CN106501826B - 一种高精度实时卫星定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度实时卫星定位方法，其技术特点是：建立由多个卫星定位接收机构成的多边形卫星定位接收机阵列；各个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；处理器模块计算得到物理几何图形及观测值几何图形；将物理几何图形与观测值几何图形进行对比，提取由于误差而引起的偏差矢量并构成偏差矢量函数库；由卫星定位接收机天线相位中心的观测值减去偏差矢量，从而得到修正后的卫星定位值。本发明设计合理，能够最大程度地消除卫星定位接收机存在的定位误差，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的普通民用领域大规模应用推广。

Description

一种高精度实时卫星定位方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，尤其是一种高精度实时卫星定位方法。

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。

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，普通的卫星定位接收机的定位精度很难达到10米以下，因此，难以满足高精度定位要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度实时卫星定位方法，解决卫星定位接收机的定位精度问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种高精度实时卫星定位方法，包括以下步骤：

步骤1、建立由多个卫星定位接收机构成的多边形卫星定位接收机阵列，每个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并联在一起并共同连接到一个处理器模块上；

步骤2、各个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3、处理器模块根据各个卫星定位接收机的ID、各个卫星定位接收机的观测值坐标和多边形接收机阵列的物理几何参数计算出如下两个几何图形：一个是各个卫星定位接收机天线相位中心所围成的物理几何图形；另一个是各个卫星定位接收机的观测值坐标值所围成的观测值几何图形；

步骤4：将物理几何图形与观测值几何图形进行对比，计算各个卫星定位接收机天线相位中心的坐标观测值之间的相对位置的矢量，与已知各个卫星定位接收机天线相位中心之间的相对位置的矢量对比，提取由于误差而引起的偏差矢量并构成偏差矢量函数库；

步骤5：由卫星定位接收机天线相位中心的观测值减去偏差矢量，从而得到修正后的卫星定位值。

所述步骤2、步骤3、步骤4、步骤5重复执行并逐步减小偏差矢量，从而得到高精度的卫星定位值。

所述多边形卫星定位接收机阵列为三角形、四边形、五边形或六边形卫星定位接收机阵列，所述卫星定位接收机天线振子分布在同一平面上。

所述多边形卫星定位接收机阵列由各个顶点卫星接收机连接构成。

所述多边形卫星定位接收机阵列由各个顶点卫星定位接收机及各顶点接收机围成区域范围内的一个或多个卫星定位接收机连接构成。

所述步骤3得到的两个几何图形分别是为：一个是由各个顶点卫星定位接收机天线相位中心所围成的物理几何图形；另一个是由各个顶点卫星定位接收机的观测值所围成的观测值几何图形。

所述步骤3得到的两个几何图形分别是为：一个是由各个顶点卫星定位接收机天线相位中心及及各顶点接收机围成区域范围内的一个或多个卫星定位接收机天线相位中心所围成的物理几何图形；另一个是由各个顶点卫星定位接收机的观测值及各顶点接收机围成区域范围内的一个或多个卫星定位接收机的观测值所围成的观测值几何图形。

所述步骤4将物理几何图形与观测值几何图形进行对比的方法包括：物理几何图形与观测值几何图形相对应边的长度对比和边与边之间的夹角进行对比。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将多个卫星定位接收机按一定几何形状排列而构成接收机阵列电路并在处理器模块中运行高精度实时卫星定位软件，能够最大程度地消除普通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(达到分米甚至厘米级)。

2、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是四边形接收机天线阵列几何分布图；

图2是四边形接收机阵列的电路方框图；

图3是本发明的四边形接收机阵列定位原理图；

图4是本发明的三角形接收机阵列定位原理图；

图5是本发明的五边形接收机阵列定位原理图。

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：

本发明是利用由多个卫星定位接收机并按一定几何形状排列而构成的高精度实时卫星定位装置并采用相应的高精度定位算法来提高定位精度。所述卫星定位接收机的天线振子分布在同一平面上，接收机阵列天线振子构成的几何图形为三角形、四边形、五边形或六边形及其他任意几何图形，各个卫星定位接收机的天线相位中心位于多边形阵列的各顶点和中心点(或位于各顶点接收机围成区域范围内的其他位置)。

下面以图1所示的四边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。该四边形接收机阵列构成的高精度实时卫星定位装置包括五个卫星定位接收机组成一个四边形阵列的总体接收机电路，其中四个卫星定位接收机各自的天线几何相位中心位于四边形四个顶点A、B、C、D，另一个中心卫星定位接收机的天线几何相位中心位于中心点E。各个接收机天线振子布在同一平面上。该高精度实时卫星定位装置的电路如图2所示，每个卫星定位接收机均包括一个MCU及与MCU相连接的接收机，五个卫星定位接收机的MCU相互之间并联在一起，并共同连接到一个处理器模块中。每个卫星定位接收机(A、B、C、D、E)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，使五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，五个MCU生成五个接收机的ID。五个MCU相互之间是并联的，这样使五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(例如ARM模块)。处理器模块的第一个作用是控制五个接收机和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。

三角形、五边形、六边形或其他任何几何图形阵列构成的高精度实时卫星定位装置与四边形阵列构成的高精度实时卫星定位装置类似，在此不再重复说明。

上述高精度实时卫星定位装置可以将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：(1)尽量提高各个接收机的各自的定位精度。(2)接收机天线阵列应为多边形，如三角形、矩形(方形)、五边形或六边形。各个接收机天线相位中心位于各个顶点和其他节点。(3)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。(4)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。

本发明的设计原理为：由于各个单点卫星定位接收机的天线相位中心位于多边形各顶点和其他节点，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，各个接收机可得到的卫星定位坐标观测量，由于各接收机存在的误差，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坐标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。

基于上述高精度实时卫星定位装置，在处理器模块(ARM)中安装高精度实时卫星定位软件实现高精度卫星定位功能。下面以四边形接收机阵列为例进行说明，本发明的高精度实时卫星定位方法包括以下步骤：

步骤1、建立由多个卫星定位接收机构成的多边形卫星定位接收机阵列，如图1及图2所示。

步骤2、各个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。

在本实施例中，各个卫星定位接收机包括顶点卫星定位接收机(ABCD)和中心点卫星定位接收机(E)。

步骤3、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、四边形接收机阵列的物理几何参数计算出如下两个几何图形：一个是由四个顶点的接收机和中心接收机天线相位中心的所围成的物理几何图形ABCDE；另一个是以位于顶点接收机和中心点接收机的观测值所画出的几何图形A’B’C’D’E',如图3所示。

步骤4：将几何图形A’B’C’D’E'与几何图形ABCDE对比，即：各个接收机天线相位中心的坐标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，形成一个偏差矢量函数库。例如距离A'B'与AB对比，距离A'C'与AC对比,夹角A与夹角A'对比；距离D'B'与DB对比，距离D'C'与DC对比,夹角D与夹角D'对比；距离A'E'与AE对比，距离B'E'与BE对比,夹角AEB与夹角A'E'B'对比,等等。

步骤5：由接收机天线的相位中心的观测值减去偏差矢量，从而得到修正后的坐标观测值。

本步骤得到修正后的坐标观测值能够消除偏差，从而更接近于真实的坐标。因此，这时各个接收机天线相位中心的坐标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会比修正前接近。

上述步骤可以重复进行，直到偏差矢量接近于零。这时ABCDE与A’B’C’D’E'形状与大小相同，从而得到天线阵列几何中心点的高精度的观测值经纬度坐标信息。

本发明还可以将上述多边形接收机阵列构成的高精度实时卫星定位装置视为图2中的一个卫星定位接收机，构成新的卫星定位装置并采用上述方法进一步提高卫星定位精度。

上面是以四边形接收机阵列为例进行的说明，其他多边形接收机阵列的处理方式类似。图4给出了由三角形阵列构成的高精度实时卫星定位方法的原理图(在给出的三角形阵列中，卫星定位接收机只包括顶点卫星定位接收机，不包括中心点卫星定位接收机)，由三个顶点的接收机天线相位中心的所围成的物理几何图形为三角形ABC；另一个是以位于顶点的接收机的观测值所画出的几何图形A’B’C’。三角形几何图形A’B’C’与ABC对比即：各个接收机天线相位中心的坐标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，形成一个偏差矢量函数库。例如距离A'B'与AB对比，距离A'C'与AC对比,夹角A与夹角A'对比；距离B'C'与BC对比,夹角B与夹角B'对比；夹角C与夹角C'对比。通过设计接收机阵列点阵的几何图形、以及高精度实时卫星定位软件，可以提高上述提取偏差矢量的精度。这时，可以由接收机天线的相位中心的观测值减去偏差矢量，从而得到修正后的观测出的坐标。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。那么这时各个接收机天线相位中心的坐标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会比修正前接近。这个过程可以重复进行，直到偏差矢量接近于零。这时三角形ABC与A’B’C’形状与大小相同。这时可以得到天线阵列几何中心点的高精度的观测值经纬度坐标信息。可以将上述三角形阵列构成的高精度实时卫星定位装置视为图2中一个接收机，利用上述装置和方法进一步得到更高的卫星定位精度。

由五边形(图5给出了原理图)、六边形或其他任意多边形阵列构成的高精度实时卫星定位方法与四边形阵列构成的高精度实时卫星定位方法类似，在此不再重复说明。

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 (8)

1.一种高精度实时卫星定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、建立由多个卫星定位接收机构成的多边形卫星定位接收机阵列，每个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并联在一起并共同连接到一个处理器模块上；

步骤2、各个卫星定位接收机将各自的ID及坐标观测值发给处理器模块；

步骤3、处理器模块根据各个卫星定位接收机的ID、各个卫星定位接收机的坐标观测值和多边形接收机阵列的物理几何参数计算出如下两个几何图形：一个是各个卫星定位接收机天线相位中心所围成的物理几何图形；另一个是各个卫星定位接收机的坐标观测值所围成的观测值几何图形；

步骤4：将物理几何图形与观测值几何图形进行对比，计算各个卫星定位接收机天线相位中心的坐标观测值之间的相对位置的矢量，与已知各个卫星定位接收机天线相位中心之间的相对位置的矢量对比，提取由于误差而引起的偏差矢量并构成偏差矢量函数库；

步骤5：由卫星定位接收机天线相位中心的坐标观测值减去偏差矢量，从而得到修正后的卫星定位值。

2.根据权利要求1所述的一种高精度实时卫星定位方法，其特征在于：所述步骤2、步骤3、步骤4、步骤5重复执行并逐步减小偏差矢量，从而得到高精度的卫星定位值。

3.根据权利要求1所述的一种高精度实时卫星定位方法，其特征在于：所述多边形卫星定位接收机阵列为三角形、四边形、五边形或六边形卫星定位接收机阵列，所述卫星定位接收机天线振子分布在同一平面上。

4.根据权利要求1或3所述的一种高精度实时卫星定位方法，其特征在于：所述多边形卫星定位接收机阵列由各个顶点卫星接收机连接构成。

5.根据权利要求1或3所述的一种高精度实时卫星定位方法，其特征在于：所述多边形卫星定位接收机阵列由各个顶点卫星定位接收机及各个顶点卫星定位接收机围成区域范围内的一个或多个卫星定位接收机连接构成。

6.根据权利要求1所述的一种高精度实时卫星定位方法，其特征在于：所述步骤3得到的两个几何图形分别为：一个是由各个顶点卫星定位接收机天线相位中心所围成的物理几何图形；另一个是由各个顶点卫星定位接收机的坐标观测值所围成的观测值几何图形。

7.根据权利要求1所述的一种高精度实时卫星定位方法，其特征在于：所述步骤3得到的两个几何图形分别为：一个是由各个顶点卫星定位接收机天线相位中心及各个顶点卫星定位接收机围成区域范围内的一个或多个卫星定位接收机天线相位中心所围成的物理几何图形；另一个是由各个顶点卫星定位接收机的坐标观测值及各个顶点卫星定位接收机围成区域范围内的一个或多个卫星定位接收机的坐标观测值所围成的观测值几何图形。

8.根据权利要求1所述的一种高精度实时卫星定位方法，其特征在于：所述步骤4将物理几何图形与观测值几何图形进行对比的方法包括：物理几何图形与观测值几何图形相对应边的长度对比和边与边之间的夹角进行对比。