CN113126022B - 一种双天线定位测向方法 - Google Patents

Abstract

一种双天线定位测向方法，基于从站和主站的主天线、从天线，由主从天线的中心点确定原点做一个本地坐标系，然后将卫星测量到的主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标转换到地心直角坐标系下，然后再转换到本地坐标系下，然后计算从站在本地坐标系下相对于原点的方向和距离，本方案提供了一个较为完善的测量从站相对于主站的方向和距离的方法。使得得到的从站相对于主站的距离和方向都基于卫星观测数据，精确度更高。

Description

一种双天线定位测向方法

技术领域

本发明涉及定位测向领域，特别涉及一种双天线定位测向方法。

背景技术

早期GPS/北斗卫星定位系统一般采用的是伪距单点定位算法，GPS卫星发射的信号是由载波、测距码和导航电文三部分组成的。GPS卫星所用的载波有两个，即L频段的L1(1575.42MHz)和L2(1227.6MHz)。其中L1载波是由卫星上的原子钟所产生的基准频率f0＝10.23MHZ倍频154倍后形成的,其波长为19.03cm,L2载波是由基准频率倍频120倍后形成的,其波长是24.42cm。测距码调制于载波上，是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码，是一种伪随机噪声码。测距码可以分为粗码(C/A码)和精码(P码或Y码)，每个卫星所用的测距码互不相同且相互正交。当前C/A码调制于L1载波，其频率为1.023MHz，码元长度293m；L1、L2载波上均调制有P码，其频率为10.23MHz，码元长度29.3m。

理论和实践表明，接收机对信号的测量精度一般约为波长(或码元长度)的1％，由此C/A码的测量精度为29.3m，P码的测量精度为2.93m，P码的测量精度比C/A码高。因为P码不公开，所以实际工程中，都是用C/A码伪距测量定位，能提供的单机定位精度是优于10米。为得到更高的定位精度，载波相位观测技术并得到了发展，由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波相位的观测精度远较码相位的观测精度为高。例如，对载波L1而言，其波长为19cm，所以相应的距离观测误差约为2mm；而对载波L2的相应误差约为2.5mm。载波相位观测是目前最精确最高的观测方法，它对精密定位上作具有极为重要的意义。

目前，多模卫星定位导航技术利用北斗与GPS系统之间的互操作性和兼容性，可以进一步减小定位误差，保证导航系统的高质量。为了进一步提高定位精度，在现有的设备条件下，卫星接收机的测量精度不变，利用好数据处理算法，用相对定位取代单点定位，可以把定位精度提高一到二个数量级，即采用差分技术：载波相位差分定位。

载波相位差分：俗称RTK差分技术，是实时处理两个观测站载波相位观测量的差分方法，观测基准主站设备将采集的载波相位等数据信息发给从站设备，从站进行求差解算坐标。载波相位差分定位可以得到相对定位精度达到厘米级，大量应用于需要高精度位置的领域。

而目前从一个基准观测站测得另一个从站相对于基准观测站的距离和方向，以指导基准观测站实时把握从站的位置，在北斗或GPS系统下却没有一个较完善的方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种双天线定位测向方法，基于主站的主天线和从天线，由主从天线的中心点确定原点做一个本地坐标系，然后将卫星测量到的主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标经过一系列转换，转换到本地坐标系下，然后计算从站在本地坐标系下相对于原点的方位角、俯仰角和距离，提供了一个较为完善的测量从站相对于主站的方向和距离的方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种双天线定位测向方法，基于主站、从站和卫星，所述主站设置有主天线和从天线，主站的主天线和从天线连接到第一接收机，从站连接到第二接收机，包括以下步骤：

步骤S1：根据主天线和从天线的相对方向，在空间建立三维的本地坐标系，以主天线和从天线连成线段的中心点所在位置作为原点，以指向主天线或从天线的单位向量为法向量；

步骤S2：由卫星的星历数据求解得到主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标；

步骤S3：将主天线和从天线在WGS84坐标系下的坐标转换为主天线和从天线在本地坐标系下的坐标，具体操作为：

将主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标转换为地心直角坐标系下的坐标：

其中，a为地球长轴半径，b为地球短轴半径，PI为圆周率，lat、lon、height分别为WGS84坐标系下的纬度、经度、海拔高度，x、y、z分别为地心直角坐标系下的x轴、y轴、z轴的值；

再将转换到地心直角坐标系下的坐标转换到本地坐标系下：

其中，CM₀₀＝-cos(lon)*sin(lat)，CM₀₁＝-sin(lon)*sin(lat)，CM₀₂＝cos(lat)，

CM₁₀＝cos(lon)*cos(lat)，CM₁₁＝sin(lon)*cos(lat)，CM₁₂＝sin(lat)，

CM₂₀＝-sin(lon)，CM₂₁＝cos(lon)，CM₂₂＝0；其中，P1、P2、P3分别为主天线在地心直角坐标系下的x轴、y轴、z轴的值，Rx、Ry、Rz分别是本地坐标系下的x轴、y轴、z轴的值；

步骤S4：由卫星测得的从站在WGS84坐标系下的坐标，求得本地坐标系下从站在本地坐标系下的坐标(Rx0，Ry0，Rz0)，得到从站在本地坐标系下相对于主站的方位角A为：

A＝arc tan(Rz0/Rx0)

得到从站相对于主站的距离S为：

计算得到俯仰角α为：

为了更好地实现本方案，进一步地，所述方位角A的范围为0～360°，所述俯仰角α的范围为-90°～90°。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述步骤S1中将主天线和从天线沿主天线和从天线连成线段的中心点旋转若干次，每次旋转后测得主天线和从天线坐标，再计算得到每次旋转后的主天线和从天线连成线段的中心点坐标，取每次计算的中心点坐标的平均值作为主天线和从天线连成线段的中心点的坐标。

为了更好地实现本方案，进一步地，每次旋转都在同一水平面上旋转。

我们知道，由于卫星的星历数据是依据WGS84坐标系建立的，所以由星历数据求解得到的主天线和从天线的坐标也必然处于WGS84坐标系下，为了主天线和从天线得到本地坐标系下的坐标信息，需要将WGS84坐标系转换为本地坐标系，本方案中，将WGS84坐标系下的主天线、从天线和从站的坐标转换为地心直角坐标系下的坐标，然后再进一步转换到我们建立的以主天线和从天线连成线段的中心点所在位置作为原点，以指向主天线或从天线的单位向量为法向量的本地坐标系下，再在本地坐标系下求得从站相对于原点即主天线和从天线连成线段的中心点的距离和方向。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种双天线定位测向方法，基于主站的主天线和从天线，由主从天线的中心点确定原点做一个本地坐标系，然后将卫星测量到的主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标经过一系列转换，转换到本地坐标系下，然后计算从站在本地坐标系下相对于原点的方位角、俯仰角和距离，提供了一个较为完善的测量从站相对于主站的方向和距离的方法。

2.本发明所述的一种双天线定位测向方法，基于主站的主天线和从天线，由主从天线的中心点确定原点做一个本地坐标系，然后将卫星测量到的主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标经过一系列转换，转换到本地坐标系下，然后计算从站在本地坐标系下相对于原点的方位角、俯仰角和距离，提供了一个较为完善的测量从站相对于主站的方向和距离的方法，使得得到的从站相对于主站的距离和方向都基于卫星观测数据，精确度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，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相关的附图，其中：

图1是本发明的主站和从站位置关系示意图；

图2是本发明的本发明的坐标系关系示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1至图2对本发明作详细说明。

实施例1：

一种双天线定位测向方法，如图1，基于主站、从站和卫星，所述主站设置有主天线和从天线，主站的主天线和从天线连接到第一接收机，从站连接到第二接收机，包括以下步骤：

步骤S1：根据主天线和从天线的相对方向，在空间建立三维的本地坐标系，以主天线和从天线连成线段的中心点所在位置作为原点，以指向主天线或从天线的单位向量为法向量；

步骤S2：由卫星的星历数据求解得到主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标；

步骤S3：将主天线和从天线在WGS84坐标系下的坐标转换为主天线和从天线在本地坐标系下的坐标，具体操作为：

将主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标转换为如图2所示的地心直角坐标系下的坐标：

其中，a为地球长轴半径，b为地球短轴半径，PI为圆周率，lat、lon、height分别为WGS84坐标系下的纬度、经度、海拔高度，x、y、z分别为地心直角坐标系下的x轴、y轴、z轴的值；

再将转换到地心直角坐标系下的坐标转换到本地坐标系下：

其中，CM₀₀＝-cos(lon)*sin(lat)，CM₀₁＝-sin(lon)*sin(lat)，CM₀₂＝cos(lat)，

CM₁₀＝cos(lon)*cos(lat)，CM₁₁＝sin(lon)*cos(lat)，CM₁₂＝sin(lat)，

CM₂₀＝-sin(lon)，CM₂₁＝cos(lon)，CM₂₂＝0；其中，P1、P2、P3分别为主天线在地心直角坐标系下的x轴、y轴、z轴的值，Rx、Ry、Rz分别是本地坐标系下的x轴、y轴、z轴的值；

步骤S4：由卫星测得的从站在WGS84坐标系下的坐标，求得本地坐标系下从站在本地坐标系下的坐标(Rx0，Ry0，Rz0)，得到从站在本地坐标系下相对于主站的方位角A为：

A＝arc tan(Rz0/Rx0)

得到从站相对于主站的距离S为：

计算得到俯仰角α为：

工作原理：我们知道，由于卫星的星历数据是依据WGS84坐标系建立的，所以由星历数据求解得到的主天线和从天线的坐标也必然处于WGS84坐标系下，为了主天线和从天线得到本地坐标系下的坐标信息，需要将WGS84坐标系转换为本地坐标系，本方案中，将WGS84坐标系下的主天线、从天线和从站的坐标转换为地心直角坐标系下的坐标，然后再进一步转换到我们建立的以主天线和从天线连成线段的中心点所在位置作为原点，以指向主天线或从天线的单位向量为法向量的本地坐标系下，再在本地坐标系下求得从站相对于原点即主天线和从天线连成线段的中心点的方位角、俯仰角和距离。

实施例2

本方案在实施例1的基础上，如图1，所述方位角A的范围为0～360°，所述俯仰角α的范围为-90°～90°。所述步骤S1中将主天线和从天线沿主天线和从天线连成线段的中心点旋转若干次，每次旋转后测得主天线和从天线坐标，再计算得到每次旋转后的主天线和从天线连成线段的中心点坐标，取每次计算的中心点坐标的平均值作为主天线和从天线连成线段的中心点的坐标。每次旋转都在同一水平面上旋转。

工作原理：本实施例中，将主天线和从天线沿主天线和从天线连成线段的中心点在水平面上旋转若干次，每次旋转后计算得到主天线和从天线坐标，再测得每次旋转后的主天线和从天线连成线段的中心点坐标，取平均值作为主天线和从天线连成线段的中心点的坐标。多次旋转取平均值的设置可以使得最终求得的主天线和从天线的中心点坐标更加精确，同样这里也可以设置一个圆形轨道，使得主天线和从天线沿轨道滚动，这样使得最终计算出的中心点坐标更准确。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双天线定位测向方法，基于主站、从站和卫星，所述主站设置有主天线和从天线，主站的主天线和从天线连接到第一接收机，从站连接到第二接收机，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据主天线和从天线的相对方向，在空间建立三维的本地坐标系，以主天线和从天线连成线段的中心点所在位置作为原点，以指向主天线或从天线的单位向量为法向量；

步骤S2：由卫星的星历数据求解得到主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标；

步骤S3：将主天线和从天线在WGS84坐标系下的坐标转换为主天线和从天线在本地坐标系下的坐标，具体操作为：

将主天线、从天线和从站在WGS84坐标系下的坐标转换为地心直角坐标系下的坐标：

其中，a为地球长轴半径，b为地球短轴半径，PI为圆周率，lat、lon、height分别为WGS84坐标系下的纬度、经度、海拔高度，x、y、z分别为地心直角坐标系下的x轴、y轴、z轴的值；

再将转换到地心直角坐标系下的坐标转换到本地坐标系下：

其中，CM₀₀＝-cos(lon)*sin(lat)，CM₀₁＝-sin(lon)*sin(lat)，CM₀₂＝cos(lat)，

CM₁₀＝cos(lon)*cos(lat)，CM₁₁＝sin(lon)*cos(lat)，CM₁₂＝sin(lat)，

CM₂₀＝-sin(lon)，CM₂₁＝cos(lon)，CM₂₂＝0；其中，

P1、P2、P3分别为主天线在地心直角坐标系下的x轴、y轴、z轴的值，Rx、Ry、Rz分别是本地坐标系下的x轴、y轴、z轴的值；

步骤S4：由卫星测得的从站在WGS84坐标系下的坐标，求得本地坐标系下从站在本地坐标系下的坐标(Rx0，Ry0，Rz0)，得到从站在本地坐标系下相对于主站的方位角A为：

A＝arc tan(Rz0/Rx0)

得到从站相对于主站的距离S为：

计算得到俯仰角α为：

2.根据权利要求1所述的一种双天线定位测向方法，其特征在于：所述方位角A的范围为0～360°，所述俯仰角α的范围为-90°～90°。

3.根据权利要求1所述的一种双天线定位测向方法，其特征在于：所述步骤S1中将主天线和从天线沿主天线和从天线连成线段的中心点旋转若干次，每次旋转后测得主天线和从天线坐标，再计算得到每次旋转后的主天线和从天线连成线段的中心点坐标，取每次计算的中心点坐标的平均值作为主天线和从天线连成线段的中心点的坐标。

4.根据权利要求3所述的一种双天线定位测向方法，其特征在于：每次旋转都在同一水平面上旋转。