CN109490828A - 基于同源基线阵列的定位方法 - Google Patents

基于同源基线阵列的定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于同源基线阵列的定位方法，本发明通过利用半波约束下的载波相位差，通过单差定位和载波相位差指纹定位两种方式为室内定位提供室内定位解决方案，通过模拟验证可得由此得出的定位精度均能满足1米需求。

Description

基于同源基线阵列的定位方法
技术领域
本发明适用当前的室内外无缝融合定位领域，特别是针对基于同源基线阵列的定位。
背景技术
全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)已广泛应用于人们的日常生活，在海陆空交通，时间同步网络，生命安全，位置服务等国民经济生活方面可谓无处不在，成为公认的现代社会基础设施之一。但是在隧道、城市峡谷、室内等区域，由于信号遮挡无法完成定位服务。当前的伪卫星室内定位系统由于种种缺陷，室内定位精度很难满足定位需求，本文在已有的室内多阵元伪卫星基础上提出三室内定位方式，保障室内定位精度可以达到1米。
基于上述原因，本发明解决的技术问题是通过利用同源基线阵列定位方法有效的解决了室内伪卫星定位精度差难以使用的问题，同时由于与GNSS信号兼容，有效的实现了室内外无缝导航服务能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现基于同源基线阵列的定位
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的。
(1)发射基站各通道在同一时钟源的控制下生成导航信号，并由多个两两间距为半波长的阵元组成的阵列发出；
(2)接收机以其中一路通道为基准通道，计算其余各路通道与基准通道的载波相位差值，并根据其中一路的载波相位差值对其余各路进行调整，使得所有通道与基准通道的相位差值相同；
(3)将接收机分别放在发射两两阵元的中心处，测算两两阵元引入的载波相位差偏差，并做成误差修正表；
(4)接收机接收发射基站各阵元发射的导航信号，并通过载波相位差分的形式，得到各阵元间的相位差值；
(5)利用误差修正表对各阵元间的相位差值进行半波修正，得到载波相位差测量方程；
(6)利用载波相位差测量方程根据导航定位算法进行定位或构建载波相位差特征数据库，利用特征匹配的方式进行定位；
完成基于同源基线阵列定位处理。
其中，步骤(3)中的误差修正表E具体表示如下：
其中，分别为以第n个阵元为基准时，相邻的i,j,k三个阵元与n阵元的误差修正值，i,j,k与n均为正整数。
其中，步骤(4)步骤如下：
(401)构建载波相位观测方程
其中，λ为导航信号的波长；为对应的第n个阵元到接收机的距离；δt为接收机的钟差；δT为发射基站的钟差；为接收机估计的第n个阵元与接收机间的整周模糊数；为相应的接收的第n个阵元的噪声误差；
(402)由对上面两两做差可得:
其中，为第n个阵元与第1个阵元间载波相位观测量的差；为第n个阵元与第1个阵元间实际距离差；为第n个阵元与第1个阵元间整周载波模糊数差，由于第n个阵元与第1个阵元信号同频且天线间距小于半个波长，因此和相同，则式(2)化简得到各阵元间的相位差值：
其中，利用误差修正表对各阵元间的相位差值进行半波修正，得到载波相位差测量方程具体为：
将其转化为距离形式为：
其中，为接收机接收的第n个天线阵元与第1个天线阵元距离差，E为误差修正表。
其中，步骤(6)中利用导航定位算法的方式定位过程如下：
由式(5)可得，观测量等式为非线性等式，令
rn为第n阵元坐标向量，r1为第一阵元坐标向量，ru为接收机位置坐标向量；
则可得
设接收机的初始位置ru0＝(x0,y0,z0)，则对式(5)在初始位置处进行泰勒级数展开可得
其中
n阵元的发射单元定位方程为：
令
则式(8)可以表述为
HΔru0＝b。
由最小二乘法得估计的则估计得到的接收机位置为将作为初始值重新代入式(7)，进行更新迭代，得到收敛后的接收机位置。
其中，步骤(6)中基于特征匹配方式的定位过程如下：
(601)特征数据库的构建如下：
H＝hi
其中，hi表示第i层高度，Tn代表第n个位置点的特征库，表示第n个位置点，以第m阵元发出的导航信号为基准时，第j个阵元发出的导航信号与第m阵元发出的导航信号间的载波相位差值；
(602)在高度值确定后，确定测试点的匹配系数：
H＝C
其中，C为已知的高度常量，Xn为第n个位置点的所有接收到的两两相位差可信系数阵，如果某路信号失踪，则对应的参与得到的相位差均置0；
令为第n个位置点第i路信号与第j路信号间的相位差可信度系数，则其取值条件如下：
其中T为第n点的实测值，为第n点的第i路信号与第j路信号间的载波相位差特征库值；
则得第n点的可信度为：
得测试点在n个测试点的可信度值分布：
由可信度分布的测试点的位置坐标r为：
r＝ru(i)；
其中ru(i)为特征库第i个位置点的坐标值，i为可信度最大的点。
本发明技术具体有如下优点：
(1)上述方法可用性强，避免了周整模糊度的解算过程。
(2)上述方法测距与定位原理简单，只需用最小二乘即可实现1米精度定位。
(3)该方法成本低，只需借助成熟的导航芯片与软核相结合便可实现。
(4)军民市场均可使用,航空管理、道路交通、室内指引、快速增援、战略引导、防灾减灾等。
附图说明
图1本发明流程图流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的解释说明。
依照本发明一实例，一种同源基线阵列定位方法主要包括以下几点：构建观测方程，建立观测量与接收机位置之间的关系；观测方程做单差，消去整周模糊度影响；半波翻转修正过程，消除半波翻转对观测量的影响；定位解算过程。计算过程如下：
(1)发射基站各通道在同一时钟源的控制下生成导航信号，并由多个两两间距为半波长的阵元组成的阵列发出；
(2)接收机以其中一路通道为基准通道，计算其余各路通道与基准通道的载波相位差值，并根据其中一路的载波相位差值对其余各路进行调整，使得所有通道与基准通道的相位差值相同；
(3)将接收机分别放在发射两两阵元的中心处，测算两两阵元引入的载波相位差偏差，并做成误差修正表；误差修正表E具体表示如下：
其中，分别为以第n个阵元为基准时，相邻的i,j,k三个阵元与n阵元的误差修正值，i,j,k与n均为正整数。
(4)接收机接收发射基站各阵元发射的导航信号，并通过载波相位差分的形式，得到各阵元间的相位差值；步骤如下：
(401)构建载波相位观测方程
其中，λ为导航信号的波长；为对应的第n个阵元到接收机的距离；δt为接收机的钟差；δT为发射基站的钟差；为接收机估计的第n个阵元与接收机间的整周模糊数；为相应的接收的第n个阵元的噪声误差；
(402)由对上面两两做差可得:
其中，为第n个阵元与第1个阵元间载波相位观测量的差；为第n个阵元与第1个阵元间实际距离差；为第n个阵元与第1个阵元间整周载波模糊数差，由于第n个阵元与第1个阵元信号同频且天线间距小于半个波长，因此和相同，则式(2)化简得到各阵元间的相位差值：
(5)利用误差修正表对各阵元间的相位差值进行半波修正，得到载波相位差测量方程；载波相位差测量方程具体为：
将其转化为距离形式为：
其中，为接收机接收的第n个天线阵元与第1个天线阵元距离差，E为误差修正表。
(6)利用载波相位差测量方程根据导航定位算法进行定位或构建载波相位差特征数据库，利用特征匹配的方式进行定位；
利用导航定位算法的方式定位过程如下：
由式(5)可得，观测量等式为非线性等式，令
其中rn为第n阵元坐标向量，r1为第一阵元坐标向量，ru为接收机位置坐标向量；
则可得
设接收机的初始位置ru0＝(x0,y0,z0)，则对式(5)在初始位置处进行泰勒级数展开可得
其中
n阵元的发射单元定位方程为：
令
则式(8)可以表述为
HΔru0＝b。
由最小二乘法得估计的则估计得到的接收机位置为将作为初始值重新代入式(7)，进行更新迭代，得到收敛后的接收机位置。
基于特征匹配方式的定位过程如下：
(601)特征数据库的构建如下：
H＝hi
其中，hi表示第i层高度，Tn代表第n个位置点的特征库，表示第n个位置点，以第m阵元发出的导航信号为基准时，第j个阵元发出的导航信号与第m阵元发出的导航信号间的载波相位差值；
(602)在高度值确定后，确定测试点的匹配系数：
H＝C
其中，C为已知的高度常量，Xn为第n个位置点的所有接收到的两两相位差可信系数阵，如果某路信号失踪，则对应的参与得到的相位差均置0；
令为第n个位置点第i路信号与第j路信号间的相位差可信度系数，则其取值条件如下：
其中T为第n点的实测值，为第n点的第i路信号与第j路信号间的载波相位差特征库值；
则得第n点的可信度为：
得测试点在n个测试点的可信度值分布：
由可信度分布的测试点的位置坐标r为：
r＝ru(i)；
其中ru(i)为特征库第i个位置点的坐标值，i为可信度最大的点。
完成基于同源基线阵列定位处理。
以上所述，仅为本发明的一具体实例，但本发明的保护范围并不仅限于此，在本发明揭露的技术范围内，可理解想到的变换，都应涵盖在本发明的包含范围内。

Claims (6)

1.基于同源基线阵列的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)发射基站各通道在同一时钟源的控制下生成导航信号，并由多个两两间距为半波长的阵元组成的阵列发出；
(2)接收机以其中一路通道为基准通道，计算其余各路通道与基准通道的载波相位差值，并根据其中一路的载波相位差值对其余各路进行调整，使得所有通道与基准通道的相位差值相同；
(3)将接收机分别放在发射两两阵元的中心处，测算两两阵元引入的载波相位差偏差，并做成误差修正表；
(4)接收机接收发射基站各阵元发射的导航信号，并通过载波相位差分的形式，得到各阵元间的相位差值；
(5)利用误差修正表对各阵元间的相位差值进行半波修正，得到载波相位差测量方程；
(6)利用载波相位差测量方程根据导航定位算法进行定位或构建载波相位差特征数据库，利用特征匹配的方式进行定位；
完成基于同源基线阵列定位处理。
2.根据权利要求1所述的基于同源基线阵列的定位方法，其特征在于：步骤(3)中的误差修正表E具体表示如下：
其中，分别为以第n个阵元为基准时，相邻的i,j,k三个阵元与n阵元的误差修正值，i,j,k与n均为正整数。
3.根据权利要求1所述的基于同源基线阵列的定位方法，其特征在于：步骤(4)步骤如下：
(401)构建载波相位观测方程
其中，λ为导航信号的波长；为对应的第n个阵元到接收机的距离；δt为接收机的钟差；δT为发射基站的钟差；为接收机估计的第n个阵元与接收机间的整周模糊数；为相应的接收的第n个阵元的噪声误差；
(402)由对上面两两做差可得:
其中，为第n个阵元与第1个阵元间载波相位观测量的差；为第n个阵元与第1个阵元间实际距离差；为第n个阵元与第1个阵元间整周载波模糊数差，由于第n个阵元与第1个阵元信号同频且天线间距小于半个波长，因此和相同，则式(2)化简得到各阵元间的相位差值：
4.根据权利要求3所述的基于同源基线阵列的定位方法，其特征在于：步骤(5)利用误差修正表对各阵元间的相位差值进行半波修正，得到载波相位差测量方程具体为：
将其转化为距离形式为：
其中，为接收机接收的第n个天线阵元与第1个天线阵元距离差，E为误差修正表。
5.根据权利要求4所述的基于同源基线阵列的定位方法，其特征在于：步骤(6)中利用导航定位算法的方式定位过程如下：
由式(5)可得，观测量等式为非线性等式，令
其中rn为第n阵元坐标向量，r1为第一阵元坐标向量，ru为接收机位置坐标向量；
则可得
设接收机的初始位置ru0＝(x0,y0,z0)，则对式(5)在初始位置处进行泰勒级数展开可得
其中
n阵元的发射单元定位方程为：
令
则式(8)可以表述为
HΔru0＝b
由最小二乘法得估计的则估计得到的接收机位置为将作为初始值重新代入式(7)，进行更新迭代，得到收敛后的接收机位置。
6.根据权利要求4所述的基于同源基线阵列的定位方法，其特征在于：步骤(6)中基于特征匹配方式的定位过程如下：
(601)特征数据库的构建如下：
其中，hi表示第i层高度，Tn代表第n个位置点的特征库，表示第n个位置点，以第m阵元发出的导航信号为基准时，第j个阵元发出的导航信号与第m阵元发出的导航信号间的载波相位差值；
(602)在高度值确定后，确定测试点的匹配系数：
其中，C为已知的高度常量，Xn为第n个位置点的所有接收到的两两相位差可信系数阵，如果某路信号失踪，则对应的参与得到的相位差均置0；
令为第n个位置点第i路信号与第j路信号间的相位差可信度系数，则其取值条件如下：
其中T为第n点的实测值，为第n点的第i路信号与第j路信号间的载波相位差特征库值；
则得第n点的可信度为：
得测试点在n个测试点的可信度值分布：
由可信度分布的测试点的位置坐标r为：
r＝ru(i)；
其中ru(i)为特征库第i个位置点的坐标值，i为可信度最大的点。
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