CN105527642A - 一种单星定位装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单星定位装置与方法。所述装置包括用户终端和一颗具有测距功能的卫星或单基站或单信号源，用户终端安装了气压测高芯片、测角部件、计步器、囚禁原子钟CPT。所述方法利用气压测高芯片与一颗具有测距功能的卫星或单基站或单信号源分别获得高程值与距离测量值，通过两个曲面交会确定用户所在位置的环。然后基于航位外推原理，利用测角部件获得的方位角信息不断外推、修正，连续获得用户终端的三维位置坐标。本发明的定位原理不同于传统GPS类卫星系统，摆脱了四星定位的限制，既能用作卫星数目较少时传统GPS类卫星定位系统的补充，亦可作为一种独立的定位方法用于手机定位、基于位置服务、海洋浮标和轮船的定位与监测领域。

Description

一种单星定位装置与方法

技术领域

本发明属于导航定位领域，尤其涉及一种包括微型传感测量器件的单星定位导航装置与方法。

背景技术

以GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系统)为代表的各种GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球卫星导航系统)作为现代科学与技术的结晶，为人们的生活与工作带来了巨大的便利和变革。然而，GPS类卫星定位系统也并非尽善尽美，其本身仍存在着一些明显的不足。从测量学原理讲，GNSS采用基于伪距测量的距离交会原理，需要观测4颗以上的卫星才能顺利进行三维定位和导航，所以GNSS依赖于完整和可靠的卫星星座。这使得GNSS的建设与维护需要花费大量的人力与物力，建设周期较长，系统复杂度较高。而实际上，系统本身又比较脆弱，信号容易受到干扰。在诸如城市、高楼和山区等遮挡物较多的环境下，观测卫星数目容易少于4颗，此时传统的导航定位模型将无法进行实时定位。若在战时等特殊时期，其可用性更会大大降低。一份来自美国海军研究GPS卫星系统未来发展的研究报告曾明确指出：如果不对GPS系统进行大规模的建设与改造，那么由于其脆弱性与易干扰性，卫星星座与信号将很容易受到干扰或破坏，因此也将无法适用于未来战争。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种包括微传感器件的单星或单基站或单信号源定位装置与方法，在仅有一颗测距卫星或单基站时也能实现具有一定精度水平的连续三维定位。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单星定位装置，包括用户终端和一颗具有测距功能的卫星或单基站或单信号源，用户终端安装了气压测高芯片、测角部件、计步器、囚禁原子钟CPT(CoherentPopulationTrapping)。其中，

所述单卫星、单基站或单信号源为导航定位提供基准点，测量与用户终端的伪距值。

所述气压测高芯片用以测量用户终端所处位置的气压值，将所述气压值转换后得到大地高程值。

所述测角部件利用惯性或磁场测量用户终端运动的方位角度及方位角度的变化量。

所述囚禁原子钟CPT用于提供时间和频率值。

所述计步器用于测量用户终端行进的步距值。

进一步地，所述测角部件为一指北计。

进一步地，所述测角部件包括陀螺仪和加速度计。

进一步地，所述囚禁原子钟CPT提供的时间和频率值的时频稳定度优于10^-10。

一种应用所述单星定位装置进行定位的方法，包括以下步骤：

步骤1，用户终端接收来自具有所述测距功能的卫星或单基站或单信号源的导航信号，解调后得到导航电文和一个伪距测量值，消除伪距测量值中包括接收终端钟差的误差，得到用户终端与所述卫星或单基站之间的伪距测量值ρ₁。用户终端位于以所述卫星或基站或信号源为球心、以ρ₁为半径的球面上。

步骤2，由所述气压测高芯片测得用户终端所处位置的大地高程值h，得到高程值为h的等高程约束曲面，用户终端位于所述等高程约束曲面上。

步骤3，步骤1所述的球面与步骤2所述的等高程约束曲面交会得到一个圆S，用户终端位于所述圆S上。

步骤4，由测角部件测得用户终端运动的方位角及变化量，所述方位角为用户终端运动方向与正北的夹角。若上一观测历元用户终端位于U₀(x₀,y₀,z₀)处，上一观测历元测得的方位角为α₁，过点U₀、方向与用户终端运动方向相同的直线与步骤3所述圆S的交点即为当前观测历元的用户终端位置U₁(x,y,z)。

步骤5，由所述计步器获得步距，采用广义融合方法修正终端位置U₁(x,y,z)。

进一步地，步骤1所述的球面方程为：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}={\mathrm{\ρ}}_1$

其中，(x₁，y₁，z₁)为卫星或基站的坐标。

进一步地，步骤2所述的等高程约束曲面的方程为：

$\frac{x^2+y^2}{{(a+h)}^2}+\frac{z^2}{{(b+h)}^2}=1$

其中，a、b分别为地球椭圆的长轴和短轴的长度。

进一步地，步骤4所述的直线的方程为：

y-y₀＝tanα₁×(x-x₀)

进一步地，用户终端处于海洋环境时，所述等高程约束曲面为海平面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的定位装置采用气压测高芯片、陀螺仪、计步器等传感器器件，实现了一类基于单颗卫星测距的导航定位方法。本发明所述方法的定位原理不同于传统的GPS类卫星系统，摆脱了四星定位的限制，方法简单易行，既能用作卫星数目较少时传统GPS类卫星定位系统的补充和辅助，亦可作为一种独立的定位方法，能够广泛适用于手机定位、LBS(LocationBasedService，基于位置的服务)、海洋浮标和轮船的定位与监测等领域。

附图说明

图1为曲面交会示意图；

图2为本发明单星定位示意图；

图3为定位累积误差消除示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

近年来，随着导航定位、电子信息、LBS产业等技术领域的迅速发展，出现了许多崭新的定位设备、技术与方法。例如，目前廉价且微型的气压测高芯片、微陀螺仪芯片、计步器等传感器，已经可以测量得到较高精度的高程值、角度和步距等信息，并已被集成到手机等定位终端之中，参与导航与定位功能。CPT(CoherentPopulationTrapping，囚禁原子钟或高精度晶振)已经可以达到优于10^-10的时频稳定度，且价格可以控制在千元量级。因此，在某些定位终端设备中已经可以配备CPT原子钟，以便直接获得接收机时钟与卫星(或基站或单信号源)时钟之间的差值。

本发明所述的单星定位装置，包括用户终端和一颗具有测距功能的卫星或单基站或单信号源(任意一个可利用的信号辐射源)。用户终端至少包括气压测高芯片、测角部件、计步器、囚禁原子钟CPT。其中，

气压测高芯片用以测量用户终端所处位置的气压值。气压值与大地高程相关联，将测量得到的气压值转换成大地高程值，解决大地高程的度量问题。

测角部件利用惯性原理或磁场测量得到方位角度及方位角度的变化量，解决行进时的方向问题。测角部件可以采用指北计，也可以由陀螺仪和加速度计完成测角。

计步器利用加速度计获得用户终端的速度和步距。根据速度和步距信息，采用广义融合方法修正终端位置U₁(x,y,z)。

用户终端可以是一部普通的手机，因此气压测高芯片、测角部件和测速部件均采用微型芯片，它们的尺寸小到足以使它们能够安装到手机的线路板上。

囚禁原子钟CPT用以提供高稳定性的时间和频率值，能够提供稳定度优于10^-10的时频信号。高稳定度的时频信号能够为用户终端提供高精度的伪距测量值。也可以采用高精度晶振代替囚禁原子钟CPT。

单卫星或单基站或单信号源为导航定位提供基准点，同时还用以测量伪距值，为导航定位提供最基本的条件。

本发明提出一种不同于传统GPS类卫星系统原理的定位方法。利用气压测高芯片与一颗具有测距功能的卫星或单基站或单信号源，分别获得高程值与距离测量值，通过两个曲面交会的方法确定用户所在位置的环。然后，基于航位外推原理，利用指北计或陀螺仪及加速度计所获得的方位角信息，不断外推、修正，从而可以连续获得用户终端的三维位置坐标。所述方法包括以下步骤：

步骤1，用户终端接收来自一颗导航或通信卫星或单基站或单信号源的导航信号，解调后得到导航电文和一个伪距测量值。

由于定位终端中的CPT囚禁原子钟(或高精度晶振)具有较高的精度和稳定度，因此可以通过直接比对得到伪距测量值中的接收机的钟差值，从而获得终端与该卫星之间的高精度伪ρ₁。以卫星或基站或单信号源为圆心、该终端与该卫星或基站或单信号源之间的距离ρ₁为半径可以作球，用户位置即位于球面上。该球面的方程为：

$\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}={\mathrm{\ρ}}_1$

其中，(x₁，y₁，z₁)为卫星或基站或单信号源的坐标。

还可以采用以下两种方法获得高精度伪距测量值：(1)采用钟差模型外推加上卫星定期比对授时修正的方法；(2)利用已知点或者差分基准点/站的伪距测量差分信息进行修正。

步骤2，利用安装在定位终端上的气压测高芯片，测量得到用户终端的高程值h，因此为用户终端提供了一个等高程的约束曲面，用户终端位于该约束曲面上。该曲面的方程为：

$\frac{x^2+y^2}{{(a+h)}^2}+\frac{z^2}{{(b+h)}^2}=1$

其中，a、b分别为地球椭圆的长轴和短轴的长度。

联立以上两个曲面方程，可以在地面上相交得到一个圆S。用户位于该圆S上。

当本发明应用于海洋浮标或舰船的导航定位领域时，由于存在着海水面这个天然的高程约束面，可以不采用气压测高芯片进行测高从而得到等高程约束曲面。

步骤3，由测角部件测量用户终端运动的方位角度及方位角度的变化量。所述方位角为用户终端运动方向与正北的夹角。根据上一观测历元用户终端的位置和运动方向确定当前观测历元用户终端位置。具体方法如下：

若上一观测历元的用户位置在U₀(x₀,y₀,z₀)处，而在上一观测历元测得的方位角为α₁，如图2所示，过点U₀、方向与运动方向相同的直线与所述圆S的交点，即为当前观测历元的用户终端位置U₁(x,y,z)。所述直线方程为：

y-y₀＝tanα₁×(x-x₀)

因此，单星定位方法的导航量测方程组模型可表述为：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2}={\mathrm{\ρ}}_1\\ \frac{x^2+y^2}{{(a+h)}^2}+\frac{z^2}{{(b+h)}^2}=1\\ y-y_0={\mathrm{tan\α}}_1\×(x-x_0)\end{array}\right.$

通过本方法得到的U₁的坐标在其法线方向n₁上的误差较小，误差主要分布在点U₁与圆S₁切线方向l₁附近，如附图2所示。由于用户终端与卫星的位置都在不停地变化与改变，因此在该法线方向上的定位误差一般不会持续累积。可以根据用户终端与卫星之间的运动趋势与定位点运动状态的改变对其进行修正。

如附图3所示，在某一观测历元i得到约束圆S_i与用户坐标位置U_i，U_i点切线l_i的方位角为α_i，则此时定位点误差将沿l_i方向上较大。而如果在另一观测历元j得到约束圆S_j与用户坐标位置U_j，U_j点法线n_j的方位角为α_j，则此时定位点误差将沿n_j方向上较小。因此，当α_i与α_j相等或者近似相等时，即可有效消除该方向的累积误差。由于用户在运动过程中会不断改变其前进方向，一直沿着准l_i方向漂移的概率较小，所以误差会得到修正和消除。也可以利用计步器测量步距，进行融合修正，从而使定位精度得到改善。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种单星定位装置，包括用户终端和一颗具有测距功能的卫星或单基站或单信号源，其特征在于，所述用户终端安装了气压测高芯片、测角部件、囚禁原子钟CPT、计步器；其中，

所述单卫星或单基站或单信号源为导航定位提供基准点，测量与用户终端的伪距值；

所述气压测高芯片用于测量用户终端所处位置的气压值，将所述气压值转换后得到大地高程值；

所述测角部件用于测量用户终端运动的方位角度及方位角度的变化量；

所述囚禁原子钟CPT用于提供时间和频率值；

所述计步器用于测量用户终端行进的步距值。

2.根据权利要求1所述单星定位装置，其特征在于，所述测角部件包括陀螺仪和加速度计。

3.根据权利要求1所述单星定位装置，其特征在于，所述测角部件为一指北计。

4.根据权利要求1所述单星定位装置，其特征在于，所述囚禁原子钟CPT提供的时间和频率值的时频稳定度优于10^-10。

5.一种应用权利要求1所述单星定位装置进行定位的方法，包括以下步骤：

步骤1，用户终端接收来自具有所述测距功能的卫星或单基站或单信号源的导航信号，解调后得到导航电文和一个伪距测量值，消除伪距测量值中包括接收终端钟差的误差，得到用户终端与所述卫星或单基站之间的伪距测量值ρ₁；用户终端位于以卫星或单基站为球心、以ρ₁为半径的球面上；

步骤2，由所述气压测高芯片测得用户终端所处位置的大地高程值h，得到高程值为h的等高程约束曲面，用户终端位于所述等高程约束曲面上；

步骤3，步骤1所述的球面与步骤2所述的等高程约束曲面交会得到一个圆S，用户终端位于所述圆S上；

步骤4，由测角部件测得用户终端运动的方位角及变化量，所述方位角为用户终端运动方向与正北的夹角；若上一观测历元用户终端位于U₀(x₀,y₀,z₀)处，上一观测历元测得的方位角为α₁，过点U₀、方向与用户终端运动方向相同的直线与步骤3所述圆S的交点即为当前观测历元的用户终端位置U₁(x,y,z)；

步骤5，由所述计步器获得步距，采用广义融合方法修正终端位置U₁(x,y,z)。

6.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于，步骤1所述的球面方程为：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}={\mathrm{\ρ}}_1$

其中，(x₁，y₁，z₁)为卫星或单基站的坐标。

7.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于，步骤2所述的等高程约束曲面的方程为：

$\frac{x^2+y^2}{{(a+h)}^2}+\frac{z^2}{{(b+h)}^2}=1$

其中，a、b分别为地球椭圆的长轴和短轴的长度。

8.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于，步骤4所述的直线的方程为：

y-y₀＝tanα₁×(x-x₀)。

9.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于，所述用户终端处于海洋环境时，所述等高程约束曲面为海平面。