CN111522042A - 一种基于双卫星定位模块的定向装置及定向方法 - Google Patents

一种基于双卫星定位模块的定向装置及定向方法 Download PDF

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CN111522042A CN202010380993.5A CN202010380993A CN111522042A CN 111522042 A CN111522042 A CN 111522042A CN 202010380993 A CN202010380993 A CN 202010380993A CN 111522042 A CN111522042 A CN 111522042A
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李端姣
欧郁强
黄松波
欧阳旭东
黄勇
林春耀
李兴旺
周刚
罗颖婷
杨帆
崔宫
周恩泽
魏瑞增
徐思尧
许海林
王彤
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Abstract

本申请公开了一种基于双卫星定位模块的定向装置及定向方法，本申请通过抗电磁干扰能力更强的卫星定位模块实现的定向装置，以第一卫星定位模块与第二卫星定位模块分别作为基准站和流动站，通过第一卫星定位模块与第二卫星定位模块输出的原始星历数据进行双差载波相位计算通过差分处理消除卫星定位测量的误差，再根据双差载波相位值、定向装置的整周模糊度，结合双卫星定位模块组合定向系统与观测卫星的几何位置关系，换算出基线向量，再通过基线向量解算得到基线向量与真北方向的夹角，解决了现有的定向技术容易受到电磁干扰、磁场干扰、高压传输线干扰、地域差别干扰等因素影响而导致的定向精度差的技术问题。

Description

一种基于双卫星定位模块的定向装置及定向方法
技术领域
本申请涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于双卫星定位模块的定向装置及定向方法。
背景技术
目前定位定向在船舶、基站、车辆有重要应用，现有的定向方法是通过地磁传感器实现，但是传统的地磁传感器容易受到电磁干扰、磁场干扰、高压传输线干扰、地域差别干扰，使得当其应用在船舶上、基站上等强电磁环境下时，存在定向精度大幅下降的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种基于双卫星定位模块的定向装置及定向方法，用于解决现有的定向技术容易受到电磁干扰、磁场干扰、高压传输线干扰、地域差别干扰等因素影响而导致的定向精度差的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于双卫星定位模块的定向装置，包括：第一卫星定位模块、第二卫星定位模块和处理模块，所述第一卫星定位模块的输出端与所述第二卫星定位模块的输出端均与所述处理模块第一端连接，所述第一卫星定位模块连接有第一天线，所述第二卫星定位模块连接有第二天线，所述第一天线的中心点与所述第二天线的中心点处于同一水平面；
所述处理模块具体包括：
星历数据获取子模块，用于获取第一原始星历数据和第二原始星历数据，其中，所述第一原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据，所述第二原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据；
双差载波相位计算子模块，用于根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值；
基线向量计算子模块，用于根据所述双差载波相位值、所述定向装置的整周模糊度，结合所述双卫星定位模块组合定向系统与所述观测卫星的几何位置关系，换算出所述基线向量；
定向计算子模块，用于根据所述基线向量通过坐标转换方式，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
可选地，所述双差载波相位计算子模块具体包括：
单差载波相位计算二级子模块，用于根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过单差载波相位计算方式，分别计算第一单差载波相位值与第二单差载波相位值，其中所述第一单差载波相位值为所述第一天线、所述第二天线与第一卫星的单差载波相位值，所述第二单差载波相位值为所述第一天线、所述第二天线与第二卫星的单差载波相位值；
双差载波相位计算二级子模块，用于根据所述第一单差载波相位值与所述第二单差载波相位值，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值。
可选地，所述定向计算子模块具体包括：
坐标转换二级子模块，用于根据所述基线向量，通过坐标转换方式将所述基线向量转换为ENU坐标向量；
定向计算二级子模块，用于根据ENU坐标系下的所述ENU坐标向量，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
可选地，所述第一天线的中心点与所述第二天线的中心点的间距大于或等于第一间距阈值。
可选地，所述第一间距阈值为29cm～31cm。
本申请第二方面提供了一种基于双卫星定位模块的定向方法，应用于如本申请第一方面所述的定向装置，包括：
获取第一原始星历数据和第二原始星历数据，其中，所述第一原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据，所述第二原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据；
根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值；
根据所述双差载波相位值、所述定向装置的整周模糊度，结合所述双卫星定位模块组合定向系统与所述观测卫星的几何位置关系，换算出所述基线向量；
根据所述基线向量通过坐标转换方式，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
可选地，所述根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值具体包括：
根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过单差载波相位计算方式，分别计算第一单差载波相位值与第二单差载波相位值，其中所述第一单差载波相位值为所述第一天线、所述第二天线与第一卫星的单差载波相位值，所述第二单差载波相位值为所述第一天线、所述第二天线与第二卫星的单差载波相位值；
根据所述第一单差载波相位值与所述第二单差载波相位值，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值。
可选地，所述根据所述基线向量通过坐标转换方式，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角具体包括：
根据所述基线向量，通过坐标转换方式将所述基线向量转换为ENU坐标向量；
根据ENU坐标系下的所述ENU坐标向量，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请提供的一种基于双卫星定位模块的定向装置，包括：第一卫星定位模块、第二卫星定位模块和处理模块，所述第一卫星定位模块的输出端与所述第二卫星定位模块的输出端均与所述处理模块第一端连接，所述第一卫星定位模块连接有第一天线，所述第二卫星定位模块连接有第二天线，所述第一天线的中心点与所述第二天线的中心点处于同一水平面；所述处理模块具体包括：星历数据获取子模块，用于获取第一原始星历数据和第二原始星历数据，其中，所述第一原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据，所述第二原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据；双差载波相位计算子模块，用于根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值；基线向量计算子模块，用于根据所述双差载波相位值、所述定向装置的整周模糊度，结合所述双卫星定位模块组合定向系统与所述观测卫星的几何位置关系，换算出所述基线向量；定向计算子模块，用于根据所述基线向量通过坐标转换方式，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
本申请通过抗电磁干扰能力更强的卫星定位模块实现的定向装置，以第一卫星定位模块与第二卫星定位模块分别作为基准站和流动站，通过第一卫星定位模块与第二卫星定位模块输出的原始星历数据进行双差载波相位计算通过差分处理消除卫星定位测量的误差，再根据双差载波相位值、定向装置的整周模糊度，结合双卫星定位模块组合定向系统与观测卫星的几何位置关系，换算出基线向量，再通过基线向量解算得到基线向量与真北方向的夹角，解决了现有的定向技术容易受到电磁干扰、磁场干扰、高压传输线干扰、地域差别干扰等因素影响而导致的定向精度差的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请提供的一种基于双卫星定位模块的定向装置的结构示意图；
图2为本申请提供的定向装置与观测卫星的几何位置关系示意图；
图3为基线向量与ENU坐标系的关系示意图；
图4为本申请提供的一种基于双卫星定位模块的定向方法的流程示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种基于双卫星定位模块的定向装置及定向方法，用于解决现有的定向技术容易受到电磁干扰、磁场干扰、高压传输线干扰、地域差别干扰等因素影响而导致的定向精度差的技术问题。
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，本申请第一个实施例提供了一种基于双卫星定位模块的定向装置，包括：第一卫星定位模块G1、第二卫星定位模块G2和处理模块G3，第一卫星定位模块G1的输出端与第二卫星定位模块G2的输出端均与处理模块G3第一端连接，第一卫星定位模块G1连接有第一天线ANT1，第二卫星定位模块G2连接有第二天线ANT2，第一天线ANT1的中心点与第二天线ANT2的中心点处于同一水平面；
处理模块G3具体包括：
星历数据获取子模块G31，用于获取第一原始星历数据和第二原始星历数据，其中，第一原始星历数据为通过第一卫星定位模块G1采集的星历数据，第二原始星历数据为通过第一卫星定位模块G1采集的星历数据；
双差载波相位计算子模块G32，用于根据第一原始星历数据和第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到定向装置与观测卫星的双差载波相位值；
基线向量计算子模块G33，用于根据双差载波相位值、定向装置的整周模糊度，结合双卫星定位模块组合定向系统与观测卫星的几何位置关系，换算出基线向量；
定向计算子模块G34，用于根据基线向量通过坐标转换方式，解算得到基线向量与真北方向的夹角。
需要说明的是，本实施例提供了一种基于双天线双卫星定位模块的定向装置，其中，第一卫星定位模块G1连接着第一天线ANT1，第二卫星定位模块G2连接着第二天线ANT2，以其中一个卫星定位模块作为基准站，另一个作为流动站，两套卫星定位模块负责给处理模块G3提供原始星历数据，处理模块G3通过调用内置的定位定向算法库，得出从基准站到流动站的基线向量，并将基线向量经过坐标转换从而达到定向目的，实现定向测量。
进一步地，双差载波相位计算子模块G32具体包括：
单差载波相位计算二级子模块G321，用于根据第一原始星历数据和第二原始星历数据，通过单差载波相位计算方式，分别计算第一单差载波相位值与第二单差载波相位值，其中第一单差载波相位值为第一天线ANT1、第二天线ANT2与第一卫星的单差载波相位值，第二单差载波相位值为第一天线ANT1、第二天线ANT2与第二卫星的单差载波相位值；
双差载波相位计算二级子模块G322，用于根据第一单差载波相位值与第二单差载波相位值，通过双差载波相位差分方式，得到定向装置与观测卫星的双差载波相位值。
进一步地，定向计算子模块G34具体包括：
坐标转换二级子模块G341，用于根据基线向量，通过坐标转换方式将基线向量转换为ENU坐标向量；
定向计算二级子模块G342，用于根据ENU坐标系下的ENU坐标向量，解算得到基线向量与真北方向的夹角。
需要说明的是，流动站u和基准站r组成系统基线两端，两组卫星定位模块在相同时刻对一组相同的卫星进行测量，经过差分处理，可以确定两点的连线的基线向量。如图2所示，相距很近的流动站的天线u和基准站的天线r在相同时刻与观测卫星i通信，参照载波相位观测方程式,以波长为单位的卫星定位模块u和r对观测卫星i的载波相位值
Figure BDA0002482070770000061
与
Figure BDA0002482070770000062
可表达成：
Figure BDA0002482070770000063
Figure BDA0002482070770000064
流动站的天线u与基准站的天线r之间对观测卫星i的单差载波相位值，其中
Figure BDA0002482070770000065
为载波观测噪声。
Figure BDA0002482070770000066
其中，公式(3)中的各误差项可表示为
Figure BDA0002482070770000067
Figure BDA0002482070770000068
Figure BDA0002482070770000069
δtur＝δtu-δtr；
Figure BDA0002482070770000071
Figure BDA0002482070770000072
式(3)表明，在载波相位进行单差运算之后卫星钟差δt(i)完全被消除，并且在基线较短的条件下电离层延时
Figure BDA0002482070770000073
约等于零，而当两个天线在同一高度时，对流层延时
Figure BDA0002482070770000074
也接近于零。这样，对于短距离基线系统来说，式(3)可进一步简化成：
Figure BDA0002482070770000075
同理可得，流动站的天线u和基准站的天线r在相同时刻跟踪卫星j的单差载波相位值：
Figure BDA0002482070770000076
在建立了单差载波相位值后，再基于上述的单差载波相位值构建双差载波相位值，具体表达式如下：
Figure BDA0002482070770000077
式(6)表明进行载波相位双差运算之后，能完全消除接收机钟差和卫星钟差。在流动站的天线u和基准站的天线r不失锁卫星信号和不发生周跳时，卫星定位模块与观测卫星之间的周整模糊度
Figure BDA0002482070770000078
不会变化，一般可以使用最小二乘法将多个双差方程联立即对整数模糊度进行求解。
如图2所示的集合位置关系，建立双差与基线向量bur之间的关系方程式，对于卫星i，用户与基准站到卫星的单差几何距离为
Figure BDA0002482070770000079
等于用户到基准站的基线向量bur，在基准站的天线对观测卫星i观测方向相反方向上投影的长度
Figure BDA00024820707700000710
即
Figure BDA00024820707700000711
同样，对于观测卫星j则有
Figure BDA00024820707700000712
联立公式(6)至公式(8)可得
Figure BDA00024820707700000713
Figure BDA00024820707700000714
由上式可知，求出周整模糊度之后，代入式(10)便可精确求得基线向量bur。
基线向量经过坐标转换，可得到载体的航向角，载体的方向角通常指载体坐标系相对于当地地理坐标系的夹角。定义载体方向角的东北天(ENU)坐标系如图3所示。
最后，根据ENU坐标系下的ENU坐标向量，解算得到基线向量与真北方向的夹角，以便于以此夹角为基础，确定载具当前的航向角和方位角等定向数据。
进一步地，第一天线ANT1的中心点与第二天线ANT2的中心点的间距大于或等于第一间距阈值。
进一步地，第一间距阈值为29cm～31cm，优选取值为30cm。
本申请实施例通过抗电磁干扰能力更强的卫星定位模块实现的定向装置，以第一卫星定位模块G1与第二卫星定位模块G2分别作为基准站和流动站，通过第一卫星定位模块G1与第二卫星定位模块G2输出的原始星历数据进行双差载波相位计算通过差分处理消除卫星定位测量的误差，再根据双差载波相位值、定向装置的整周模糊度，结合双卫星定位模块组合定向系统与观测卫星的几何位置关系，换算出基线向量，再通过基线向量解算得到基线向量与真北方向的夹角，解决了现有的定向技术容易受到电磁干扰、磁场干扰、高压传输线干扰、地域差别干扰等因素影响而导致的定向精度差的技术问题。
以上为本申请提供的一种基于双卫星定位模块的定向装置的第一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种基于双卫星定位模块的定向方法的第一个实施例的详细说明。
请参阅图4，本申请第二个实施例提供了一种基于双卫星定位模块的定向方法，应用于如本申请第一个实施例提及的定向装置，包括：
步骤201、获取第一原始星历数据和第二原始星历数据，其中，第一原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据，第二原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据；
步骤202、根据第一原始星历数据和第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到定向装置与观测卫星的双差载波相位值；
步骤203、根据双差载波相位值、定向装置的整周模糊度，结合双卫星定位模块组合定向系统与观测卫星的几何位置关系，换算出基线向量；
步骤204、根据基线向量通过坐标转换方式，解算得到基线向量与真北方向的夹角。
进一步地，步骤202包括：
根据第一原始星历数据和第二原始星历数据，通过单差载波相位计算方式，分别计算第一单差载波相位值与第二单差载波相位值，其中第一单差载波相位值为第一天线、第二天线与第一卫星的单差载波相位值，第二单差载波相位值为第一天线、第二天线与第二卫星的单差载波相位值；
根据第一单差载波相位值与第二单差载波相位值，通过双差载波相位差分方式，得到定向装置与观测卫星的双差载波相位值。
进一步地，步骤204具体包括：
根据基线向量，通过坐标转换方式将基线向量转换为ENU坐标向量；
根据ENU坐标系下的ENU坐标向量，解算得到基线向量与真北方向的夹角。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于双卫星定位模块的定向装置，其特征在于，包括：第一卫星定位模块、第二卫星定位模块和处理模块，所述第一卫星定位模块的输出端与所述第二卫星定位模块的输出端均与所述处理模块第一端连接，所述第一卫星定位模块连接有第一天线，所述第二卫星定位模块连接有第二天线，所述第一天线的中心点与所述第二天线的中心点处于同一水平面；
所述处理模块具体包括：
星历数据获取子模块，用于获取第一原始星历数据和第二原始星历数据，其中，所述第一原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据，所述第二原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据；
双差载波相位计算子模块，用于根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值；
基线向量计算子模块，用于根据所述双差载波相位值、所述定向装置的整周模糊度，结合所述双卫星定位模块组合定向系统与所述观测卫星的几何位置关系，换算出所述基线向量；
定向计算子模块，用于根据所述基线向量通过坐标转换方式，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种基于双卫星定位模块的定向装置，其特征在于，所述双差载波相位计算子模块具体包括：
单差载波相位计算二级子模块，用于根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过单差载波相位计算方式，分别计算第一单差载波相位值与第二单差载波相位值，其中所述第一单差载波相位值为所述第一天线、所述第二天线与第一卫星的单差载波相位值，所述第二单差载波相位值为所述第一天线、所述第二天线与第二卫星的单差载波相位值；
双差载波相位计算二级子模块，用于根据所述第一单差载波相位值与所述第二单差载波相位值，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值。
3.根据权利要求1所述的一种基于双卫星定位模块的定向装置，其特征在于，所述定向计算子模块具体包括：
坐标转换二级子模块，用于根据所述基线向量，通过坐标转换方式将所述基线向量转换为ENU坐标向量；
定向计算二级子模块，用于根据ENU坐标系下的所述ENU坐标向量，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
4.根据权利要求1所述的一种基于双卫星定位模块的定向装置，其特征在于，所述第一天线的中心点与所述第二天线的中心点的间距大于或等于第一间距阈值。
5.根据权利要求4所述的一种基于双卫星定位模块的定向装置，其特征在于，所述第一间距阈值为29cm～31cm。
6.一种基于双卫星定位模块的定向方法，其特征在于，应用于如权利要求1至5任意一项所述的定向装置，包括：
获取第一原始星历数据和第二原始星历数据，其中，所述第一原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据，所述第二原始星历数据为通过第一卫星定位模块采集的星历数据；
根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值；
根据所述双差载波相位值、所述定向装置的整周模糊度，结合所述双卫星定位模块组合定向系统与所述观测卫星的几何位置关系，换算出所述基线向量；
根据所述基线向量通过坐标转换方式，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
7.根据权利要求6所述的一种基于双卫星定位模块的定向方法，其特征在于，所述根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值具体包括：
根据所述第一原始星历数据和所述第二原始星历数据，通过单差载波相位计算方式，分别计算第一单差载波相位值与第二单差载波相位值，其中所述第一单差载波相位值为所述第一天线、所述第二天线与第一卫星的单差载波相位值，所述第二单差载波相位值为所述第一天线、所述第二天线与第二卫星的单差载波相位值；
根据所述第一单差载波相位值与所述第二单差载波相位值，通过双差载波相位差分方式，得到所述定向装置与观测卫星的双差载波相位值。
8.根据权利要求6所述的一种基于双卫星定位模块的定向方法，其特征在于，所述根据所述基线向量通过坐标转换方式，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角具体包括：
根据所述基线向量，通过坐标转换方式将所述基线向量转换为ENU坐标向量；
根据ENU坐标系下的所述ENU坐标向量，解算得到所述基线向量与真北方向的夹角。
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