CN115793009A - 基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法 - Google Patents

基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，先分别利用陀螺和加速度计测得载体的角速度信息和加速度信息，并送入导航计算机；导航计算机根据角速度信息和加速度信息进行捷联导航计算，利用四元数方程得到四元数向量，得出姿态矩阵和姿态角，通过导航方程得到载体的速度和位移，同时解出各项导航参数的误差方程，并运用卡尔曼滤波技术，对IMU补偿单元和北斗双天线的信息进行融合，根据接收到的基准站差分修正信息进行差分修正，准确得到载体的航向角、姿态角、速度和位置的导航参数。本发明可以获得多个测量站高精度的位置信息，并可提供连续的航向、姿态信息，提高北斗卫星信号的快速重捕获能力。

Description

基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法
技术领域
本发明属于基于卫星定位技术领域，具体涉及基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法。
背景技术
利用北斗卫星导航信号可以用于多站地面设备的定位、测速和授时。由于接收机钟差、电离层误差、对流层误差、相对论误差等因素的影响，其单点定位的精度为米级，无法应用于高精度定位的场合。载波相位差分定位技术利用在短基线下移动站与基准站的各项观测误差具有较高的时间相关性和空间相关性的特性，通过对基准站和移动站的观测信号进行载波相位差分处理，达到了削弱甚至消除电离层、对流层、相对论、多径等多种观测误差的目的，从而实现了高精度的相对定位测量。
北斗导航卫星轨道高度约为2万至4万公里，对应信号传输到地面其信号强度约为-130dBm，信号很弱易受到干扰。采用惯性组合导航的方式可以在北斗卫星信号不可用时提供连续的位置、航向和姿态数据，并在卫星信号可用时，提供辅助捕获，更快进入北斗导航模式。
基于此，提出基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，包括
先分别利用陀螺和加速度计测得载体的角速度信息和加速度信息，并将测得的角速度信息和加速度信息由数据采集器进行模/数转换后被送入导航计算机；
导航计算机根据角速度信息和加速度信息进行捷联导航计算，利用四元数方程得到四元数向量，得出姿态矩阵和姿态角，通过导航方程得到载体的速度和位移，同时解出各项导航参数的误差方程，并运用卡尔曼滤波技术，对IMU补偿单元和北斗双天线的信息进行融合，根据接收到的基准站差分修正信息进行差分修正，准确得到载体的航向角、姿态角、速度和位置的导航参数。
进一步的，所述陀螺的陀螺数据采集单元采集MEMS陀螺的三轴角速度及陀螺内部的温度信息，然后传送给IMU补偿单元，所述加速度计的加速度表数据采集单元采集高精度的石英加速度计的三轴线加速度及加速度计内部的温度信息，并将采集数据传送给IMU补偿单元。
进一步的，所述IMU补偿单元用于对陀螺数及加速度计的输出信号进行误差补偿，然后将补偿后的三轴角速度和三轴线加速度数据传送给组合导航计算机的航向解算单元。
进一步的，所述的航向解算单元通过接收由北斗基准站和北斗从站的信息，解算出北斗航向。
进一步的，所述的航向解算单元对于对载体的三轴角速度、三轴线加速度、及北斗航向、位置、速度的信息进行组合导航解算，根据差分修正信息进行差分修正，计算得到载体准确的位置、速度、姿态信息，然后传送给接口转换单元接口，转换单元用于将组合导航解算单元传输来的信息按照用户需求进行数据转换，然后通过数据接口单元输出，通过数据存储单元存储组合导航设备的导航输出信息。
进一步的，所述的卡尔曼滤波方程具体如下：
Figure SMS_1
其中：X(t)为18阶状态变量，分别有3个位置误差、3个速度误差、3个姿态误差、3个陀螺漂移、3个加速度计零偏和3个陀螺比例系数变量；
F(t)为状态因子；
G(t)为系统参数矩阵；
w(t)为过程噪声；
并根据IMU系统平台误差角方程、速度误差方程、位置误差方程和陀螺、加速度计的随机误差方程，建立系统误差向量z(t)状态方程组；
Figure SMS_2
H(t)为观测矩阵；
X(t)为状态变量；
n(t)为系统噪声；
当系统在惯性/北斗用户差分接收机组合导航模式时，由差分用户机提供系统的观测信息，构成观测方程，观测量如下，由5个观测变量组成，分别是3个位置误差观测量、2个速度误差观测量；
Figure SMS_3
其中，VGe为接收机测量东向速度误差;
VIe为惯性测量东向速度误差;
VGn为接收机测量北向速度误差;
VIn为惯性测量北向速度误差;
LG为接收机经度位置误差观测量；
LI为惯性测量经度位置误差观测量；
λG为接收机纬度位置误差观测量；
λI为惯性测量纬度位置误差观测量；
hG为接收机高度位置误差观测量；
hI为惯性测量高度位置误差观测量；
观测方程如下：
Figure SMS_4
其中，I2×2为2乘2对角单位阵；
I3×3为3乘3对角单位阵；
02×3为2乘3零阵；
05×1为5乘1零阵；
03×2为3乘2零阵；
05×12为5乘12零阵；
X18为18阶状态变量；
υVE为东向速度误差量；
υVN为北向速度误差量；
υL为经度误差量；
υλ为纬度误差量；
υH为高度误差量。
进一步的，在载波相位单差时间比对中，采用多历元模型通过对观测方程递归的方法解算初始整周模糊度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明提出了基于北斗卫星载波相位差分和组合导航的进行多站无源定位的技术，利用本方法可以获得多个测量站高精度的位置信息，并可提供连续的航向、姿态信息。提高北斗卫星信号的快速重捕获能力。
附图说明
图1是本发明整体方法流程图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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。
如图1所示，本发明提供一种技术方案：基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，包括以下步骤：
S1、先分别利用陀螺和加速度计测得载体的角速度信息和加速度信息，并将测得的角速度信息和加速度信息由数据采集器进行模/数转换后被送入导航计算机；
S2、导航计算机根据角速度信息和加速度信息进行捷联导航计算，利用四元数方程得到四元数向量，得出姿态矩阵和姿态角，通过导航方程得到载体的速度和位移，同时解出各项导航参数的误差方程；
S3、运用卡尔曼滤波技术，对IMU补偿单元和北斗双天线的信息进行融合，根据接收到的基准站差分修正信息进行差分修正，准确得到载体的航向角、姿态角、速度和位置的导航参数。
所述陀螺的陀螺数据采集单元采集MEMS陀螺的三轴角速度及陀螺内部的温度信息，然后传送给IMU补偿单元，所述加速度计的加速度表数据采集单元采集高精度的石英加速度计的三轴线加速度及加速度计内部的温度信息，并将采集数据传送给IMU补偿单元。
所述IMU补偿单元用于对陀螺数及加速度计的输出信号进行误差补偿，然后将补偿后的三轴角速度和三轴线加速度数据传送给组合导航计算机的航向解算单元。
所述的航向解算单元通过接收由北斗基准站和北斗从站的信息，解算出北斗航向。
所述的航向解算单元对于对载体的三轴角速度、三轴线加速度、及北斗航向、位置、速度的信息进行组合导航解算，根据差分修正信息进行差分修正，计算得到载体准确的位置、速度、姿态信息；
所述的卡尔曼滤波方程具体如下：
Figure SMS_5
其中：X(t)为18阶状态变量，分别有3个位置误差、3个速度误差、3个姿态误差、3个陀螺漂移、3个加速度计零偏和3个陀螺比例系数变量；
F(t)为状态因子；
G(t)为系统参数矩阵；
w(t)为过程噪声；
并根据IMU系统平台误差角方程、速度误差方程、位置误差方程和陀螺、加速度计的随机误差方程，建立系统误差向量z(t)状态方程组；
Figure SMS_6
H(t)为观测矩阵；
X(t)为状态变量；
n(t)为系统噪声；
当系统在惯性/北斗用户差分接收机组合导航模式时，由差分用户机提供系统的观测信息，构成观测方程，观测量如下，由5个观测变量组成，分别是3个位置误差观测量、2个速度误差观测量；
Figure SMS_7
其中，VGe为接收机测量东向速度误差;
VIe为惯性测量东向速度误差;
VGn为接收机测量北向速度误差;
VIn为惯性测量北向速度误差;
LG为接收机经度位置误差观测量；
LI为惯性测量经度位置误差观测量；
λG为接收机纬度位置误差观测量；
λI为惯性测量纬度位置误差观测量；
hG为接收机高度位置误差观测量；
hI为惯性测量高度位置误差观测量；
观测方程如下：
Figure SMS_8
其中，I2×2为2乘2对角单位阵；
I3×3为3乘3对角单位阵；
02×3为2乘3零阵；
05×1为5乘1零阵；
03×2为3乘2零阵；
05×12为5乘12零阵；
X18为18阶状态变量；
υVE为东向速度误差量；
υVN为北向速度误差量；
υL为经度误差量；
υλ为纬度误差量；
υH为高度误差量。
在载波相位单差时间比对中，采用多历元模型通过对观测方程递归的方法解算初始整周模糊度；
然后传送给接口转换单元接口，转换单元用于将组合导航解算单元传输来的信息按照用户需求进行数据转换，然后通过数据接口单元输出，通过数据存储单元存储组合导航设备的导航输出信息。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，其特征在于：包括
先分别利用陀螺和加速度计测得载体的角速度信息和加速度信息，并将测得的角速度信息和加速度信息由数据采集器进行模/数转换后被送入导航计算机；
导航计算机根据角速度信息和加速度信息进行捷联导航计算，利用四元数方程得到四元数向量，得出姿态矩阵和姿态角，通过导航方程得到载体的速度和位移，同时解出各项导航参数的误差方程，并运用卡尔曼滤波技术，对IMU补偿单元和北斗双天线的信息进行融合，根据接收到的基准站差分修正信息进行差分修正，准确得到载体的航向角、姿态角、速度和位置的导航参数。
2.根据权利要求1所述的基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，其特征在于，所述陀螺的陀螺数据采集单元采集MEMS陀螺的三轴角速度及陀螺内部的温度信息，然后传送给IMU补偿单元，所述加速度计的加速度表数据采集单元采集高精度的石英加速度计的三轴线加速度及加速度计内部的温度信息，并将采集数据传送给IMU补偿单元。
3.根据权利要求1所述的基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，其特征在于，所述IMU补偿单元用于对陀螺数及加速度计的输出信号进行误差补偿，然后将补偿后的三轴角速度和三轴线加速度数据传送给组合导航计算机的航向解算单元。
4.根据权利要求3所述的基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，其特征在于，所述的航向解算单元通过接收由北斗基准站和北斗从站的信息，解算出北斗航向。
5.根据权利要求4所述的基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，其特征在于，所述的航向解算单元对于对载体的三轴角速度、三轴线加速度、及北斗航向、位置、速度的信息进行组合导航解算，根据差分修正信息进行差分修正，计算得到载体准确的位置、速度、姿态信息，然后传送给接口转换单元接口，转换单元用于将组合导航解算单元传输来的信息按照用户需求进行数据转换，然后通过数据接口单元输出，通过数据存储单元存储组合导航设备的导航输出信息。
6.根据权利要求1所述的基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，其特征在于，所述的卡尔曼滤波方程具体如下：
Figure QLYQS_1
其中：X(t)为18阶状态变量，分别有3个位置误差、3个速度误差、3个姿态误差、3个陀螺漂移、3个加速度计零偏和3个陀螺比例系数变量；
F(t)为状态因子；
G(t)为系统参数矩阵；
w(t)为过程噪声；
并根据IMU系统平台误差角方程、速度误差方程、位置误差方程和陀螺、加速度计的随机误差方程，建立系统误差向量z(t)状态方程组；
Figure QLYQS_2
H(t)为观测矩阵；
X(t)为状态变量；
n(t)为系统噪声；
当系统在惯性/北斗用户差分接收机组合导航模式时，由差分用户机提供系统的观测信息，构成观测方程，观测量如下，由5个观测变量组成，分别是3个位置误差观测量、2个速度误差观测量；
Figure QLYQS_3
其中，VGe为接收机测量东向速度误差;
VIe为惯性测量东向速度误差;
VGn为接收机测量北向速度误差;
VIn为惯性测量北向速度误差;
LG为接收机经度位置误差观测量；
LI为惯性测量经度位置误差观测量；
λG为接收机纬度位置误差观测量；
λI为惯性测量纬度位置误差观测量；
hG为接收机高度位置误差观测量；
hI为惯性测量高度位置误差观测量；
观测方程如下：
Figure QLYQS_4
其中，I2×2为2乘2对角单位阵；
I3×3为3乘3对角单位阵；
02×3为2乘3零阵；
05×1为5乘1零阵；
03×2为3乘2零阵；
05×12为5乘12零阵；
X18为18阶状态变量；
υVE为东向速度误差量；
υVN为北向速度误差量；
υL为经度误差量；
υλ为纬度误差量；
υH为高度误差量。
7.根据权利要求6所述的基于高精度北斗组合测量的多站无源定位方法，其特征在于，在载波相位单差时间比对中，采用多历元模型通过对观测方程递归的方法解算初始整周模糊度。
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