外，以上方法目前都无法标定我国北斗卫星导航系统的接收机天线相位中心。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是：针对常规室外GNSS观测无法获得高精度的接收机绝对天线相位中心校正模型的问题，通过超短基线观测消除大部分公共误差，借助高精度的机械臂的快速旋转和倾斜实现接收机天线绝对相位中心补偿（PCO）和相位中心变化（PCV）的分离，最后通过最小二乘算法解算PCO并对观测残差进行拟合计算PCV。本发明能在室外操作，且能达到1mm的PCO和PCV的校正精度，适用于能跟踪GPS/BDS/GLONASS/Galileo等卫星导航系统信号的接收机PCO和PCV的精确标定，从而可以消除由于接收机PCO和PCV的不精确引入的系统性测量误差，进一步提高用户定位精度。
本发明具有如下的有益效果：
本发明提供一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，该方法与现有技术相比的优点在于：本发明专利基于可倾斜和旋转的高精度机械臂采集大量不同方位角和高度角的实测GNSS观测值，在室外就可以实现GNSS接收机绝对天线相位中心的标定，标定精度高，操作简单，测试成本低，室外测试环境更接近使用环境，能够实现GPS/BDS/GLONASS和Galileo卫星系统的接收机天线相位中心标定。
附图说明
图1为一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法的流程图；
图2为用于计算PCO在水平面内的PCO（N）和PCO（E）分量的GNSS观测与机械臂转动方法示意图；
图3为用于计算PCO在竖直面内的PCO（U）分量的GNSS观测与机械臂转动方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明要解决的技术问题是：针对常规室外GNSS观测无法获得高精度的接收机绝对天线相位中心校正模型的问题，通过超短基线观测消除大部分公共误差，借助高精度的机械臂的快速旋转和倾斜实现接收机天线绝对相位中心补偿（PCO）和相位中心变化（PCV）的分离，最后通过最小二乘算法解算PCO并对观测残差进行拟合计算PCV。本发明能在室外操作，且能达到1mm的PCO和PCV的校正精度，适用于能跟踪GPS/BDS/GLONASS/Galileo等卫星导航系统信号的接收机PCO和PCV的精确标定，从而可以消除由于接收机PCO和PCV的不精确引入的系统性测量误差，进一步提高用户定位精度。该校正方法的实施流程如图1所示。
本发明的具体实施方案如下：
步骤1：在GNSS超短基线观测模式下，其中一个天线固定在参考站，另一个接收机天线安装在机械臂末端（移动站）。通过调整机械臂移动天线，观测得到不同时段的多条基线，通过基线解算可得到机械臂末端的GNSS坐标值，通过计算机可同时读取对应时段的机械臂末端的机械臂本体坐标值。通过解算这些坐标对，得到GNSS坐标系与机械臂本体坐标系之间的转换关系，实现坐标系的统一，具体转换关系如下：
（1）
其中，X GNSS 、X R 分别为同一个位置在GNSS坐标系和机器人本体坐标系下的坐标值；X 0为平移量；k为尺度因子；R R2G 为机器人本体坐标系到GNSS坐标系转换矩阵；
步骤2：固定配备任意接收机天线的参考站，通过机械臂控制待测接收机天线在水平面内指定的方向（天线指北方向）做0°（记为位置1）和任意指定角度（位置2）快速往返转动，同时记录高采样率GNSS观测值；
步骤3：根据步骤2，将GNSS观测值按位置1和位置2分解成两部分，对步骤1的参考站和步骤2中移动站组成的双差观测值进行多项式拟合，获得参考站至位置1和参考站至位置2两条基线的同步双差观测值；
步骤4：利用步骤3得到的同步观测值，以步骤2指定的天线北为起算方向，以待测天线参考点为原点，建立天线本体站心坐标系（北/东/高坐标系），在此坐标系进行PCO（E）和PCO（N）参数建模，具体位置关系如图2所示。设为x PCO(E)和x PCO(N)，然后根据步骤1的坐标转换关系式（1）和机器人数据将待估参数x PCO(E)和x PCO(N)转换到GNSS坐标框架，具体表达式如下：
（2）
其中，X 0R ，R L2R 分别为精密机器人输出的机器人末端到本体坐标系下的坐标值和四元素姿态矩阵。最后通过GNSS双差观测可解算出PCO分量中的北和东方向分量PCO（E）和PCO（N）。
步骤5：固定配备任意接收机天线的参考站，通过机械臂控制待测接收机天线在竖直面内作0°（位置3）和任意指定的角度（位置4）的快速倾斜往返转动，同时记录高采样率GNSS观测值。
步骤6：根据步骤5，将GNSS观测值按位置3和位置4分解成两部分；对步骤1的参考站和步骤5中移动站组成的双差观测值进行多项式拟合，获得参考站至位置3和参考站至位置4两条基线的同步双差观测值。
步骤7：利用步骤6得到的同步观测值，以步骤2指定的天线北为起算方向，以待测天线参考点为原点，建立天线本体站心坐标系（北/东/高坐标系），在此坐标系进行PCO（U）参数建模，具体位置关系如图3所示。设为x PCO(U)，然后根据步骤1的坐标转换参数式（1）和机器人数据将待估参数x PCO(U)转换到GNSS坐标框架，具体表达式如下：
（3）
最后，通过双差观测可解算出PCO分量中高程方向分量PCO（U）。
步骤8：将步骤4和步骤7得到的三个分量的PCO值带入根据步骤3和步骤6的位置1与位置2的双差观测值和位置3与位置4的双差观测观测方程中进而得到观测残差，依据步骤4建立的坐标系计算高度角和方位角，对观测值残差进行分段线性拟合或者球冠谐函数拟合计算得到关于高度角和方位角的PCV值。
用球谐函数来拟合PCV的公式如下：
（4）
式中，P nm (cosz)为勒让德函数；n，m，a nm ，b nm 分别为阶数、次数和待估参数；分别为方位角、天顶距。实际计算PCV时，首先将式（4）左边ΔPCV用计算PCO三个分量时得到的双差观测残差值代替，P nm (cosz)勒让德系数、、、等通过已知的天顶距和方位角一一计算；然后将式（4）线性化后通过常规的最小二乘法（拟合）得到带估参数a nm ，b nm ；最后根据带估参数a nm ，b nm 和式（4）得到任意高度角和方位角的PCV值。
本文档说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：
步骤1：选用两个配备天线的GNSS接收机组成超短基线小于10m，其中一个天线固定在参考站，另一个接收机天线安装在机械臂末端，即移动站；调整机械臂移动天线，可观测得到不同时段的多条基线，通过基线解算可得到机械臂末端的GNSS坐标值，通过计算机可同时读取对应时段的机械臂末端的机械臂本体坐标值；通过解算这些坐标对，得到GNSS坐标系与机械臂本体坐标系之间的转换参数，实现坐标系的统一；
步骤2：固定配备任意接收机天线的参考站，通过机械臂控制待测接收机天线在水平面内指定的方向，即测试时指定的起算方向，同时也是天线指北方向，标记为0°，并标记为位置1，将任意非0°角度标记为位置2，快速往返转动，同时记录高采样GNSS观测值；
步骤3：根据步骤2，将GNSS观测值按位置1和位置2分解成两部分，对步骤1的参考站和步骤2中移动站组成的双差观测值进行多项式拟合，获得参考站至位置1和参考站至位置2两条基线的同步双差观测值；
步骤4：利用步骤3得到的同步双差观测值，以步骤2指定的天线北为起算方向，以待测天线参考点为原点，建立天线本体站心坐标系，即北/东/高坐标系，在此坐标系进行绝对天线相位偏差（Phase Center Offset 简称PCO）参数建模，通过双差观测可解算出PCO分量中的北和东方向分量PCO（N）和PCO（E）；
步骤5：固定配备任意接收机天线的参考站，通过机械臂控制待测接收机天线在竖直面内作0°标记为位置3，任意非0°角度标记为位置4的快速倾斜往返转动，同时记录高采样率GNSS观测值；
步骤6：根据步骤5，将GNSS观测值按位置3和位置4分解成两部分；对步骤1的参考站和步骤5中移动站组成的双差观测值进行多项式拟合，得到参考站至位置3和参考站至位置4两条基线的同步双差观测值；
步骤7：利用步骤6得到的同步双差观测值，通过同步双差观测可解算得到PCO分量中的高方向分量PCO（U）；
步骤8：将步骤4和步骤7得到的三个分量的PCO值带入根据步骤3和步骤6的位置1与位置2的双差观测值和位置3与位置4的双差观测观测方程中进而得到观测残差，依据步骤4建立的坐标系计算高度角和方位角，对观测值残差进行分段线性拟合或者球冠谐函数拟合计算得到关于高度角和方位角的相对天线相位中心变化（Phase Center Variation 简称PCV）值。
2.根据权利要求1所述的一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，其特征在于，所述步骤1的坐标转换参数计算过程如下：
第一步：将参考站与移动站组成基线，移动站标记为位置A，通过相对定位得到位置A的GNSS坐标，同时记录机械臂末端在机械臂全局坐标系下的坐标，两者组成坐标对1；
第二步：调整机械臂末端的位置，标记为位置B，将参考站与位置B处的移动站组成基线，通过相对定位得到位置B的GNSS坐标，同时记录机械臂末端在机械臂全局坐标系下的坐标，两者组成坐标对2；
第三步：采用与第一步和第二步相同的方式，通过调整机械臂末端的位置，得到N个坐标对，其中N大于等于3；
第四步：采用经典的7参数坐标转换模型得到GNSS坐标系与机械臂本体坐标系之间的转换参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，其特征在于，所述步骤2的观测方法如下：
第一步：调整待测天线，使待测天线与机械臂保持水平，将事先标记的天线指北方向与机械臂的X坐标轴平行，此时待测天线位置标记为位置1；
第二步：水平面内转动机械臂到某一指定的角度，此时待测天线位置标记为位置2；
第三步：控制机械臂在位置1上进行GNSS观测，一段时间后快速转动到位置2上继续进行观测一段时间，然后从位置2上快速返回到位置1上继续观测，再从位置1快速转动到位置2上进行观测；按该方式进行转动和GNSS观测3至5小时后结束。
4.根据权利要求1所述的一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，其特征在于所述步骤3的计算过程如下：
第一步：按照机械臂输出的不同姿态，将位置1与位置2与参考站组成的双差观测值进行分离；
第二步：将参考站至位置1的双差观测值进行多项式拟合，得到采样间隔较为连续的双差观测值；同理，通过多项式拟合得到参考站至位置2的较为连续的双差观测值。
5.根据权利要求1所述的一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，其特征在于，所述步骤4的计算过程如下：
第一步：按照步骤4所建立待测天线的北/东/高本体坐标系，通过步骤2中的坐标参数转换方法，建立天线本体坐标系下的PCO（N）和PCO（E）参数在GNSS坐标系下的观测方程；将参考站至位置1与参考站至位置2的同步双差观测值作差后，组成关于位置1和位置2的新双差观测值，通过最小二乘法可估算待测天线的PCO（N）和PCO（E）分量值。
6.根据权利要求1所述的一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，其特征在于，所述步骤5的观测方法如下：
第一步：调整待测天线，使待测天线与机械臂保持水平，将事先标记的天线指北方向与机械臂的X坐标轴平行，此时待测天线位置标记为位置3；
第二步：竖直面内转动机械臂到某一指定的角度，此时待测天线位置标记为位置4；
第三步：控制机械臂在位置3上进行GNSS观测，一段时间后快速转动到位置4上继续进行观测一段时间，然后从位置4上快速返回到位置3上继续观测，再从位置3快速转动到位置4上进行观测；按该方式进行转动和GNSS观测3至5小时结束。
7.根据权利要求1所述的一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，其特征在于，所述步骤6的计算过程如下：
第一步：按照机械臂输出的不同姿态，将位置3与位置4与参考站组成的双差观测值进行分离；
第二步：将参考站至位置3双差观测值进行多项式拟合，得到采样间隔较为连续的双差观测值；同理，通过多项式拟合得到参考站至位置4的较为连续的双差观测值。
8.根据权利要求1所述的一种基于精密机械臂的室外GNSS接收机绝对天线相位中心校正方法，其特征在于，所述步骤7的计算过程如下：
第一步：按照步骤4建立待测天线的北/东/高本体坐标系；
第二步：通过步骤2中的坐标参数转换方法，建立天线本体坐标系下的PCO（U）参数在GNSS坐标系下的观测方程，将参考站至位置3与参考站至位置4的同步双差观测值作差后，组成关于位置3和位置4的新双差观测值，将步骤5计算的POC（E）和PCO（N）作为已知值带入GNSS观测方程，通过最小二乘法可估算待测天线的PCO（U）；
第三步：将步骤4和步骤7得到的PCO（E）、PCO（N）、PCO（U）三个分量值带入根据步骤3和步骤6的位置1与位置2和位置3与位置4的双差观测方程中，进而得到双差观测残差，依据步骤4所建立的坐标系计算各个卫星的高度角和方位角，对观测值残差进行分段线性拟合或者球冠谐函数拟合计算得到关于高度角和方位角的PCV值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |