CN114355422A - 一种基于姿态辅助的多天线定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种基于姿态辅助的多天线定位系统，该系统包括有天线单元、信号接收单元、同步钟单元和姿态测量单元；所述天线单元中设有多个天线阵列，每个天线阵列均对应有一个所述的信号接收单元；所述的同步钟单元连接每一个信号接收单元以实现时钟同步；所述的解算单元分别连接所述的信号接收单元以接收伪距信息；所述的姿态测量单元连接至所述的解算单元以提供姿态信息；所述的解算单元接收各信号单元信息并根据姿态测量信息，通过多天线定位算法，完成PVT解算，即用户接收机的位置、速度和时间解算；还涉及到定位算法。本发明的系统和方法具有抗干扰能力强、不宜受到完全性损坏、安装方式灵活的特点。

Description

一种基于姿态辅助的多天线定位系统及定位方法

技术领域

本发明属于卫星定位领域，涉及卫星导航定位解算技术，给出一种姿态辅助的多天线定位系统及所采用的算法。

背景技术

随着北斗应用推广的不断深入，各种应用模式层出不穷，且随着现代海战场卫星导航干扰技术发展，针对卫星导航接收机天线的强压制干扰功率越来越强，单天线技术较易受到完全性损坏，且急需提高其抗干扰能力。基于多天线的北斗单点应用模式，具有优良的抗干扰能力、较好的完好性侦测能力，结合不宜受到电磁信号干扰的外部姿态测量单元(可使用光纤罗经或高精度MEMS作为外部姿态测量单元)，是维护北斗高可靠性运行的一种创新性尝试。

现有技术中，中国发明专利202010101454.3公开了一种分布式多天线无线电定位系统与方法，其利用多天线接收无线电定位信号以提高定位系统的可用性和定位精度。主要是将多个接收天线时钟同步并按照已知拓扑结构分布在待定位载体上，中央处理器联合利用各天线与该天线可见锚点间的到达时间与所述已知拓扑结构，计算载体的位置。该装置和方法存在者结构复杂、计算繁琐和精度不高的不足。

发明内容

本发明专利目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种基于姿态辅助的多天线定位系统及定位方法。本发明的系统和方法要能够利用卫星信号准确测量位置信息，并且要能够具有抗干扰能力强、不宜受到完全性损坏、安装方式灵活的特点。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

一种基于姿态辅助的多天线定位系统，该系统包括有天线单元、信号接收单元、同步钟单元和姿态测量单元；

所述天线单元中设有多个天线阵列，每个天线阵列均对应有一个所述的信号接收单元；

所述的同步钟单元连接每一个信号接收单元以实现时钟同步；

所述的解算单元分别连接所述的信号接收单元以接收伪距信息；

所述的姿态测量单元连接至所述的解算单元以提供姿态信息；

所述的解算单元接收各信号单元信息并根据姿态测量信息，通过多天线定位算法，完成PVT解算，即用户接收机的位置、速度和时间解算。

在本发明基于姿态辅助的多天线定位系统中，所述的姿态测量单元连接外部罗经或含有高精度MEMS模块，以获得高精度姿态测量信息，高精度是指俯仰角、横滚角和航向角均方根误差最大误差不超过0.6°，以满足定位一定量级的定位精度的输出。

在本发明基于姿态辅助的多天线定位系统中，所述解算单元中的多天线定位算法包括：计算待测点位置的关键是求出该点的卫星伪距，即卫星s^N至点O处的几何距离

以p_n为观测点，点O为映射点；

公式(1)中Δr^N为同时对卫星s^N观测时，两点的观测距离差，由几何投影原理求得Δr^N的值为：

Δr^N＝-I^N(p_n)Δp_n (2)

公式(2)中-I^N(p_n)为点p_n到卫星s^N的单位观测矢量的反向，Δp_n为观测点p_n到映射点O的位移矢量，所述单位观测矢量通过点p_n处的概略位置及卫星位置求得；

Δp_n的计算公式如公式(3)所示：

Δp_n＝o-p_n＝[Δx,Δy,Δz]^T (3)

单位观测矢量-I^N(P_n)计算公式如(4)所示：

一种基于姿态辅助的多天线定位方法，该方法包括如下步骤：

第一步，通过同步关键技术获取各天线阵列的伪距信息；

第二步，通过姿态测量单元获取天线姿态信息；

第三步，进行多天线定位解算，定位解算后获得位置信息。

在所述第一步中，获取各天线阵列的伪距信息的关键技术是时钟同步技术，要求各天线阵列以及对应于天线阵列的信号接收单元的时钟同步达到纳秒级精度，以确保伪距信息的可靠性。定位精度在很大方便取决于伪距精度，伪距的精度决定于基带观测量的测量，观测量包括测距码和载波信息，通过设计多天线对应多个基带板，各基带板观测量采集时刻保持一致。一方面需保证输入基带的时钟信号严格同步(频率、相位均一致)，一方面解算单元发出NPPS脉冲给各基带板，同时基带板受PPS触发完成同步观测量采样，最终采集的观测量信息汇集至解算单元完成定位解算。

在所述第二步中，天线姿态测量可借助外部罗经完成，或包含有高精度的MEMS模块，以获取高精度姿态测量信息，作为多天线定位的先验辅助信息。

在所述第三步中，根据获取的高精度伪距信息及高精度姿态信息，根据定位原理及空间投影关系进行定位解算，以获取可靠的解算结果。

在本发明一种基于姿态辅助的多天线定位方法中，在定位解算过程中需要考虑冗余的伪距信息，并适当对多径进行处理。多天线的布阵设计多为与地面45度夹角朝天放置，四天线均匀分布各朝向部分天空，在各天线接收过程中会有信号多径反射等干扰，且其信号较正常接收信号较弱，在基带选用可用信号时，可通过多天线信号质量对比等方式进行剔除。

在第三步中，进行多天线定位解算时，计算待测点位置的关键求出该点的卫星伪距，观测点和映射点两点之间映射关系作为伪距的映射，伪距与位置点映射关系：

以p_n为观测点，点O为映射点，由观测点p_n对卫星s^N观测距离到点O处的映射关系，即卫星s^N至点p_n处几何距离为

推算出卫星s^N至点O处的几何距离

其映射关系为：

由几何投影原理可得：

公式(1)中Δr^N为同时对卫星s^N观测时，两点的观测距离差，同样由几何投影原理可求得Δr^N的值：

Δr^N＝-I^N(p_n)Δp_n (2)

公式(2)中-I^N(p_n)为点p_n到卫星s^N的单位观测矢量的反向，Δp_n为观测点p_n到映射点O的位移矢量，所述单位观测矢量通过点p_n处的概略位置及卫星位置求得；

Δp_n的计算公式如公式(3)所示：

Δp_n＝o-p_n＝[Δx,Δy,Δz]^T (3)

单位观测矢量-I^N(P_n)计算公式如(4)所示：

基于上述发明内容，本发明专利与现有技术相比具有如下技术优点：

1.本发明的多天线定位系统主要包含天线单元、信号接收单元、姿态测量单元、同步时钟单元、集中解算单元。其中天线单元包含多个天线阵，天线阵中每个天线对应各自信号接收单元，信号接收单元负责对应天线的信号捕获、跟踪；姿态测量单元负责对多天线阵姿态信息的测量，同步时钟单元负责系统时钟同步，集中解算单元负责接收各信号单元信息并根据姿态测量信息，完成PVT解算。由此可见，本发明的定位系统基于姿态测量辅助信息，通过算法完成PVT解算，具有抗干扰能够力强、结构简单和安装灵活的优点。

2.本发明还给出一种基于姿态辅助的多天线定位方法，根据定位原理及空间投影关系进行定位解算，定位解算过程需要考虑冗余的伪距信息，并适当对多径进行处理，以获取可靠的解算结果，其相较于单天线定位方案和算法技术，结合姿态辅助信息的多天线定位算法具有抗干扰能力强、不宜受到完全性损坏的特点。

附图说明

图1是本发明一种基于姿态辅助的多天线定位系统的系统组成示意图。

图2是本发明一种基于姿态辅助的多天线定位方法中多天线定位空间映射图。

图3是本发明一种基于姿态辅助的多天线定位方法中多天线定位伪距映射图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明一种基于姿态辅助的多天线定位系统及定位算法做进一步的详细说明，以求更为清楚明了地理解其结构组成和工作流程方式，但不能以此来限制本发明的保护范围。

先请看图1，图1是本发明一种基于姿态辅助的多天线定位系统的系统组成示意图。由图可知，本发明基于姿态辅助的多天线定位系统的组成结构包括有天线单元、信号接收单元、同步钟单元和姿态测量单元。其中，所述天线单元中设有多个天线阵列，每个天线阵列均对应有一个所述的信号接收单元。

所述的同步钟单元连接每一个信号接收单元以实现时钟同步。所述的解算单元分别连接所述的信号接收单元以接收伪距信息。所述的姿态测量单元连接至所述的解算单元以提供姿态信息。所述的解算单元接收各信号单元信息并根据姿态测量信息，通过多天线定位算法，完成PVT解算，即用户接收机的位置P、速度V和时间T解算，PVT均能定位原理计算得出。

在上述多天线定位系统中，天线单元包含多个天线阵，天线阵中每个天线对应各自信号接收单元，信号接收单元负责对应天线的信号捕获、跟踪。姿态测量单元负责对多天线阵姿态信息的测量，同步时钟单元负责系统时钟同步，集中解算单元负责接收各信号单元信息并根据姿态测量信息，完成PVT解算。

在本发明的多天线定位系统及方法中，如果要实现精确的PVT解算，需要根据卫星定位原理及空间投影原理，通过专门的算法通过映射来实现，即通过观测点p_n到映射点O的关系来计算得出。

据此，本发明提出了一种基于姿态辅助的多天线定位方法，该方法包括如下步骤：

第一步，通过同步关键技术获取各天线阵列的伪距信息；

第二步，通过姿态测量单元获取天线姿态信息；

第三步，进行多天线定位解算，定位解算后获得位置信息。

如图2所示，图2是本发明一种基于姿态辅助的多天线定位方法中多天线定位空间映射图，也即伪距与位置点映射关系图。由图可知，实现点对点可进行映射的约束条件有三点：

1)观测点到观测卫星的观测伪距即几何距离已知；

2)观测点概略位置处对卫星的单位观测矢量已知；

3)映射点O对点p_n的基线长度及姿态信息已知。

在上述方法的第一步中，计算待测点位置的关键是求出该点的卫星伪距，即卫星s^N至点O处的几何距离

以p_n为观测点，点O为映射点；

公式(1)中Δr^N为同时对卫星s^N观测时，两点的观测距离差，由几何投影原理求得Δr^N的值为：

Δr^N＝-I^N(p_n)Δp_n (2)

公式(2)中-I^N(p_n)为点p_n到卫星s^N的单位观测矢量的反向，Δp_n为观测点p_n到映射点O的向量。

通过上述公式(1)、(2)可推导出p_n点到点O伪距映射关系如公式(3)所示：

公式(3)中，

为卫星s^N至点p_n处几何距离，-I^N(p_n)为天线点p_n到卫星s^N的单位观测矢量的反向，Δp_n为点p_n到映射点O点的向量。

通常来说，上述约束条件1)、2)可事先由接收机算出，其中1)观测伪距的计算过程是：通过观测量信息(测距码或载波信息)计算出本地接收时刻及卫星发射时刻时差从而计算出卫星伪距；2)单位观测矢量可通过卫星位置及概略位置计算；由公式(3)可知，在约束条件1)、2)及基线长度已知的情况下，p_n点到O点可进行映射的必要条件为姿态信息已知，姿态信息可由姿态测量单元测出。所述的姿态测量单元连接外部罗经或含有高精度MEMS模块，以获得高精度姿态测量信息，即俯仰角、横滚角、航向角均方根误差最大误差不超过0.6°，以满足定位一定量级的定位精度的输出。

如图3显示的天线伪距映射图所示，在该案例中，所有天线(如P2、P4)伪距信息，可投影至映射点O处；以天线p₂正向接收卫星s^N为例，根据公式(3)可得到映射点O的计算公式为(4)：

由此可以得到，定位解算后获得位置信息。进而获得，用户接收机的位置P、速度V和时间T信息。

本发明的基于姿态辅助的多天线定位系统及算法中多天线定位基本原理是解算单元采用多个天线伪距信息，并将对应天线的原始伪距信息映射到多天线阵列的几何中心，最终解算出几何中心的PVT信息。相较于单天线定位技术，本发明基于姿态辅助的多天线系统和算法具有抗干扰能力强、不宜受到完全性损坏、安装方式灵活等特点。

Claims (9)

1.一种基于姿态辅助的多天线定位系统，其特征在于，该系统包括有天线单元、信号接收单元、同步钟单元和姿态测量单元；

所述天线单元中设有多个天线阵列，每个天线阵列均对应有一个所述的信号接收单元；

所述的同步钟单元连接每一个信号接收单元以实现时钟同步；

所述的解算单元分别连接所述的信号接收单元以接收伪距信息；

所述的姿态测量单元连接至所述的解算单元以提供姿态信息；

所述的解算单元接收各信号单元信息并根据姿态测量信息，通过多天线定位算法，完成PVT解算，即用户接收机的位置、速度和时间解算。

2.根据权利要求1所述的一种基于姿态辅助的多天线定位系统，其特征在于，所述的姿态测量单元连接外部罗经或含有高精度MEMS模块，以获得高精度姿态测量信息，所述高精度是指俯仰角、横滚角和航向角均方根误差最大误差不超过0.6°。

3.根据权利要求1所述的一种基于姿态辅助的多天线定位系统，其特征在于，所述解算单元中的多天线定位算法包括：计算待测点位置的关键是求出该点的卫星伪距，即卫星s^N至点O处的几何距离

以p_n为观测点，点O为映射点；

公式(1)中Δr^N为同时对卫星s^N观测时，两点的观测距离差，由几何投影原理求得Δr^N的值为：

Δr^N＝-I^N(p_n)Δp_n (2)

公式(2)中-I^N(p_n)为点p_n到卫星s^N的单位观测矢量的反向，Δp_n为观测点p_n到映射点O的位移矢量，所述单位观测矢量通过点p_n处的概略位置及卫星位置求得，

Δp_n的计算公式如公式(3)所示：

Δp_n＝o-p_n＝[Δx,Δy,Δz]^T (3)

单位观测矢量-I^N(P_n)计算公式如(4)所示：

4.一种基于姿态辅助的多天线定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，通过同步关键技术获取各天线阵列的伪距信息；

第二步，通过姿态测量单元获取天线姿态信息；

第三步，进行多天线定位解算，定位解算后获得位置信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于姿态辅助的多天线定位方法，其特征在于，在所述第一步中，获取各天线阵列的伪距信息的关键技术是时钟同步技术，各天线阵列以及对应于天线阵列的信号接收单元的时钟同步达到纳秒级精度。

6.根据权利要求4所述的一种基于姿态辅助的多天线定位方法，其特征在于，在所述第二步中，天线姿态测量可借助外部罗经完成，或包含有高精度的MEMS模块，以获取高精度姿态测量信息，作为多天线定位的先验辅助信息。

7.根据权利要求4所述的一种基于姿态辅助的多天线定位方法，其特征在于，在所述第三步中，根据获取的高精度伪距信息及高精度姿态信息，根据定位原理及空间投影关系进行定位解算获取解算结果。

8.根据权利要求7所述的一种基于姿态辅助的多天线定位方法，其特征在于，在定位解算过程中需要去除冗余的伪距信息，并对多径进行处理，其处理过程是将多天线陈列的布阵设计为与地面45度夹角朝天放置，四天线均匀分布各朝向部分天空，在各天线陈列接收过程中有信号多径反射干扰，干扰信号较正常接收信号较弱，在选用可用信号时，通过多天线信号质量对比的方式剔除干扰信号。

9.根据权利要求7所述的一种基于姿态辅助的多天线定位方法，其特征在于，第三步中进行多天线定位解算时，计算待测点位置的关键求出该点的卫星伪距，观测点和映射点两点之间映射关系作为伪距的映射，伪距与位置点映射关系：

以p_n为观测点，点O为映射点，由观测点p_n对卫星s^N观测距离到点O处的映射关系，即卫星s^N至点p_n处几何距离为

推算出卫星s^N至点O处的几何距离

其映射关系为：

由几何投影原理可得：

公式(1)中Δr^N为同时对卫星s^N观测时，两点的观测距离差，同样由几何投影原理可求得Δr^N的值：

Δr^N＝-I^N(p_n)Δp_n (2)

公式(2)中-I^N(p_n)为点p_n到卫星s^N的单位观测矢量的反向，Δp_n为观测点p_n到映射点O的位移矢量，所述单位观测矢量通过点p_n处的概略位置及卫星位置求得，

Δp_n的计算公式如公式(3)所示：

Δp_n＝o-p_n＝[Δx,Δy,Δz]^T (3)

单位观测矢量-I^N(P_n)计算公式如(4)所示：

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