CN106597487A

CN106597487A - 北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置及其方法

Info

Publication number: CN106597487A
Application number: CN201710109242.8A
Authority: CN
Inventors: 郝金明; 刘伟平; 吕志伟
Original assignee: PLA Information Engineering University
Current assignee: PLA Information Engineering University
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2017-04-26

Abstract

本发明涉及一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置及其方法，该装置包含：数据处理模块、GPS定位模块、北斗导航定位模块、组合姿态测量模块，组合姿态测量模块包含惯性测量单元和GPS天线组；GPS定位模块包含GPS接收机和GPS接收天线，北斗导航定位模块包含多个北斗导航接收机，及对应的多个北斗导航接收机天线；数据处理模块接收GPS定位模块、北斗导航定位模块及组合姿态测量模块的数据，并根据数据归算结果评估北斗导航定位模块的定位精度。本发明考虑北斗接收机天线和GPS接收机天之间的偏差量，并实现多台北斗接收机同时参与测试的目的，极大地节省人力物力，提高检测效率，降低北斗接收机动态检测的成本。

Description

北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置及其方法

技术领域

本发明属于卫星导航接收机性能检测技术领域，特别涉及一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置及其方法。

背景技术

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)作为我国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，自2012年底正式提供亚太区域服务以来，已经开始在国防与经济建设方面发挥重要作用。北斗导航接收机是用户接收卫星信号进行定位解算并开展各种应用的基础，其定位精度如何直接影响用户体验，对北斗系统的拓展应用具有重用影响，因此有必要研究适当的方法对北斗导航接收机定位精度进行合理的检测。目前，检测卫星导航接收机静态定位精度，主要是通过多个已知点和多条已知边构成的高精度检定场进行的，其技术理论成熟，已得到广泛应用，如美国联邦大地控制测量委员会组建的FGCC检定场、我国于1990年建设的沙河检定场、1995年建设的房山检定场等，这些检定场虽然是为检测GPS接收机定位精度而建立的，但是其理论方法及相关设备均可直接应用于北斗接收机静态定位精度的检测。然而，由于卫星定位技术本身在动态、高精度方面的卓越表现，如何对北斗卫星动态定位精度进行合理检测一直是一个难点问题。

目前，北斗导航接收机动态定位精度主要是利用GPS高精度动态定位结果(RTK或PPP)作为基准进行检测。实用中，在同一运动载体上相近的两个位置分别摆放北斗接收机天线和GPS接收机天线，利用后者进行RTK或PPP高精度定位，并以此为基准，评定北斗接收机动态定位精度，两个天线通常无法处于同一点位，但是考虑到北斗导航精度在10米左右量级，而GPS高精度动态定位可以达到cm-dm的定位精度水平，两类天线的偏差量通常仅在小于1m的量级，因此在已有的检测方法中通常忽略两类天线之间的偏差量。此外，如果要同时检测多个北斗接收机，为避免不同天线摆位引起检测结果出现新的系统偏差，通常借助功分器，将一个北斗天线接收到的信号分配给多个接收机进行定位，而后统一进行精度检测。现有的北斗导航接收机动态定位精度检测方法存在如下不足：忽略了北斗接收机天线和GPS接收机天线之间的偏差量，会在最终检测结果中引入与该偏差量相关的系统性误差，其量级虽小，但仍然会在一定程度上降低检测结果的可靠性；当同时检测多台北斗接收机时，虽然可以利用功分器将同一天线的信号分配给不同接收机使用，但是，此时北斗接收机的最终定位结果并不是依靠配套的天线和主机获得，其检测结果并不能完全反映接收机本身的性能水平。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置及其方法，充分考虑北斗接收机天线和GPS接收机天线间偏差量的条件下，更加合理地给出北斗接收机动态定位检测结果；同时，针对现有方法同时检测多台接收机时采用功分器导致北斗接收机最终定位结果不是依靠配套天线和主机获得的问题，通过引入姿态测量数据、基准定位数据及多个北斗导航定位数据的检测处理，实现多台天线和主机配套的北斗接收机同步参与检测。

按照本发明所提供的设计方案，一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置，包含数据处理模块，及设置在运动载体上的GPS定位模块、北斗导航定位模块，还包含用于获取姿态参数的组合姿态测量模块，所述的组合姿态测量模块包含惯性测量单元和与惯性测量单元相连接的GPS天线组，所述的GPS天线组包含GPS天线一和GPS天线二，GPS天线一和GPS天线二分别布设在惯性测量单元的两侧；所述的GPS定位模块包含用于作为定位基准的GPS接收机和GPS接收天线，所述的北斗导航定位模块包含多个北斗导航接收机，及对应的多个北斗导航接收机天线；所述的数据处理模块用于接收GPS定位模块、北斗导航定位模块及组合姿态测量模块的数据，并根据数据归算北斗导航定位模块的定位精度。

上述的，所述的惯性测量单元为高精度惯性导航设备。

上述的，GPS定位模块、北斗导航定位模块通过平台支撑框架与运动载体固定；以惯性测量单元为中心，GPS天线一、GPS天线二沿运动载体行进方向对称分布在惯性测量单元两侧的平台支撑框架上。

上述的，所述的数据处理模块包含定位测试数据采集评估单元、数据显示单元、数据存储单元，其中，所述的GPS定位模块、北斗导航定位模块均与定位测试数据采集评估单元相信号连接，定位测试数据采集评估单元与数据显示单元、数据存储单元相信号连接，数据存储单元与外部测试数据综合处理系统相通讯连接。

一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，基于上述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置同时实现多个北斗导航接收机的定位精度同步检测，包含如下步骤：

步骤1、建立检测平台坐标系O-XYZ，以GPS接收天线A3相位中心为原点，以运动载体前进方向为Y轴，检测平台外法向方向为Z轴，X轴与Y、Z轴构成右手坐标系；

步骤2、根据组合姿态测量模块获取姿态参数，姿态参数包含：偏航角Heading、滚动角Roll、俯仰角Pitch；

步骤3、针对北斗导航定位模块中待定位精度检测的多个北斗导航接收机中任一个北斗导航接收机A2，依据检测平台坐标系O-XYZ，量取GPS接收机A3和北斗导航接收机A2在检测平台坐标系O-XYZ的向量的坐标；并依据检测平台坐标系O-XYZ、当地水平坐标系O-NWU两者之间的关系及姿态参数，获取姿态角；

步骤4、根据姿态角，计算得到GPS接收机A3和北斗导航接收机A2在当地水平坐标系O-NWU的向量的坐标；

步骤5、根据GPS接收机动态定位数据归算获得北斗导航接收机A2地固系下的比对标准坐标；

步骤6、对归算结果进行坐标数据处理，根据处理结果评估北斗导航接收机A2动态定位精度，同时完成多个北斗导航接收机定位精度的同步检测。

上述的方法中，偏航角Heading范围为：0°～360°，滚动角Roll范围为：-180°～180°，俯仰角Pitch范围为：-90°～90°。

上述的方法中，步骤3中姿态角计算公式为：

上述的方法中，步骤4中，向量的坐标的计算公式如下：

上述的方法中，步骤5中，北斗导航接收机A2地固坐标计算公式为：

(ZG)＝R_z(-π-L)R_y(π/2-B)，其中，L、B分别表示GPS接收机A3定位获得的大地经度和纬度。

上述的方法中，步骤6中的坐标数据处理，包含：进行WGS84与CGCS2000坐标系转换；及定位结果时间对齐。

本发明的有益效果：

本发明通过姿态信息的引入，充分考虑北斗接收机天线和GPS接收机天之间的偏差量，从而使得检测结果更加真实可信；同时，本发明可以同时对多台北斗接收机天线进行检测，极大提高了检测效率，节省了人力物力；又可避免使用功分器，造成待检接收机与天线不匹配，使得检测结果不够客观；通过坐标传递算法，能够较为精确地考虑北斗接收机天线和GPS接收机天之间的偏差量，并实现了多台北斗接收机同时参与测试的目的，从而极大地节省人力物力，提高检测效率，降低北斗接收机动态检测的成本。

附图说明：

图1为本发明的装置示意图一；

图2为本发明的装置示意图二；

图3为本发明的方法流程示意图；

图4为检测平台本体坐标系与当地水平坐标系关系示意图；

图5为实施例四中检测平台示意图；

图6为检测轨迹示意图；

图7为A2位置检测结果直方图；

图8为A2位置检测结果曲线图；

图9为A1位置检测结果直方图；

图10为A1位置检测结果曲线图；

图11为B2位置检测结果直方图；

图12为B2位置检测结果曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1所示，一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置，包含数据处理模块，及设置在运动载体上的GPS定位模块、北斗导航定位模块，还包含用于获取姿态参数的组合姿态测量模块，所述的组合姿态测量模块包含惯性测量单元和与惯性测量单元相连接的GPS天线组，所述的GPS天线组包含GPS天线一和GPS天线二，GPS天线一和GPS天线二分别布设在惯性测量单元的两侧；所述的GPS定位模块包含用于作为定位基准的GPS接收机和GPS接收天线，所述的北斗导航定位模块包含多个北斗导航接收机，及对应的多个北斗导航接收机天线；所述的数据处理模块用于接收GPS定位模块、北斗导航定位模块及组合姿态测量模块的数据，并根据数据归算检测北斗导航定位模块的定位精度。

以高精度的GPS动态定位结果作为比对标准，对北斗动态定位精度进行合理评估；实现多台北斗导航接收机同时参与测试，提高检测效率；通过姿态信息的引入，充分考虑北斗接收机天线和GPS接收机天之间的偏差量，从而使得检测结果更加真实可信。

实施例二，与实施例一基本相同，不同之处在于：所述的惯性测量单元为惯性导航设备，通过惯性导航设备及GPS天线的组合，大大减少姿态测量误差的积累。

上述的，GPS定位模块、北斗导航定位模块通过平台支撑框架与运动载体固定，固定牢靠，使用更加方便。以惯性测量单元为中心，GPS天线一、GPS天线二沿运动载体行进方向对称分布在惯性测量单元两侧的平台支撑框架上，北斗导航接收机可固定在该平台支撑框架上的任一平面位置，北斗导航接收机可为不同型号或类型的北斗接收机，例如：基本型用户机、双模型用户机、兼容型用户机等，同时实现多台北斗导航接收机定位精度的检测，大大提高检测效率。

所述的数据处理模块包含定位测试数据采集评估单元、数据显示单元、数据存储单元，其中，所述的GPS定位模块、北斗导航定位模块均与定位测试数据采集评估单元相信号连接，定位测试数据采集评估单元与数据显示单元、数据存储单元相信号连接，数据存储单元与外部测试数据综合处理系统相通讯连接。定位测试数据采集评估单元用于接收GPS定位模块、北斗导航定位模块的定位数据并进行定位精度检测评估，将定位数据及定位精度检测评估结果发送给数据显示单元，通过数据显示单元进行显示，便于用户直观、清楚了解数据；数据存储单元能够及时对定位及评估数据进行存储，并通过外部测试数据综合处理系统，实现对数据进行移动存储、制表、打印等数据分析处理的操作。

实施例三，参见图1～2所示，一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，基于实施例一所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置同时实现多个北斗导航接收机的定位精度同步检测，包含如下步骤：

通过姿态信息的引入，充分考虑北斗接收机天线和GPS接收机天之间的偏差量，从而使得检测结果更加真实可信；通过坐标传递算法，能够较为精确地考虑北斗接收机天线和GPS接收机天之间的偏差量，并实现了多台北斗接收机同时参与测试的目的。

实施例四，参见图1～4所示，一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，基于实施例一所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置实现，包含如下内容：

1)、建立检测平台坐标系O-XYZ，以GPS接收天线A3相位中心为原点，以运动载体前进方向为Y轴，检测平台外法向方向为Z轴，X轴与Y、Z轴构成右手坐标系。

2)、根据组合姿态测量模块获取姿态参数，姿态参数包含：偏航角Heading、滚动角Roll、俯仰角Pitch，其中，偏航角Heading范围为：0°～360°，滚动角Roll范围为：-180°～180°，俯仰角Pitch范围为：-90°～90°；

3)针对北斗导航定位模块中待定位精度检测的多个北斗导航接收机中任一个北斗导航接收机A2，依据检测平台坐标系O-XYZ，获取GPS接收机A3和北斗导航接收机A2在检测平台坐标系O-XYZ的向量的坐标；并依据检测平台坐标系O-XYZ、当地水平坐标系O-NWU两者之间的关系及姿态参数，根据公式：获取姿态角。

4)、根据姿态角，根据公式：

计算得到GPS接收机A3和北斗导航接收机A2在当地水平坐标系O-NWU的向量的坐标。

5)、根据GPS接收机动态定位数据根据公式为：

(ZG)＝R_z(-π-L)R_y(π/2-B)，计算A2位置地固系下的比对标准坐标，其中，L、B分别表示GPS接收机A3定位获得的大地经度和纬度。

6)、对归算结果进行WGS84与CGCS2000坐标系转换、定位结果时间对齐等坐标数据处理，根据处理结果评估北斗导航接收机A2动态定位精度，同时完成多个北斗导航接收机定位精度的同步检测。

为了进一步验证本发明的有效性，下面结合具体实例对本发明做进一步解释说明：

通过设计了如图4和5所示的检测平台，A1处为兼容型用户机一体机、A2处为双模型用户机一体机、A3处为GPS外接天线、B2处为基本型用户机一体机、C1处为姿态设备GPS前天线、C2为姿态设备惯性测量单元、C3为姿态设备GPS后天线。在A3位置GPS外接天线连接高精度GPS动态定位设备，即GPS接收机，利用其他位置与A3的固定关系及平台的姿态，将A3处的高精度GPS动态定位结果归算到其他位置，从而为相应位置处的北斗动态定位结果提供精度比对标准。高精度GPS动态定位结果通过动态精密相对定位或动态精密单点定位获取；平台的姿态通过组合姿态测量模块获得，使用惯导与GPS的组合姿态测量设备，以减少姿态测量误差的积累，其组成包括C2位置的惯性测量单元与C1、C3位置的两个GPS天线。将A3处高精度GPS动态定位结果归算到其他位置，为相应的北斗接收机提供精度检测标准。

首先建立检测平台本体坐标系O-XYZ，其原点位于A3位置GPS天线相位中心，Y轴指向载体前进方向，Z轴指向平台外法向方向，X轴与Y、Z轴构成右手坐标系。这里仅以A2位置为例进行说明，其他位置类似。

由图4可知，在O-XYZ中的坐标为(0,L₂₃,h₂-h₃)，其中L₂₃为A₂与A₃之间的距离，h₂、h₃分别为A₂、A₃处的设备天线高。

检测平台本体坐标系与当地水平坐标系的关系如图3所示，图中O-XYZ为本体坐标系，O-NWU为当地水平坐标系(北西天)，两者通过三个欧勒角ψ、θ、γ相联系，三类角度都以逆时针为正。

在检测平台的设计中，组合姿态测量设备提供平台的姿态参数，即偏航角Heading(0°～360°)，滚动角Roll(-180°～180°)，俯仰角Pitch(-90°～90°)。通过这三个姿态参数，得到ψ、θ和γ，其换算关系为：

得到三个姿态角之后，即有：

通过上式即可得到的当地水平坐标(N',W',U')^T。

设A₃处GPS的动态定位结果为(地固坐标系)，则由此归算获得的A₂位置地固坐标系为：

(ZG)＝R_z(-π-L)R_y(π/2-B)

将A3处高精度GPS动态定位结果归算到了A2位置，再经过WGS84与CGCS2000坐标系之间的转换、定位结果时间对齐等处理之后，就可以利用归算结果对北斗动态定位精度进行评估。

检测轨迹如图6所示。A2处定位精度同步检测结果如图7和8所示，图7中：a)为东方向误差频度分布直方图、b)为北方向误差频度分布直方图、c)为高程方向误差频度分布直方图、d)为平面误差频度分布直方图、e)为三维误差频度分布直方图、f)为速度误差频度分布直方图、g)为PDOP分布直方图、h)为VDOP分布直方图、i)为HDOP分布直方图、j)为TDOP分布直方图；图8中：a)为东方向误差变化曲线、b)为北方向误差变化曲线、c)为高程方向误差变化曲线、d)为平面误差变化曲线、e)三维误差变化曲线、f)为速度误差变化曲线、g)为PDOP变化曲线、h)为VDOP变化曲线、i)为HDOP变化曲线、j)为TDOP变化曲线。A1处定位精度同步检测结果如图9和10所示，图9中：a)为东方向误差频度分布直方图、b)为北方向误差频度分布直方图、c)为高程方向误差频度分布直方图、d)为平面误差频度分布直方图、e)为三维误差频度分布直方图、f)为速度误差频度分布直方图、g)为PDOP分布直方图、h)为VDOP分布直方图、i)为HDOP分布直方图、j)为TDOP分布直方图；图10中：a)为东方向误差变化曲线、b)为北方向误差变化曲线、c)为高程方向误差变化曲线、d)为平面误差变化曲线、e)三维误差变化曲线、f)为速度误差变化曲线、g)为PDOP变化曲线、h)为VDOP变化曲线、i)为HDOP变化曲线、j)为TDOP变化曲线。这里以A2为例，图4中所示的其他北斗接收机位置(包括A1、B1、B2、B3)与A2检测类似，不再赘述。A1处定位精度同步检测结果如图7和8所示，图7中：a)为东方向误差频度分布直方图、b)为北方向误差频度分布直方图、c)为高程方向误差频度分布直方图、d)为平面误差频度分布直方图、e)为三维误差频度分布直方图、f)为速度误差频度分布直方图、g)为PDOP分布直方图、h)为VDOP分布直方图、i)为HDOP分布直方图、j)为TDOP分布直方图；图8中：a)为东方向误差变化曲线、b)为北方向误差变化曲线、c)为高程方向误差变化曲线、d)为平面误差变化曲线、e)三维误差变化曲线、f)为速度误差变化曲线、g)为PDOP变化曲线、h)为VDOP变化曲线、i)为HDOP变化曲线、j)为TDOP变化曲线。B2处定位精度同步检测结果如图11和12所示，图11中：a)为东方向误差频度分布直方图、b)为北方向误差频度分布直方图、c)为高程方向误差频度分布直方图、d)为平面误差频度分布直方图、e)为三维误差频度分布直方图、f)为速度误差频度分布直方图、g)为PDOP分布直方图、h)为VDOP分布直方图、i)为HDOP分布直方图、j)为TDOP分布直方图；图12中：a)为东方向误差变化曲线、b)为北方向误差变化曲线、c)为高程方向误差变化曲线、d)为平面误差变化曲线、e)三维误差变化曲线、f)为速度误差变化曲线、g)为PDOP变化曲线、h)为VDOP变化曲线、i)为HDOP变化曲线、j)为TDOP变化曲线。通过引入高精度姿态测量数据，提出相应的坐标传递算法，从而能够较为精确地考虑北斗接收机天线和GPS接收机天之间的偏差量，并实现多台北斗接收机同时参与测试的目的，从而极大地节省了人力物力，提高了检测过程的效率，降低了北斗接收机动态检测的成本。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种北斗卫星多接收机的动态定位精度同步检测装置，包含数据处理模块，及设置在运动载体上的GPS定位模块、北斗导航定位模块，其特征在于，还包含用于获取姿态参数的组合姿态测量模块，所述的组合姿态测量模块包含惯性测量单元和与惯性测量单元相连接的GPS天线组，所述的GPS天线组包含GPS天线一和GPS天线二，GPS天线一和GPS天线二分别布设在惯性测量单元的两侧；所述的GPS定位模块包含用于作为定位基准的GPS接收机和GPS接收天线，所述的北斗导航定位模块包含多个北斗导航接收机，及对应的多个北斗导航接收机天线；所述的数据处理模块用于接收GPS定位模块、北斗导航定位模块及组合姿态测量模块的数据，并根据数据归算北斗导航定位模块的定位精度。

2.根据权利要求1所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置，其特征在于，所述的惯性测量单元为高精度惯性导航设备。

3.根据权利要求1所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置，其特征在于，GPS定位模块、北斗导航定位模块通过平台支撑框架与运动载体固定；以惯性测量单元为中心，GPS天线一、GPS天线二沿运动载体行进方向对称分布在惯性测量单元两侧的平台支撑框架上。

4.根据权利要求1所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置，其特征在于，所述的数据处理模块包含定位测试数据采集评估单元、数据显示单元、数据存储单元，其中，所述的GPS定位模块、北斗导航定位模块均与定位测试数据采集评估单元相信号连接，定位测试数据采集评估单元与数据显示单元、数据存储单元相信号连接，数据存储单元与外部测试数据综合处理系统相通讯连接。

5.一种北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，其特征在于，基于权利要求1所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测装置同时实现多个北斗导航接收机的定位精度同步检测，包含如下步骤：

步骤6、对归算结果进行坐标数据处理，根据处理结果评估北斗导航接收机A2的动态定位精度，同时完成多个北斗导航接收机定位精度的同步检测。

6.根据权利要求5所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，其特征在于，偏航角Heading范围为：0°～360°，滚动角Roll范围为：-180°～180°，俯仰角Pitch范围为：-90°～90°。

7.根据权利要求5所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，其特征在于，步骤3中姿态角计算公式为：

8.根据权利要求7所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，其特征在于，步骤4中，向量的坐标的计算公式如下：

9.根据权利要求6所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，其特征在于，步骤5中，北斗导航接收机A2地固系下的比对标准坐标计算公式为：

10.根据权利要求5所述的北斗卫星多接收机动态定位精度同步检测方法，其特征在于，步骤6中的坐标数据处理，包含：进行WGS84与CGCS2000坐标系转换；及定位结果时间对齐。