CN109541658A - 一种用于卫星导航相对定位的虚拟点融合观测量生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于卫星导航相对定位的虚拟点融合观测量生成方法，计算除去S节点的其他节点与节点S间的双差整周模糊度，计算卫星k与卫星M间的载波相位互差修正量，得到虚拟节点V载波相位融合观测量，将虚拟节点载波相位融合观测量发送至移动站，移动站结合自身接收的卫星导航观测信息进行载波相位差分相对定位解算。本发明在保障相对定位系统完好性的前提下，降低了差分相对定位所需传输观测信息的数据量，减轻了通信链路容量需求。本发明能够有效降低移动站载波相位整周模糊度求解数量，降低移动站设备运算资源消耗，提升移动站载波相位差分运算速度，保障相对定位运算的实时性。

Description

一种用于卫星导航相对定位的虚拟点融合观测量生成方法
技术领域
本发明属于卫星导航相对定位领域，是卫星导航相对定位系统中一种将多节点数据观测量融合为单节点观测量并用于相对定位的方法。
背景技术
卫星导航相对定位系统是一种基于卫星导航差分相对定位技术原理的系统，可用于精密着舰、空中加油等相对定位应用。这些应用不但要求高精度相对位置而且要求求解的相对位置具备高完好性性能。为保障卫星导航相对定位系统的完好性性能，在这些应用中基准站通常配置多个卫星导航接收机，利用多节点卫星导航信息进行完好性监测。例如，在精密着舰应用中，通常安装3～4台基准接收机，为基准接收机的故障检测与排除提供足够的冗余观测量。使用多台基准接收机的主要目的在于保证完好性风险要求，但冗余观测量的利用也能够一定程度提升系统的定位精度。使用多基准接收机提升系统定位精度的实现取决与多基准接收机观测量的融合方法。在精密着舰应用中通常采用两种方法实现多基准接收机数据的融合。
其中一种方法为位置域加权平均方法，该方法中每一对机载-舰载(基准接收机天线)相对位置关系独立运算获得。在已知各台基准接收机天线与着舰点相对矢量关系后，各机载-舰载对的相对位置关系融合统一为同一位置关系；另一种方法为观测域融合估计方法，该方法中每一对机载-舰载(基准接收机天线)相对位置观测量利用各台基准接收机天线与着舰点相对矢量关系统一转换为同一观测量，然后利用这一融合估计后的观测量获得最终的相对位置关系。
以上两种方法通过引入多节点卫星导航观测信息能够有效保障相对系统的完好性性能，但需要同时播发多台基准接收机观测信息至移动站用于相对定位解算，这不但大大增加了通信链路容量要求，而且移动站需要同时对多节点卫星导航信息进行处理，增加了载波相位整周模糊度求解数量，移动站设备资源消耗过大，影响相对定位的实时性。
因此，在保障卫星导航相对定位系统完好性的同时，需要一种更为合理的多基准接收机数据融合方法，保证高完好性卫星导航相对定位系统的可实现性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于卫星导航相对定位的虚拟点融合观测量生成方法，该方法通过将多个节点(节点数大于2个)基准接收机观测数据融合为单个虚拟点观测数据实现载波相位差分相对定位。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一，任意选择N个节点中的一个作为基准参考节点，记作S；选择N个节点的共视卫星集合Q的L颗卫星当中仰角最大的卫星作为基准参考卫星，记作M；
步骤二，分别计算除去S节点的其他节点与节点S间的双差整周模糊度，具体步骤如下：
通过不同节点间、不同卫星间载波相位观测量的两次作差，得到载波相位双差观测量式中i代表节点编号，i＝1,2,3...N,i≠S；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠M；为节点i与节点S间卫星k与卫星M真实距离的双差观测值；λ为载波相位波长；为载波相位双差整周模糊度；为载波相位双差观测量测量噪声；
在两个节点i和S同时观测到4颗以上卫星时建立双差观测方程，利用卡尔曼滤波进行载波相位双差模糊度浮点解的求解，得到节点i与节点S间的载波相位双差整周模糊度浮点解
利用LAMBDA算法进行双差整周模糊度固定解得求解，得到节点i与节点S间的载波相位双差整周模糊度固定解
步骤三，计算卫星k与卫星M间的载波相位互差修正量
步骤四，记节点i颗共视可见卫星k载波相位观测量为则虚拟节点V载波相位融合观测量
步骤五，将虚拟节点载波相位融合观测量发送至移动站，移动站结合自身接收的卫星导航观测信息进行载波相位差分相对定位解算。
本发明的有益效果是：
本发明通过将多个基准接收机的多路观测信息融合为单路观测信息，在保障相对定位系统完好性的前提下，降低了差分相对定位所需传输观测信息的数据量，减轻了通信链路容量需求。
本发明能够有效降低移动站载波相位整周模糊度求解数量，降低移动站设备运算资源消耗，提升移动站载波相位差分运算速度，保障相对定位运算的实时性。
附图说明
图1是虚拟点融合观测量生成方法总体框图；
图2是虚拟点融合观测量生成方法实施步骤框图；
图3是基准站多节点与虚拟点位置关系示意图；
图4是基准站多节点、虚拟点与移动站位置关系示意图；
图5是相对距离定位结果示意图(天线1-天线4)；
图6是相对距离定位结果示意图(天线2-天线4)；
图7是相对距离定位结果示意图(天线3-天线4)；
图8是相对距离定位结果示意图(虚拟点-天线4)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供的虚拟点融合观测量生成方法总体框图如图1所示。其中多节点包括节点1、节点2、节点3、….节点n(n＝1,2,3…N)，共N个节点。该方法通过将N个节点的基准接收机观测数据进行融合，融合为虚拟点V上的观测数据。
本发明分为5个步骤，分别为步骤1：基准参考节点与基准参考卫星选择；步骤2：双差整周模糊度解算；步骤3：载波相位互差修正量计算；步骤4：虚拟节点载波相位融合观测量生成；步骤5：移动站与虚拟点相对定位解算。
如图2所示，本发明具体步骤如下：
步骤一：基准参考节点与基准参考卫星选择
任意选择节点1、节点2、节点3、….节点i(i＝1,2,3…N)中的一个节点作为基准参考节点，记作S；选择节点1、节点2、节点3、….节点i(i＝1,2,3…N)中共视卫星中集合Q(共L颗卫星)中卫星仰角最大的卫星作为基准参考卫星，记作M。
步骤二：多节点间双差整周模糊度解算
在选定基准参考节点S以及基准参考卫星M后，分别计算除去S节点的其他节点与节点S间的双差整周模糊度，具体步骤如下：
(1)构建载波相位双差观测量
通过不同节点间、不同卫星间载波相位观测量的两次作差，得到载波相位双差观测量如下：
式中i代表节点编号，i＝1,2,3...N,i≠S；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠M；为构建的载波相位双差观测量；为节点i与节点S间卫星k与卫星M真实距离的双差观测值；λ为载波相位波长；为载波相位双差整周模糊度；为载波相位双差观测量测量噪声。
(2)载波相位双差整周模糊度浮点解解算
根据上述步骤构建的载波相位双差观测量，结合伪距双差观测量，在两个节点(i和S)同时观测到4颗以上卫星时，可建立双差观测方程，利用卡尔曼滤波进行载波相位双差模糊度浮点解的求解，得到节点i与节点S间(i＝1,2,3...N,i≠S)的载波相位双差整周模糊度浮点解
(3)载波相位双差整周模糊度固定解解算
根据上述步骤求解的载波相位双差整周模糊度浮点解利用LAMBDA算法进行双差整周模糊度固定解得求解，得到节点i与节点S间(i＝1,2,3...N,i≠S)的载波相位双差整周模糊度固定解
步骤三：载波相位互差修正量计算
多个节点载波相位观测量的简单平均处理破坏了载波相位整周模糊度的整周特性，因此在将载波相位观测量融合至虚拟节点V前，需利用步骤二计算得出的节点间双差整周模糊度固定解进行修正，修正量即为载波相位互差修正量，修正量计算如下：
式中为卫星k与卫星M间的载波相位互差修正量；N为节点的总数目，为节点i与节点S间(i＝1,2,3...N,i≠S)的载波相位双差整周模糊度固定解。
步骤四：虚拟节点载波相位融合观测量生成
记节点i各颗共视可见卫星k载波相位观测量为则根据步骤三获得的载波相位互差修正量，虚拟节点V载波相位融合观测量为
步骤五：移动站与虚拟点相对定位解算
步骤四生成的虚拟节点载波相位融合观测量发送至移动站，移动站结合自身接收的卫星导航观测信息即可进行载波相位差分相对定位解算。
为验证该方法的实际性能，开展了如下试验。架设4副卫星导航接收天线，其中天线1与天线2基线距离0.895m，天线1与天线3基线距离2.019m，天线2与天线3基线距离1.171m。3台基准接收机分别接收天线1、2、3的卫星导航信号并进行融合处理，生成虚拟点的载波相位观测信息。同时架设第4副卫星导航天线ANT_4作为移动站天线。基准站多节点、虚拟点与移动站位置关系如图3、4所示，分别进行了天线1-天线4、天线2-天线4、天线3-天线4、虚拟点-天线4间的载波相位差分相对定位分析，分别统计了其距离误差，相对距离定位结果如图5～图8所示，各天线对相对距离定位精度如表1所示。
表1各天线对相对距离精度
距离误差(m,σ)
天线1-天线4 0.0010
天线2-天线4 0.0012
天线3-天线4 0.0010
虚拟点-天线4 0.0007
根据图4～图7以及表1所可知，虚拟点-天线4相对距离精度相比天线1-天线2、天线2-天线4、天线3-天线4基本相当，有小幅度提升。因此基于多节点数据融合的卫星导航相对定位方法能够将多节点信息融合为一路信息，融合后的观测信息用于相对定位不但降低了数据通信容量要求，而且能够保障相对定位精度。

Claims (1)

1.一种用于卫星导航相对定位的虚拟点融合观测量生成方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一，任意选择N个节点中的一个作为基准参考节点，记作S；选择N个节点的共视卫星集合Q的L颗卫星当中仰角最大的卫星作为基准参考卫星，记作M；
步骤二，分别计算除去S节点的其他节点与节点S间的双差整周模糊度，具体步骤如下：
通过不同节点间、不同卫星间载波相位观测量的两次作差，得到载波相位双差观测量式中i代表节点编号，i＝1,2,3...N,i≠S；k代表N个节点中共视卫星编号，k≠M；为节点i与节点S间卫星k与卫星M真实距离的双差观测值；λ为载波相位波长；为载波相位双差整周模糊度；为载波相位双差观测量测量噪声；
在两个节点i和S同时观测到4颗以上卫星时建立双差观测方程，利用卡尔曼滤波进行载波相位双差模糊度浮点解的求解，得到节点i与节点S间的载波相位双差整周模糊度浮点解
利用LAMBDA算法进行双差整周模糊度固定解得求解，得到节点i与节点S间的载波相位双差整周模糊度固定解
步骤三，计算卫星k与卫星M间的载波相位互差修正量
步骤四，记节点i颗共视可见卫星k载波相位观测量为则虚拟节点V载波相位融合观测量
步骤五，将虚拟节点载波相位融合观测量发送至移动站，移动站结合自身接收的卫星导航观测信息进行载波相位差分相对定位解算。
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