CN115616636A - 一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法及装置 - Google Patents

一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法及装置，定位方法包括，获取多个星座的低轨卫星发射的非合作信号，并通过无人机搭载的处理器计算提取信号的多普勒信息；通过算法估计各星座间的多普勒观测值方差，从而计算各星座间的最优权重矩阵；对用户位置进行百公里级的粗定位；用得到的最优权重矩阵对各星座的多普勒定位方程加权，线性化定位方程；计算接收机实际坐标与当前定位坐标的差向量，用当前坐标加上差向量，从而得到修正后的定位结果。本发明设计合理，相较于单星座低轨卫星定位方法具有更小的误差，具有体积小、精度高、成本低、可抗欺骗干扰等特点，可以在无人机的导航定位领域大规模应用推广。

Description

一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法及装置
技术领域
本发明属于低轨卫星导航定位技术领域，尤其是涉及一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法及装置。
背景技术
无人机飞行作业时需要借助全球卫星导航系统(GNSS)确定其当前所在位置及速度等信息，远程操控无人机对卫星导航系统的定位精度要求较高，若卫星导航系统的定位出现误差，无人机的飞行安全将受到影响，这就要求面向无人机的卫星定位系统能精准的、可靠的提供定位服务。
全球卫星导航系统主要包括GPS、GLONASS、BDS、Galileo等，其在全球具有全天候的高精度定位能力。但传统的导航定位系统大多利用中高轨卫星，通常接收到的信号极其微弱。尤其当接收机处于室内或复杂环境(建筑物遮挡、环境电磁干扰)中时，由于可见卫星数量不足、卫星几何形状不佳或卫星信号消失等因素，导致无人机无法及时准确的更新位置信息。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法及装置，解决无人机导航定位精度与可靠性不足的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，包括如下步骤：
步骤1：获取多个星座的低轨卫星发射的非合作信号，分析信号并得出多普勒信息，并计算卫星轨道数据及实时位置数据；
步骤2：计算各星座间的多普勒观测值方差，从而计算各星座间的最优权重矩阵；
步骤3：对用户位置进行百公里级的粗定位，将粗定位作为定位方程的初始解；
步骤4：用得到的最优权重矩阵对各星座的多普勒定位方程加权，线性化定位方程；
步骤5：计算接收机实际坐标与当前定位坐标的差向量，用当前坐标加上差向量，从而得到修正后的定位结果。
进一步的，所述多个星座的低轨卫星包含两个及以上个星座，包括但不限于Iridium NEXT、Starlink、One Web、Orbcomm。
进一步的，所述步骤1中，通过互联网获取公开的TLE文件，并利用SGP4模型计算得到定位所需的卫星轨道数据及实时位置数据。
进一步的，所述步骤1中，多普勒信息包括通过已知数据计算得到的多普勒预测值和多普勒观测值。
进一步的，所述步骤2中，计算各星座间的最优权重矩阵，采用基于HVCE算法的最优权值估计方法，属于后验方差估计算法，所得结果为各星座间的定位权重比。
进一步的，所述基于HVCE算法的最优权值估计方法初始时设置权重矩阵为等权重矩阵，各星座之间权重均为1:1，经历多轮迭代计算更新权重，直至各星座的单位权方差相等或接近。
进一步的，所述步骤3中对用户位置进行百公里级的粗定位方法为大区域网格搜索方法，按照经度纬度将大区域划分为等间距的网格，取其中误差最小的网格点作为初始解。
进一步的，所述步骤5中通过最小二乘法计算接收机实际坐标与当前定位坐标之间的差向量，其中差向量包含接收机位置的偏移量与时钟漂移。
进一步的，还包括重复执行步骤5，计算差向量并校正定位误差，重复执行直至定位结果收敛至设定的精度，停止循环。
本发明还提供一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位装置，所述定位装置搭载在无人机上，包括天线、低噪声放大器、RF带通滤波器、RF下变频器、以及处理器。
相对于现有技术，本发明所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法具有以下优势：
1、本发明通过小型化的定位装置采集多星座低轨卫星发射的非合作信号，通过无人机上搭载的处理器运行多星座融合卫星定位算法，能够实现无人机的精确定位。利用多星座加权融合定位算法能在一定程度上消除单星座低轨卫星定位时由于可见卫星数量不足、卫星几何形状不佳带来的较大误差，提高无人机定位的精度；
2、低轨卫星具有信号强度高、抗干扰能力强的优点，在室内或复杂环境下仍能收到低轨卫星的非合作信号。面对有意或无意的电磁干扰攻击时，利用非合作信号定位使得本方法具有抗欺骗干扰的能力。弥补了在其他定位方法下卫星信号因各种原因而受到干扰，而导致无法定位的不足，提高无人机定位的可靠性；
3、本发明设计合理，能够降低单星座低轨卫星定位带来的误差。设备均采用已商业化的器件，具有体积小、精度高、成本低、便于购买的特点，可以在无人机的导航定位领域大规模应用推广。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为双星座低轨卫星融合定位装置框图；
图2为定位过程流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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“安装”、“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；可以是直接相连，也可以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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供了一种能应用于无人机的小型化导航定位装置，装置运行多星座低轨卫星融合定位算法以提高无人机定位的精度与可靠性。所述小型化导航定位装置能搭载在无人机上，其内部包含定位功能所需的全部硬件，包括多个星座的专用天线、低噪声放大器、RF带通滤波器、RF下变频器等。装置采集多个星座的非合作信号并从互联网上获得TLE文件，处理器计算提取出所需的信息对无人机进行定位，并通过计算得到的各星座之间的权重矩阵对多普勒定位方程加权，利用多星座融合定位算法进一步降低定位误差。
定位装置内包含专用天线、低噪声放大器、RF带通滤波器、RF下变频器等硬件。装置通过天线采集到多个星座的非合作信号(一个天线对应一个星座，双星座则需要两个天线)，信号先经过低噪声放大器和RF带通滤波器，滤除与定位无关的噪声部分。之后信号通过RF下变频器，使得信号从射频转移至中频，便于处理器对信号进行AD采样。无人机上搭载的处理器采集到处理过的中频信号，计算提取出需要的多普勒信息，包括多普勒预测值
Figure BDA0003931833820000051
多普勒观测值(即真实值)ρ、卫星相对用户速度v、卫星坐标xs。处理器对数据进一步解析，解算出用户当前位置坐标。图1所示为双星座低轨卫星融合定位装置。
三星座、四星座等更多个星座的低轨卫星融合定位装置与双星座低轨卫星融合定位装置类似，在此不再重复说明。
多星座低轨卫星融合定位方法可以得到比单星座低轨卫星更好的定位精度，并能获得更好的可靠性。为实现最好的应用效果，选择星座应尽量满足如下条件：(1)信号落地功率高(2)可见卫星数量多(即卫星覆盖率高)(3)DOP值小。
本发明的设计原理为：由于单星座低轨卫星与用户之间存在相对速度，用户接收到的信号频率与卫星发射的信号频率之间存在一定偏差，这个偏差即为多普勒频移。据此可列出多普勒定位方程，方程中忽略随机测量误差项后有4个未知量：用户位置坐标x＝[x,y,z]、接收机与卫星之间的时钟偏移Ts。此时接收机需要获取4组频率测量值后即可求出方程的解。通过后验方差估计算法(HVCE算法)确定多个星座的低轨卫星定位结果权重来实现多星座低轨卫星融合定位，避免了先验信息不能准确反映当前观测信号质量的不合理。从而减小了单星座低轨卫星定位的误差，提高了系统的可靠性。
基于上述多星座的低轨卫星融合定位装置，在无人机上搭载的处理器上运行多星座融合卫星定位算法实现无人机的导航定位功能。本发明的多星座低轨卫星融合定位方法包括以下步骤，其流程如附图2所示：
步骤1、定位装置获取多个星座的低轨卫星发射的非合作信号，并通过无人机搭载的处理器计算提取信号的多普勒频率，利用公开的TLE文件获得卫星位置、速度等信息，其中多普勒频率包括：通过已知数据计算得到的多普勒预测值
Figure BDA0003931833820000071
和多普勒观测值(即真实值)p；
步骤2、通过HVCE算法估计各星座间的最优权重矩阵，权重矩阵初始设为1:1。计算观测值的单位权方差，然后更新权重，直至观测值的单位权方差相等或接近，此时得到各星座间的最优权重矩阵；
步骤3、对用户位置进行百公里级的粗定位，按经纬度将大区域划分为等间距的网格，计算每一网格点的频率估计残差向量并计算其2-范数，取其中最小值对应的网格点坐标作为粗定位的解，将粗定位解作为加权多普勒定位方程的初始解x0；
步骤4、用得到的最优权重矩阵对两星座的多普勒定位方程加权，线性化定位方程；
步骤5、计算接收机实际坐标与当前定位坐标的差向量Δx，此处Δx通过最小二乘法可表示为Δx＝(GTWTWG)-1GTWTWb，其中G为线性化方程后的状态转移矩阵，W为步骤2所求权重矩阵，b为预测多普勒与真实多普勒之差即
Figure BDA0003931833820000072
用当前的坐标定位结果加上差向量Δx，从而得到修正后的定位结果。
上述步骤5需要重复执行，直至定位结果收敛至所需要的精度，即可停止循环。此时多普勒预测值
Figure BDA0003931833820000073
和多普勒观测值(即真实值)ρ的偏差应接近于零。
本发明可以利用更多的低轨卫星星座，构成多星座的低轨卫星融合定位方法，所构成的多星座低轨卫星融合定位方法相较于单星座低轨卫星定位方法，具有更高的导航定位精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：获取多个星座的低轨卫星发射的非合作信号，分析信号并得出多普勒信息，并计算卫星轨道数据及实时位置数据；
步骤2：计算各星座间的多普勒观测值方差，从而计算各星座间的最优权重矩阵；
步骤3：对用户位置进行百公里级的粗定位，将粗定位作为定位方程的初始解；
步骤4：用得到的最优权重矩阵对各星座的多普勒定位方程加权，线性化定位方程；
步骤5：计算接收机实际坐标与当前定位坐标的差向量，用当前坐标加上差向量，从而得到修正后的定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：所述多个星座的低轨卫星包含两个及以上个星座，包括但不限于Iridium NEXT、Starlink、One Web、Orbcomm。
3.根据权利要求1所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：所述步骤1中，通过互联网获取公开的TLE文件，并利用SGP4模型计算得到定位所需的卫星轨道数据及实时位置数据。
4.根据权利要求1所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：所述步骤1中，多普勒信息包括通过已知数据计算得到的多普勒预测值和多普勒观测值。
5.根据权利要求1所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：所述步骤2中，计算各星座间的最优权重矩阵，采用基于HVCE算法的最优权值估计方法，属于后验方差估计算法，所得结果为各星座间的定位权重比。
6.根据权利要求5所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：所述基于HVCE算法的最优权值估计方法初始时设置权重矩阵为等权重矩阵，各星座之间权重均为1:1，经历多轮迭代计算更新权重，直至各星座的单位权方差相等或接近。
7.根据权利要求1所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：所述步骤3中对用户位置进行百公里级的粗定位方法为大区域网格搜索方法，按照经度纬度将大区域划分为等间距的网格，取其中误差最小的网格点作为初始解。
8.根据权利要求1所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：所述步骤5中通过最小二乘法计算接收机实际坐标与当前定位坐标之间的差向量，其中差向量包含接收机位置的偏移量与时钟漂移。
9.根据权利要求1所述的一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位方法，其特征在于：还包括重复执行步骤5，计算差向量并校正定位误差，重复执行直至定位结果收敛至设定的精度，停止循环。
10.一种面向无人机的多星座低轨卫星融合定位装置，其特征在于：所述定位装置搭载在无人机上，包括天线、低噪声放大器、RF带通滤波器、RF下变频器、以及处理器。
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