CN107272024B - 一种飞行器在高动态环境下的基准站布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，通过数理统计的方法分析短时间内GPS卫星和基准站之间不同高度角以及不同GDOP值对观测误差的影响情况，通过严格的数学推导得到相关误差的特性，最后给出基准站布局与飞行器定位误差的关联性，从而实现为飞行器在高动态环境下的精确定位所需基准站布局选站指南。相比于传统基准站布局方法，本发明可以提高高动态飞行器事后定位的精度，有效减少基准站的数量，降低算法复杂度。

Description

一种飞行器在高动态环境下的基准站布设方法

技术领域

本发明属于导航技术领域，特别涉及了一种飞行器在高动态环境下的基准站布设方法。

背景技术

飞行器在高动态环境下进行事后GPS精密定位是导航领域的一个难点，常用的测码伪距定位精度不高，测相伪距定位由于飞行速度过快导致周跳和失锁经常发生从而无法实时定位，这些方法都存在着某些缺陷，因此将两者结合取长补短，并采取事后处理的方法，飞行器接收机采集伪距观测量，地面基准站接收载波相位观测量，利用卫星与飞行器延长线与地面相交处的基准站对信号传播误差由双频载波相位法进行消除或者减弱，再对飞行器进行伪距定位。为了实现精密定位，需要在地面布设多个GPS基准站以满足高精度定位的要求。测码伪距定位和双频载波相位测量已经得到了广泛的应用。如何能在地面上配对到正确的基准站来使用上述方法对飞行器进行事后精密定位是当前高动态环境下高精度GPS定位的难点。国内外科研机构和研究人员围绕高动态GPS高精度定位和基准站布局进行了大量的相关工作，其中基准站布局是实现上述定位方法的基础，也是研究过程中的重要环节。

由于我国的卫星导航系统还未完全建设好，基准站的布设多数聚集在大城市以及地震带附近，呈现东南沿海和中部地区密集而西北地区稀疏。而飞行器在飞行过程中，短时间内跨越区域大，如果没有良好的基准站布局则无法为高动态飞行器提供精密定位服务。基准站的布局对信号传播误差精度影响很大，每个基准站都有一定的监测范围，因此,测定电离层延迟所需的基准站布局和数量与系统服务区域的大小和所要求的精度有关。在区域大小一定的情况下，基准站数量越多，误差改正数的精度越高，基准站增多会使建站成本和维护费用大大增加，而且当基准站分布到一定密度时，再增加站点对改正数的精度提高已影响不大，所以基准站的分布数量要综合考虑。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，实现高动态飞行器利用多基准站进行事后定位中基准站的合理布局。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，包括以下步骤：

(1)计算某一个基准站的观测误差和高度角，具体过程如下：

(11)设定初始化参数，包括采样周期、截止高度角和观测时段；

(12)读取基准站接收机的观测文件和IGS组织广播的精密星历，根据采样周期对观测数据和星历数据进行内插，利用双频载波相位法计算每个历元的信号传播误差和卫星位置，同时计算每个历元相对应的高度角；

(13)剔除低于截止高度角的数据，并按照不同卫星将高度角和信号传播误差保存为数据包；

(2)在高、中、低纬度各选多个基准站按照步骤(1)进行计算，分析基准站覆盖范围与信号传播误差、纬度及高度角的关系；

(3)根据观测时段内能够观测到的卫星来计算GDOP值，并选取最小GDOP值及其对应的卫星和高度角；

(4)根据选取的卫星和高度角得到卫星和飞行器延长线上与地面相交的基准站位置范围，结合基准站覆盖距离，最终完成对基准站的布局和选星。

进一步地，在步骤(12)中，计算信号传播误差的过程如下：

首先，采用双频载波相位法计算电离层电子总含量TEC：

上式中，f₁、f₂为两个载波信号的频率，L₁、L₂为两个载波信号的观测数据，λ₁、λ₂为两个载波信号的波长，N₁、N₂为两个载波信号的整周模糊度，DCB为卫星与基准站接收机的硬件延迟，ε为噪声误差；

然后，根据电离层电子总含量TEC计算电离层延迟修正值V_T，V_T即为信号传播误差：

上式中，下标i＝1,2，c为光速。

进一步地，在步骤(12)中，按下式计算高度角：

上式中，E_P为卫星S在某一时刻到基准站P的高度角，为卫星S在站心直角坐标系的坐标，(X_P,Y_P,Z_P)为基准站P的坐标，(X_S,Y_S,Z_S)为卫星S的坐标，H为由协议地球坐标系到站心直角坐标系的坐标变换矩阵：

上式中，λ_P分布为基准站P的大地纬度和大地经度。

进一步地，步骤(2)的具体过程如下：

(21)在高、中、低纬度分别选择多个基准站，按照步骤(1)中的方法计算信号传播误差和高度角，并保存为数据包；

(22)对于某一基准站，选定一颗卫星，从截止高度角开始对其所有高度角每隔1°选取为一个基准角度，并获得对应的信号传播误差，然后在以基准站为中心的不同半径距离设置虚拟基准站点，由虚拟基准站点与卫星之间的高度角以及虚拟基准站点与基准站的距离关系，通过最优解计算得到这些点到卫星之间的高度角的最值，从而得到基准站某半径区域内对卫星的高度角变化关系，接着在数据包中选取近似最值所对应的信号传播误差，将此误差值与基准角度对应的信号传播误差做差值计算，并将所有数据一一对应保存；

对其余能观测到的卫星做上述同样的操作，最终得到基准站覆盖距离与信号传播误差及高度角的关系；

(23)在不同纬度上选择多个基准站进行步骤(22)，分析基准站覆盖距离与纬度的关系。

进一步地，在步骤(22)中，所述虚拟基准站点与基准站的距离关系如下：

上式中，d为虚拟基准站点与基准站的距离，R为地球半径，λ_r、λ_v分别为基准站和虚拟基准站点的纬度，分别为基准站和虚拟基准站点的经度。

进一步地，步骤(3)的具体过程如下：

根据步骤(2)求解出的不同纬度上的数据，对于每一个基准站，从观测时段的初始历元开始，在每个历元能够观测到的卫星中选择不同的4颗卫星进行组合，分别计算它们的GDOP值，直至遍历所有的卫星，选取每个历元下最小的GDOP值及其对应的卫星和高度角。

进一步地，按下式计算GDOP值：

上式中，a_i(t)表示基准站到卫星的矢量在空间直角坐标系中的方向余弦构成的 几何矩阵，为基准站到卫星的矢量，

进一步地，步骤(4)的具体过程如下：

(41)已知飞行器的空间坐标，它与选取的某卫星的空间坐标(X_S,Y_S,Z_S)组成空间直线方程，代入地球椭球体模型：求得飞行器与该卫星所在直线的延长线与地面的交点，其中a为赤道半径，b为极半径；并计算该交点与飞行器在地面投影点的距离；

(42)按照步骤(41)，分别计算某一历元下所选取的4颗卫星与飞行器所在直线的延长线与地面的交点W₁、W₂、W₃、W₄，并计算该4个交点与飞行器在地面投影点的距离S₁、S₂、S₃、S₄，并求取这4个距离的平均值

(43)设该高度角下对应的基准站覆盖距离为L，若则选择为基准站的间距，基准站建立在以为半径的圆上，且只需在该圆上以三角形的方式布置3个基准站即可，若且则选择为基准站的间距，基准站建立在以为半径的圆上，且需要在该圆上以三角形的方式布置超过3个基准站。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明通过分析短时间范围内GPS卫星和基准站之间不同高度角以及不同GDOP值对观测误差的影响情况，通过严格的数学推导得到相关误差的特性，最后给出基准站布局与飞行器定位误差的关联性，从而实现为飞行器在高动态场景下的基准站布局选站，具有很强的工程应用价值。

相比于传统基准站布局方法，本发明可以提高高动态飞行器事后定位的精度，有效减少基准站的数量，降低算法复杂度，原理可靠，性能稳定，为基准站布局和选星的实际工作提供了新的思路和方法。

附图说明

图1是本发明的基本流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明针对飞行器利用多基准站进行事后GPS定位与基准站布局不匹配的问题，提出一种数理统计的方法分析GPS卫星和基准站之间不同高度角以及不同GDOP值对观测误差的影响，得到基准站布局与飞行器定位误差的关联性，为实际布设基准站提供了解决方案。方法流程如图1所示，步骤如下。

步骤一、通过计算机计算某一个基准站的观测误差和高度角，其方法如下：

1)设定采样周期、截止高度角、观测时段等初始化参数。采样周期、截止高度角是关系选站和选星的重要原始参数，由于飞行器的速度为3马赫以上，所以需要每秒进行一次定位，则设置采样周期为1s，并假设截止高度角为E₀,观测时段为T(T_min～T_max)。

2)读取基准站接收机的观测文件和IGS组织广播的精密星历，根据采样周期对观测数据和星历数据进行拉格朗日内插，得到每秒的观测数据和卫星S在空间直角坐标系的位置(X_S,Y_S,Z_S)。

利用双频载波相位组成无几何组合求出电离层电子总含量TEC，公式为式中f₁、f₂为两个载波信号的频率，L₁、L₂为两个载波信号的观测数据，λ₁、λ₂为两个载波信号的波长，N₁、N₂为两个载波信号的整周模糊度，DCB为卫星与基准站接收机的硬件延迟，ε为噪声误差。

根据电离层延迟修正值V_T和总电子含量TEC的关系求出fi载波信号的电离层延迟修正量式中c为光速。

再计算每个历元相对应的高度角，基准站P的精确坐标(X_P,Y_P,Z_P)和卫星S坐标(X_S,Y_S,Z_S)已知，将卫星坐标换算成以地面基准站P为坐标原点的站心坐标系的三维坐标。卫星S在站心直角坐标系的坐标

其中H为由协议地球坐标系(空间直角线)到基准站站心坐标系的坐标变换矩阵：

上式中，和λ_P分别为基准站P的大地纬度和大地经度。卫星S的站心直角坐标和站心极坐标具有下述关系：

式中：R_P为基准站P到卫星的距离；A_P为待测卫星S的方位角；E_P为待测卫星S的高度角。由上式可知卫星S在某一时刻到基准站P的方位角和高度角为：

3)由设定的截止高度角E₀剔除小于E₀的数据，并按照不同卫星将高度角和信号传播误差等数据保存为数据包。

步骤二、按照步骤一中相同的方法在高中低纬度各选多个基准站进行计算，分析基准站覆盖范围与信号传播误差、纬度及高度角的关系，其方法如下：

1)在中国境内的高中低纬度分别选择多个基准站，按照步骤一中的方法计算信号传播误差即电离层延迟值和高度角并保存为数据包；

2)基准站的间距最大为覆盖距离的两倍，对求间距大小的问题转换为求覆盖距离的大小。先选定一颗卫星，从截止高度角开始对其所有高度角每隔1°选取为一个基准角度，并获得对应的信号传播误差，然后对基准站为中心的不同半径距离如50km、100km等设置虚拟基准站点，由虚拟点和卫星之间的高度角，以及虚拟点和基准站的距离关系：

式中，R为地球半径，λ_r、λ_v分别为基准站和虚拟点的纬度，分别为基准站和虚拟点经度，通过最优解计算得到这些点到卫星之间的高度角的最值E_max和E_min，并选择最值中与基准角度差值较大的值为E_m，从而得到基准站某半径区域内对卫星的高度角变化关系，接着在数据包中选取近似高度角E_max所对应的信号传播误差，将此误差值与基准角度对应的信号传播误差做差值计算，，并将所有数据一一对应保存。接着对其余能观测到的卫星做同样的操作。其中由于电离层TEC的单位为TECU，1TECU＝10¹⁶electron/m²，根据电离层延迟值和总电子含量TEC的关系可以求得信号L₁的伪距延迟值为1TECU＝16.2cm。为了达到高精度定位的要求，信号传播误差要小于30cm，因此电离层延迟误差差值要小于5cm。在后续分析过程中，就需要将此限制条件代入起其中，剔除不满足精度的误差数据和相对应的高度角信息。只要TEC差值在精度要求范围内，那么可以认为基准站此距离方圆内都能使用此基准站对飞行器进行误差消除，这里称之为基准站覆盖距离L。接着再取其他高度角进行同样的计算。

3)再按照不同的纬度选择多个基准站使用上述相同的方法进行计算和对数据处理，最后对基准站覆盖距离和高度角和TEC值用大量数据做三维图分析，不同的纬度分别选择基准站布局的最佳覆盖距离以满足在大部分高度角的情况下对飞行器进行信号传播误差消除时，都能在地面上找到合适的基准站，且满足限定误差差值要求。

步骤三、根据观测时段内能够观测到的卫星来计算GDOP值并选取最小GDOP值和对应的卫星及其高度角，其方法如下：

1)根据步骤二中不同纬度区域求解出来卫星和高度角数据包来计算不同卫星组合的GDOP值。

几何精度因子GDOP仅与所观测卫星的空间分布有关，可表达为a_i(t)表示基准站到GPS卫星矢量在空间直角坐标系中的方 向余弦构成的几何矩阵。已知基准站到卫星的矢量则

2)前面步骤已剔除不符合要求的高度角对应的卫星,现在从观测时段的初始历元开始，在此历元能够观测到的卫星中选择不同的4颗卫星进行组合，分别计算它们的GDOP值直至遍历所有的卫星，选取其中最小GDOP值。

3)计算观测时段内所有历元的GDOP值，依然选取其中最小的GDOP值和对应的卫星及高度角。对所有选取的基准站都做相同的算法，并将结果保存为数据包,为后续设计基准站布局做准备。

步骤四、根据选取的卫星和高度角即可推导得到卫星和飞行器延长线上与地面相交的基准站位置范围，结合GDOP分析基准站覆盖距离最终完成基准站布局和选星的方案，其方法如下：

1)飞行器处于离地面x米的位置,已知其空间坐标(X_u,Y_u,Z_u),和卫星坐标(X_S,Y_S,Z_S)组成空间直线方程,代入地球椭球体模型式中a为赤道半径6378137.0米，b为极半径6356752.314米，即可求得卫星和飞行器延长线上与地面的交点W的位置。

2)由1)中的方法可以得到某一历元时刻4颗卫星和飞行器延长线上与地面的4个交点位置W₁、W₂、W₃、W₄，以及4个交点和飞行器地面投影点的距离S₁、S₂、S₃、S₄，并取它们的平均值最理想的情况就是4个交点位置上正好建有基准站，但是实际上是无法满足的。已选择最佳GDOP值，则交点位置应均匀分布在飞行器周围，为了满足大部分交点附近都有基准站的情况，则对距离S取平均值再由前面步骤可以知道各个高度角下所对应的基准站覆盖距离L，若则基准站的间距即可使用基准站建立在以为半径的圆上并只用三个基准站以三角形的方式布局，就能基本覆盖以为半径的圆，无论卫星如何选取，卫星和飞行器延长线与地面的交点附近都能找到基准站；若但时，则基准站间距可使用此时若只用3个基准站以三角形方式布局就无法覆盖以为半径的圆，但是再加几个基准站就可以基本覆盖(只是缩小了间距)。

3)上述步骤只针对了一个历元时刻，无法满足所有时刻，需要利用数字计算的方式对大量的数据进行处理，取得的平均值在此基础上利用上述方法分析得到不同纬度下基准站的间距和选星时的GDOP最优值，以保证飞行器在飞行过程中在绝大多数情况下都能进行精确定位。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算某一个基准站的观测误差和高度角，过程如下：

(11)设定初始化参数，包括采样周期、截止高度角和观测时段；

(12)读取基准站接收机的观测文件和IGS组织广播的精密星历，根据采样周期对观测数据和星历数据进行内插，利用双频载波相位法计算每个历元的信号传播误差和卫星位置，同时计算每个历元相对应的高度角；

(13)剔除低于截止高度角的数据，并按照不同卫星将高度角和信号传播误差保存为数据包；

(2)在高、中、低纬度各选多个基准站按照步骤(1)进行计算，分析基准站覆盖范围与信号传播误差、纬度及高度角的关系；

(3)根据观测时段内能够观测到的卫星来计算GDOP值，并选取最小GDOP值及其对应的卫星和高度角；

(4)根据选取的卫星和高度角得到卫星和飞行器延长线上与地面相交的基准站位置范围，结合基准站覆盖距离，最终完成对基准站的布局和选星。

2.根据权利要求1所述飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，其特征在于，在步骤(12)中，计算信号传播误差的过程如下：

首先，采用双频载波相位法计算电离层电子总含量TEC：

上式中，f₁、f₂为两个载波信号的频率，L₁、L₂为两个载波信号的观测数据，λ₁、λ₂为两个载波信号的波长，N₁、N₂为两个载波信号的整周模糊度，DCB为卫星与基准站接收机的硬件延迟，ε为噪声误差；

然后，根据电离层电子总含量TEC计算电离层延迟修正值V_T，V_T即为信号传播误差：

上式中，下标i＝1,2，c为光速。

3.根据权利要求2所述飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，其特征在于，在步骤(12)中，按下式计算高度角：

上式中，E_P为卫星S在某一时刻到基准站P的高度角，为卫星S在站心直角坐标系的坐标，(X_P,Y_P,Z_P)为基准站P的坐标，(X_S,Y_S,Z_S)为卫星S的坐标，H为由协议地球坐标系到站心直角坐标系的坐标变换矩阵：

上式中，λ_P分布为基准站P的大地纬度和大地经度。

4.根据权利要求1所述飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程如下：

(21)在高、中、低纬度分别选择多个基准站，按照步骤(1)中的方法计算信号传播误差和高度角，并保存为数据包；

(22)对于某一基准站，选定一颗卫星，从截止高度角开始对其所有高度角每隔1°选取为一个基准角度，并获得对应的信号传播误差，然后在以基准站为中心的不同半径距离设置虚拟基准站点，由虚拟基准站点与卫星之间的高度角以及虚拟基准站点与基准站的距离关系，通过最优解计算得到这些点到卫星之间的高度角的最值，从而得到基准站某半径区域内对卫星的高度角变化关系，接着在数据包中选取近似最值所对应的信号传播误差，将此误差值与基准角度对应的信号传播误差做差值计算，并将所有数据一一对应保存；

对其余能观测到的卫星做上述步骤(22)中的操作，最终得到基准站覆盖距离与信号传播误差及高度角的关系；

(23)在不同纬度上选择多个基准站进行步骤(22)，分析基准站覆盖距离与纬度的关系。

5.根据权利要求4所述飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，其特征在于，在步骤(22)中，所述虚拟基准站点与基准站的距离关系如下：

上式中，d为虚拟基准站点与基准站的距离，R为地球半径，λ_r、λ_v分别为基准站和虚拟基准站点的纬度，分别为基准站和虚拟基准站点的经度。

6.根据权利要求4所述飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程如下：

根据步骤(2)求解出的不同纬度上的数据，对于每一个基准站，从观测时段的初始历元开始，在每个历元能够观测到的卫星中选择不同的4颗卫星进行组合，分别计算它们的GDOP值，直至遍历所有的卫星，选取每个历元下最小的GDOP值及其对应的卫星和高度角。

7.根据权利要求6所述飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，其特征在于，按下式计算GDOP值：

上式中，a_i(t)表示基准站到卫星的矢量在空间直角坐标系中的方向余弦构成的几何矩阵， 为基准站到卫星的矢量，

8.根据权利要求6所述飞行器在高动态环境下的基准站布设方法，其特征在于，步骤(4)的具体过程如下：

(41)已知飞行器的空间坐标，它与选取的某卫星的空间坐标(X_S,Y_S,Z_S)组成空间直线方程，代入地球椭球体模型：求得飞行器与该卫星所在直线的延长线与地面的交点，其中a为赤道半径，b为极半径；并计算该交点与飞行器在地面投影点的距离；

(42)按照步骤(41)，分别计算某一历元下所选取的4颗卫星与飞行器所在直线的延长线与地面的交点W₁、W₂、W₃、W₄，并计算该4个交点与飞行器在地面投影点的距离S₁、S₂、S₃、S₄，并求取这4个距离的平均值

(43)设该高度角下对应的基准站覆盖距离为L，若则选择为基准站的间距，基准站建立在以为半径的圆上，且只需在该圆上以三角形的方式布置3个基准站即可，若且则选择为基准站的间距，基准站建立在以为半径的圆上，且需要在该圆上以三角形的方式布置超过3个基准站。