CN106289154A - 一种通信基站天线方位角监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信基站天线方位角监测方法，属于卫星定位与导航技术领域。该方法基于两个低成本GNSS模块以及多套GNSS天线，利用GNSS单频伪距与载波相位观测值，采用序贯最小二乘方法，实时解算模糊度的浮点解，并采用约束LAMBDA方法解算整周模糊度，获得高精度的测向信息；同时采用射频切换技术，获得多套GNSS天线的方向信息，从而降低设备成本。该方法基于两个低成本单频卫星导航模块，支持多个基站天线上安装的卫星导航天线，获得每个基站天线的方位角信息，可对基站天线进行实时、在线监测，提高网络优化水平，降低维护成本。

Description

一种通信基站天线方位角监测方法

技术领域

本发明属于卫星定位与导航技术领域，涉及一种通信基站天线方位角监测方法。

背景技术

随着移动通信网络的迅猛发展，目前三大运营商仅存量天线数就超过350万，随着时间的推移，基站天线的功能参数、天线方位角与俯仰角都会发生变化，会导致基站天线实际覆盖区域偏离规划的范围，将直接影响通信质量，尤其是沿海台风多发地带，其基站天线变化更为频繁。因此天线方位角的实时监测尤其重要，但是，由于对其工作状况缺乏有效的监控手段，基站天线系统的工作参数管理一直是维护的难点。随着4G网络规模的不断扩大，依靠传统的巡检手段进行天线管理，不仅消耗了大量的人力物力，维护成本高，而且现场采集的数据实时性和准确性较差。

GNSS精密测向技术是全球卫星导航系统提供精密位置服务的关键技术之一，目前已广泛应用于驾考、精准农业、无人机等机械控制。它利用GNSS测向技术，以载体上的两个接收机采集的载波相位和伪距数据作为主要观测值来进行差分解算，并估计载波相位的整周模糊度，可以实时获得高精度的航向信息，极大的提高了作业效率，降低作业成本。但是基于目前的GNSS测向产品一般基于采用双频方案，其硬件成本相对较高，从而限制了其应用范围以及产业化推广。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通信基站天线方位角监测方法，该方法基于两个低成本单频卫星导航模块，支持多个基站天线上安装的卫星导航天线，获得每个基站天线的方位角信息，可对基站天线进行实时、在线监测，提高网络优化水平，降低维护成本。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种通信基站天线方位角监测方法，该方法基于两个低成本GNSS模块以及多套GNSS天线，利用GNSS单频伪距与载波相位观测值，采用序贯最小二乘方法，实时解算模糊度的浮点解，并采用约束LAMBDA方法解算整周模糊度，获得高精度的测向信息；同时采用射频切换技术，获得多套GNSS天线的方向信息，从而降低设备成本。

进一步，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：两个卫星导航模块连接两个卫星导航天线

CPU控制射频切换开关，使得两个卫星导航模块首次连接任一基站天线上安装的两个卫星导航天线，两个卫星导航模块开始实时接收导航卫星的单频观测数据；

步骤二：形成双差观测方程

GNSS单频频率双差伪距与载波相位观测值为：

$\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\ρ}}_{AB}^{jk}+{\mathrm{\λ}}_g\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}}$

$\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\ρ}}_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}}$

式中,为双差伪距观测值,表示以米为单位的双差载波相位观测值,为接收机到卫星的双差距离，λ_g为载波波长,为载波的模糊度值,表示伪距的观测噪声,表示载波相位的观测噪声；

步骤三：周跳探测

采用载波相位观测值进行解算时，由于天线周围环境影响，载波相位观测值不可避免的存在周跳现象，为了获得可靠的解算结果，需要实时的探测周跳；

由于两个天线都处于静止状态，因此专利中的周跳探测方法采用时间差分法，如下式所示：

$\mathrm{\Δ}\▿c_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}\left(t1\right)-\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}\left(t2\right)\≈\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}\left(t1\right)-\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}\left(t2\right)$

由于观测时间间隔较短，卫星变化不大，此方法可以有效探测到1周周跳；

$|\mathrm{\Δ}\▿c_{AB}^{jk}|\≥\mathrm{\δ}$

δ为域值，设置为0.8，如果超过该域值，则认为有周跳发生，即重新初始化该模糊度参数；

步骤四：线性化观测方程

步骤二中的公式为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处理，采用泰勒展开线性化可得：

$\mathrm{\Δ}\▿{\tilde{L}}_{AB}^{jk}=a_x^{jk}{\mathrm{\Δx}}_B+a_y^{jk}{\mathrm{\Δy}}_B+a_z^{jk}{\mathrm{\Δz}}_B+{\mathrm{\λ}}_g\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}}$

$\mathrm{\Δ}\▿{\tilde{P}}_{AB}^{jk}=a_x^{jk}{\mathrm{\Δx}}_B+a_y^{jk}{\mathrm{\Δy}}_B+a_z^{jk}{\mathrm{\Δz}}_B+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}}$

式中为方向余玄，Δx_B，Δy_B，Δz_B为代估参数，为卫星k，j到B天线近似距离，为卫星k，j到A天线距离，A天线坐标可由单点定位获得；

步骤五：序贯最小二乘估计

采用序贯最小二乘即可以估计对应的待估参数，其过程为：

${\hat{x}}_{k|k}={\hat{x}}_{k-1|k-1}+K_k(y_k-A_k{\hat{x}}_{k-1|k-1})$

式中y_k为伪距与载波相位观测值，A_k为观测值的系数矩阵，为k-1历元的状态向量，为预测的状态向量，为当前k历元的状态向量，K_k为增益矩阵；

步骤六：基线约束模糊度解算

采用序贯最小二乘技术，计算模糊度浮点解及其方差协方差阵此时采用约束LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解；

${\stackrel{\‾}{a}}_{(1,2,\mathrm{...},n)}=\arg \underset{z\∈Z}{\min }(z-\hat{a})Q_{\hat{b}\hat{b}}^{-1}{(z-\hat{a})}^T$

式中z为整数模糊度候选矢量，为最优n组模糊度解算结果；

对于每组模糊度值，更新基线向量：

$\hat{b}\left({\stackrel{\‾}{a}}_i\right)=\hat{b}+Q_{\hat{b}\hat{a}}{Q}_{\hat{a}\hat{a}}^{-1}\×({\stackrel{\‾}{a}}_i-\hat{a}),i\∈\[1,n\]$

式中为基线向量与模糊度的协方差，为浮点解基线向量，为固定解基线向量；

由于基线长度已知，此时利用已知的基线长度约束选取对应的模糊度整数解：

$l-\mathrm{\δ}l\≤\left|\right|\hat{b}\left({\stackrel{\‾}{a}}_k\right)\left|\right|\≤l+\mathrm{\δ}l$

式中l为已知的基线长度，δl为误差范围，为固定解的基线长度；

步骤七：固定模糊度更新航向信息

计算更新后的航向信息：

$\mathrm{\γ}=a\tan (\stackrel{\‾}{n}/\stackrel{\‾}{e})$

式中为模糊度固定的东向和北向基线分量，γ为方位角；

步骤八：切换射频开关

切换射频，连接另一个基站天线上安装的两个卫星导航天线，并采用相同的解算方法，获得该基站天线的方位角信息，循环上述步骤。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种低成本基站天线方位角监测方法，该方法基于控制射频开关，同时支持多个卫星导航天线，从而有效降低硬件成本，同时采用序贯最小二乘方法，结合约束LAMBDA方法，实现稳健的高精度基站天线方位角监测。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法系统框架；

图2为双天线GNSS测向解算流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述方法系统框架，图2为双天线GNSS测向解算流程图，如图所示，本发明提供的方法具体包括以下步骤：

步骤一：两个卫星导航模块连接两个卫星导航天线

CPU控制射频切换开关，使得两个卫星导航模块首次连接任一基站天线上安装的两个卫星导航天线，两个卫星导航模块开始实时接收导航卫星的单频观测数据。

步骤二：形成双差观测方程

GNSS单频频率原始的伪距与载波相位观测值为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\ρ}}_{AB}^{jk}-\mathrm{\Δ}\▿I_{AB}^{jk}+\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\τ}}_{AB}^{jk}+{\mathrm{\λ}}_g\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}}\\ \mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\ρ}}_{AB}^{jk}+\mathrm{\Δ}\▿I_{AB}^{jk}+\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\τ}}_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}}\end{array}---\left(1\right)$

式中,为原始的伪距观测值,表示以米为单位的原始的载波相位观测值,为接收机到卫星的距离(包含误差源，如相对论、地球固体潮、卫星相位中心)，λ_g为载波波长,第一频段载波的电离层延迟,为对流层延迟，为载波的模糊度值,表示伪距的观测噪声,表示载波相位的观测噪声。

由于两个天线距离很近，约20cm，此时大气误差影响可以忽略，则原方程可以表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\ρ}}_{AB}^{jk}+{\mathrm{\λ}}_g\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}}\\ \mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\ρ}}_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}}\end{array}---\left(2\right)$

步骤三：周跳探测

采用载波相位观测值进行解算时，由于天线周围环境影响，载波相位观测值不可避免的存在周跳现象，为了获得可靠的解算结果，需要实时的探测周跳；

由于两个天线都处于静止状态，因此本方法中的周跳探测方法采用时间差分法，如下式所示：

$\mathrm{\Δ}\▿c_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}\left(t1\right)-\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}\left(t2\right)\≈\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}\left(t1\right)-\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}\left(t2\right)---\left(3\right)$

由于观测时间间隔较短，卫星变化不大，此方法可以有效探测到1周周跳：

$|\mathrm{\Δ}\▿c_{AB}^{jk}|\≥\mathrm{\δ}$

δ为域值，一般可以设置为0.8，如果超过该域值，则认为有周跳发生，即重新初始化该模糊度参数。

步骤四：线性化观测方程

公式(2)为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处理，采用泰勒展开线性化(2)式可得：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\▿{\tilde{L}}_{AB}^{jk}=a_x^{jk}{\mathrm{\Δx}}_B+a_y^{jk}{\mathrm{\Δy}}_B+a_z^{jk}{\mathrm{\Δz}}_B+{\mathrm{\λ}}_g\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}}\\ \mathrm{\Δ}\▿{\tilde{P}}_{AB}^{jk}=a_x^{jk}{\mathrm{\Δx}}_B+a_y^{jk}{\mathrm{\Δy}}_B+a_z^{jk}{\mathrm{\Δz}}_B+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}}\end{array}---\left(4\right)$

式中：

$a_x^{jk}=-\frac{x^k-x_{B_0}}{{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^k}+\frac{x^j-x_{B_0}}{{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^j}$

$a_y^{jk}=-\frac{y^k-y_{B_0}}{{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^k}+\frac{y^j-y_{B_0}}{{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^j}$

$a_z^{jk}=-\frac{z^k-z_{B_0}}{{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^k}+\frac{z^j-z_{B_0}}{{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^j}$

$\mathrm{\Δ}\▿{\tilde{L}}_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}-{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^k+{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^j+{\mathrm{\ρ}}_A^k-{\mathrm{\ρ}}_A^j$

$\mathrm{\Δ}\▿{\tilde{P}}_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}-{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^k+{\mathrm{\ρ}}_{B_0}^j+{\mathrm{\ρ}}_A^k-{\mathrm{\ρ}}_A^j$

式中为方向余玄，Δx_B，Δy_B，Δz_B为代估参数，为卫星k，j到B天线近似距离，为卫星k，j到A天线距离，A天线坐标可由单点定位获得。

步骤五：序贯最小二乘估计

估计的参数主要包含三个位置参数、双差载波相位的模糊度：

$x=\[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\Δx}}_B& {\mathrm{\Δy}}_B& {\mathrm{\Δz}}_B& \mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{j1}& \mathrm{...}& \mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jm}\end{array}\]---\left(5\right)$

观测值的系数矩阵为：

$A=\left[\begin{array}{cc}G& 0\\ G& {\mathrm{\λE}}_{m-1}\end{array}\right]$

$G=\left[\begin{array}{ccc}{a}_x^{j1}& a_y^{j1}& a_z^{j1}\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ a_x^{jm}& a_y^{jm}& a_y^{jm}\end{array}\right]$

采用序贯最小二乘即可以估计对应的待估参数，其过程为：

式中y_k为伪距与载波相位观测值，A_k为观测值的系数矩阵，为k-1历元的状态向量，为预测的状态向量，为当前k历元的状态向量，K_k为增益矩阵。

步骤六：基线约束模糊度解算

采用序贯最小二乘技术，计算模糊度浮点解及其方差协方差阵此时采用约束LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解。

${\stackrel{\‾}{a}}_{(1,2,\mathrm{...},n)}=\arg \underset{z\∈Z}{\min }(z-\hat{a})Q_{\hat{b}\hat{b}}^{-1}{(z-\hat{a})}^T$

式中z为整数模糊度候选矢量，为最优n组模糊度解算结果。

对于每组模糊度值，更新基线向量：

$\hat{b}\left({\stackrel{\‾}{a}}_i\right)=\hat{b}+Q_{\hat{b}\hat{a}}{Q}_{\hat{a}\hat{a}}^{-1}\×({\stackrel{\‾}{a}}_i-\hat{a}),i\∈\[1,n\]---\left(7\right)$

式中为基线向量与模糊度的协方差，为浮点解基线向量，为固定解基线向量。由于基线长度已知，此时利用已知的基线长度约束选取对应的模糊度整数解。

$l-\mathrm{\δ}l\≤\left|\right|\hat{b}\left({\stackrel{\‾}{a}}_k\right)\left|\right|\≤l+\mathrm{\δ}l---\left(8\right)$

式中l为已知的基线长度，δl为误差范围，为固定解的基线长度。

步骤七：固定模糊度更新航向信息

计算更新后的航向信息：

$\mathrm{\γ}=a\tan (\stackrel{\‾}{n}/\stackrel{\‾}{e})---\left(9\right)$

式中为模糊度固定的东向和北向基线分量，γ为方位角。

步骤八：切换射频开关

此时切换射频，连接另一个基站天线上安装的两个卫星导航天线，并采用相同的解算方法，获得该基站天线的方向信息，循环上述步骤。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种通信基站天线方位角监测方法，其特征在于：该方法基于两个低成本GNSS模块以及多套GNSS天线，利用GNSS单频伪距与载波相位观测值，采用序贯最小二乘方法，实时解算模糊度的浮点解，并采用约束LAMBDA方法解算整周模糊度，获得高精度的测向信息；同时采用射频切换技术，获得多套GNSS天线的方向信息，从而降低设备成本。

2.根据权利要求1所述的一种通信基站天线方位角监测方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤一：两个卫星导航模块连接两个卫星导航天线

CPU控制射频切换开关，使得两个卫星导航模块首次连接任一基站天线上安装的两个卫星导航天线，两个卫星导航模块开始实时接收导航卫星的单频观测数据；

步骤二：形成双差观测方程

GNSS单频频率双差伪距与载波相位观测值为：

$\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\ρ}}_{AB}^{jk}+{\mathrm{\λ}}_g\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}}$

$\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿{\mathrm{\ρ}}_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}}$

式中，为双差伪距观测值，表示以米为单位的双差载波相位观测值，为接收机到卫星的双差距离，λ_g为载波波长，为载被的模糊度值，表示伪距的观测噪声，表示载被相位的观测噪声；

步骤三：周跳探测

采用载波相位观测值进行解算时，由于天线周围环境影响，载波相位观测值不可避免的存在周跳现象，为了获得可靠的解算结果，需要实时的探测周跳；

由于两个天线都处于静止状态，因此专利中的周跳探测方法采用时间差分法，如下式所示：

$\mathrm{\Δ}\▿c_{AB}^{jk}=\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}\left(t1\right)-\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}\left(t2\right)\≈\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}\left(t1\right)-\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}\left(t2\right)$

由于观测时间间隔较短，卫星变化不大，此方法可以有效探测到1周周跳；

$|\mathrm{\Δ}\▿c_{AB}^{jk}|\≥\mathrm{\δ}$

δ为域值，设置为0.8，如果超过该域值，则认为有周跳发生，即重新初始化该模糊度参数；

步骤四：线性化观测方程

步骤二中的公式为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处理，采用泰勒展开线性化可得：

$\mathrm{\Δ}\▿{\tilde{L}}_{AB}^{jk}=a_x^{jk}{\mathrm{\Δx}}_B+a_y^{jk}{\mathrm{\Δy}}_B+a_z^{jk}{\mathrm{\Δz}}_B+{\mathrm{\λ}}_g\mathrm{\Δ}\▿N_{AB}^{jk}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿L_{AB}^{jk}}$

$\mathrm{\Δ}\▿{\tilde{P}}_{AB}^{jk}=a_x^{jk}{\mathrm{\Δx}}_B+a_y^{jk}{\mathrm{\Δy}}_B+a_z^{jk}{\mathrm{\Δz}}_B+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}\▿P_{AB}^{jk}}$

式中为方向余玄，Δx₅，Δy₅，Δz₅为代估参数，为卫星k，j到B天线近似距离，为卫星k，j到A天线距离，A天线坐标可由单点定位获得；

步骤五：序贯最小二乘估计

采用序贯最小二乘即可以估计对应的待估参数，其过程为：

${\hat{x}}_{k|k}={\hat{x}}_{k-1|k-1}+K_k(y_k-A_k{\hat{x}}_{k-1|k-1})$

式中y_k为伪距与载波相位观测值，A_k为观测值的系数矩阵，为k-1历元的状态向量，为预测的状态向量，为当前k历元的状态向量，K_k为增益矩阵；

步骤六：基线约束模糊度解算

采用序贯最小二乘技术，计算模糊度浮点解及其方差协方差阵此时采用约束LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解；

${\stackrel{\‾}{a}}_{\left(1,2,...,n\right)}=\arg \underset{z\∈Z}{\min }\left(z-\hat{a}\right)Q_{\hat{b}\hat{b}}^{-1}{\left(z-\hat{a}\right)}^T$

式中z为整数模糊度候选矢量，为最优n组模糊度解算结果；

对于每组模糊度值，更新基线向量：

$\hat{b}\left({\stackrel{\‾}{a}}_i\right)=\hat{b}+Q_{\hat{b}\hat{a}}{Q}_{\hat{a}\hat{a}}^{-1}\×\left({\stackrel{\‾}{a}}_i-\hat{a}\right),i\∈\[1,n\]$

式中为基线向量与模糊度的协方差，为浮点解基线向量，为固定解基线向量；

由于基线长度已知，此时利用已知的基线长度约束选取对应的模糊度整数解：

$l-\mathrm{\δ}l\≤\left|\right|\hat{b}\left({\stackrel{\‾}{a}}_k\right)\left|\right|\≤l+\mathrm{\δ}l$

式中1为已知的基线长度，δ1为误差范围，为固定解的基线长度；

步骤七：固定模糊度更新航向信息

计算更新后的航向信息：

$\mathrm{\γ}=a\tan \left(\stackrel{\‾}{n}/\stackrel{\‾}{e}\right)$

式中为模糊度固定的东向和北向基线分量，γ为方位角；

步骤八：切换射频开关

切换射频，连接另一个基站天线上安装的两个卫星导航天线，并采用相同的解算方法，获得该基站天线的方位角信息，循环上述步骤。