CN110133696A

CN110133696A - 一种基于浮动平台的高精度定位方法及系统

Info

Publication number: CN110133696A
Application number: CN201910448141.2A
Authority: CN
Inventors: 蒋文学; 许志强; 赵辉; 丁超; 胡佳钰; 张龙龙; 张宇; 王丽芝; 贺宏达; 张兴龙
Original assignee: QINGDAO JARI AUTOMATION CO Ltd
Current assignee: China Shipbuilding Industry Group Investment Co.,Ltd.; 716th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明公开了一种基于浮动平台的高精度定位方法及系统，包括：在水面上布设一个作为主站的浮标载体和多个作为流动站的浮标载体；在每一个浮标载体上布设用于接收卫星信号的接收机；主站采用卫星定位技术确定主站的三维坐标，形成基准坐标；采用基线向量解算方法计算每一个流动站相对于主站的基线向量；利用主站的基准坐标以及每一个流动站相对于主站的基线向量，计算出每一个流动站的三维坐标；利用主站和所有的流动站组成一个伪卫星星座；水下设备利用所述伪卫星星座定位自身位置。本发明的定位技术不需要建立静态基站，直接点对点实现动‑动高精度相对定位，可操作性强；水下设备无需定时上浮校正，作业效率高，隐蔽性强。

Description

一种基于浮动平台的高精度定位方法及系统

技术领域

本发明属于通信卫星导航及测试技术领域，具体地说，是涉及一种利用通信卫星对水域目标进行定位的技术。

背景技术

水下有人平台或水下无人平台是海洋资源开发水下作业的主体，其中对水下平台自身的导航定位以及对水下目标的跟踪定位是水下作业的关键，传统的定位模式是“惯性导航+深度仪+水面GPS定位”。在传统的水下平台定位技术中，由于惯性导航系统具有随时间误差累积的不可避免的缺点，必须航行一段时间后上浮校正。因此，采用这种传统定位技术的水下平台，在执行水下作业任务的过程中，需要每间隔一段时间上浮至水面进行卫星定位校正，从而严重影响了水下平台的作业效率，且隐蔽性差。并且，这种水下平台需要携带高精度的惯性导航传感器，而高精度的惯性导航传感器价格昂贵，造成水下平台的造价高昂，不利于推广应用。

现有的另外一种定位模式是基于静态基站实现的相对定位技术，即，在海平面上建立绝对静止的静态基站，基于静态基站的空间坐标以及静态基站与水下平台之间的位置关系，解算出水下平台的三维坐标。但是，在海平面上建立静态基站的成本高，维护困难，且基本上不具有可操作性，因此，很难投入到实际应用中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于浮动平台的高精度定位方法，无需建立静态基站，也无需要求水下设备定时上浮校正，定位精度高，可操作性强，且造价适中，便于推广应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

在一个方面，本发明提出了一种基于浮动平台的高精度定位方法，包括：在水面上布设一个作为主站的浮标载体和多个作为流动站的浮标载体；在每一个浮标载体上布设用于接收卫星信号的接收机；主站采用卫星定位技术确定主站的三维坐标，形成基准坐标；采用基线向量解算方法计算每一个流动站相对于主站的基线向量；利用主站的基准坐标以及每一个流动站相对于主站的基线向量，计算出每一个流动站的三维坐标；利用主站和所有的流动站组成一个伪卫星星座；水下设备利用所述伪卫星星座定位自身位置。

优选的，所述流动站优选包括三个，且主站与三个流动站在水面上的漂浮位置分别位于一个四边形的四个边角位置。

优选的，在计算每一个流动站相对于主站的基线向量的过程中，包括：利用主站上的接收机和流动站上的接收机分别观测相同的多颗通信卫星，生成主站的载波相位观测方程和流动站的载波相位观测方程；对主站的载波相位观测方程和流动站的载波相位观测方程进行单差分处理，生成载波相位单差方程；选取其中一个通信卫星作为基准被差卫星，对所述单差方程做双差处理，生成载波相位双差方程；利用最小二乘法求解所述双差方程，得到整周模糊度的浮点解；利用搜索算法，搜索出整周模糊度的固定解；将所述固定解代入所述双差方程，便可计算出所述的基线向量。

优选的，所述通信卫星优选包括五颗，所述接收机可以单频接收机，也可以双频接收机。

优选的，在所述水下设备利用所述伪卫星星座定位自身位置的过程中，包括：主站和每一个流动站将自身的坐标信息以及发送坐标信息的时间发送至水下设备；水下设备根据坐标信息的接收时间和发送时间，分别计算出水下设备到主站和每一个流动站的距离；利用主站和每一个流动站的三维坐标，并结合水下设备到主站和每一个流动站的距离，解算出水下设备的三维坐标。

在另一个方面，本发明还提出了一种高精度定位系统，包括主站、流动站和水下设备；其中，所述主站为浮标载体，其上设置有用于接收卫星信号的接收机，所述主站采用卫星定位技术获取自身的三维坐标，并作为基准坐标；所述流动站为浮标载体，且包括多个，在每一个流动站上分别设置有一个用于接收卫星信号的接收机，每一个流动站均采用基线向量解算方法计算出其相对于主站的基线向量，并将计算出的基线向量与主站的基准坐标相结合，计算出每一个流动站的三维坐标；所述水下设备与主站及流动站通信，将主站和所有的流动站组成一个伪卫星星座，利用所述伪卫星星座定位自身位置。

进一步的，所述主站利用其接收机观测多颗通信卫星，并将观测到的载波相位观测量发送至流动站；所述流动站根据主站的载波相位观测量，生成主站的载波相位观测方程；所述流动站利用其接收机观测所述的多颗通信卫星，生成流动站的载波相位观测方程；所述流动站对两个所述的载波相位观测方程进行单差分处理，生成载波相位单差方程；所述流动站选取其中一个通信卫星作为基准被差卫星，对所述单差方程做双差处理，生成载波相位双差方程；所述流动站利用最小二乘法求解所述双差方程，得到整周模糊度的浮点解；然后利用搜索算法，搜索出整周模糊度的固定解；并将所述固定解代入所述双差方程，计算出所述流动站相对于主站的基线向量，以用于计算所述流动站的三维坐标。

作为所述水下设备可适用的一种优选定位计算方法，本发明在所述主站、每一个流动站和水下设备上分别安装有水声换能器；所述主站和每一个流动站通过水声换能器将自身的坐标信息以及发送坐标信息的时间传送至所述水下设备；所述水下设备根据坐标信息的接收时间和发送时间，分别计算出其到主站和每一个流动站的距离；然后，利用主站和每一个流动站的三维坐标，并结合其到主站和每一个流动站的距离，解算出水下设备的三维坐标。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的定位技术采用在水面上投放多个浮标载体的方式构建基站，且仅对基站中的主站进行卫星定位，其余的流动站均采用以主站为基准的动动差分相对精密定位技术进行定位，由此可以简化流动站定位计算的复杂度。此外，本发明利用主站和流动站构建水面定位伪星座为水下设备进行定位，由此可以大大降低水下设备的定位成本，提高了定位精度和定位范围。本发明的定位技术不需要建立静态基站，直接点对点实现动-动高精度相对定位，而且收敛速度极快，可操作性强，维护简单；水下设备无需定时上浮校正，作业效率高，隐蔽性强，可以很好地完成不同要求的水下作业任务，便于在海洋资源开发和观测等领域推广和应用。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的高精度定位系统的一种实施例的系统架构示意图；

图2是图1北斗卫星定向方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例的定位技术采用在水面上建立伪卫星星座的方式对水下设备进行定位。其中，伪卫星星座的建立，本实施例采用在水面上布放多个浮标载体的方式实现，且将其中一个浮标载体作为主站，采用现有的卫星定位技术对其进行精确定位；而其余的各个浮标载体则均作为流动站，采用GNSS动动差分相对定位技术，计算出各流动站与主站之间的相对位置，进而根据主站的空间坐标便可准确地定位出各流动站的空间坐标。将每一个浮标载体作为伪星座中的一个伪卫星，通过水声换能器将每一颗伪卫星的空间坐标发送至水下设备，为水下设备提供定位基准，进而帮助水下设备解算出自身的三维坐标，实现对水下设备的准确定位。

在本实施例中，优选使用四个浮标载体M、S1、S2、S3构建水面定位伪星座，如图1所示。选择浮标载体M作为主站，其余三个浮标载体S1、S2、S3 作为流动站。在水面上布放四个浮标载体M、S1、S2、S3时，应使主站M与三个流动站S1、S2、S3在水面上的漂浮位置分别位于一个四边形的四个边角位置，以此方式构建的伪星座有利于提高水下设备定位的精准度。

在每一个浮标载体M、S1、S2、S3上分别安装接收机，用于接收卫星信号。作为一种优选实施例，优选在每一个浮标载体M、S1、S2、S3上分别安装北斗卫星接收机，接收北斗卫星信号，用于主站和流动站的空间定位。

其中，主站M可以采用现有的卫星定位技术，例如差分定位技术、单点精密定位技术、或单点双频高精密定位技术等，获得主站M的三维坐标。然后，将主站M的三维坐标作为基准坐标，计算出各个流动站S1、S2、S3的三维坐标。

由于单个北斗卫星接收机可以定位，无法定向，但是将两台北斗卫星接收机组合起来就可以实现高精度的定向寻北功能。通过观测放置在一条基线两端的两个北斗卫星接收机所采集到的卫星信号数据，并把这些数据中包括伪距、载波相位、卫星广播星历进行处理，从而可以得到基线的精准方向。

北斗卫星信号在传播过程中由于受到电离层、对流层、广播星历误差、卫星钟差、潮汐以及相对论效应等因素的影响，其定位精度误差比较大。但是，对于在地理位置上相邻的两台北斗卫星接收机来说，这些误差都是密切相关的，因此可以通过建立差分方程，抵消掉这些误差，从而得到一个非常精确的基线方位解。

本实施例的流动站S1、S2、S3采用相对定位技术计算其与主站M之间的相对位置关系，其设计思路是解算变长基线两端点的三维差值。即，在主站M和每一个流动站S1、S2、S3上分别安装一个北斗卫星接收机，在计算其中一个流动站S1/S2/S3与主站M之间的相对位置时，将该流动站S1/S2/S3的北斗卫星接收机R2与主站M的北斗卫星接收机R1相结合，作为一条基线两端的两个北斗卫星接收机，分别采集北斗卫星信号，获取载波相位观测量。将主站M的观测量通过无线链路传输到流动站S1/S2/S3，由流动站S1/S2/S3上的计算机进行基线向量解算，以完成流动站S1/S2/S3的相对定位。

基线向量解算(baseline vector solution)是指在卫星定位中，利用载波相位观测值或其差分观测值，求解两个同步观测的测站之间的基线向量坐标差的过程。本实施例的基线向量解算是基于主站M和流动站S1/S2/S3的载波相位双差方程进行求解的。对于每一个流动站S1、S2、S3，均可采用以下解算方法实现相对定位。

当主站M和流动站S1、S2、S3上安装的接收机为单频接收机时，其载波相位观测方程如下：

R＝(N+φ)×λ+ε；

其中，R：卫星到测站的距离，单位：米；

N：卫星的初始整周模糊度；

φ：载波相位的观测值；

λ：单频接收机的载波波长，单位：米；

ε:各种因素引起的综合误差，单位：米。

假设主站M和流动站S1/S2/S3共同观测五颗北斗卫星#1～#5，如图2所示，那么可以得到以下10个观测方程：

主站M：

流动站S1/S2/S3：

其中，各参数的下标用于区分主站还是流动站，且下标1表示主站，下标2表示流动站；各参数的下标用于区分卫星的编号，且上标1表示1号卫星#1，上标2表示2号卫星#2，上标3表示3号卫星#3，上标4表示4号卫星#4，上标 5表示5号卫星#5。例如：表示主站到1号卫星的距离；表示主站到2号卫星的初始整周模糊度；表示主站到3号卫星的载波相位观测值；表示主站与4号卫星之间因各种因素引起的综合误差；以此类推，即可确定出主站观测方程中的其余各参数所表示的含义。同理，表示流动站到1号卫星的距离；表示流动站到2号卫星的初始整周模糊度；表示流动站到3号卫星的载波相位观测值；表示流动站与4号卫星之间因各种因素引起的综合误差；以此类推，即可确定出主站观测方程中的其余各参数所表示的含义。

在站间做单差处理，可以得到载波相位单差方程：

其中，

表示i号卫星到主站和流动站的距离单差，

表示i号卫星到主站和流动站的整周模糊度的单差，

表示i号卫星到主站和流动站的载波相位观测值的单差，

表示主站到i号卫星的单位矢量；

X表示误差向量，X＝(ΔX,ΔY,ΔZ)是待求解的基线向量；

表示误差向量X在单位矢量上的投影，即长度；·表示点积；

其中，i＝1,2,3,4,5。

选取一颗卫星作为基准被差卫星，对上述单差方程做双差处理。本实施例以1号卫星为基准被差卫星为例，可以得到载波相位双差方程：

其中，

表示主站到1号卫星的单位矢量和流动站到i号卫星的单位矢量在x向量上的差；

表示主站到1号卫星的单位矢量和流动站到i号卫星的单位矢量在y向量上的差；

表示主站到1号卫星的单位矢量和流动站到i号卫星的单位矢量在z向量上的差；

表示主站和流动站到1号卫星和i号卫星的整周模糊度的双差，

表示主站和流动站到1号卫星和i号卫星之间距离的双差，

表示主站和流动站到1号卫星和i号卫星的载波相位观测值的双差，

其中，i＝2,3,4,5。

采用最小二乘法求解所述双差方程，得到整周模糊度的浮点解。然后，采用搜索算法，搜索出整周模糊度的固定解。由于基线长度是确定的，是一个已知量，所以利用长度约束法可以极大的提高模糊度的搜索成功率。最后，把固定解代入双差方程，即可求得基线向量。基线向量的具体解算过程可以参考文献Moggi E.Computational lambda-calculusand monads[C]//Symposium on Logic in Computer Science,Lics.1989中的相关描述。

上述是针对单频接收机提出的相对定位计算方法，为了进一步提高流动站相对定位的精准度，可以在主站M和流动站S1、S2、S3上分别安装双频接收机，其载波波长分别为L1、L2，此时的载波相位观测方程如下：

R＝(N+φ)×λ₁+ε

R＝(M+Φ)×λ₂+ε

其中，R：卫星到测站的距离，单位：米；

N：卫星的L1初始整周模糊度；

M：卫星的L2初始整周模糊度；

φ：L1载波相位的观测值；

Φ：L2载波相位的观测值；

λ₁：载波波长L1，单位：米；

λ₂：载波波长L2，单位：米；

ε:各种因素引起的综合误差，单位：米。

仍以主站M和流动站S1、S2、S3共同观测相同的五颗北斗卫星为例，那么可以得到20个观测方程：

主站M：

流动站S1/S2/S3：

同上述对单频接收机所采用的相对定位算法中的各参数的定义类似，上述公式中的各参数的下标用于区分主站和流动站，其中，下标1表示主站，下标2表示流动站；各参数的下标用于区分卫星的编号，其中，上标1表示1号卫星#1，上标2表示2号卫星#2，上标3表示3号卫星#3，上标4表示4号卫星#4，上标5表示5号卫星#5。各参数所表示的具体含义可以参照上述单频接收机所采用的相对定位算法中的各参数的具体定义，本实施例在此处以及后续的公式中不再详细说明。

在站间做单差处理，可以得到10个载波相位单差方程：

其中，误差向量X＝(ΔX,ΔY,ΔZ)是待求解的基线向量。

假设选取1号卫星作为基准被差卫星，对单差方程做双差处理，可以得到载波相位双差方程如下：

同理，采用最小二乘法求解上述双差方程，即可得到L1和L2的整周模糊度的浮点解。然后，采用搜索算法，搜索出L1和L2的整周模糊度的固定解。最后，把固定解代入双差方程，即可求得基线向量ΔX,ΔY,ΔZ。

本实施例采用上述算法和数学模型，确保定向输出结果的高精度、正确性和实时性，按3米基线考核，定向精度可达0.1度。

由基线方位解(基线方向)和基线向量可以精确定位出流动站S1、S2、S3 相对于主站M的相对位置，然后结合主站M的基准坐标，即可计算出每一个流动站S1、S2、S3的三维坐标，实现对流动站S1、S2、S3的精确定位。

利用主站M和所有的流动站S1、S2、S3组成一个伪卫星星座，利用所述伪卫星星座对水下设备进行定位。如图1所示，在主站M、每一个流动站S1、S2、 S3以及水下设备Un上分别安装水声换能器Tr，主站M和流动站S1、S2、S3 通过水声换能器Tr与水下设备Un通信，实现数据交互。在利用伪卫星星座对水下设备Un定位时，主站M和流动站S1、S2、S3将其三维坐标以及发送三维坐标的时间通过水声换能器Tr发送至水下设备Un。水下设备Un在接收到主站 M和流动站S1、S2、S3发送的三维坐标时，记录三维坐标的接收时间，由此便可计算出声音信号在水中的传播时长。根据声音信号在水中的传播速度以及传播时长，即可计算出水下设备Un到主站M和流动站S1、S2、S3的距离。水下设备Un利用主站M和流动站S1、S2、S3的三维坐标，并结合出水下设备Un 到主站M和流动站S1、S2、S3的距离，通过精密单点定位方法即可获得水下设备Un的空间坐标。所述精密单点定位方法为目前成熟的定位方法，本实施例在此不再展开说明。

在本实施例中，所述水下设备Un可以将计算出的自身空间坐标通过水声换能器上传至主站M或流动站S1、S2、S3，由水面监控平台实时监控，以满足水下监测的要求。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于浮动平台的高精度定位方法，其特征在于，包括：

在水面上布设一个作为主站的浮标载体和多个作为流动站的浮标载体；

在每一个浮标载体上布设用于接收卫星信号的接收机；

主站采用卫星定位技术确定主站的三维坐标，形成基准坐标；

采用基线向量解算方法计算每一个流动站相对于主站的基线向量；

利用主站的基准坐标以及每一个流动站相对于主站的基线向量，计算每一个流动站的三维坐标；

利用主站和所有的流动站组成一个伪卫星星座；

水下设备利用所述伪卫星星座定位自身位置。

2.根据权利要求1所述的基于浮动平台的高精度定位方法，其特征在于，所述流动站包括三个，主站与三个流动站在水面上的漂浮位置分别位于一个四边形的四个边角位置。

3.根据权利要求1所述的基于浮动平台的高精度定位方法，其特征在于，在计算每一个流动站相对于主站的基线向量的过程中，包括：

利用主站上的接收机和流动站上的接收机分别观测相同的多颗通信卫星，生成主站的载波相位观测方程和流动站的载波相位观测方程；

对主站的载波相位观测方程和流动站的载波相位观测方程进行单差分处理，生成载波相位单差方程；

选取其中一个通信卫星作为基准被差卫星，对所述单差方程做双差处理，生成载波相位双差方程；

利用最小二乘法求解所述双差方程，得到整周模糊度的浮点解；

利用搜索算法，搜索出整周模糊度的固定解；

将所述固定解代入所述双差方程，计算出所述基线向量。

4.根据权利要求3所述的基于浮动平台的高精度定位方法，其特征在于，所述通信卫星包括五颗，所述接收机为单频接收机或者双频接收机。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于浮动平台的高精度定位方法，其特征在于，在所述水下设备利用所述伪卫星星座定位自身位置的过程中，包括：

主站和每一个流动站将自身的坐标信息以及发送坐标信息的时间发送至水下设备；

水下设备根据坐标信息的接收时间和发送时间，分别计算出水下设备到主站和每一个流动站的距离；

利用主站和每一个流动站的三维坐标，并结合水下设备到主站和每一个流动站的距离，解算出水下设备的三维坐标。

6.一种高精度定位系统，其特征在于，包括：

主站，其为浮标载体，其上设置有用于接收卫星信号的接收机，所述主站采用卫星定位技术获取自身的三维坐标，并作为基准坐标；

流动站，其为浮标载体，且包括多个，在每一个流动站上分别设置有一个用于接收卫星信号的接收机，每一个流动站均采用基线向量解算方法计算出其相对于主站的基线向量，并将计算出的基线向量与主站的基准坐标相结合，计算出每一个流动站的三维坐标；

水下设备，其与主站及流动站通信，将主站和所有的流动站组成一个伪卫星星座，利用所述伪卫星星座定位自身位置。

7.根据权利要求6所述的高精度定位系统，其特征在于，所述流动站包括三个，主站与三个流动站漂浮在水面上时，其漂浮位置分别位于一个四边形的四个边角位置。

8.根据权利要求7所述的高精度定位系统，其特征在于，

所述主站利用其接收机观测多颗通信卫星，并将观测到的载波相位观测量发送至流动站；

所述流动站根据主站的载波相位观测量，生成主站的载波相位观测方程；

所述流动站利用其接收机观测所述的多颗通信卫星，生成流动站的载波相位观测方程；

所述流动站对两个所述的载波相位观测方程进行单差分处理，生成载波相位单差方程；

所述流动站选取其中一个通信卫星作为基准被差卫星，对所述单差方程做双差处理，生成载波相位双差方程；

所述流动站利用最小二乘法求解所述双差方程，得到整周模糊度的浮点解；然后利用搜索算法，搜索出整周模糊度的固定解；并将所述固定解代入所述双差方程，计算出所述流动站相对于主站的基线向量。

9.根据权利要求8所述的高精度定位系统，其特征在于，所述通信卫星包括五颗，所述接收机为单频接收机或者双频接收机。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的高精度定位系统，其特征在于，

在所述主站、每一个流动站和水下设备上分别安装有水声换能器；

所述主站和每一个流动站通过水声换能器将自身的坐标信息以及发送坐标信息的时间传送至所述水下设备；

所述水下设备根据坐标信息的接收时间和发送时间，分别计算出其到主站和每一个流动站的距离；然后，利用主站和每一个流动站的三维坐标，并结合其到主站和每一个流动站的距离，解算出水下设备的三维坐标。