CN110927760A - 一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法 - Google Patents

一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，包括：实时获取并储存北斗导航模块获取的星历数据、气压高度计获取的气压高度数据和惯导系统获取的参数；判断北斗导航模块的定位情况，当北斗导航模块在连续的预设时间段内定位失败时，则确定为高空失锁；当确定当北斗导航模块高空失锁时，根据所述星历数据、气压高度数据和惯导系统获取的参数计算出当前所在位置的模拟星历数据，解算出当前探空仪与北斗卫星之间的伪距值；根据所述伪距值计算得到帧计数值和位计数值，以进行定位解算，实现快速重定位；本发明解决了现有北斗导航模块在高空信号失锁时无法重定位的问题。

Description

一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法
技术领域
本发明涉及高空失锁快速重定位领域，尤其涉及一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法。
背景技术
目前探空仪主要有两种模式，一种是雷达探空仪，一种是卫星定位导航探空仪。这两种模式探空仪的操作是将探空仪拴在探空气球上，探空气球以7m/s左右速度上升，探空仪主要为了标定高空探测器所在的位置，坐标，并将该位置、坐标下的经纬度、高度、温度、湿度、压力、风速等数据传回给地面接收机。
雷达探空仪需要地面雷达标为基准，标定探空仪当前的方位和速度，利用气压高度计来标定高度，利用温湿度传感器来测量当前的温湿度，通过无线信号传输给地面雷达接收机；卫星定位导航探空仪是以北斗或者GPS卫星导航模块标定探空仪当前的方位、速度和高度，利用温湿度传感器来测量当前经纬高度的温湿度，通过无线信号传输给地面无线接收机。其中，高空探测气球的探空高度为0m～36000m。
但是，雷达探空仪必须要在十分空旷无遮挡的环境下使用，当探测仪施放到一定高度和距离以后，地面雷达有跟踪不到的风险。雷达高空气象探测系统造价高，体积笨重，无法进行便携转移位置；而卫星定位导航探空仪在高空的探测性能相较于雷达探空，无需在空旷无遮挡的环境下使用。但是由于高空中的风速动态范围大(0m/s～150m/s)，探空仪上的卫星导航模块很容易失锁，一旦在高空失锁后需要很长时间定位或者根本无法再进行定位，这样就会导致探空仪无法完成最基本的探测需求。
发明内容
本发明提供了一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，针对GPS导航定位探空系统和北斗导航定位探空系统在高空信号失锁以后无法进行重定位这一现象，解决了现有北斗导航模块在高空信号失锁时无法重定位的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，包括：
实时获取并储存北斗导航模块获取的星历数据、气压高度计获取的气压高度数据和惯导系统获取的参数；
判断北斗导航模块的定位情况，当北斗导航模块在连续的预设时间段内定位失败时，则确定为高空失锁；
当确定当北斗导航模块高空失锁时，根据所述星历数据、气压高度数据和惯导系统获取的参数计算出当前所在位置的模拟星历数据，解算出当前探空仪与北斗卫星之间的伪距值；
根据所述伪距值计算得到帧计数值和位计数值，以进行定位解算，实现快速重定位。
作为优选方案，所述根据所述星历数据、气压高度数据和惯导系统获取的参数计算出当前所在位置的模拟星历数据，解算出当前探空仪与北斗卫星之间的伪距值，具体包括：
根据所述星历数据和本地时钟数据，计算出卫星钟差值；
根据当前实际位置的坐标值和星历数据，推导计算出卫星与北斗导航模块之间的几何距离；
根据所述卫星钟差值、所述本地时钟数据和所述几何距离，计算得到伪距值。
作为优选方案，所述根据当前实际位置的坐标值和星历数据，推导计算出卫星与北斗导航模块之间的几何距离，具体包括：
根据最近一次的星历数据结合惯导系统获取的参数，得出当前实际位置的坐标；
根据星历数据和卫星信号发射时间，推导计算得到卫星的位置；
根据卫星的位置和所述实际位置的坐标，计算得到卫星与北斗导航模块之间的几何距离。
作为优选方案，所述星历数据包括时钟校正参数和参考时间；
所述计算卫星钟差值的公式为：
δ(s)＝αf0+αf1(tu-toc)+αf2(tu-toc)2
其中，二项式系数αf0、αf1、αf2为时钟校正参数；toc为参考时间；tu为本地时钟。
作为优选方案，所述计算几何距离的公式为：
Figure BDA0002301663020000031
其中，(XSat,YSat,ZSat)为卫星的位置，(XUser,YUser,ZUser)为当前实际位置的坐标；r为几何距离值。
作为优选方案，所述星历数据还包括失锁前本地钟差、钟漂和失锁时刻；
所述伪距值的计算公式为：
Figure BDA0002301663020000032
其中，δtu0为失锁前本地钟差；
Figure BDA0002301663020000033
为钟漂；tu为本地时钟；t0为失锁时刻。
作为优选方案，所述帧计数值的计算公式为：
Figure BDA0002301663020000034
由于0≤b×20ms≤0.6s，b为整数，且
Figure BDA0002301663020000035
则：
Figure BDA0002301663020000036
其中，d为C/A码的周期数，CP为C/A码的码相位测量值，n＝1023是周期为1023个码片的Gold码；fc/A＝1.023MHz表示C/A码的码片速率。
作为优选方案，所述C/A码的码相位测量值通过码环测量获得；所述C/A码的周期数通过位同步测量方法获得。
作为优选方案，所述连续的预设时间段为5秒。
作为优选方案，在计算得到帧计数值和位计数值之后，还包括：将传感器获取的数据进行编码打包传输至射频处理模块，并通过天线传输至地面接收设备。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明通过存储北斗导航定位探空系统的星历信息，当北斗导航模块在高空信号失锁时，能够自动判定信号失锁，并能够通过历史星历数据配合高度和惯导系统的实时数据自动解算出当前探空仪的位置，并将其位置数据通过串口传入北斗导航模块内，让北斗导航模块解算出与北斗卫星之间的伪距，让其快速重定位。
附图说明
图1：为本发明基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法的逻辑结构图；
图2：为本发明卫星定位导航探空仪的使用示意图；
图3：为本发明卫星定位导航探空仪的硬件结构示意图；
图4：为本发明基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法的步骤流程图；
图5：为本发明基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法的计算逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中引用的探空仪的硬件结构如图3所示，电源直接给射频模块和CPU进行供电，CPU负责驱动控制惯导系统(三轴陀螺仪和三轴加速度计)、温湿度传感器、北斗导航模块、气压高度计和存储模块，同时负责给这些模块提供电源。
其中，存储模块主要存储北斗导航模块的星历数据、气压高度计的高度值以及陀螺仪的信息数据，CPU可以随时调用处理存储模块的数据；温湿度传感器数据不做存储，实时通过射频模块和天线发送给地面接收设备。
请参照图1至图5，本发明优选实施例提供了一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，基于现有的上述探空仪硬件系统进行定位，包括：
S1，实时获取并储存北斗导航模块获取的星历数据、气压高度计获取的气压高度数据和惯导系统获取的参数。
系统开始工作，探空仪在地面上电，北斗导航模块开始定位，探空仪开始存储北斗导航模块的星历数据以及气压高度数据、陀螺仪数据；施放探空气球，探空仪开始探测高空数据，北斗导航模块开始持续定位；探空仪持续记录星历数据及高度、陀螺仪信息。
S2，判断北斗导航模块的定位情况，当北斗导航模块在连续的预设时间段内定位失败时，则确定为高空失锁。在本实施例中，所述连续的预设时间段为5秒。
根据北斗导航模块反馈给CPU的星历数据判断是否定位；如果北斗导航模块无法定位超过5s，则确定为高空失锁。
S3，当确定当北斗导航模块高空失锁时，根据所述星历数据、气压高度数据和惯导系统获取的参数计算出当前所在位置的模拟星历数据，解算出当前探空仪与北斗卫星之间的伪距值。
CPU开始调用最近的北斗导航模块星历数据，以及当前高度信息、惯导系统信息，算出当前所在位置的模拟星历数据。具体方法为，利用北斗导航模块的原始信息来和惯导系统组合，当北斗导航模块失锁之后，探空仪可以继续利用最近一次的北斗导航星历数据，结合惯导系统，得出当前实际位置的坐标(XUser,YUser,ZUser)，并将该数据通过串口传至北斗导航模块内。
具体如下：
S31，根据所述星历数据和本地时钟数据，计算出卫星钟差值；在本实施例中，所述星历数据包括时钟校正参数和参考时间；
所述计算卫星钟差值的公式为：
δ(s)＝αf0+αf1(tu-toc)+αf2(tu-toc)2
其中，二项式系数αf0、αf1、αf2为时钟校正参数；toc为参考时间；tu为本地时钟，均由失锁前北斗导航星历数据给出。
S32，根据当前实际位置的坐标值和星历数据，推导计算出卫星与北斗导航模块之间的几何距离；在本实施例中，所述S32具体包括：S321，根据最近一次的星历数据结合惯导系统获取的参数，得出当前实际位置的坐标；S322，根据星历数据和卫星信号发射时间，推导计算得到卫星的位置；S323，根据卫星的位置和所述实际位置的坐标，计算得到卫星与北斗导航模块之间的几何距离。
根据卫星星历和卫星信号发射时间，可通过推导得到卫星的位置(XSat,YSat,ZSat)。在本实施例中，所述计算几何距离的公式为：
Figure BDA0002301663020000061
其中，(XSat,YSat,ZSat)为卫星的位置，(XUser,YUser,ZUser)为当前实际位置的坐标；r为几何距离值。
S33，根据所述卫星钟差值、所述本地时钟数据和所述几何距离，计算得到伪距值。
在本实施例中，所述星历数据还包括失锁前本地钟差、钟漂和失锁时刻；
所述伪距值的计算公式为：
Figure BDA0002301663020000062
其中，δtu0为失锁前本地钟差；
Figure BDA0002301663020000071
为钟漂；tu为本地时钟；t0为失锁时刻，均已知。
S4，根据所述伪距值计算得到帧计数值和位计数值，以进行定位解算，实现快速重定位。
高空快速重定位是利用北斗导航信息失锁前的星历数据结合惯导系统的实时数据，反推北斗卫星信号当前的位计数和帧技术，在极短范围内进行重定位。
在本实施例中，所述帧计数值的计算公式为：
Figure BDA0002301663020000072
由于0≤b×20ms≤0.6s，b为整数，且
Figure BDA0002301663020000073
则：
Figure BDA0002301663020000074
其中，d为C/A码的周期数，CP为C/A码的码相位测量值，n＝1023是周期为1023个码片的Gold码；fc/A＝1.023MHz表示C/A码的码片速率。
北斗导航模块失锁后，捕获跟踪信号后，通过码环，获得码相位测量值CP。通过位同步的工作，获得毫秒计数d。求得接收信号的帧计数f和位计数b，实现了快速同步的过程。
在本实施例中，在计算得到帧计数值和位计数值之后，还包括：将传感器获取的数据进行编码打包传输至射频处理模块，并通过天线传输至地面接收设备。
现有的GPS和北斗导航模块如果长时间信号失锁以后需要进行重新搜星，当环境变化很快的情况下，GPS和北斗导航模块就存在不断在搜星的过程，导致无法进行定位。本发明是将北斗导航正常的星历图在地面接收系统上都保存下来，当北斗模块信号失锁之后，探空仪会通过组合导航系统继续输出导航数据，得出探空仪的当前位置。通过探空仪当前位置、北斗导航模块最近一次有效定位的星历数据和北斗导航模块当前的星历数据，解算出当前探空仪与北斗卫星之间的伪距，避免北斗导航模块反复重定位，实现快速重定位。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，包括：
实时获取并储存北斗导航模块获取的星历数据、气压高度计获取的气压高度数据和惯导系统获取的参数；
判断北斗导航模块的定位情况，当北斗导航模块在连续的预设时间段内定位失败时，则确定为高空失锁；
当确定当北斗导航模块高空失锁时，根据所述星历数据、气压高度数据和惯导系统获取的参数计算出当前所在位置的模拟星历数据，解算出当前探空仪与北斗卫星之间的伪距值；
根据所述伪距值计算得到帧计数值和位计数值，以进行定位解算，实现快速重定位。
2.如权利要求1所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，所述根据所述星历数据、气压高度数据和惯导系统获取的参数计算出当前所在位置的模拟星历数据，解算出当前探空仪与北斗卫星之间的伪距值，具体包括：
根据所述星历数据和本地时钟数据，计算出卫星钟差值；
根据当前实际位置的坐标值和星历数据，推导计算出卫星与北斗导航模块之间的几何距离；
根据所述卫星钟差值、所述本地时钟数据和所述几何距离，计算得到伪距值。
3.如权利要求2所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，所述根据当前实际位置的坐标值和星历数据，推导计算出卫星与北斗导航模块之间的几何距离，具体包括：
根据最近一次的星历数据结合惯导系统获取的参数，得出当前实际位置的坐标；
根据星历数据和卫星信号发射时间，推导计算得到卫星的位置；
根据卫星的位置和所述实际位置的坐标，计算得到卫星与北斗导航模块之间的几何距离。
4.如权利要求3所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，所述星历数据包括时钟校正参数和参考时间；
所述计算卫星钟差值的公式为：
δ(s)＝αf0+αf1(tu-toc)+αf2(tu-toc)2
其中，二项式系数αf0、αf1、αf2为时钟校正参数；toc为参考时间；tu为本地时钟。
5.如权利要求4所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，所述计算几何距离的公式为：
Figure FDA0002301663010000021
其中，(XSat,YSat,ZSat)为卫星的位置，(XUser,YUser,ZUser)为当前实际位置的坐标；r为几何距离值。
6.如权利要求5所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，所述星历数据还包括失锁前本地钟差、钟漂和失锁时刻；
所述伪距值的计算公式为：
Figure FDA0002301663010000022
其中，δtu0为失锁前本地钟差；
Figure FDA0002301663010000023
为钟漂；tu为本地时钟；t0为失锁时刻。
7.如权利要求6所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，所述帧计数值的计算公式为：
Figure FDA0002301663010000031
由于0≤b×20ms≤0.6s，b为整数，且
Figure FDA0002301663010000032
则：
Figure FDA0002301663010000033
其中，d为C/A码的周期数，CP为C/A码的码相位测量值，n＝1023是周期为1023个码片的Gold码；fc/A＝1.023MHz表示C/A码的码片速率。
8.如权利要求7所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，所述C/A码的码相位测量值通过码环测量获得；所述C/A码的周期数通过位同步测量方法获得。
9.如权利要求1所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，所述连续的预设时间段为5秒。
10.如权利要求1所述的基于北斗导航模块的高空失锁快速重定位方法，其特征在于，在计算得到帧计数值和位计数值之后，还包括：将传感器获取的数据进行编码打包传输至射频处理模块，并通过天线传输至地面接收设备。
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