CN105549048B - 基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置及其方法，其技术特点是：该装置包括三个单点卫星定位接收机构成的三角形接收机阵列，各个单点卫星定位接收机的天线相位中心位于三角形接收机阵列的各顶点上，每个单点卫星定位接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，各个MCU相互之间并联在一起并共同连接到一个处理器模块上。本发明将三个单点卫星定位接收机按三角形排列而构成接收机阵列电路，能够最大程度地消除单点卫星定位接收机存在的三部分误差，其直接利用和处理卫星定位系统下发的卫星定位信号就能显著提高定位精度，具有设计合理、精度高、成本低廉、使用方便等特点，可以在高精度实时卫星定位导航领域大规模应用推广。

Description

基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置及其方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，尤其是一种不依靠基准站的基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置及其方法。

背景技术

卫星定位导航系统主要包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等，随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。当前，高精度实时卫星定位导航的应用范围越来越广，要求用户接收机的定位精度需要达到分米级甚至厘米级。

单点卫星定位接收机技术已经非常成熟。由公知原理可知，卫星定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量和用户钟差来实现的。要获得地面的三维坐标，必须对至少4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在3部分误差：第一部分误差是由卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等引起的；第二部分是由传播延迟导致的误差；第三部分为各用户接收机固有的误差，由内部噪声、通道延迟、多路径效应等原因造成。由于这些误差的存在，单点卫星静态定位的精度很难达到10米以下，因此，不能满足高精度定位要求。

为了获得更高的定位精度，目前主要采用差分卫星定位技术来实现。差分卫星定位技术的原理为：首先利用已知精确三维坐标的差分卫星定位地面基准站，求得伪距修正量或位置修正量或载波相位修正量，再将这个修正量实时通过数据链发送给用户接收机(移动站)，对用户接收机的测量数据进行修正，移去了大部分误差，从而提高用户接收机的卫星定位精度。用户接收机可处于静止状态，也可处于运动状态。基准站发送的信息方式可将差分定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。差分卫星定位是在正常的卫星定位外附加(差分)修正信号，此修正信号改善了卫星定位的精度。这三类差分方式的工作原理是相同的，所不同的是，发送修正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。为了进一步提高性能和使用方便性，可以将多个基准站通过数据处理中心连接成网络，构成地面增强系统，向用户接收机发送修正量。我们发现，现有的这种差分卫星定位技术的原理是必须依靠基准站通过数据链路来发送修正量才能显著提高定位精度。但是，建设和使用基准站、数据链路及用户接收机的成本很高，而且操作繁琐，另外在应用中遇到的最大问题就是基准站校正数据的有效作用距离与范围非常有限，这些缺陷阻碍了高精度实时卫星定位导航的大规模应用推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、精度高、成本低的基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置及其方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置，包括三个单点卫星定位接收机构成的三角形接收机阵列，各个单点卫星定位接收机的天线相位中心位于三角形接收机阵列的各顶点上，每个单点卫星定位接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，各个MCU相互之间并联在一起并共同连接到一个处理器模块上。

进一步，所述单点卫星定位接收机的天线振子分布在同一平面上，校正三个单点卫星定位接收机天线,使其中两个接收机坐标观测值与真实值之间的偏差矢量方向一致；这个偏差矢量方向与第三个单点卫星定位接收机的偏差方向相反，即相差180度。

进一步，所述的三角形接收机阵列为等边三角形接收机阵列。

一种基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置的定位方法，包括以下步骤：

步骤1、各个单点卫星定位接收机将各自的ID及观测值坐标发给处理器模块；

步骤2、处理器模块根据各个单点卫星定位接收机的ID、各个单点卫星定位接收机的观测值、三角形接收机阵列的物理几何参数计算出如下一个三角形图形：三个单点卫星定位接收机的坐标观测值所围成的三角形图形ABC’；

步骤3、在三角形图形ABC的两个顶点上分别画出垂直于上述两个顶点之间直线的两条射线，如果第三个单点卫星定位接收机的坐标观测值C’位于两条射线之间的区域内，则利用三角形图形ABC’的坐标计算出三角形ABC’的几何中心坐标，即三角形ABC’的三条中线的交点的坐标。该坐标为天线阵列几何中心点的高精度的坐标信息；

步骤4：如果第三个单点卫星定位接收机的坐标观测值C’位于两条射线之间的区域外，则利用修正值对定位坐标进行修正，得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。

进一步，所述修正值是通过修正值函数库获得，该修正值函数库包括对应不同的载噪比、可用卫星数、仰角和夹角、信道实用数量等参数条件下的最佳修正值，上述最佳修正值是通过试验方式获得。

进一步，所述修正值的长度小于物理接收机天线阵列的半径。

进一步，所述利用修正值对定位坐标进行修正的方法为：利用三角形图形ABC’的观测值坐标，计算出三角形ABC’的三条中线的交点的坐标减去修正值，从而得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将三个单点卫星定位接收机按三角形排列而构成接收机阵列电路，能够最大程度地消除单点卫星定位接收机存在的三部分误差，其直接利用和处理卫星定位系统下发的卫星定位信号就能显著提高定位精度(可达到亚米级)。

2、本发明不依靠基准站来提高定位精度，完全省去了基准站、地面增强系统及数据链路的建设与使用成本，也免去了繁琐的专业技术操作，同时也使得其工作范围没有任何局限。

3、本发明与依靠基准站进行通讯和差分计算的用户接收机相比，其接收机成本非常低廉。

4、本发明与普通的单点卫星定位接收机相比，虽然增加了部分元器件数量，但这些器件均为低成本元件，但却将卫星定位精度提高了100倍，显著提高了用户接收机的性价比。

5、本发明设计合理，具有精度高、成本低廉、使用方便等特点，可以在高精度实时卫星定位导航的普通民用领域大规模应用推广。

附图说明

图1是本发明的三角形接收机天线阵列几何分布图；

图2是三角形接收机阵列的电路方框图；

图3是本发明的三角形接收机阵列工作原理图(观测值C’位于AD和BE之间的区域内)；

图4是本发明的三角形接收机阵列工作原理图(观测值C’位于AD和BE之间的区域外)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置，是利用三个单点卫星定位接收机按三角形排列构成的接收机阵列电路来提高定位精度。

下面以图1所示的三角形接收机阵列构成的高精度实时卫星定位装置为例进行说明。该高精度卫星定位装置包括三个单点卫星定位接收机组成一个三角形阵列的总体接收机电路，三个单点卫星定位接收机各自的天线几何相位中心位于三角形的三个顶点A、B、C。各个接收机天线振子布在同一平面上。校正三个单点卫星定位接收机天线,使其中A、B两个接收机坐标观测值与真实值之间的偏差矢量方向一致；这个偏差矢量方向与第三个单点卫星定位接收机的偏差矢量方向相反，即相差180度。

图2给出了基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置的电路方框图。每个单点卫星定位接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，三个单点卫星定位接收机的MCU相互之间并联在一起，并共同连接到一个处理器模块中。A、B、C单点卫星定位接收机通过卫星信号强度、卫星仰角和夹角高低以及可用卫星颗数分析，使三个接收机锁定相同的可用定位卫星。以每秒N帧的数据来接收卫星定位的原始数据进行单独处理解算出每个单点接收机的天线相位几何中心坐标。每个接收机都对应一个MCU来处理接收到的数据，三个MCU生成三个接收机的ID。三个MCU相互之间是并联的，这样使三个接收机保持数据同步，并将每个接收机的ID数据发送给处理器模块。处理器模块的第一个作用是控制三个接收机和MCU保持数据同步，第二个作用是将从MCU收到的数据进行解析，进行综合处理完成计算，解算并输出最终的定位坐标。

本发明的高精度卫星定位装置的工作原理：由于各个单点卫星定位接收机的天线相位中心位于三角形各顶点，因此，位于各个接收机天线相位中心之间的相对位置的矢量(距离和方向)也就固定下来，并且是已知的参数。另一方面，各个接收机可得到卫星定位坐标观测量，由于单点接收机存在的误差，各个接收机天线相位中心的观测值与实际坐标之间存在偏差。各个接收机天线相位中心的观测值之间的相对位置的矢量，与已知的各个接收机天线相位中心之间的相对位置的矢量对比，就可以提取出由于前述各种误差而引起的偏差矢量。这时，可以由接收机阵列天线的总体相位中心的观测值减去偏差矢量，从而得到接收机阵列总体电路的观测出的坐标。由于已经能够消除了偏差，这个坐标就更接近于真实的坐标。

本发明的高精度卫星定位装置可以将单点卫星定位接收机存在的第一部分误差可以完全消除；第二部分和第三部分误差大部分可以消除。为了实现最好的应用效果，应满足如下要求：

第一，尽量提高各个单点接收机的单点定位精度。

第二，接收机天线阵列应为等边三角形，各个接收机天线相位中心位于三角形的顶点。

第三，各个接收机的时钟保持同步，利用接收机独立MCU进行时钟同步。

第四，校正三个单点卫星定位接收机天线,使其中A、B两个接收机坐标观测值与真实值之间的偏差矢量方向一致；这个偏差矢量方向与第三个单点卫星定位接收机的偏差矢量方向相反，即相差180度。而且调整尺寸大小来优化定位的精度。

第五，各个接收机接收的卫星相同。以每秒N帧的数据来接收卫星定位信号的原始数据进行单独处理。

第六，通过修正值来提高精度。利用不同的载噪比、可用卫星数、仰角和夹角、信道实用数量等对精度有影响的参数加以利用，获得最佳的修正值。这个修正值的长度应小于接收机电路的半径。

基于上述高精度卫星定位装置，本发明的高精度实时卫星定位方法包括以下步骤：

步骤1、各个单点卫星定位接收机将各自的ID及观测值坐标发给处理器模块。

步骤2、处理器模块根据各个接收机的ID、各个接收机的观测值、三角形阵列的物理几何参数计算出如下一个三角形几何图形：三个单点卫星定位接收机的坐标观测值所围成的三角形图形ABC’。

如图3所示，校正三个单点卫星定位接收机天线,使其中A、B两个接收机坐标观测值与真实值之间的偏差矢量方向一致；这个偏差矢量方向与第三个单点卫星定位接收机的偏差矢量方向相反，即相差180度。通过接收机的解算可以得到三个顶点观测值坐标A、B、C'。AD和BE是与AB垂直的射线。C’是位于C点的接收机的观测值。

步骤3：如果C点的接收机的观测值C’位于AD和BE之间的区域内(如图3所示)，则说明精度足够高。利用ABC’的坐标计算出三角形ABC’的几何中心F点的坐标(F点是三角形ABC’三条中线的交点)，F点即为天线阵列几何中心点的高精度的坐标信息。

步骤3：如果C点的接收机的观测值C’位于AD和BE之间的区域外(如图4所示)，则说明精度不够高，此时，通过修正值进行修正得到提高定位精度的天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标。

由于不同的载噪比、可用卫星数、仰角和夹角、信道实用数量等条件都会对定位精度有影响。以电路几何尺寸为参考，我们可以通过测试试验而获得在不同的载噪比、可用卫星数、仰角和夹角、信道实用数量等参数条件下的最佳修正值，形成修正值函数数据库。这个修正值的长度应小于物理接收机天线阵列的半径。在实际工作中，接收机会根据不同的载噪比、可用卫星数、仰角和夹角、信道实用数量来从此数据库中调取最佳的修正值。利用ABC’的坐标计算出三角形ABC’的几何中心F点的坐标。用这个坐标减去修正值即得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，如其他几何形状的接收机阵列等，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置的定位方法，所述基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置包括三个单点卫星定位接收机构成的三角形接收机阵列，各个单点卫星定位接收机的天线相位中心位于三角形接收机阵列的各顶点上，每个单点卫星定位接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，各个MCU相互之间并联在一起并共同连接到一个处理器模块上；其特征在于包括以下步骤：

步骤1、各个单点卫星定位接收机将各自的ID及观测值坐标发给处理器模块；

步骤2、处理器模块根据各个单点卫星定位接收机的ID、各个单点卫星定位接收机的观测值、三角形接收机阵列的物理几何参数计算出如下一个三角形图形：三个单点卫星定位接收机的坐标观测值所围成的三角形图形ABC’；

步骤3、在三角形图形ABC’的两个顶点上分别画出垂直于上述两个顶点之间直线的两条射线，如果第三个单点卫星定位接收机的坐标观测值C’位于两条射线之间的区域内，则利用三角形图形ABC’的坐标计算出三角形ABC’的几何中心坐标，即此三角形三条中线的交点的坐标，该坐标为天线阵列几何中心点的高精度的坐标信息；

步骤4：如果第三个单点卫星定位接收机的坐标观测值C’位于两条射线之间的区域外，则利用修正值对定位坐标进行修正，得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。

2.根据权利要求1所述的基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置的定位方法，其特征在于：所述修正值是通过修正值函数库获得，该修正值函数库包括对应不同的载噪比、可用卫星数、仰角和夹角、信道实用数量等参数条件下的最佳修正值，上述最佳修正值是通过试验方式获得。

3.根据权利要求1所述的基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置的定位方法，其特征在于：所述修正值的长度小于物理接收机天线阵列的半径。

4.根据权利要求1所述的基于三角形接收机阵列的高精度卫星定位装置的定位方法，其特征在于：所述利用修正值对定位坐标进行修正的方法为：利用三角形图形ABC’的坐标计算出三角形ABC’的三条中线的交点的坐标减去修正值，从而得到天线阵列几何中心点的高精度的经纬度坐标信息。