CN104536026A - 一种动态对动态实时测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态对动态实时测量系统，应用于运动载体上，包含GNSS接收机、载波相位差分处理单元以及无线通讯传输设备，当运动载体作为基准站时，GNSS接收机将接收到的卫星载波相位观测值通过无线通讯传输设备发送给作为移动站的运动载体；当运动载体作为移动站时，通过无线通讯传输设备接收基准站的卫星载波相位观测值，结合自身GNSS接收机接收到的卫星载波相位观测值，经由载波相位差分处理单元解算得到基准站和移动站的相对位置；在相对位置数据的基础上，通过基准站和移动站间的姿态数据(如陀螺仪测姿)交互以及数据融合计算可进一步得到相对位置姿态数据。本发明可达到厘米级的相对位置测量精度。

Description

一种动态对动态实时测量系统

技术领域

本发明涉及导航定位技术领域，尤其涉及运动平台间的实时高精度相对定位技术。

背景技术

在空中加油对接引导、密集编队飞行等应用需求中，有效获取两个载体间的精确相对定位数据是实现应用的关键，由于需要定位的载体都为运动载体，对定位精度要求高，传统定位方法如基于惯导数据差值解算的方法受限于地形高度数据误差、惯导设备导航误差随时间积累而增大等因素的影响难以保证相对定位精度。

卫星导航系统(GNSS)通过卫星信号接收设备接收导航卫星发送的导航定位、授时信号，并以导航卫星作为动态已知点，实时地测定动态载体的在航位置和速度，进而完成导航、定位和授时服务。现有的GNSS系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及中国的北斗卫星导航系统(BD-2)、欧盟Galileo系统等。随着GNSS的迅速发展，GNSS定位技术的高度自动化及高精度使其具有巨大的潜力，除导航、车辆监控、电子围栏等标准应用市场外，GNSS在测绘、机械控制、航天器轨道确定、飞行器精密进近等领域也得到了应用。BD-2作为中国自主建设的全球卫星导航目前已有15颗星座，卫星信号覆盖范围包括中国全境及周边国家和地区,已经进入稳定运行阶段,预计到2020年，BD-2能够为全球范围内提供全天候的卫星定位和授时服务，运用卫星导航系统进行高精度测量应用切实可行。

GNSS动态测量就是用GNSS信号实时地测得运动目标相对于某一参考系的位置、时间、姿态、速度和加速度等状态参数。从工作方式上讲，GNSS动态定位可以分为单点(非差)模式和差分模式，单点定位是指一台接收机独立确定自身的空间位置，由于受到各种误差(星历误差、星钟误差、电离层折射、多路径效应、噪声测量)的影响，一般情况下单点定位的精度不高。差分模式指的是通过两台或两台以上接收机同时观测，以削弱或消除各种误差的影响，达到更高的定位精度。根据差分GNSS基准站发送的信息种类不同，可将差分GNSS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。由基准站发送的参考信息包括修正量或原始观测数据等，用户站把从数据链收到的参考信息和直接接收到的GNSS信息进行处理，可以获得精确的差分定位结果。差分方式不同，定位精度也不同。目前广泛采用的载波相位差分技术，是用户根据基准站发来的载波相位观测量和位置数据，求差解算坐标，动态精度能达到厘米级。

近年来，以固定基准站为基准点进行高精度动态定位方法是差分定位技术的主要形式，一般采用GNSS载波相位测量技术以保障定位精度，此类应用的特点是采用固定基准站的方式，由于动态测量的实时性要求，基准站与动态用户间需要建立无线数据通信，由于地面基准站覆盖度有效，在远离地面基准站(海洋)的环境下，远距无线传输代价巨大，此外随着动态用户与基准站距离的变大，差分定位精度也将降低。而对于像编队飞行、空中加油、飞机着舰、远洋编队航行以及海上平台作业等应用中，主要定位需求往往是运动载体间实时高精度相对定位，显然基于固定基准站的动态定位由于其局限性难以满足要求，一种解决思路是将基准站也设置在运动载体上，目前这一类动态对动态载波相位差分技术是一项具有开拓性意义的研究技术。

发明内容

为突破现有技术在实现实时高精度相对定位的局限和不足，本发明提出了一种动态对动态实时测量系统，该系统采用GNSS载波相位测量技术，分别在不同运动载体上设置GNSS接收机，并将其中一个运动载体设定为基准站，其它需要获取与基准站载体相对位置信息的运动载体设定为移动站，基准站和移动站间建立实时无线数据传输通道，将基准站上的GNSS接收机实时测得的接收机天线所在位置的载波相位观测数据通过无线数据传输通道发送给移动站，在移动站上设置差分载波相位处理单元，它通过接收移动站自身GNSS接收机的载波相位观测数据以及基准站发送的载波相位测量数据，完成快速差分载波相位数据计算，从而求解出动态用户相对于移动基准站的相对位置，在此基础上，通过与陀螺仪姿态测量设备的组合应用可实现运动载体间的实时高精度相对位置和姿态测量。基于载波相位差分技术，本发明方法相对位置测量精度高；基于无固定基准站设计，本发明方法适用于动态对动态相对位置测量。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种动态对动态实时测量系统，应用于运动载体上，包含GNSS接收机、载波相位差分处理单元以及无线通讯传输设备；

当运动载体作为基准站时，GNSS接收机将接收到的卫星载波相位观测值通过无线通讯传输设备发送给作为移动站的运动载体上的无线通讯传输设备；

当运动载体作为移动站时，载波相位差分处理单元根据通过无线通讯传输设备接收到的基准站的卫星载波相位观测值与自身的GNSS接收机接收到的卫星载波相位观测值，进行载波相位差分计算求解出以基准站的GNSS接收机的天线和移动站上的GNSS接收机的天线为参考点相对位置，再通过测定两个运动载体上的GNSS接收机的天线安装位置参数，通过坐标转换求取基准站和移动站的相对位置。

进一步，还包含陀螺仪测姿态设备、数据采集以及融合模块；

当运动载体作为基准站时，陀螺仪测姿设备测定的姿态数据通过无线通讯传输设备发送给移动站的无线通讯传输设备；

当运动载体作为移动站时，数据采集以及融合模块结合相对位置解算数据、接收到的基准站的姿态数据、以及自身陀螺仪测姿设备的姿态数据，进行数据融合计算得到基准站相对于移动站的位置姿态数据。

优选地，所述GNSS接收机为多星座多模卫星导航接收接收机。

与现有技术相比，本发明能够满足运动载体间的实时高精度相对位置测量需求。通过配置高性能的GNSS卫星接收机(如多星座多模接收机)以及差分载波相位数据处理模块及相应的软件可实现厘米级的相对位置测量精度，通过与陀螺仪等姿态测量设备的组合可实现运动载体间的实时高精度相对位置和姿态测量，通过构建高速无线数据传输通道(如高速数据链)，可使得测量数据快速更新，满足相对测量应用的实时性需求。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图

具体实现方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明运用卫星导航系统(GNSS)动态载波相位差分技术实现运动载体间的实时高精度相对位置测量，通过陀螺仪等姿态测量设备的组合应用可实现运动载体间的实时高精度相对位置和姿态测量，具体实现方式如下：

实施例一：动对动实时高精度相对位置测量实现方式，如附图1所示：

1.运动载体1作为移动站，布置多星座多模GNSS接收机、载波相位差分处理单元以及无线通讯传输设备；

2.运动载体2作为基准站，布置多星座多模GNSS接收机以及无线通讯传输设备；

3.将运动载体2上的GNSS接收机接收到的卫星载波相位观测值通过无线通讯传输设备发送给运动载体1上的无线通讯传输设备；

4.运动载体1上的载波相位差分处理单元集中处理通过无线通讯传输设备接收到的运动载体2上的GNSS接收机的卫星载波相位观测值与自身的GNSS接收机的卫星载波相位观测值，进行载波相位差分计算，完成快速整周模糊度的计算，得到以运动载体1上的GNSS接收机天线和运动载体2上的GNSS接收机天线为参考点相对位置；

5.测定两个运动载体上的接收机天线安装位置参数，通过坐标转换求取运动载体1和运动载体2的相对位置。

实施例二：动对动实时高精度相对位置和姿态测量实现方式，如附图2所示：

1.运动载体1作为移动站，布置多星座多模GNSS接收机、载波相位差分处理单元、陀螺仪测姿态设备、数据采集以及融合模块以及无线通讯传输设备；

2.运动载体2作为基准站，布置多星座多模GNSS接收机、陀螺仪测姿态设备以及无线通讯传输设备；

3.将运动载体2上的GNSS接收机接收到的卫星载波相位观测值以及陀螺仪测姿设备测定的运动载体2姿态数据通过无线通讯传输设备发送给运动载体1上的无线通讯传输设备；

4.运动载体1上的载波相位差分处理单元集中处理通过数据传输设备接收到的载体2上的GNSS接收机测量值与自身的GNSS接收机的测量值，进行载波相位差分计算，完成快速整周模糊度的计算，得到以运动载体1上的GNSS接收机天线和运动载体2上的GNSS接收机天线为参考点相对位置；

5.测定两个运动载体上的接收机天线安装位置参数，通过坐标转换求取运动载体1和运动载体2的相对位置；

6.运动载体1上的数据采集以及融合模块结合GNSS相对位置解算数据、接收到的运动载体2的陀螺仪测姿设备测定的运动载体2姿态数据、以及自身陀螺仪测姿设备的姿态数据，进行数据融合计算得到运动载体1相对于运动载体2的位置姿态数据。

综上所述，本发明的实现思想包括以下几个方面的内容：

(1)多星座多模卫星导航接收机技术

卫星导航接收机一般由射频电路、基带电路、CPU处理电路，卫星接收天线等组成，本发明采用多星座多模卫星导航接收接收机，能够实时接收GPS、BD-2等多卫星座的卫星广播导航、授时数据，具备多个卫星信号频段接收通道(如BD-2的B1、B2、B3，GPS的L1、L2)等，能够通过基带信号处理提供有效的BD-2或GPS载波相位数据。

(2)基于移动基准站的动对动差分GNSS载波相位相对定位技术

差分相对定位利用载波相位差分手段，能够获得较高的定位精度，一般包括一个基准站和一个移动站，基准站静止不动，利用基准站和移动站之间的数据传输，通过单差或双差方式确定整周模糊度，数据处理多采用事后处理的方式，这一类差分GNSS应用的解算理论和实践问题已经得到了较好的解决。但是，在动态用户的应用领域，如果仍旧采用固定基准站，移动站与基准站的距离将会变得很长，随着基线的增长，求解载波相位测量整周模糊度的时间将会增长，而且精度也会降低；此外实现移动站和基准站间稳定的远距无线传输代价巨大，不可靠，甚至不可能。

动态对动态差分GNSS载波相位相对定位技术将基准站设置在运动物体上，通过GNSS载波相位周跳探测与修复、模糊度快速解算等数据处理算法，实现移动站相对基准站的动态相对定位测量，不必需有精确已知坐标的基准站配置。其相对定位精度主要依赖于测量误差，能够提供较高的相对定位精度和可靠性。

Claims (3)

1.一种动态对动态实时测量系统，应用于运动载体上，包含GNSS接收机、载波相位差分处理单元以及无线通讯传输设备，其特征在于：

当运动载体作为基准站时，GNSS接收机将接收到的卫星载波相位观测值通过无线通讯传输设备发送给作为移动站的运动载体上的无线通讯传输设备；

当运动载体作为移动站时，载波相位差分处理单元根据通过无线通讯传输设备接收到的基准站的卫星载波相位观测值与自身的GNSS接收机接收到的卫星载波相位观测值，进行载波相位差分计算求解出以基准站的GNSS接收机的天线和移动站上的GNSS接收机的天线为参考点相对位置，再通过测定两个运动载体上的GNSS接收机的天线安装位置参数，通过坐标转换求取基准站和移动站的相对位置。

2.根据权利要求1所述的一种动态对动态实时测量系统，其特征在于还包含陀螺仪测姿态设备、数据采集以及融合模块；

当运动载体作为基准站时，陀螺仪测姿设备测定的姿态数据通过无线通讯传输设备发送给移动站的无线通讯传输设备；

当运动载体作为移动站时，数据采集以及融合模块结合相对位置解算数据、接收到的基准站的姿态数据、以及自身陀螺仪测姿设备的姿态数据，进行数据融合计算得到基准站相对于移动站的位置姿态数据。

3.根据权利要求1所述的一种动态对动态实时测量系统，其特征在于所述GNSS接收机为多星座多模卫星导航接收机。