CN104931992B - 一种基于bd2和陆基导航系统的联合定位方法及系统 - Google Patents

一种基于bd2和陆基导航系统的联合定位方法及系统 Download PDF

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CN104931992B CN201510294065.6A CN201510294065A CN104931992B CN 104931992 B CN104931992 B CN 104931992B CN 201510294065 A CN201510294065 A CN 201510294065A CN 104931992 B CN104931992 B CN 104931992B
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杨道安
彭克学
白明顺
高帆
张晶
邓潺
周鄂炯
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湖北航天技术研究院总体设计所
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Abstract

本发明公开了一种基于BD2和陆基导航系统的联合定位方法及系统,方法包括步骤:S1、采集BD2卫星的伪距值并进行修正;S2、计算BD2卫星经地球自转校正后的空间位置;S3、采集陆基导航系统地面站到测距机的距离并进行修正;S4、初始化飞行器位置和卫星接收机钟差;S5、建立相应线性方程组并求解;S6、更新线性方程组的根;S7、判断迭代是否结束:计算迭代门限值Δ,如果Δ≤预设门限值,则步骤S6计算结果即为当前飞行器位置,迭代结束;否则重复执行步骤S5‑S7直至迭代结束。本发明还提供了实现上述方法的系统。实施本发明能大幅度提高系统定位精度,不依赖GPS资源,战时完全可用,可靠性强。

Description

一种基于BD2和陆基导航系统的联合定位方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于导航定位技术领域,更具体地,涉及一种基于BD2和陆基导航系统的联 合定位方法及系统。

背景技术

[0002] 以往的飞行器在制导定位时,一般采用GPS信息进行定位。但是GPS系统是美国政 府的国家资产,由国防部负责管理,美国保留了限制GPS信号的强度和精度,或者彻底关闭 GPS服务的权利,以便美军及盟国可以在冲突时独享GPS服务。

[0003] 因此各国在发展自己的飞行器时,越来越多地考虑不依赖GPS信息的定位方式。随 着BD2卫星导航系统的覆盖能力和定位精度进一步增强,BD2卫星导航系统开始参与到飞行 器定位中。但是,到目前为止,BD2卫星导航系统对外公布的定位精度为10米,单纯用BD2代 替GPS定位,还不能满足飞行器的定位精度要求。陆基导航系统是在地球表面上经过精确测 量的点上布设基站,当飞行器飞过其上空时,利用测量飞行器与基站间的精确距离,从而推 算出飞行器的精确位置。该系统具有搭建简单、成本低、定位精度高的特点;然而其不足之 处是地表地形复杂,某些瞬间可能无法实现测距通路。因此,需要设计一种联合定位方法, 在保证定位可靠性的同时,提高系统定位精度。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于BD2和陆基导航系 统的联合定位方法及系统,能大幅度提高系统的定位精度,实现飞行器对高精度的需求;且 不依赖GPS资源,战时完全可用,可靠性强。

[0005] 为实现上述目的,按照本发明,提供了一种基于BD2和陆基导航系统的联合定位方 法,所述方法包括以下步骤:

[0006] S1、采集第η颗BD2卫星的伪距值D(ln),对所述伪距值D(ln)进行修正,得到伪距误差 修正值P(ln),P(ln) =D(ln) +Stu-I(ln) -T(ln),所述Stu为当前时刻BD2卫星接收机的钟差,I(ln)为 第η颗BD2卫星的信号电离层时延,T(ln)为第η颗卫星的信号对流层时延;n = l,2,..,N,NS BD2卫星的总数;

[0007] S2、计算所述第η颗BD2卫星经地球自转校正后的卫星空间位置(x(ln),y(ln),z(ln));

[0008] S3、采集陆基导航系统地面站到测距机的距离D(2m),对所述距离D(2m)进行修正,得 到距离误差修正值P(2m) =D(2m)_I (2m)_T(2m),所述I(2m)为第m个地面站的信号电离层时延,T(2m) 为第m个地面站的信号对流层时延;m=l,2,. . .,M,M为地面站的总数;M+N彡4;

[0009] S4、初始化飞行器的位置(x,y,z)和BD2卫星接收机钟差Stu;

[0010] S5、求解线性方程;

Figure CN104931992BD00051

'其中,

[0011] 雅克比矩I

Figure CN104931992BD00061

[0012]

Figure CN104931992BD00062

为第m个可见的陆基导航地面站的空间位置,

[0013] 距离误差矩罔

Figure CN104931992BD00063

Figure CN104931992BD00064

[0015] 36、更新所述线性方程组的根即叉=1+(11,7 = 7+(17,2 = 2+(12,51:11 = 51:11+(151:11;

[0016] S7、判断迭代是否结束:

[0017] 计算迭代门限{1

Figure CN104931992BD00065

如果所述A <预设门限值,则步 骤S6计算结果即为当前飞行器的位置,迭代结束;否则,重复执行步骤S5-S7直至迭代结束。

[0018] 相应地,本发明还提供一种基于BD2和陆基导航系统的联合定位系统,所述系统包 括:

[0019] 第一子模块,用于采集第η颗BD2卫星的伪距值D(ln),对所述伪距值D(ln)进行修正, 得到伪距误差修正值P (ln),P (ln) =D (ln)+Stu-I (ln)-T (ln),所述Stu为当前时刻BD2卫星接收机 的钟差,I(ln)为第η颗BD2卫星的信号电离层时延,T(ln)为第η颗卫星的信号对流层时延;η = 1,2,. .,Ν,Ν为可见BD2卫星的总数;

[0020] 第二子模块,用于计算所述第η颗BD2卫星经地球自转校正后的卫星空间位置(X (ln),y(ln),z(ln));

[0021] 第三子模块,用于采集陆基导航系统地面站到测距机的距离D(2m),对所述距离D(2m) 进行修正,得到距离误差修正值P(2m) =D(2m)-I(2m)-T(2m),所述I(2m)为第m个地面站的信号电离 层时延,T(2m)为第m个地面站的信号对流层时延;m=l,2,. . .,M,M为地面站的总数;M+N彡4 [0022] 第四子模块,用于初始化飞行器的位置(x,y,z)和BD2卫星接收机钟差Stu;

[0023] 第五子模块,用于建立线性方程组

Figure CN104931992BD00071

其中G为雅克比矩阵,

Figure CN104931992BD00072

,其中(X(2m),y(2m),z(2m))为第m个可见的陆基导航地 面站的空间位置;

[0024] b为距离误差矩阵

Figure CN104931992BD00073

Figure CN104931992BD00074

[0026] 第六子模块,用于更新所述线性方程组的根,X = x+dx,y = y+dy,z = z+dz,δtu = δtu +d5tu;

[0027] 第七子模块,用于判断迭代是否结束:

[0028] 计算迭代门限{ί

Figure CN104931992BD00075

如果所述A <预设门限值,则 第六子模块的计算结果即为当前飞行器的位置,迭代结束;否则利用第六子模块中更新后 的线性方程组的根更新所述雅克比矩阵G,重复计算迭代门限值△直至迭代结束。

[0029] 总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的 技术优点:本发明方法在采集数据源时,考虑了钟差、电离层、对流层误差项,从而从数据来 源上提高了定位精度。通过采用BD2和陆基导航系统的信息联合定位,能够弥补单独采用 BD2定位精度不足的缺点,同时克服单独使用陆基导航系统导航范围受限的缺点。本发明能 大幅度提高系统的定位精度,实现飞行器对高精度的需求;同时,该方法不依赖GPS资源,战 时完全可用,可靠性强。

附图说明

[0030] 图1为本发明基于BD2和陆基导航系统的联合定位方法流程图;

[0031] 图2为采用基于BD2和陆基导航系统的联合定位方法的系统设备布置图;

[0032] 图3为本发明一个具体实施例中基于BD2和陆基导航系统的联合定位方法流程图。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0034] 如图1所示,本发明提供一种基于BD2卫星和陆基导航系统的联合定位方法,方法 包括步骤:

[0035] SI、获取第η颗可见BD2卫星的伪距P(ln) j(ln)为误差修正值,修正公式如下:

[0036] p(ln)=D(ln)+5tu-I(ln)-T(ln)

[0037] 其中,D(ln)为同一时刻的对第η颗BD2卫星的伪距测量值,所述Stu为当前时刻BD2卫 星接收机的钟差,I(ln)为第η颗卫星的信号电离层时延,T(ln)为第η颗卫星的信号对流层时 延。n = l,2,. .,Ν,Ν为可见BD2卫星的总数。

[0038] S2、对步骤Sl中第η颗可见BD2卫星,根据其星历计算得到经地球自转校正后的卫 星空间位置坐标

Figure CN104931992BD00081

。其中

Figure CN104931992BD00082

表示卫星信号从发射到BD2卫星接收机接收所需时间,

Figure CN104931992BD00083

3卫星星历中给 出的卫星信号发射时刻(t-τ)时该卫星的位置,t为当前时刻;ωΕ为地球转速,ωΕτ表示信号 从卫星传输至BD2卫星接收机天线的时间里,地球和地心地固坐标系坐标绕ζ轴旋转角度。 [0039] S3、获取第m个可见的陆基导航地面站到测距机的距离误差修正值P(2m)。修正公式 如下:

Figure CN104931992BD00084

[0041] 其中,D(2m)为同一时刻测距机对各地面站的距离测量值(双向距离的一半),I(2m)为 第m个地面站的信号电离层时延,T(2m)为第m个地面站的信号对流层时延。m=l,2,..,M,MS 地面站的总数;

[0042] S4、初始化飞行器的位置(x,y,z)和BD2卫星接收机钟差Stu,可根据实际情况设置 一个比较接近的数值,如果无先验值则可全部设置为0。生成雅可比矩阵G,其计算方法如 下:

Figure CN104931992BD00091

[0044] 其中......是第m个可见的陆基导航地面站的空间位置,为已知项。

Figure CN104931992BD00092

Figure CN104931992BD00093

[0047] S5、生成距离误差矩阵b,

Figure CN104931992BD00094

[0049] 求解线性方程组的解。设最小二乘法求解的四个未知数x,y,z和Stu的对应的解 (偏差量)分别为dx、dy、dz和(1δtu,则:

Figure CN104931992BD00095

[0051] S6、更新方程组的根,X = x+dx,y = y+dy,z = z+dz,δtu = δtu+d5tu,即将步骤S5求得 的解叠加到上一次用于计算的位置值x、y、z和时间值Stu上;

[0052] S7、判断迭代是否结束。

[0053] 根据卫星导航测距误差、测距机钟差、测距机测距误差和要求达到的迭代精度等 因素预先确定一个门限值,取迭代门限值

Figure CN104931992BD00101

> 则迭代结束 判断条件为:如果A〈=预设门限值,则结束迭代;否则,利用步骤S6中更新后的线性方程组 的根更新所述雅克比矩阵G,返回步骤S4直至迭代结束。

[0054] 相应地,本发明还提供一种基于BD2和陆基导航系统的联合定位系统,其包括对应 的第一子模块、第二子模块、第三子模块、第四子模块、第五子模块、第六子模块和第七子模 块。

[0055] 基于本发明方法的系统设备布置图如图1所示。其中:(1)BD2接收机放置在飞行器 上,用于实时接收BD2卫星信息,包括各颗卫星的伪距、位置、速度以及钟差,并将其发送给 联合定位系统第一子模块。

[0056] (2)陆基导航系统分为地面站和测距机两部分,地面站布设在地表,测距机放置在 飞行器上。测距机接收到各地面站的信息,根据地面站信息中包含的编号信息,获取各地面 站的位置信息。测距机将各地面站到测距机的距离、各地面站的位置信息发送给联合定位 系统第三子模块。

[0057] (3)联合定位系统位于飞行器上,对收到的BD2卫星和陆基导航地面站信息进行联 合定位,得到飞行器的实际位置信息。

[0058] 以下结合一个具体实施例对本发明方案作进一步说明。

[0059] 步骤1、通讯接口协议制定

[0060] BD2接收机与本发明联合定位系统、测距机与联合定位系统之间均通过RS232串口 通信,硬件上遵循RS232标准。在传送信息时,以帧头、内容、帧尾、CRC校验字的顺序发送,按 照下表1和2格式进行传输:

[0061] 表I BD2数据传输格式

Figure CN104931992BD00102

Figure CN104931992BD00111

[0063] 表2测距机数据传输格式

Figure CN104931992BD00112

[0065] 步骤2、硬件设施准备

[0066] 一台BD2接收机,用于正确接收BD2卫星信息,并能计算出各颗卫星到接收机的伪 距。其中,伪距需要扣除钟差、电离层时延以及对流层时延。同时,该接收机能将各颗卫星的 伪距、位置和速度信息以特定的帧格式发送给联合定位系统。

[0067] 陆基导航系统,包括一台测距机和至少三台地面站。该陆基导航系统用于实现测 距(测距精度在Im以内),测距机能计算出各地面站到测距机的距离。其中,距离需要扣除电 离层时延和对流层时延。各地面站的位置信息内置在测距机中,可以通过地面站序号查询 得到。测距机能将各地面站到测距机的距离、各地面站的位置信息发送给本发明联合定位 系统。

[0068] 联合定位系统,用于接收到BD2接收机和陆基导航测距机发送的卫星或地面站信 息,然后根据步骤1中表1和表2规定的协议,解析出卫星或者地面站的信息,计算得到定位 结果。

[0069] 步骤3、BD2接收机获取BD2卫星定位信息:

[0070] 步骤3.1、BD2接收机接收各颗卫星的伪码信息,计算得到各颗卫星的伪距误差修 正值P (ln),计算公式为:

Figure CN104931992BD00121

[0072] 其中,D(ln)为同一时刻的对第η颗BD2卫星的伪距测量值,Stu为当前时刻BD2卫星接 收机的钟差,I(ln)为第η颗卫星的信号电离层时延,T(ln)为第η颗卫星的信号对流层时延。η = 1,2,. .,Ν,Ν为可见BD2卫星的总数。

[0073] 步骤3.2、根据各卫星星历,计算出经地球自转校正后的卫星空间位置坐标(x(ln),

Figure CN104931992BD00122

〃表示卫星信号从发射到 接收机接收所需时间:

Figure CN104931992BD00123

%卫星星历中给出的卫星信号发射时刻(t-τ)的 位置,t为当前时刻;ωΕ为地球转速,ωΕτ表示从信号从卫星传到接收机天线的时间里,地球 和地心地固坐标系坐标绕ζ轴旋转角度。

[0074] 步骤3.3、比较各颗BD2卫星的信噪比,将信噪比值最高的η’(η ’彡4)颗卫星信息以 步骤1中表1格式打包,通过串口发送给联合定位计算系统第三子模块。若某一时刻实际收 至IJBD2卫星颗数小于4颗,则数据打包时,只发送收到的卫星信息,多余的卫星信息部分以0 填充。

[0075] 步骤4:测距机获取陆基导航系统测距结果:

[0076] 步骤4.1、测距机呼第m个地面站,即发送扩频码给第m个地面站,m= 1,2,3;

[0077] 步骤4.2、第m个地面站接收到测距机发送的信号,向测距机发送回波;

[0078] 步骤4.3、若测距机接收到回波,计算第m个地面站的误差修正后的距离

Figure CN104931992BD00124

[0080] 其中,D(2m)为同一时刻的对各地面站的距离测量值(双向距离的一半),I(2m)为第m 个地面站的信号电离层时延,T(2m)为第m个地面站的信号对流层时延;若在预设时间(优选 为20ms)内没有收到回波,则重复步骤4.1-4.3步。若同一次测距,测距机呼同一台地面站的 次数超过预定次数没有收到回波(如3次),则不再呼该台地面站;

[0081] 步骤4.4、查询测距机里预装的地面站位置信息,将收到回波的m’(m’S3)个地面 站信息以表2的格式打包,通过串口发送至联合定位计算系统第三子模块。若同一次测距中 实际呼到的地面站台数小于3个,则数据打包时,只发送收到的地面站信息,多余的地面站 信息部分以0填充;

[0082] 步骤5:若第3.3步接收到的卫星实际颗数η’,与步骤4.4中接收到地面站实际台数 m’的加和大于等于4,且η’和m’均大于0,则调用联合定位方法,得到飞行器位置,否则不能 进行联合定位。

[0083] 步骤5.1、设置飞行器的位置初始值(X0,yo,Z0)和接收机钟差初始值Stu,都设置成 0〇

[0084] 步骤5.2、生成雅可比矩阵。

[0085] 雅可比矩阵G的计算方法如下:

Figure CN104931992BD00131

[0090] 步骤5.3、生成距离误差矩阵。

[0091] 距离误差矩阵b的计算方法如下:

Figure CN104931992BD00132

[0093] 步骤5.4、求解线性方程组的解。

[0094] 设最小二乘法求解的四个未知数x,y,z和Stu的对应的解(偏差量)分别为dx,dy, dz和d5tu,贝丨J:

Figure CN104931992BD00141

[0096] 步骤5.5、迭代更新方程组的解。

[0097] 更新后方程组的解为:1 = 1+(^,7 = 7+(17,2 = 2+(12,51:11 = 51:11+(^1:11,即将步骤5.4求 得的解叠加到上一次用于计算的位置值x、y、z和时间值Stu上。

[0098] 步骤5.6、判断迭代是否结束。

[0099] 根据卫星导航测距误差、测距机钟差、测距机测距误差和要求达到的迭代精度等 因素预先确定一个门限值,本实施例中取门限值为1,萆

Figure CN104931992BD00142

为迭代结束判断条件:如果A〈=门限值1,则迭代结束,步骤5.5的解即为飞行器的实际位 置;如果A >门限值1,则将步骤5.5得到的方程组解带入步骤5.2,建立新的雅可比矩阵G,进 行迭代计算。

[0100] 本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以 限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含 在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1. 一种基于BD2和陆基导航系统的联合定位方法,其特征在于,所述方法包括以下步 骤: 51、 采集第η颗BD2卫星的伪距值D(ln),对所述伪距值D(ln)进行修正,得到伪距误差修正 值P(ln),P(ln) = D(1η)+δtu-I(ln)-T(ln),所述δtu为当前时刻BD2卫星接收机的钟差,I(ln)为第η颗 BD2卫星的信号电离层时延,T(ln)为第η颗卫星的信号对流层时延;n=l,2,. .,Ν,Ν为BD2卫 星的总数; 52、 计算所述第η颗BD2卫星经地球自转校正后的卫星空间位置(X(ln),y(1η),ζ(ln)); 53、 采集陆基导航系统地面站到测距机的距离D(2m),对所述距离D(2m)进行修正,得到距 离误差修正值P(2m) =D(2m) -I(2m) -T(2m),所述I(2m)为第m个地面站的信号电离层时延,T(2m)为第 m个地面站的信号对流层时延;m=l,2,. . .,M,M为地面站的总数;M+N彡4; 54、 初始化飞行器的位置(x,y,z)和BD2卫星接收机钟差Stu; 55、 求解线性方程组
Figure CN104931992BC00021
其中,
Figure CN104931992BC00022
Figure CN104931992BC00023
为第m个可见的陆基导航地面站的空间位置,
Figure CN104931992BC00024
Figure CN104931992BC00031
56、 更新所述线性方程组的根即x = x+dx,y = y+dy,z = z+dz,5tu = 5tu+d5tu; 57、 判断迭代是否结束: 计算迭代门限值
Figure CN104931992BC00032
,如果所述AS预设门限值,则步骤S6 计算结果即为当前飞行器的位置,迭代结束;否则,重复执行步骤S5-S7直至迭代结束。
2. —种基于BD2和陆基导航系统的联合定位系统,其特征在于,所述系统包括: 第一子模块,用于采集第η颗BD2卫星的伪距值D(ln),对所述伪距值D(ln)进行修正,得到 伪距误差修正值P(ln),P(ln) =D(ln)+Stu-I (ln)-T(ln),所述Stu为当前时刻BD2卫星接收机的钟 差,I(ln)为第η颗BD2卫星的信号电离层时延,T(ln)为第η颗卫星的信号对流层时延;η=1, 2,. .,Ν,Ν为可见BD2卫星的总数; 第二子模块,用于计算所述第η颗BD2卫星经地球自转校正后的卫星空间位置(X(ln),y (1η),ζ(1η)); 第三子模块,用于采集陆基导航系统地面站到测距机的距离D(2m),对所述距离D(2m)进行 修正,得到距离误差修正值
Figure CN104931992BC00033
,所述I(2m)为第m个地面站的信号电离层时 延,T(2m)为第m个地面站的信号对流层时延;m=l,2,. . .,M,M为地面站的总数;M+N彡4 第四子模块,用于初始化飞行器的位置(X,y,z)和BD2卫星接收机钟差Stu; 第五子模块,用于求解线性方程组
Figure CN104931992BC00034
其中G为雅克比矩阵,
Figure CN104931992BC00035
,其中(x(2m),y(2m),z(2m))为第m个可见的陆基导航地 面站的空间位置; b为距离误差矩阵,
Figure CN104931992BC00041
Figure CN104931992BC00042
·' 第六子模块,用于更新所述线性方程组的根,X = x+dx,y = y+dy,z = z+dz,5tu = 5tu+d5 tu; 第七子模块,用于判断迭代是否结束:
Figure CN104931992BC00043
计算迭代门限僧 如果所述AS预设门限值,则第六 5 子模块的计算结果即为当前飞行器的位置,迭代结束;否则重复执行步骤第五子模块-第七 子模块直至迭代结束。
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