CN109856661A - 一种去中心化多站高精度相对位置获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种去中心化多站高精度相对位置获取方法。随着我国北斗卫星导航系统的建立和完善，利用北斗卫星导航系统进行高精度定位成为导航领域的研究热点之一。本发明硬件组成由北斗接收机、低成本电台、以及手柄(运行ARM操作系统)。该发明打破了以往一对一的相对定位差分处理模式，能够处理多个站间的高精度相对位置，不再依赖一个固定站点作为基准站。扩展便捷，仅需要增配硬件设备即可，程序复用程度较高，简化了程序设计，提高了复用性，能够在多个场景中进行实际应用。

Description

一种去中心化多站高精度相对位置获取方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别涉及一种去中心化多站高精度相对位置获取方法。

背景技术

随着我国北斗卫星区域导航系统的建立和完善，利用北斗卫星系统进行高精度定位成为导航领域的研究热点之一。传统的高精度定位一般是基于两个站进行的差分定位，或者是大型的系统，需要数据处理中心以及基准站的建设的成本投入。基于多站高精度相对位置的获取，有很多领域有大量的应用需求，迫切需要有一种低成本去中心化的多站相对位置获取技术。

目前国外国内尚未检索到关于去中心化多站高精度相对位置的专利或论文发表。

发明内容

本发明的目的是为解决军用分布式雷达方向的应用，降低了成本，不需要数据处理中心，以及基准站的建设，提出了一种去中心化的高精度相对位置获取方法。

本发明采用的技术方案为:

一种去中心化多站高精度相对位置获取方法，包括以下步骤：

(1)若接收机接收到设置为主站的指令，则作为主站，否则作为从站；

(2)主站将当前观测到的卫星信息打包成BD RTCM格式的差分信息，通过无线模块发送出去；

(3)各个从站收到差分信息后，分别把当前观测到的卫星信息与收到的差分信息进行双差观测量生成，进行高精度相对定位解算得到相对位置结果，并将标识了本机ID的相对位置结果通过无线模块传输出去；所述的相对位置结果包括各方向分量、距离和方位；

(4)主站收到各从站的相对位置信息后，根据ID号进行区分，并显示各个从站与本站的相对位置；

(5)如果需要更换主站，则下置指令关闭当前主站，返回步骤(1)；

完成去中心化多站高精度相对位置获取。

其中，步骤(3)具体包括以下步骤：

(301)各个从站收到差分信息后，识别主站ID，如果当前收到的差分信息的主站ID与上一次不同，则初始化相对定位解算，执行步骤(302)；否则，直接执行步骤(302)；

(302)各个从站分别把当前观测到的卫星信息与收到的差分信息进行双差观测量生成，进行高精度相对定位解算得到相对位置结果；所述的相对位置结果包括各方向分量、距离和方位；

(303)各个从站分别将标识了本机ID的相对位置结果通过时分的方式传输至主站。

本发明与现有技术相比，其优点为：

数据处理简单，在接收机终端，再配置个低成本的电台以及手柄便可以完成现有的复杂系统的相对位置获取。另外，扩展方便，只用增加接收机终端，程序模块化。

附图说明

图1是本发明实现硬件平台原理图；

图2是本发明系统级实现流程；

图3是本发明高精度相对位置解算流程图。

具体实施方式

现结合附图1至3对本发明作进一步的详细说明。

基于北斗系统的去中心化高精度相对位置获取方法，支撑该发明的硬件包括能够接收北斗多频点信号的接收机终端、低成本电台模块(无线模块)、手柄，见图1。

本发明的核心部分实现在图1的接收机中的嵌入式数据处理模块。本发明实现的嵌入式平台为ARM。北斗接收机的小型化零相位中心天线接收到卫星信号，经过天线内部的滤波、放大合路后，将卫星信号传递给主机的射频单元。射频单元将卫星信号进行放大、滤波、下变频，输出中频信号；基带处理单元对各路中频信号进行数字采样，并对卫星信号进行捕获、跟踪、电文解调解析，得出卫星的观测量以及电文，再将原始观测量通过串口送给数据处理板上的ARM。

作为主站使用时，将主站所观测到的卫星的观测量转发给电台，由电台发送出去。其他站的接受电台收到差分信息后，进行高精度相对定位解算，并将解算结果标识自己的站ID号回传至主站。主站通过手柄能够实时看到各个站的相对位置，距离以及方位关系。

系统工作流程如图2所示。

(1)若接收机接收到通过手柄设置为主站的指令，则作为主站，否则作为从站；

(2)主站将当前观测到的卫星信息打包成BD RTCM格式的差分信息，通过无线模块发送出去；

(3)各个从站收到差分信息后，通过数据处理模块分别把当前观测到的卫星信息与收到的差分信息进行双差观测量生成，进行高精度相对定位解算得到相对位置结果，并将标识了本机ID的相对位置结果通过无线模块传输出去；所述的相对位置结果包括各方向分量、距离和方位；具体为：

(301)各个从站收到差分信息后，识别主站ID，如果当前收到的差分信息的主站ID与上一次不同，则初始化相对定位解算，执行步骤(302)；否则，直接执行步骤(302)；

(302)各个从站通过数据处理模块分别把当前观测到的卫星信息与收到的差分信息进行双差观测量生成，进行高精度相对定位解算得到相对位置结果；所述的相对位置结果包括各方向分量、距离和方位；

(303)各个从站分别将标识了本机ID的相对位置结果通过时分的方式传输至主站。

(4)主站收到各从站的相对位置信息后，根据ID号进行区分，并显示各个从站与本站的相对位置；

(5)如果需要更换主站，则下置指令关闭当前主站，通过手柄设置一个新的主站，返回步骤(1)；

其中，高精度相对位置解算流程如图3所示。

具体原理如下：

设有两台接收机Ti(i＝1,2)分别安置在基线的两端，在历元时刻t对卫星j和k进行同步观测，得到4个独立的载波相位观测量：分别得到对应的站间单差、星间单差为：

在站间单差的基础上再求星间单差，便得到双差观测值为：

考虑电离层延迟对流层延迟卫星钟差δt^j(t)、接收机钟差δt_i(t)时，测站i观测卫星j的原始载波相位观测值为：

其中为几何距离，为整周模糊度，f为频率，c为光速。

将式(3)代入双差组合方程(2)中，并顾及T1、T2两测站同步观测j，k两颗卫星，在忽略大气折射残差影响的情况下，双差观测方程为：

式中

Δ▽N^jk＝ΔN^k-ΔN^j

可以看出卫星钟差和接收机钟差也已经被消除，这是双差模型的重要优点。

若取测站T1单点定位坐标作为的已知信息，则在双差观测方程中，除了测站T2的位置为待定参数之外，还包含有整周模糊度参数项Δ▽N^jk。通常在构成双差观测时，除了取一个测站为参考点外，同时也要取一颗观测卫星为参考星。

若两测站同步观测卫星为Sj和Sk，设Sj为参考卫星，则可得双差观测方程的线性化形式，即：

其中：

Δ▽φ^k(t)＝▽φ^k(t)-▽φ^j(t)

Δ▽N^k＝ΔN^k-ΔN^j

令：

则可改写为如下误差方程式的形式，即：

浮点解解算中的未知数为δX₂,δY₂,δZ₂,Δ▽N^k，模糊度固定后，作为已知数带入到基线的固定解解算，未知数为仅有δX₂,δY₂,δZ₂。

其次，采用改良的LAMBDA法进行模糊度的计算。

LAMBDA法的基本思想是对最小二乘法的改进。其特点是采用去相关的Z变换(整数高斯变换)，降低整周模糊度之间的相关性改善模糊度搜索空间的特性，使得模糊度的搜索速度更快，解算精度更高。它是目前比较好的一种整周模糊度解算方法。

LAMBDA方法的计算过程可以分为下列3个步骤：

1)采用最小二乘平差法求基线向量及模糊度的浮点解；

2)通过整数高斯变换(z变换)，降低模糊度的相关性，改善模糊度搜索空间；

3)在变换后的搜索空间搜索最优模糊度整数解，通过逆变换Z^-T把搜索到的模糊度转换回原始模糊度。由于Z^-T由整数构成，因此可以保持模糊度的整数特性。

LAMBDA法解算整周模糊度思想主要体现在后两步。

目前，在LAMBDA法中所运用的各种模糊度Z变换处理方法中以整数高斯去相关法，联合去相关法以及白化滤波去相关法三种算法得到众多学者的认可。

对初始解中的实数模糊度参数及其协因数阵进行整数变换：

式中，Z为整数变化矩阵。整数变换具有下列特点：当N为整数时，变换后的参数z也为整数；反之亦然，当z为整数时，经逆变换后所得的N＝(Z^T)^-1×z也为整数。整数变换并不是唯一的。我们希望整数变化后所得到的新参数之间的相关性能显著减小，其协因数阵中的非对角线元素<＝0.5，模糊度参数的方差也能大幅度减小。LAMBDA法就是按照上述要求来进行整数变换的。

欲寻求经整数变换后的新参数的整数最小二乘解，需要采用搜索算法来挑选出最佳的整数模糊度集合。这个整数向量集合，也就是所谓的搜索区间必须确保包含所需要的解，直接用(9)的目标函数构造一个理想的搜索空间：

它是一个以为中心的多维椭球体，它的形状由方差-协方差矩阵决定，大小可通过选择χ²的取值来改变。显然，只要能确保搜索空间包含最少一个网格点(各坐标分量都为整数的点)，它就包含所需要的解。为了确保这一点，χ²的值不能选的太小，但是也不能选的太大，以免包含大量不必要的网格点。

通过上述的搜索原理挑选出的整数模糊度集合，实际上就是寻找能满足(10)式的整数组合z＝(z₁,z₂,...,z_n)：

待求得最优的整数组合z后再进行逆变换：

N＝(Z^T)^-1×z (11)

变换后的参数N满足下列公式：

也就是说，逆变换后求得的参数N就是我们最初要寻求的最佳的整数模糊度向量。

在此，使用序贯平差的模型，保留上个历元的验后信息，大大提高了模糊度解算的效率以及可靠性。

最后，固定解后，对基线分量进行坐标转换，得到站心坐标系下的坐标，从而求得方位和距离。

本发明采用一种去中心化的方法，通过简单信息互传机制，实现多个站间的cm级相对位置获取，降低复杂度；提高了嵌入式程序的可维护性以及复用性，简化了程序设计,系统扩展方便，不需要重新设计程序，增加硬件即可。最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照实例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种去中心化多站高精度相对位置获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)若接收机接收到设置为主站的指令，则作为主站，否则作为从站；

(2)主站将当前观测到的卫星信息打包成BD RTCM格式的差分信息，通过无线模块发送出去；

(3)各个从站收到差分信息后，分别通过数据处理模块把当前观测到的卫星信息与收到的差分信息进行双差观测量生成，进行高精度相对定位解算得到相对位置结果，并将标识了本机ID的相对位置结果通过无线模块传输出去；所述的相对位置结果包括各方向分量、距离和方位；

(4)主站收到各从站的相对位置信息后，根据ID号进行区分，并显示各个从站与本站的相对位置；

(5)如果需要更换主站，则下置指令关闭当前主站，返回步骤(1)；

完成去中心化多站高精度相对位置获取。

2.根据权利要求1所述一种去中心化多站高精度相对位置获取方法，其特征在于，步骤(3)具体包括以下步骤：

(301)各个从站收到差分信息后，识别主站ID，如果当前收到的差分信息的主站ID与上一次不同，则初始化相对定位解算，执行步骤(302)；否则，直接执行步骤(302)；

(302)各个从站分别通过数据处理模块把当前观测到的卫星信息与收到的差分信息进行双差观测量生成，进行高精度相对定位解算得到相对位置结果；所述的相对位置结果包括各方向分量、距离和方位；

(303)各个从站分别将标识了本机ID的相对位置结果通过时分的方式传输至主站。