CN114488235A

CN114488235A - 一种双天线卫星定向方法、系统、存储介质和电子设备

Info

Publication number: CN114488235A
Application number: CN202210093159.7A
Authority: CN
Inventors: 韩绍伟; 龚一民; 肖进杰
Original assignee: Wuhan Mengxin Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Mengxin Technology Co ltd
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2022-05-13

Abstract

本发明涉及一种双天线卫星定向方法、系统、存储介质和电子设备，所述方法包括：通过构建的双差观测方程确定双天线的实际基线长度，并根据目标整周模糊度的目标函数，在构建的秩亏方程中搜索得到目标整周模糊度，得到并根据目标整周模糊度所对应的目标基线向量和目标基线长度，最终确定双天线的目标定向矢量，并将目标定向矢量进行坐标转换，得到双天线的航向角和俯仰角，以根据航向角和所述俯仰角进行卫星定向。本发明的方法通过增加解算结果强校验机制以及为秩亏方程增加约束条件，充分利用了目标函数中基线向量与双差模糊度的相关性，大大提高LAMBDA搜索模糊度的准确性与计算效率。

Description

一种双天线卫星定向方法、系统、存储介质和电子设备

技术领域

本发明涉及卫星定向技术领域，尤其涉及一种双天线卫星定向方法、系统、存储介质和电子设备。

背景技术

在双天线RTK定向方法中，对固定在载体上两个天线的载波相位测量值进行载波相位双差处理，得到双差观测方程，继而得到两个天线的基线向量，经过坐标转换，可得到载体的航向角和俯仰角。然而，现阶段高精度定向算法依赖前后天线观测量质量，在遮挡、多径等较差环境中，载波观测值存在周跳以及噪声使得整周模糊度难以固定，并缺少检验手段，有可能无法正确解算航向。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双天线卫星定向方法、系统、存储介质和电子设备。

本发明的一种双天线卫星定向方法的技术方案如下：

S1、构建双天线在每个历元中的双差观测方程，并搜索每个双差观测方程所对应的双差整周模糊度，根据每个双差整周模糊度所对应的第一基线向量，得到每个双差整周模糊度对应的第一基线长度，并将所有第一基线长度中第一基线长度对应的频度与ratio最高的第一基线长度确定为实际基线长度，其中，ratio为所述双差整周模糊度的最优整数解与次优整数解的残差比；

S2、根据所述每个双差观测方程构建秩亏方程，并基于目标函数，在所述秩亏方程中搜索得到目标整周模糊度，并获取所述目标整周模糊度所对应的目标基线向量和目标基线长度，其中，利用最小二乘法和卡尔曼滤波法对所述每个双差观测方程进行解算，得到并根据整周模糊度浮点解、整周模糊度协方差阵和第一基线向量协方差阵，构建所述目标函数；

S3、当所述目标基线长度与所述实际基线长度之间满足第一预设条件时，将所述目标基线向量确定为所述双天线的目标定向矢量，并将所述目标定向矢量进行坐标转换，得到所述双天线的航向角和俯仰角，并根据所述航向角和所述俯仰角进行卫星定向。

本发明的双天线卫星定向方法的有益效果如下：

本发明的方法通过构建的双差观测方程确定双天线的实际基线长度，并根据目标整周模糊度的目标函数，在构建的秩亏方程中搜索得到目标整周模糊度，得到并根据目标整周模糊度所对应的目标基线向量和目标基线长度，最终确定双天线的目标定向矢量，并将目标定向矢量进行坐标转换，得到双天线的航向角和俯仰角，以根据航向角和所述俯仰角进行卫星定向。因此，本发明的方法通过增加解算结果强校验机制以及为秩亏方程增加约束条件，充分利用了目标函数中基线向量与双差模糊度的相关性，大大提高LAMBDA搜索模糊度的准确性与计算效率。

在上述方案的基础上，本发明的双天线卫星定向方法还可以做如下改进。

进一步，所述双差观测方程为：

其中，λ为所述双天线的载波波长，

表示第i个卫星和第j个卫星的双差载波相位测量值，

δx＝x_r-x_u，δy＝y_r-y_u，δz＝z_r-z_u，第i个卫星的位置为(xⁱ，yⁱ，zⁱ)，第j个卫星的位置为(x^j，y^j，z^j)，

为测量误差，

为第i个卫星和第j个卫星的双差整周模糊度，i、j均为正整数。

进一步，所述搜索每个双差观测方程所对应的双差整周模糊度的步骤，具体包括：

基于未附加基线约束的LAMBDA算法，从所述每个双差观测方程中搜索得到所述每个双差观测方程所对应的双差整周模糊度

进一步，所述目标整周模糊度的目标函数为：

其中，N为所述目标整周模糊度，

为所述整周模糊度浮点解，

为所述整周模糊度协方差阵，

为所述实际基线长度对应的第一基线向量，

为所述目标基线向量，

为所述第一基线向量协方差阵，l为所述实际基线长度，δ₁和δ₂为权重因子。

进一步，所述在所述秩亏方程中搜索得到所述目标整周模糊度的步骤，具体包括：

基于附加基线约束的LAMBDA算法，从所述秩亏方程中搜索得到满足第二预设条件的最优解，并确定所述最优解所对应的双差整周模糊度为所述目标整周模糊度，其中，所述第二预设条件为：所述目标函数E(N)的值最小。

进一步，所述第一预设条件为：

其中，

为所述目标基线长度。

进一步，所述得到所述双天线的航向角和俯仰角，具体包括：

根据第一公式确定所述航向角α，根据第二公式确定所述俯仰角β，所述第一公式为：

所述第二公式为：

其中，所述双天线的目标定向矢量为(δx₁，δy₁，δz₁)。

本发明的一种双天线卫星定向系统的技术方案如下：

包括：第一运行模块、第二运行模块和定向模块；

所述第一运行模块用于：构建双天线在每个历元中的双差观测方程，并搜索每个双差观测方程所对应的双差整周模糊度，根据每个双差整周模糊度所对应的第一基线向量，得到每个双差整周模糊度对应的第一基线长度，并将所有第一基线长度中第一基线长度对应的频度与ratio最高的第一基线长度确定为实际基线长度，其中，ratio为所述双差整周模糊度的最优整数解与次优整数解的残差比；

所述第二运行模块用于：根据所述每个双差观测方程构建秩亏方程，并基于目标函数，在所述秩亏方程中搜索得到目标整周模糊度，并获取所述目标整周模糊度所对应的目标基线向量和目标基线长度，其中，利用最小二乘法和卡尔曼滤波法对所述每个双差观测方程进行解算，得到并根据整周模糊度浮点解、整周模糊度协方差阵和第一基线向量协方差阵，构建所述目标函数；

所述定向模块用于：当所述目标基线长度与所述实际基线长度之间满足第一预设条件时，将所述目标基线向量确定为所述双天线的目标定向矢量，并将所述目标定向矢量进行坐标转换，得到所述双天线的航向角和俯仰角，并根据所述航向角和所述俯仰角进行卫星定向。

本发明的一种双天线卫星定向系统的有益效果如下：

本发明的系统通过构建的双差观测方程确定双天线的实际基线长度，并根据目标整周模糊度的目标函数，在构建的秩亏方程中搜索得到目标整周模糊度，得到并根据目标整周模糊度所对应的目标基线向量和目标基线长度，最终确定双天线的目标定向矢量，并将目标定向矢量进行坐标转换，得到双天线的航向角和俯仰角，以根据航向角和所述俯仰角进行卫星定向。因此，本发明的系统通过增加解算结果强校验机制以及为秩亏方程增加约束条件，充分利用了目标函数中基线向量与双差模糊度的相关性，大大提高LAMBDA搜索模糊度的准确性与计算效率。

本发明的一种存储介质的技术方案如下：

存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如本发明的一种双天线卫星定向方法的步骤。

本发明的一种电子设备的技术方案如下：

包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，使所述计算机执行如本发明的一种双天线卫星定向方法的步骤。

附图说明

图1为本发明实施例的一种双天线卫星定向方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的一种双天线卫星定向方法中的卫星定向原理图；

图3为本发明实施例的一种双天线卫星定向方法中的卫星定向流程示意图；

图4为本发明实施例的一种双天线卫星定向方法中的卫星单差、双差示意图；

图5为本发明实施例的一种双天线卫星定向系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的一种双天线卫星定向方法，包括如下步骤：

S1、构建双天线在每个历元中的双差观测方程，并搜索每个双差观测方程所对应的双差整周模糊度，根据每个双差整周模糊度所对应的第一基线向量，得到每个双差整周模糊度对应的第一基线长度，并将所有第一基线长度中第一基线长度对应的频度与ratio最高的第一基线长度确定为实际基线长度，其中，ratio为所述双差整周模糊度的最优整数解与次优整数解的残差比。

其中，如图2所示，双天线为主天线和副天线，均固定在天线载体上。

其中，历元为天文学中的概念，相当于一段时间。

其中，每个双差观测方程经过搜索后，均有一个与双差观测方程对应的双差整周模糊度。

其中，每个双差整周模糊度均对应一个基线向量(此处的基线向量定义为第一基线向量)，每个基线向量均对应一个基线长度(此处的基线长度定义为第一基线长度)。

其中，第一基线长度对应的频度为该第一基线长度在全部第一基线长度中出现的次数。例如，现有5个第一基线长度(2，3，3，4，5)，则第一基线长度对应频度最高的第一基线长度为3。

具体地，在预设的时间段T内，构建双天线在每个历元t中的双差观测方程，得到s(s＝T/t)个双差观测方程；利用算法搜索每个双差观测方程的双差整周模糊度，得到s个双差整周模糊度；再计算每个双差整周模糊度所对应的第一基线向量，得到s个第一基线向量；再根据每个第一基线向量计算出s个第一基线长度；在s个第一基线长度中筛选出长度相同且出现次数最多的第一基线长度作为双天线的实际基线长度。

其中，预设的时间段T一般为5min以上，通过持续跟踪解算的数据来统计出当前载体上的基线长度的最可能值。

需要说明的是，如果人为测量并设定实际基线长度，则省去上述获取实际基线长度的过程，但构建的双差观测方程、双差整周模糊度以及第一基线向量在后文中会进行使用，故保留此部分技术方案。

S2、根据所述每个双差观测方程构建秩亏方程，并基于目标函数，在所述秩亏方程中搜索得到目标整周模糊度，并获取所述目标整周模糊度所对应的目标基线向量和目标基线长度，其中，利用最小二乘法和卡尔曼滤波法对所述每个双差观测方程进行解算，得到并根据整周模糊度浮点解、整周模糊度协方差阵和第一基线向量协方差阵，构建所述目标函数。

其中，目标整周模糊度为所有双差观测方程中的满足目标函数值最小的双差整周模糊度。

其中，秩亏方程中的方程个数为总卫星数与参考星个数的差值，未知数为每个方程对应的双差整周模糊度，以及3个坐标参数：δx，δy，δZ。

具体地，假设双差观测方程的个数为6个，则秩亏方程中未知数的个数为9个，通过算法搜索得到使目标函数值最小的双差整周模糊度，并将该双差整周模糊度确定为目标整周模糊度，并根据目标整周模糊度得到δx，δy，δz，从而确定目标基线向量和目标基线长度的值。

其中，主副天线所构成的基线矢量位于以主天线为原点建立起来的东北天坐标系中。航向角代表基线矢量偏离正北方向的角度(偏东为正)，俯仰角代表基线矢量偏离地平面的角度(偏上为正)。当计算出两个天线之间的基线矢量(δx，δy，δz)，则可以通过公式计算出航向角及俯仰角。

其中，如图3所示的卫星定向流程示意图，选择的共视卫星为不少于6颗，主要的流程为基带捕获→跟踪可见卫星→处理双天线的载波伪距观测量→PVT完成伪距改正→接收机钟差估计→单点定位。

较优地，所述双差观测方程为：

其中，λ为所述双天线的载波波长，

表示第i个卫星和第j个卫星的双差载波相位测量值，

为测量误差，

其中，不同接收机获取观测量间隔不同，在嵌入式环境中每次获取观测量后便开始实时解算，然后保存解算过程信息与结果，这便是完成了一个历元的运算。下次一个历元获取观测量后重复以上步骤，继续统计解算结果，而双差观测方程并不做历元间区分，所以表达式对于每个历元是一样的。

具体地，如图4所示，第i个卫星的位置为(xⁱ，yⁱ，zⁱ)，第j个卫星的位置为(x^j，y^j，z^j)，主天线的位置为(x_r,y_r,z_r)，副天线位置为(x_u,y_u,z_u)，δx＝x_r-x_u，δy＝y_r-y_u，δz＝z_r-z_u第i个卫星到主天线r的距离为：

第i个卫星到副天线u的距离为

将

在(x_r，y_r，z_r)处用一阶泰勒级数展开：

取：

故：

主天线的载波相位观测方程为：

副天线的载波相位观测方程为：

其中：

为载波相位观测值，λ为载波波长，

是电离层误差，

是对流层误差，f是载波频率，δt_r、δt_u是接收机钟差，δtⁱ是卫星钟差，

是对应的整周模糊度，

是测量误差。对载波相位观测方程做单差，并在短基线情况下忽略电离层误差与对流层误差，可得：

在第i个卫星和第j个卫星的单差载波相位测量值之间再做一次差分，进一步消除测量值中的接收机钟差，可得双差载波相位观测方程：

较优地，所述搜索每个双差观测方程所对应的双差整周模糊度的步骤，具体包括：

其中，采取未附加基线约束的LAMBDA算法进行搜索，在遮挡、多径等较差环境中，载波观测值存在周跳以及噪声使得整周模糊度难以固定，并缺少检验手段，有可能无法正确解算航向。此处使用该方法仅是初步估计基线长度的值。

较优地，所述目标整周模糊度的目标函数为：

其中，N为所述目标整周模糊度，

为所述整周模糊度浮点解，

为所述整周模糊度协方差阵，

为所述实际基线长度对应的第一基线向量，

为所述目标基线向量，

较优地，所述在所述秩亏方程中搜索得到所述目标整周模糊度的步骤，具体包括：

其中，附加基线约束的LAMBDA算法是通过在机载双天线定向系统中，两个天线固连在刚性载体上，基线长度固定不变，因此采用附有基线约束的LAMBDA算法求解整周模糊度。

其中，当代入的双差整周模糊度使所述目标函数E(N)的值最小时，确定该双差整周模糊度为秩亏方程的最优解。

较优地，所述第一预设条件为：

其中，

为所述目标基线长度。

其中，若不满足预设判断条件，则认为解算失败。

需要说明的是，基线长度的差值若超过10cm则为错误解。

此外，同样，如果满足：

即便解的ratio偏小，也可酌情将其固定。

需要说明的是，解秩亏方程时，通过搜索得到一组最优解和次优整数解，其残差比值为ratio；ratio越大说明最优解可靠程度越高，一般认为ratio小于3就偏小ratio大于99的可靠度极好。

较优地，所述得到所述双天线的航向角和俯仰角，具体包括：

所述第二公式为：

其中，所述双天线的目标定向矢量为(δx₁，δy₁，δz₁)。

本实施例通过构建的双差观测方程确定双天线的实际基线长度，并根据目标整周模糊度的目标函数，在构建的秩亏方程中搜索得到目标整周模糊度，得到并根据目标整周模糊度所对应的目标基线向量和目标基线长度，最终确定双天线的目标定向矢量，并将目标定向矢量进行坐标转换，得到双天线的航向角和俯仰角，以根据航向角和所述俯仰角进行卫星定向。因此，本实施例通过增加解算结果强校验机制以及为秩亏方程增加约束条件，充分利用了目标函数中基线向量与双差模糊度的相关性，大大提高LAMBDA搜索模糊度的准确性与计算效率。

如图5所示，一种双天线卫星定向系统200，包括：第一运行模块210、第二运行模块220和定向模块230；

所述第一运行模块210用于：构建双天线在每个历元中的双差观测方程，并搜索每个双差观测方程所对应的双差整周模糊度，根据每个双差整周模糊度所对应的第一基线向量，得到每个双差整周模糊度对应的第一基线长度，并将所有第一基线长度中第一基线长度对应的频度与ratio最高的第一基线长度确定为实际基线长度，其中，ratio为所述双差整周模糊度的最优整数解与次优整数解的残差比；

所述第二运行模块220用于：根据所述每个双差观测方程构建秩亏方程，并基于目标函数，在所述秩亏方程中搜索得到目标整周模糊度，并获取所述目标整周模糊度所对应的目标基线向量和目标基线长度，其中，利用最小二乘法和卡尔曼滤波法对所述每个双差观测方程进行解算，得到并根据整周模糊度浮点解、整周模糊度协方差阵和第一基线向量协方差阵，构建所述目标函数；

所述定向模块230用于：当所述目标基线长度与所述实际基线长度之间满足第一预设条件时，将所述目标基线向量确定为所述双天线的目标定向矢量，并将所述目标定向矢量进行坐标转换，得到所述双天线的航向角和俯仰角，并根据所述航向角和所述俯仰角进行卫星定向。

上述关于本实施例的一种双天线卫星定向系统200中的各参数和各个模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种双天线卫星定向方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

本发明实施例提供的一种存储介质，包括：存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如一种双天线卫星定向方法的步骤，具体可参考上文中一种双天线卫星定向方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

计算机存储介质例如：优盘、移动硬盘等。

本发明实施例提供的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，使所述计算机执行如一种双天线卫星定向方法的步骤，具体可参考上文中一种双天线卫星定向方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为方法、系统、存储介质和电子设备。

因此，本发明可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。