CN111025358A - 基于导航卫星信号单短基线的定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于导航测量技术领域与卫星导航应用技术领域，公开了一种基于导航卫星信号单短基线的定向方法。本发明首先建立单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量的估值模型；然后计算单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量估值；最后计算单测量短基线的方位角估值和高低角估值，从而完成该基线的定向。本发明利用目标上的由两个导航卫星信号接收天线构成的单测量基线完成测量基线的定向，将测量基线的长度控制在卫星下行载波信号的半个波长之内，大幅度缩短测量基线，可以安装在小型或微型目标上。

Description

基于导航卫星信号单短基线的定向方法

技术领域

本发明属于导航测量领域与卫星导航应用技术领域，涉及一种基于导航卫星信号单短基线的定向方法。

背景技术

目前，实际应用的基于导航卫星信号的目标定向测量方法都要求米级、甚至十米级以上长度的测量基线，这在很大程度上限制了卫星导航信号在目标定向测量方面的应用，造成了目前卫星导航信息定向应用都集中在大型目标上，而小型与微型目标无法应用的现状。当前所有基于导航卫星信号定向的货架产品，当测量基线小于导航卫星下行载波信号的一个波长时，都会出现目标定向测量结果不稳定甚至错误的情况。为了解决上述难题，有必要研究一种基于短测量基线的目标定向方法，尽可能减小安装在目标上的导航卫星信号接收天线之间的测量基线的长度，从而将太空中越来越多的导航卫星的导航信号直接用于微小目标的定向之中，为这类目标提供一种尺寸较小、价格低廉、精度稳定的直接定向方法。目前还未见到该方面的研究成果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于导航卫星信号单短基线的定向方法，将测量基线的长度控制在导航卫星下行载波信号的半个波长之内，利用导航卫星下行载波信号到达不同测量天线上的相位差，直接求解测量基线在空间的方向。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于导航卫星信号单短基线的定向方法，包括如下步骤：

步骤一：建立单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量的估值模型；

记目标上安装的两个导航卫星信号接收天线所构成的单测量基线长度为D，记目标可接收到导航卫星信号的导航卫星为S_i(i＝1,2,…,N)，这些导航卫星在地心坐标系中的位置坐标为X_i＝(x_i,y_i,z_i)，第i颗导航卫星的第j个导航电波中心频率所对应的波长为λ_ij(j＝1,2,…,M_i)，M_i表示第i颗导航卫星所具有的导航电波中心频率总数，目标在地心坐标系中的位置坐标为X＝(x,y,z)。

根据电磁波传输的基本特性，建立单测量短基线在地心坐标系中方向矢量

的估值模型：

式中，δθ_ij为导航电波到达两个接收天线的电波相位差，且ε_ij为对应相位差的测量误差，

步骤二：计算单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量估值；

采用最小二乘法求解估值模型(1)，可得单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量估值：

式中，

为相角差δθ_ij的测量误差ε_ij的二阶矩。

步骤三：计算单测量短基线的方位角估值和高低角估值，从而完成该基线的定向；

首先计算单测量短基线在当地北天东坐标系中的方向矢量估值；然后计算该基线对应的方位估值

和高低角估值

从而完成基线的定向。

进一步的，测量短基线的长度控制在卫星下行载波信号的半个波长之内。

进一步的，测量基线的长度D一般可取不大于95mm。

进一步的，计算单测量短基线在当地北天东坐标系中的方向矢量的公式如下：

式中，

为地心坐标系到目标所在位置的北天东坐标系的转换矩阵，

为目标的地理纬度，a_e为地球的长半轴，e为地球偏心率，L＝arctg(y/x)为地理经度。

进一步的，所述步骤三中，计算单测量短基线的方位估值

和高低角估值

公式如下：

本发明的优点是：

本发明利用导航卫星下行载波信号到达不同测量天线上的相位差，直接求解测量基线在空间的方向。测量基线的长度控制在导航卫星下行载波信号的半个波长之内，大幅度缩短测量基线，可以安装在小型或微型目标上。本发明有效的解决了当测量基线小于导航卫星下行载波信号的一个波长时会出现目标定向测量结果不稳定甚至错误的问题。

附图说明

图1为基于导航卫星信号单短基线的定向方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

记目标上安装的两个导航卫星信号接收天线所构成的单测量基线长度为D，为了尽可能减小单测量基线的长度，该长度取不超过导航卫星导航电波最短波长的一半，对于现有全球导航系统来说，可取D≤95mm。

记目标可接收到导航卫星信号的导航卫星为S_i(i＝1,2,…,N)，这些导航卫星在地心坐标系中的位置坐标为X_i＝(x_i,y_i,z_i)，第i颗导航卫星的第j个导航电波中心频率所对应的波长为λ_ij(j＝1,2,…,M_i)，目标在地心坐标系中的位置坐标为X＝(x,y,z)。

如图1所示，本发明提供的一种基于导航卫星信号单短基线的定向方法，包括如下步骤：

步骤一：建立单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量的估值模型；

将该测量基线在地心坐标系中方向矢量表示为

根据电磁波传输的基本特性，建立单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量的估值模型：

其中，δθ_ij为导航电波到达两个接收天线的电波相位差，且ε_ij为对应电波相位差的测量误差，

在(1)式中，电波相位差δθ_ij的取值是需要特别关注的问题，两者之差的取值范围只可能在(-π,π)之间。因此，若测量值在该范围内，则直接使用；若测量值不在该范围内，则需要将测量值加上或者减去π，使得其在该范围内即可。

步骤二：计算单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量估值；

采用最小二乘法求解估值模型(1)，可得单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量估值：

式中，

为相位差δθ_ij的测量误差ε_ij的二阶矩。

步骤三：计算单测量短基线的方位角估值和高低角估值，从而完成该基线的定向。

3.1计算单测量短基线在当地北天东坐标系中的方向矢量估值；

按照(3)计算单测量短基线在当地北天东坐标系中的方向矢量估值：

式中，

为地心坐标系到目标所在位置的北天东坐标系的转换矩阵，

为目标的地理纬度，其中(x,y,z)为目标在地心坐标系中的位置坐标，可直接由导航星接收天线通过自定位获得，a_e为地球的长半轴，e为地球偏心率，L＝arctg(y/x)为地理经度；地理经度L的象限见表1。

表1地理经度的象限判定表

x符号	y符号	L的象限
			+	+	I
–	+	II
			–	–	III
+	–	IV
			0	+	东径90°
0	–	西径90°
			+	0	0°
–	0	180°

3.2计算单测量短基线的方位角估值和高低角估值

按照公式(4)计算该基线对应的方位角估值

和高低角估值

从而完成基线的定向：

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种基于导航卫星信号单短基线的定向方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量的估值模型；

记目标上安装的两个导航卫星信号接收天线所构成的单测量基线长度为D，记目标可接收到导航卫星信号的导航卫星为S_i(i＝1,2,…,N)，这些导航卫星在地心坐标系中的位置坐标为X_i＝(x_i,y_i,z_i)，第i颗导航卫星的第j个导航电波中心频率所对应的波长为λ_ij(j＝1,2,…,M_i)，M_i表示第i颗导航卫星所具有的导航电波中心频率总数，目标在地心坐标系中的位置坐标为X＝(x,y,z)。

根据电磁波传输的基本特性，建立单测量短基线在地心坐标系中方向矢量

的估值模型：

其中，δθ_ij为导航电波到达两个接收天线的电波相位差，且ε_ij为对应相位差的测量误差，

步骤二：计算单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量估值；

采用最小二乘法求解估值模型(1)，可得单测量短基线在地心坐标系中的方向矢量估值：

式中，

为相角差δθ_ij的测量误差ε_ij的二阶矩。

步骤三：计算单测量短基线的方位角估值和高低角估值，从而完成目标的定向。

2.如权利要求1所述的基于导航卫星信号单短基线的定向方法，其特征在于，测量短基线的长度控制在卫星下行载波信号的半个波长之内。

3.如权利要求2所述的基于导航卫星信号单短基线的定向方法，其特征在于，测量基线的长度D一般可取不大于95mm。

4.如权利要求1或2或3所述的基于导航卫星信号单短基线的定向方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括，

3.1计算单测量短基线在当地北天东坐标系中的方向矢量估值的公式如下：

式中，

为地心坐标系到目标所在位置的北天东坐标系的转换矩阵，

为目标的地理纬度，a_e为地球的长半轴，e为地球偏心率，L＝arctg(y/x)为地理经度；

3.2确定单测量短基线的方位估值

和高低角估值

从而完成目标定向；

计算单测量短基线的方位估值

和高低角估值

公式如下：

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