CN112180412A - 一种基于卫星导航定位系统的相对定位定向补偿方法 - Google Patents

Abstract

提供一种基于卫星导航系统的相对定位定向的补偿方法，使用卫星导航定位设备确定雷达与其他车辆之间的相对位置，也就是需要完成测量雷达与其他车辆之间的水平距离D、真方位角A和高差ΔH，具体步骤包括：计算子午线收敛角；计算真方位角A_TD；将真方位角A_TD转换为坐标方位角α_TD；计算车辆定位点的经度、纬度；计算车辆定位点的高斯平面直角坐标；坐标转换；海拔高度补偿。本发明方法能够有效克服由于车辆功能和结构限制导致定位天线安装与所需定位点不一致的缺陷，并通过坐标补偿和定位解算，准确完成对于多车辆之间的相对定位定向功能。

Description

一种基于卫星导航定位系统的相对定位定向补偿方法

技术领域

本发明涉及卫星定位技术，具体涉及一种基于卫星导航系统的相对定位定向的补偿方法。

背景技术

利用卫星导航定位技术能够完成对单个车辆的定位定向功能，同时通过数值计算的方法，完成多个车辆之间相对定位定向的测量。通常采用的方法是：单个车辆通过自身的卫星定位设备获取自身的位置参数，然后通过计算多个车辆的定位数据完成多车辆的相对定位定向测量。但是这种方法存在着较大的限制，主要由于受各车辆外形结构和功能的限制，导致定位天线的加装位置与各车辆的所需要的定位点不一致，定向天线的加装方向与各车辆定向的方向不一致，为了保证卫星导航设备为各车辆提供准确的定位、定向结果，必须对定位、定向结果进行补偿，才能完成各车辆之间的相对定位定向。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于卫星导航系统的相对定位定向的补偿方法，使用卫星导航定位设备确定雷达与其他车辆之间的相对位置，也就是需要完成测量雷达与其他车辆之间的水平距离D、真方位角A和高差ΔH，具体步骤如下：

步骤1：计算子午线收敛角

子午线收敛角γ计算公式为：

γ＝sin B·l

其中，B为导航定位设备安装点的纬度；l为该点与中央子午线之间的经度差；按照高斯投影的要求，将全球分为60个投影带，每带经差6°；中央子午线的经度在东半球依次为3°、9°、15°......6n-3，n，n∈[0，59]是投影带的带号，“·”表示乘法运算；

当导航定位设备安装点的经度L大于所在投影带中央子午线的经度L₀时，子午线收敛角γ为正；反之为负；

步骤2：计算真方位角A_TD

(1)计算过渡变量A^*：A^*＝A+β_TD

如果A^*的结果大于360°，则用A^*的结果减去360°获得A^*的正确值；

如果A^*小于360°，则A^*的结果就是正确值；

(2)将A^*转换为A_TD

当A^*大于180°时，A_TD＝A^*-180°；

当A^*小于180°时，A_TD＝A^*+180°；

式中：

A：车辆定向方向的真方位角；

A_TD：卫星导航定位天线到车辆定位点之间的真方位角；

β_TD：卫星导航定位天线与车辆定位点连线和车辆定向方向的水平夹角，β_TD从车辆定向的方向开始起算，按顺时针方向量取；

步骤3：将真方位角A_TD转换为坐标方位角α_TD

真方位角A_TD与坐标方位角α_TD之间的转换公式为：

A_TD＝α_TD+γ

式中：γ为子午线收敛角，γ有正负之分；

在计算α_TD时，将A_TD和γ带入计算就能够得到；

步骤4：计算车辆定位点的经度、纬度

将卫星导航定位设备输出的经度L、纬度B转换为高斯平面直角坐标x、y，

l″＝L-L₀

式中：

B为投影点的纬度；

N为卯酉圈曲率半径，

其中，系数

称为地球椭球的第一偏心率，a，b分别为地球椭球的长半径和短半径，长半径a＝6378137，短半径b＝6356752.3141，单位：米；

l″为所求点相对中央子午线的经差，以弧度为单位；

t＝tan B表示该点维度的正切值；

为椭球的第二偏心率；

η²＝e′²cos²B；

X是从赤道到子午圈上任一点纬度B的弧长，其计算公式为：

其中，各系数λ、μ、θ、δ、ε、ζ的计算方法如下式：

λ＝K₁a(1-e²)

式中各系数分别如下：

其中，ρ是常数，它是每一弧度对应的角秒数：ρ＝206264.806247096355，单位为秒；步骤5：计算车辆定位点的高斯平面直角坐标

设M为卫星导航定位天线架设点，Q为车辆定位点；当M点的高斯平面直角坐标(x_M，y_M)、M点到Q点的水平距离D和坐标方位角α_TD均已知时，求得N点的高斯平面直角坐标(x_Q，y_Q)为：

步骤6：坐标转换

将车辆定位点的高斯平面直角坐标(x_Q，y_Q)转换成经度、纬度坐标(B_Q，l_Q)

L＝L₀+l_Q

上式求得的l_Q以弧度为单位；

式中：

B_f为对应于x_Q的底点纬度，由下式计算：

B_f＝B₀+sin²B₀{K′₀+sin²B₀[K′₂+sin²B₀(K′₄+K′₆sin²B₀)]}

其中：

B₀是与X、a、、e、A₀相关的常数，计算方法为：

各系数M_f、N_f、η_f、t_f、W_f的计算方法如下：

t_f＝tan B_f，

常数A₀的计算方法：

步骤7：海拔高度补偿

根据卫星导航定位设备输出的海拔高度H，结合卫星导航定位天线架设点与地面之间的高差ΔH，根据公式H′＝H-ΔH，计算车辆定位点所在地面的海拔高度H′。

本发明方法能够有效克服由于车辆功能和结构限制导致定位天线安装与所需定位点不一致的缺陷，并通过坐标补偿和定位解算，准确完成对于多车辆之间的相对定位定向功能。

附图说明

图1为测量各车辆方位角的原理示意图；

图2为车辆定位点平面直角坐标的原理示意图。

参数说明：

常量：(卫星导航定位天线一旦安装固定好，该数值就保持不变)

1、卫星导航定位天线与车辆定位点连线之间的水平距离D；

2、卫星导航定位天线与车辆定位点之间的连线与车辆定向方向的水平夹角β_TD；

3、卫星导航定位天线到地面的垂直距离ΔH；

4、方位角误差ΔA：卫星导航定位定向设备输出方位角的偏差。(在一段时间内相对固定，随着世间的变化有可能发生变化)

变量：(随车体停放的位置和方向而改变的量，该数值是变化的，与卫星导航定位天线的安装固定没有关系)

1、车辆定向方向的真方位角A；

2、卫星导航定位设备输出的经度L、纬度B、海拔高度H；

3、车辆定位点的经度L′、纬度B′、海拔高度H′；

具体实施方法

下面结合附图对本发明的基于卫星导航系统的相对定位定向的补偿方法进行详细说明。

补偿分为对定位结果的补偿和对定向结果的补偿两部分内容。

一、对定位结果的补偿

对定位结果的补偿分为“对经度、纬度坐标的补偿”和“对海拔高度的补偿”两部分内容。

1、对经度、纬度坐标补偿

在车辆完成水平规正以后，首先，需要准确测量出卫星导航定位天线与车辆定位点连线与车辆定向方向的水平夹角β_TD、卫星导航定位天线与车辆定位点之间的水平距离D以及车辆定向方向的真方位角A；然后，计算卫星导航定位天线到车辆定位点连线方向的真方位角A_TD：A_TD＝A-β_TD±180°；最后，根据真方位角A_TD、水平距离D以及卫星导航设备输出的经度L、纬度B，计算车辆定位点的纬度B′、经度L′，计算方法详见后续具体实施方法。

2、对海拔高度的补偿

由于卫星导航定位设备输出的是卫星导航定位天线架设点的海拔高度H，因此，为了测量车辆定位点的海拔高度H′，必须预先测量出卫星导航定位天线架设点与车辆定位点之间的高差ΔH，然后根据H和ΔH计算H′。上述高差ΔH以及高程计算过程，要嵌入卫星导航定位设备中，以保证卫星导航定位设备为各车辆提供准确的高程坐标。

3、在补偿时测量距离、水平夹角、高差的方法

测量卫星导航定位天线与各车辆定位点之间的水平距离、水平夹角角和高差，需要根据各车辆的结构特点以及卫星导航定位天线的安装位置，借助于水平测距尺、陀螺全站仪、水准仪，按照测量学中的距离测量、角度测量和水准测量方法实施。

二、定向结果的补偿

在全系统进行标定时，需要确定多部车辆停放的方位角。在各系统上加装了卫星导航定位设备以后，卫星导航定位设备输出的是两颗卫星接收天线连线方向的方位角。为了保证加装的卫星导航定位设备输出车辆需要的定向结果，必须对卫星导航定位设备输出的结果进行补偿。

在补偿时，首先使用陀螺全站仪测量出各车辆定向方向的方位角A，再使用卫星导航定位设备测量出各车辆定向方向的方位角A′，然后计算方位角A与A′之差ΔA(ΔA＝A-A′)，最后将ΔA装入卫星导航定位设备，卫星导航定位设备根据公式：A＝A′+ΔA计算并输出对车辆的定向结果A。

由以上过程可以看出，可以使用陀螺全站仪测量各车辆定向方向的方位角是补偿定向结果的关键。在全系统中，每一个需要定向的车辆上至少有一条定向基准线或一个定向基准面。测量各车辆定向方向的方位角时，只要测出定向基准线方向的方位角或定向基准面法线方向的方位角即可。

本发明提供一种基于卫星导航系统的相对定位定向的补偿方法，本方法的基础是首先对各个车辆方位角进行测量，如图1所示：

本发明的一个具体实例中，使用卫星导航定位设备确定雷达与其他车辆之间的相对位置，也就是需要完成测量雷达与其他车辆之间的水平距离D、真方位角A和高差ΔH，具体步骤如下：

步骤1：计算子午线收敛角

子午线收敛角γ计算公式为：

γ＝sin B·l

其中，B为导航定位设备安装点的纬度；l为该点与中央子午线之间的经度差；按照高斯投影的要求，将全球分为60个投影带，每带经差6°。中央子午线的经度在东半球依次为3°、9°、15°......6n-3，n，n∈[0，59]是投影带的带号，“·”表示乘法运算。

当导航定位设备安装点的经度L大于所在投影带中央子午线的经度L₀时，子午线收敛角γ为正；反之为负。

步骤2：计算真方位角A_TD

(1)计算过渡变量A^*：A^*＝A+β_TD

如果A^*的结果大于360°，则用A^*的结果减去360°获得A^*的正确值；

如果A^*小于360°，则A^*的结果就是正确值。

(2)将A^*转换为A_TD

当A^*大于180°时，A_TD＝A^*-180°；

当A^*小于180°时，A_TD＝A^*+180°；

式中：

A：车辆定向方向的真方位角。

A_TD：卫星导航定位天线到车辆定位点之间的真方位角。

β_TD：卫星导航定位天线与车辆定位点连线和车辆定向方向的水平夹角，β_TD从车辆定向的方向开始起算，按顺时针方向量取。

步骤3：将真方位角A_TD转换为坐标方位角α_TD

真方位角A_TD与坐标方位角α_TD之间的转换公式为：

A_TD＝α_TD+γ

式中：γ为子午线收敛角，γ有正负之分。

在计算α_TD时，将A_TD和γ带入计算即可。

步骤4：计算车辆定位点的经度、纬度

将卫星导航定位设备输出的经度L、纬度B转换为高斯平面直角坐标x、y，

l″＝L-L₀

式中：

B为投影点的纬度；

N为卯酉圈曲率半径，

其中，系数

称为地球椭球的第一偏心率，a，b分别为地球椭球的长半径和短半径，长半径a＝6378137，短半径b＝6356752.3141，单位：米；

l″为所求点相对中央子午线的经差，以弧度为单位；

t＝tan B表示该点维度的正切值；

称为椭球的第二偏心率；

η²＝e′²cos²B；

X是从赤道到子午圈上任一点纬度B的弧长，其计算公式为：

其中，各系数λ、μ、θ、δ、ε、ζ的计算方法如下式：

λ＝K₁a(1-e²)

式中各系数分别如下：

其中，ρ是常数，它是每一弧度对应的角秒数：ρ＝206264.806247096355，单位为秒；步骤5：计算车辆定位点的高斯平面直角坐标

如图2所示，设M为卫星导航定位天线架设点，Q为车辆定位点。当M点的高斯平面直角坐标(x_M，y_M)、M点到Q点的水平距离D和坐标方位角α_TD均已知时，则可求得N点的高斯平面直角坐标(x_Q，y_Q)为：

步骤6：坐标转换

将车辆定位点的高斯平面直角坐标(x_Q，y_Q)转换成经度、纬度坐标(B_Q，l_Q)

L＝L₀+l_Q

上式求得的l_Q以弧度为单位。

式中：

B_f为对应于x_Q的底点纬度，由下式计算：

B_f＝B₀+sin²B₀{K′₀+sin²B₀[K′₂+sin²B₀(K′₄+K′₆sin²B₀)]}

其中：

B₀是与X、a、、e、A₀相关的常数，计算方法为：

各系数M_f、N_f、η_f、t_f、W_f的计算方法如下：

t_f＝tan B_f，

常数A₀的计算方法：

步骤7：海拔高度补偿

根据卫星导航定位设备输出的海拔高度H，结合卫星导航定位天线架设点与地面之间的高差ΔH，根据公式H′＝H-ΔH，计算车辆定位点所在地面的海拔高度H′。

本发明的方法具备如下优点：

本发明所研究的方法用于使用卫星导航定位设备完成多部车辆之间的相对定位定向功能，解决了由于车辆外形和功能的不同，导致安装定位天线与所需定位点不一致的问题。本方法通过进行定位和定向两个方面的补偿与计算，能够快递完成多车辆之间的相对定向问题，具有通用性强，计算简单，定位定向速度快等优点。

Claims (1)

1.一种基于卫星导航系统的相对定位定向的补偿方法，其特征在于，使用卫星导航定位设备确定雷达与其他车辆之间的相对位置，也就是需要完成测量雷达与其他车辆之间的水平距离D、真方位角A和高差ΔH，具体步骤如下：

步骤1：计算子午线收敛角

子午线收敛角γ计算公式为：

γ＝sin B·l

其中，B为导航定位设备安装点的纬度；l为该点与中央子午线之间的经度差；按照高斯投影的要求，将全球分为60个投影带，每带经差6°；中央子午线的经度在东半球依次为3°、9°、15°......6n-3，n，n∈[0，59]是投影带的带号，“·”表示乘法运算；

当导航定位设备安装点的经度L大于所在投影带中央子午线的经度L₀时，子午线收敛角γ为正；反之为负；

步骤2：计算真方位角A_TD

(1)计算过渡变量A^*：A^*＝A+β_TD

如果A^*的结果大于360°，则用A^*的结果减去360°获得A^*的正确值；

如果A^*小于360°，则A^*的结果就是正确值；

(2)将A^*转换为A_TD

当A^*大于180°时，A_TD＝A^*-180°；

当A^*小于180°时，A_TD＝A^*+180°；

式中：

A：车辆定向方向的真方位角；

A_TD：卫星导航定位天线到车辆定位点之间的真方位角；

β_TD：卫星导航定位天线与车辆定位点连线和车辆定向方向的水平夹角，β_TD从车辆定向的方向开始起算，按顺时针方向量取；

步骤3：将真方位角A_TD转换为坐标方位角α_TD

真方位角A_TD与坐标方位角α_TD之间的转换公式为：

A_TD＝α_TD+γ

式中：γ为子午线收敛角，γ有正负之分；

在计算α_TD时，将A_TD和γ带入计算就能够得到；

步骤4：计算车辆定位点的经度、纬度

将卫星导航定位设备输出的经度L、纬度B转换为高斯平面直角坐标x、y，l″＝L-L₀

式中：

B为投影点的纬度；

N为卯酉圈曲率半径，

其中，系数

称为地球椭球的第一偏心率，a，b分别为地球椭球的长半径和短半径，长半径a＝6378137，短半径b＝6356752.3141，单位：米；

l″为所求点相对中央子午线的经差，以弧度为单位；

t＝tan B表示该点维度的正切值；

为椭球的第二偏心率；

η²＝e′²cos²B；

X是从赤道到子午圈上任一点纬度B的弧长，其计算公式为：

其中，各系数λ、μ、θ、δ、ε、ζ的计算方法如下式：

λ＝K₁a(1-e²)

式中各系数分别如下：

其中，ρ是常数，它是每一弧度对应的角秒数：ρ＝206264.806247096355，单位为秒；步骤5：计算车辆定位点的高斯平面直角坐标

设M为卫星导航定位天线架设点，Q为车辆定位点；当M点的高斯平面直角坐标(x_M，y_M)、M点到Q点的水平距离D和坐标方位角α_TD均已知时，求得N点的高斯平面直角坐标(x_Q，y_Q)为：

步骤6：坐标转换

将车辆定位点的高斯平面直角坐标(x_Q，y_Q)转换成经度、纬度坐标(B_Q，l_Q)

L＝L₀+l_Q

上式求得的l_Q以弧度为单位；

式中：

B_f为对应于x_Q的底点纬度，由下式计算：

B_f＝B₀+sin²B₀{K′₀+sin²B₀[K′₂+sin²B₀(K′₄+K′₆sin²B₀)]}

其中：

B₀是与X、a、、e、A₀相关的常数，计算方法为：

各系数M_f、N_f、η_f、t_f、W_f的计算方法如下：

常数A₀的计算方法：

步骤7：海拔高度补偿

根据卫星导航定位设备输出的海拔高度H，结合卫星导航定位天线架设点与地面之间的高差ΔH，根据公式H′＝H-ΔH，计算车辆定位点所在地面的海拔高度H′。

Images