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

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

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

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。

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

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。

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：

S1、采集第n颗BD2卫星的伪距值D⁽¹ⁿ⁾，对所述伪距值D⁽¹ⁿ⁾进行修正，得到伪距误差修正值ρ⁽¹ⁿ⁾，ρ⁽¹ⁿ⁾＝D⁽¹ⁿ⁾+δt_u-I⁽¹ⁿ⁾-T⁽¹ⁿ⁾，所述δt_u为当前时刻BD2卫星接收机的钟差，I⁽¹ⁿ⁾为第n颗BD2卫星的信号电离层时延，T⁽¹ⁿ⁾为第n颗卫星的信号对流层时延；n＝1,2,..,N，N为BD2卫星的总数；

S2、计算所述第n颗BD2卫星经地球自转校正后的卫星空间位置(x⁽¹ⁿ⁾,y⁽¹ⁿ⁾,z⁽¹ⁿ⁾)；

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ρ^(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＝1,2,...,M，M为地面站的总数；M+N≥4；

S4、初始化飞行器的位置(x,y,z)和BD2卫星接收机钟差δt_u；

S5、求解线性方程组其中，

雅克比矩阵

(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，

距离误差矩阵

S6、更新所述线性方程组的根即x＝x+dx，y＝y+dy，z＝z+dz，δt_u＝δt_u+dδt_u；

S7、判断迭代是否结束：

计算迭代门限值如果所述Δ≤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。

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：

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

第二子模块，用于计算所述第n颗BD2卫星经地球自转校正后的卫星空间位置(x⁽¹ⁿ⁾,y⁽¹ⁿ⁾,z⁽¹ⁿ⁾)；

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ρ^(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＝1,2,...,M，M为地面站的总数；M+N≥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δt_u；

第五子模块，用于建立线性方程组其中G为雅克比矩阵，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，

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，δt_u＝δt_u+dδt_u；

第七子模块，用于判断迭代是否结束：

计算迭代门限值如果所述Δ≤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Δ直至迭代结束。

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

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；

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；

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

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。

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：

S1、获取第n颗可见BD2卫星的伪距ρ⁽¹ⁿ⁾。ρ⁽¹ⁿ⁾为误差修正值，修正公式如下：

ρ⁽¹ⁿ⁾＝D⁽¹ⁿ⁾+δt_u-I⁽¹ⁿ⁾-T⁽¹ⁿ⁾

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

S2、对步骤S1中第n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(x⁽¹ⁿ⁾,y⁽¹ⁿ⁾,z⁽¹ⁿ⁾)。其中，τ表示卫星信号从发射到BD2卫星接收机接收所需时间，(x^(1n)‘,y^(1n)’,z^(1n)‘)为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；ω_E为地球转速，ω_Eτ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z轴旋转角度。

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ρ^(2m)。修正公式如下：

ρ^(2m)＝D^(2m)-I^(2m)-T^(2m)

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＝1,2,..,M，M为地面站的总数；

S4、初始化飞行器的位置(x,y,z)和BD2卫星接收机钟差δt_u，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：

其中，(x^(2m),y^(2m),z^(2m))是第m个可见的陆基导航地面站的空间位置，为已知项。

S5、生成距离误差矩阵b，

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δt_u的对应的解(偏差量)分别为dx、dy、dz和dδt_u，则：

S6、更新方程组的根，x＝x+dx，y＝y+dy，z＝z+dz，δt_u＝δt_u+dδt_u，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δt_u上；

S7、判断迭代是否结束。

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，取迭代门限值则迭代结束判断条件为：如果Δ<＝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。

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。

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。

(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。

(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。

以下结合一个具体实施例对本发明方案作进一步说明。

步骤1、通讯接口协议制定

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：

表1 BD2数据传输格式

字节号	参数	字节	单	备注
					1	帧头1	1		unsigned char
2	帧头2	1		unsigned char
					3	卫星数	1		unsigned char
4～5	BD-2周	2		short
					6～13	UTC周秒	8	s	double
14～21	BD-2卫星1伪距	8	m	double
					22～29	BD-2卫星1位置X	8	m	double
30～37	BD-2卫星1位置Y	8	m	double
					38～45	BD-2卫星1位置Z	8	m	double
46～49	BD-2卫星1速度Vx	4	m/s	float
					50～53	BD-2卫星1速度Vy	4	m/s	float
54～57	BD-2卫星1速度Vz	4	m/s	float
					58～145	…	88		卫星2和3信息，排列格式同
146～153	BD-2卫星4伪距	8	m	1d、oub4le卫星
					154～61	BD-2卫星4位置X	8	m	double
162～169	BD-2卫星4位置Y	8	m	double
					170～76	BD-2卫星4位置Z	8	m	double
177～180	BD-2卫星4速度Vx	4	m/s	float
					181～184	BD-2卫星4速度Vy	4	m/s	float
185～188	BD-2卫星4速度Vz	4	m/s	float
					189～190	CRC校验	2		short
191	帧尾1	1		unsigned char
					192	帧尾2	1		unsigned char

表2测距机数据传输格式

字节	参数	字节	单位	备注
					1	帧头1	1		unsign
2	帧头2	1		unsign
					3	地面站数	1		unsign
4～11	地面站1距离	8	m	doubl
					12～19	地面站1位置X	8	m	doubl
20～27	地面站1位置Y	8	m	doubl
					28～35	地面站1位置Z	8	m	doubl
36～67	…			地面站2信息
					68～75	地面站3距离	8	m	doubl
76～83	地面站3位置X	8	m	doubl
					84～91	地面站3位置Y	8	m	doubl
92～99	地面站3位置Z	8	m	doubl
					100～1	CRC校验	2		short
102	帧尾1	1		unsign
					103	帧尾2	1		unsign

步骤2、硬件设施准备

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。

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1m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。

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。

步骤3、BD2接收机获取BD2卫星定位信息：

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ρ⁽¹ⁿ⁾，计算公式为：

ρ⁽¹ⁿ⁾＝D⁽¹ⁿ⁾+δt_u-I⁽¹ⁿ⁾-T⁽¹ⁿ⁾

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

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⁽¹ⁿ⁾,y⁽¹ⁿ⁾,z⁽¹ⁿ⁾)。τ表示卫星信号从发射到接收机接收所需时间，(x^(1n)‘,y^(1n)’,z^(1n)‘)为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；ω_E为地球转速，ω_Eτ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z轴旋转角度。

步骤3.3、比较各颗BD2卫星的信噪比，将信噪比值最高的n’(n'≤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。若某一时刻实际收到BD2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。

步骤4：测距机获取陆基导航系统测距结果：

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；

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；

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

ρ^(2m)：ρ^(2m)＝D^(2m)-I^(2m)-T^(2m)

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；

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'≤3)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；

步骤5：若第3.3步接收到的卫星实际颗数n’，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n’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。

步骤5.1、设置飞行器的位置初始值(x₀,y₀,z₀)和接收机钟差初始值δt_u，都设置成0。

步骤5.2、生成雅可比矩阵。

雅可比矩阵G的计算方法如下：

其中，

步骤5.3、生成距离误差矩阵。

距离误差矩阵b的计算方法如下：

步骤5.4、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δt_u的对应的解(偏差量)分别为dx,dy,dz和dδt_u，则：

步骤5.5、迭代更新方程组的解。

更新后方程组的解为：x＝x+dx，y＝y+dy，z＝z+dz，δt_u＝δt_u+dδt_u，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δt_u上。

步骤5.6、判断迭代是否结束。

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，取为迭代结束判断条件：如果Δ<＝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Δ>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。

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：

S1、采集第n颗BD2卫星的伪距值D⁽¹ⁿ⁾，对所述伪距值D⁽¹ⁿ⁾进行修正，得到伪距误差修正值ρ⁽¹ⁿ⁾，ρ⁽¹ⁿ⁾＝D⁽¹ⁿ⁾+δt_u-I⁽¹ⁿ⁾-T⁽¹ⁿ⁾，所述δt_u为当前时刻BD2卫星接收机的钟差，I⁽¹ⁿ⁾为第n颗BD2卫星的信号电离层时延，T⁽¹ⁿ⁾为第n颗卫星的信号对流层时延；n＝1,2,..,N，N为BD2卫星的总数；

S2、计算所述第n颗BD2卫星经地球自转校正后的卫星空间位置(x⁽¹ⁿ⁾,y⁽¹ⁿ⁾,z⁽¹ⁿ⁾)；

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ρ^(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＝1,2,...,M，M为地面站的总数；M+N≥4；

S4、初始化飞行器的位置(x,y,z)和BD2卫星接收机钟差δt_u；

S5、求解线性方程组其中，

雅克比矩阵

(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，

距离误差矩阵

$d^{\left(1n\right)}=\sqrt{{(x^{\left(1n\right)}-x)}^2+{(y^{\left(1n\right)}-y)}^2+(z^{\left(1n\right)}-z)},d^{\left(2m\right)}=\sqrt{{(x^{\left(2m\right)}-x)}^2+{(y^{\left(2m\right)}-y)}^2+{(z^{\left(2m\right)}-z)}^2};$

S6、更新所述线性方程组的根即x＝x+dx，y＝y+dy，z＝z+dz，δt_u＝δt_u+dδt_u；

S7、判断迭代是否结束：

计算迭代门限值如果所述Δ≤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。

2.一种基于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n颗BD2卫星的伪距值D⁽¹ⁿ⁾，对所述伪距值D⁽¹ⁿ⁾进行修正，得到伪距误差修正值ρ⁽¹ⁿ⁾，ρ⁽¹ⁿ⁾＝D⁽¹ⁿ⁾+δt_u-I⁽¹ⁿ⁾-T⁽¹ⁿ⁾，所述δt_u为当前时刻BD2卫星接收机的钟差，I⁽¹ⁿ⁾为第n颗BD2卫星的信号电离层时延，T⁽¹ⁿ⁾为第n颗卫星的信号对流层时延；n＝1,2,..,N，N为可见BD2卫星的总数；

第二子模块，用于计算所述第n颗BD2卫星经地球自转校正后的卫星空间位置(x⁽¹ⁿ⁾,y⁽¹ⁿ⁾,z⁽¹ⁿ⁾)；

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ρ^(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＝1,2,...,M，M为地面站的总数；M+N≥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δt_u；

第五子模块，用于求解线性方程组其中G为雅克比矩阵，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，

$d^{\left(1n\right)}=\sqrt{{(x^{\left(1n\right)}-x)}^2+{(y^{\left(1n\right)}-y)}^2+(z^{\left(1n\right)}-z)},d^{\left(2m\right)}=\sqrt{{(x^{\left(2m\right)}-x)}^2+{(y^{\left(2m\right)}-y)}^2+{(z^{\left(2m\right)}-z)}^2};$

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，δt_u＝δt_u+dδt_u；

第七子模块，用于判断迭代是否结束：

计算迭代门限值如果所述Δ≤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；否则重复执行步骤第五子模块-第七子模块直至迭代结束。