一種高精度位置、方位角和俯仰角的組合測量方法及裝置的製作方法
2023-12-10 21:16:17 1
專利名稱：一種高精度位置、方位角和俯仰角的組合測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於定位定向技術領域，涉及一種高精度位置、方位角和 俯仰角的組合測量裝置。
背景技術：
隨著國民經濟和交通事業的發展，定位定向技術顯現出突出重 要的地位，尤其在武器系統中它是一個重要組成部分，是提高自行火 炮射擊精度、快速反應能力和機動性能的主要設備，能夠快速為自行 火炮、指揮車、前觀偵察車和偵察枝射雷達、氣象雷達等提供精確的 位置和基準方向，並能使自行火炮在射擊過程中實現逐發自動復位。
為了真正做到在未來戰爭中有效地保存自己，同時又準確地打 擊敵人，實施飛彈武器的機動發射己成為飛彈作戰的一個發展趨勢。 實施飛彈的機動發射，從保障方面來說，首先要解決的一個問題就是 發射陣地的快速定位、定向，其定位、定向速度的快慢和精度的高低 將直接影響飛彈機動發射的速度及命中目標的效果。當前主要的定位 定向技術分為兩大類。 一類是慣性定位定向技術，另一類是基於衛星
定位系統(如GPS)定位定向技術。目前，追求快速、高精度正是衛 星定位技術研究的一個重要方向，已經有許多成熟的經驗、技術。
美國全球定位系統GPS以及俄羅斯的衛星定位系統GLONASS 自成功應用以來，已經在為用戶提供三維位置、三維速度和時間信息 等方面發揮了巨大的作用，應用領域也日趨擴大。GPS禾nGLONASS 載波相位觀測量是能達到毫米級測量精度的測量信息，這為武器系統 的定向提供了強大的技術基礎。應用GPS或GLONASS測量技術進 行發射陣地的快速定位、定向具有精度高、設備簡單、時間短且不受 限制的特點，已成為極有可能取代常規保障方法的一種手段。目前國內外已經開始採用GPS來研製和開發定位定向裝置，但
它們一般以GPS系統為基礎，使用中衛星數量有限，在受部分遮擋 時會無法定位，而且接收機依賴於GP單系統，特殊情況也下會無法 工作。本發明裝置採用了 GPS和俄羅斯GLONASS雙系統的接收機 為主，同時集成了信標差分技術，確保了系統在GPS受影響時仍然 工作，在沿海地區時接收信標差分信號，能提高實時定位精度到1米。
發明內容
為了解決現有技術定位精度還不能滿足使用要求的問題，本發明 的目的是提供一種三維位置、方位角和俯仰角的組合測量裝置及方 法。
為達到上述目的，本發明提供一種高精度位置、方位角和俯仰角
的組合測量方法，其解決問題的技術方案包括
步驟l:利用兩個衛星接收天線所在的測量標誌點構成測量基線； 步驟2:由雙系統衛星定位接收機板和信標接收機板分別同步接
收第一衛星天線信號和信標天線信號；
步驟3:雙系統衛星定位接收機板同步接收信標接收機的數字信
號；
步驟4: GPS接收機板同步接收第二衛星天線信號；
步驟5:對第一衛星天線信號、第二衛星天線信號和信標信號進
行同步計算來實現對衛星天線所在位置的三維精確測量和天線基線
在地理坐標系下的方位角和俯仰角的精確測量。
根據本發明的實施例，所述三維位置和方位角、俯仰角的精確
測量，是根據坐標基準轉換原理以及坐標投影變換原理，對測量的三
維位置和方位角、俯仰角在WGS — 84坐標基準和北京54坐標基準 之間進行轉換，或在空間地理坐標和高斯平面坐標之間進行轉換。
根據本發明的實施例，通過對雙系統衛星定位接收機板和GPS 接收機板的觀測數據同步釆集，根據採集的載波相位數據、衛星星曆 數據、偽距數據和都卜勒數據，依據載波相位差分的原理，採用顧及殘差平方和的方位角、俯仰角兩維搜索方法來實現對衛星天線基線的 方位角和俯仰角的實時測量。
為達到上述目的，本發明提供一種高精度位置、方位角和俯仰
角的組合測量裝置，解決技術問題的方案包括一塊GPS + GLONASS 雙系統衛星定位接收機板、 一塊GPS接收機板、 一塊信標接收機板、 一臺計算機進行集成，盒外安裝液晶顯示屏和兩個衛星接收天線和一 個信標接收天線；
系統衛星定位接收機板的第一端與第一衛星接收天線一端電性 連接，並進行信號通訊；
雙系統衛星定位接收機板的第二端與信標接收機板的第一端電 性連接，進行信號通訊；
雙系統衛星定位接收機板的第三端與計算機的第一端電性連 接，進行信號通訊。
信標接收機板的第二端與信標接收天線的一端電性連接，，並進 行信號通訊。
GPS接收機板的第一端與第二衛星接收天線的一端電性連接， 並進行信號通訊；
GPS接收機板的第二端與計算機的第二端電性連接，進行信號 通訊；
液晶顯示單元與計算機的第二端電性連接。
根據本發明的實施例，雙系統衛星定位接收機板的第一端與第一 衛星接收天線一端之間採用同軸電纜電性連接；雙系統衛星定位接收 機板的第二端與信標接收機板之間採用串口電性連接；雙系統衛星定 位接收機板的第三端與計算機之間採用串口電性連接。
根據本發明的實施例，信標接收機板和信標接收天線之間採用同 軸電纜電性連接。
根據本發明的實施例，GPS接收機板的第一端與第二衛星接收天 線一端之間採用同軸電纜電性連接；GPS接收機板的第二端與計算機 之間採用串口電性連接。根據本發明的實施例，所述雙系統衛星定位接收機板和GPS接收
機板分別與串口電性連接。
根據本發明的實施例，所述的組合測量裝置，通過計算機同步採
集雙系統衛星定位接收機板和GPS接收機板的觀測數據，經過實時 處理來實現對衛星天線的三維位置和基線方位角、俯仰角的精確測
根據本發明的實施例，所述的組合測量裝置，採用了系統衛星定
位接收機板，用於在任何地區自主實現8米精度的三維位置測量；在
沿海地區則根據信標天線和信標接收機板來實時接收GPS差分信息， 實現優於1米精度的實時位置測量，在3米基線的情況下定向精度優 於0. 1度。
本發明的積極效果本發明的組合測量裝置，則綜合了 GPS十 GLONASS雙系統接收機、單系統GPS接收機，還集成了信標接收機， 保證了定位精度優於8米，在沿海地區可以接收信標差分信號，使得 精度優於1米，而根據兩塊接收機板同步接收的觀測數據進行方位和 俯仰的計算，從而測量方位角和俯仰角，在3米基線的情況下方位角 精度優於0. 1度。
圖1是本發明高精度位置、方位角和俯仰角的組合測量裝置框圖
具體實施例方式
下面將結合附圖l對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述 的實施例僅旨在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
本發明採用衛星定位技術，來實現對位置和方位角、俯仰角的快 速測量，發明了一種實時測量衛星天線位置和方位角、俯仰角的裝置。 它為一個帶液晶顯示單元的密封鋁盒，在鋁盒內集成了固定安裝了一 臺PC-104工業控制計算機7、 一塊GPS + GLONASS雙系統衛星定位接收機板4、一塊GPS衛星定位接收機板6和一塊信標接收機板5。 盒外還配備了第一衛星接收天線2、第二衛星接收天線3和一個信標 接收天線l，第一衛星接收天線2、第二衛星接收天線3與鋁盒內的 GPS + GLONASS雙系統衛星定位接收機板4、 一塊GPS衛星定位接 收機板6電性連接，並進行信號通訊，信標接收天線1通過同軸電纜 和鋁盒內的信標接收機板5電性連接，並進行信號通訊。GPS + GL0NASS雙系統衛星定位接收機板4和一塊信標接收機板5通過電 性連接進行信號通訊，實現實時高精度的三維位置測量。GPS + GLONASS雙系統衛星定位接收機板4和GPS衛星定位接收機板6 都與PC-104工業控制計算機7通過電性連接，進行信號通訊，利用 同步觀測的數據來實現對第一衛星接收天線2、第二衛星接收天線3 構成的方位角和俯仰角的實時動態測量，三維位置測量結果、方位角 和俯仰角測量數值能夠在液晶顯示屏8上進行實時動態顯示。
GPS + GLONASS雙系統衛星定位接收機板4的第一端與第一衛 星接收天線2 —端之間採用同軸電纜電性連接；GPS + GLONASS雙 系統衛星定位接收機板4的第二端與信標接收機板5之間採用RS232 串口電性連接；GPS + GLONASS雙系統衛星定位接收機板4的第三 端與PC-104工業控制計算機7之間採用RS232串口電性連接。
信標接收機板5和信標接收天線1之間採用同軸電纜電性連接。
GPS接收機6板的第一端與第二衛星接收天線3 —端之間採用同 軸電纜電性連接；GPS接收機板6的第二端與PC-104工業控制計算 機7之間採用RS232串口電性連接。PC-104工業控制計算機7的串 口可以實時輸出BCD碼格式的定位和定向數據。
GPS + GLONASS雙系統衛星定位接收機板4和信標接收機板5 分別接收第一衛星接收天線2、第二衛星接收天線3和信標接收天線 1傳來的信號來精確測量第一衛星接收天線2所在位置的三維位置。 同時根據GPS + GLONASS雙系統接收機板4和GPS接收機板6所 同步接收採集的GPS載波相位觀測數據、衛星星曆數據、偽距數據 和都卜勒數據，根據採集的載波相位數據、衛星星曆數據、偽距數據和都卜勒數據，依據載波相位差分的原理，採用顧及殘差平方和的方
位角、俯仰角兩維搜索方法，由PC-104工業控制計算機7來實時計 算第一衛星接收天線2和第二衛星接收天線3構成的基線在地理坐標 系中的方位角和俯仰角的實時測量。
本發明裝置綜合運用了 GPS + GLONASS雙系統衛星定位技術、 GPS定位技術、信標差分技術，組合採用了接收機4和接收機6的載 波相位差分思想，根據方位角和俯仰角的搜索原理來實現雙天線基線 的方位角和俯仰角的實時測量。
採用載波相位形成雙差方程，這樣可以消去電離層、對流層、接 收機鐘差等參數，方便數據處理。雙差方程一般為
(1)
其中
AV《"《_^—為相位的雙差組合
= n t +凡乂
續"
而
為距離的雙差組合。 為模糊度的雙差組合,
.D +『-。2+(z':zm)2
《=V(義'-"+『-。2 -ZA)2 W = VW -"2 +(":。2 + W -Zm)2 及/ = #
(2)
(3)
(4)
(5)
(z'， r', z')為衛星/的位置，根據導航電文進行解算，(f, W)為
衛星)的位置，也根據導航電文進行解算，(16, & z6)為基準站的位 置，是已知量，(Xw4,ZJ為流動站的位置，它為待求量。
利用雙差載波相位求解的確關鍵是模糊度的準確求解。目前有不 少求解模糊度的方法，如基於三維位置的搜索方法和基於模糊度組合 的搜索方法，這些搜索方法一般都是三維的搜索過程，計算工作量較 大。對於精密定向這種場合，基線的距離是精確已知的，因此為了方
10便計算，節省搜索時間，我們充分利用距離己知的條件，採用了基於 俯仰和方位的二維搜索方法，搜索過程中採用了模糊度的方法，可以 大大克服周跳的影響，而且能適應動態環境。
由於兩個天線之間距離是固定己知的，因此根據方位角和俯仰角
就可以計算兩個天線間在站心坐標下的坐標增量
71, = 6 cos "cos a ;=6cos/ sina Tz = sin々
(6)
一般兩個天線中的天線1坐標認為是已知量(採用單點定位結 果)，並將該站作為基準站，根據坐標增量就可以計算，另一天線(看
作流動站)的坐標可以進行如下計算
(7)
(AZ)為當地的經緯度位置，給定一組方位角和俯仰角就可以計 算出相應的流動站坐標。
對於單頻接收機模糊度函數一般採用如下的方法進行計算
—sin 5 cos丄—sinZcos萬COS Z乂
一 sin 5 sin丄cos丄cos 5 sin ￡+
cosS0sin 5人
^ 一 "0 乂
(8)
"("一l)
其中，為利用載波相位計算的雙差觀測值。 而
AVfc〖是根據基準站位置、流動站位置計算的距離雙差，即 △▽&i=&-W + W，具體計算同上面的公式。A:表示曆元計 數，z'表示衛星號，y'為雙差的參考衛星，"為衛星數。
在正確位置上，模糊度函數」具有極大值，且接近l。但對於單 個曆元、單個雙差所對應的模糊度極大值不是唯一的。因此實際應用 中，常常先用若干個曆元的所有雙差模糊度函數聯合起來一起計算，
li這樣除了在正確位置上模糊度函數始終保持極大值外，其它點上出現 極大值的可能性將逐步減少。
具體搜索時，可以先按0.5度間隔作為方位角和俯仰角的搜索步 長，在搜索範圍內進行二維搜索。計算相應的流動站位置後，計算出
模糊度函數大於某個閾值(如0.85)的所有極值點作為檢驗點，再在 這些檢驗點附近(士0.5度範圍內)進行小步長O.Ol度的極大值點搜 索，求出最大模糊度函數值所對應的位置和方位角、俯仰角。
本發明裝置工作時，利用兩個衛星接收天線所在的測量標誌點構 成測量基線；將第一衛星接收天線2和第二衛星接收天線3固定安裝 在要測量位置和方位角、俯仰角的物體上，並事先精確測量第一衛星 接收天線2和第二衛星接收天線3之間的距離，精確到毫米。採用同 軸電纜將第一衛星接收天線2和第二衛星接收天線3和信標接收天線 1連接到組合測量裝置的相應接口上。
GPS + GLONASS雙系統衛星定位接收機板4通過同軸電纜接收 衛星接收天線1傳來的GPS和GLONASS衛星信號，信標接收機板5 同軸電纜接收信標天線1傳來的信標信號，並由串口將信標信號傳送 給GPS + GLONASS雙系統接收機板4， GPS + GLONASS雙系統接 收機板4進行處理後再將信息通過串口傳給PC—104工業控制計算 機7。 GPS接收機板6通過同軸電纜接收第二衛星接收天線3傳來的 GPS衛星信號，並由串口傳給PC—104工業控制計算機7。 PC-104 工業控制計算機7根據GPS + GLONASS雙系統接收機板4傳來的信 息來實時計算三維位置，在任何地區可以實現8米精度的定位，而在 沿海地區可以根據信標傳來的差分信息實現優於1米的高精度定位。 同時PC—104工業控制計算機7根據同步接收的GPS + GLONASS 雙系統接收機板4的觀測數據和GPS接收機板6的觀測數據，採用 載波相位差分思想，應用方位角俯仰角兩維搜索方法來實時計算出第 一衛星接收天線2和第二衛星接收天線3所構成基線的方位角和俯仰 角。
所測量的三維位置和方位角、俯仰角等結果可以根據坐標變換原理，通過軟按鍵操作，位置和方位俯仰信息可以在WGS — 84坐標基 準和北京54坐標基準之間進行實時轉換，也能進行空間地理坐標和 高斯投影坐標之間的相互轉換，測量的結果能夠在液晶顯示單元8上 實時顯示當前的準確時間、地理經緯度和高度以及兩個衛星天線所構 成的方位角和俯仰角。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍 並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內， 可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內，因此， 本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1、一種高精度位置、方位角和俯仰角的組合測量方法，其特徵在於，包括步驟如下步驟1利用兩個衛星接收天線所在的測量標誌點構成測量基線；步驟2由雙系統衛星定位接收機板和信標接收機板分別同步接收第一衛星天線信號和信標天線信號；步驟3雙系統衛星定位接收機板同步接收信標接收機的數位訊號；步驟4GPS接收機板同步接收第二衛星天線信號；步驟5對第一衛星天線信號、第二衛星天線信號和信標信號進行同步計算來實現對衛星天線所在位置的三維精確測量和天線基線在地理坐標系下的方位角和俯仰角的精確測量。
2、根據權利要求1所述的組合測量方法，其特徵在於，所述三維位置和方位角、俯仰角的精確測量，是根據坐標基準轉換原理以及坐標投影變換原理，對測量的三維位置和方位角、俯仰角在WGS —84坐標基準和北京54坐標基準之間進行轉換，或在空間地理坐標和 高斯平面坐標之間進行轉換。
3、 根據權利要求1所述的組合測量裝置，其特徵在於，通過對 雙系統衛星定位接收機板和GPS接收機板的觀測數據同步採集，根 據採集的載波相位數據、衛星星曆數據、偽距數據和都卜勒數據，依 據載波相位差分的原理，採用顧及殘差平方和的方位角、俯仰角兩維 搜索方法來實現對衛星天線基線的方位角和俯仰角的實時測量。
4、 一種高精度位置、方位角和俯仰角的組合測量裝置，特徵在 於，包括 一塊雙系統衛星定位接收機板、 一塊GPS接收機板、一 塊信標接收機板、 一臺計算機進行集成，盒外安裝液晶顯示屏和兩個 衛星接收天線和一個信標接收天線；雙系統衛星定位接收機板的第一端與第一衛星接收天線一端電 性連接，並進行信號通訊；雙系統衛星定位接收機板的第二端與信標接收機板的第一端電 性連接，進行信號通訊；雙系統衛星定位接收機板的第三端與計算機的第一端電性連 接，進行信號通訊；信標接收機板的第二端與信標接收天線的一端電性連接，並進 行信號通訊；GPS接收機板的第一端與第二衛星接收天線的一端電性連接， 並進行信號通訊；GPS接收機板的第二端與計算機的第二端電性連接，進行信號通訊；液晶顯示單元與計算機的第二端電性連接。
5、 根據權利要求4所述的組合測量裝置，其特徵在於，.雙系統 衛星定位接收機板的第一端與第一衛星接收天線一端之間採用同軸 電纜電性連接；雙系統衛星定位接收機板的第二端與信標接收機板之 間採用串口電性連接；雙系統衛星定位接收機板的第三端與計算機之間採用串口電性連接。
6、 根據權利要求4所述的組合測量裝置，其特徵在於，信標接 收機板和信標接收天線之間採用同軸電纜電性連接。
7、 根據權利要求4所述的組合測量裝置，其特徵在於，GPS接收機板的第一端與第二衛星接收天線一端之間採用同軸電纜電性連 接；GPS接收機板的第二端與計算機之間採用串口電性連接。
8、 根據權利要求4所述的組合測量裝置，其特徵在於，所述雙 系統衛星定位接收機板和GPS接收機板分別與串口電性連接。
9、 根據權利要求4所述的組合測量裝置，其特徵在於，通過計 算機同步採集雙系統衛星定位接收機板和GPS接收機板的觀測數據， 經過實時處理來實現對衛星天線的三維位置和基線方位角、俯仰角的
10、 一種高精度位置、方位角和俯仰角的組合測量裝置，採用了 雙系統衛星定位接收機板，用於在任何地區自主實現8米精度的三維位置測量；在沿海地區則根據信標天線和信標接收機板來實時接收 GPS差分信息，實現優於1米精度的實時位置測量，在3米基線的情況下定向精度優於O. 1度。
全文摘要
公開一種高精度位置、方位角和俯仰角的組合測量方法及裝置，利用兩個衛星接收天線所在測量標誌點構成測量基線；雙系統衛星定位接收機板和信標接收機板同步接收第一衛星天線和信標天線信號；雙系統衛星定位接收機板同步接收信標接收機的數位訊號；GPS接收機板同步接收第二衛星天線信號；對第一、第二衛星天線信號和信標信號同步計算實現對衛星天線所在位置的三維精確測量和天線基線在地理坐標系下方位角和俯仰角測量。本發明集成雙系統衛星定位、GPS、信標接收機板和計算機，盒外安裝液晶顯示屏和兩個衛星和信標接收天線，保證定位精度優於8米，在沿海地區接收信標差分信號，使得精度優於1米，在3米基線的情況下定向精度優於0.1度。
文檔編號G01S19/53GK101446634SQ200710178328
公開日2009年6月3日 申請日期2007年11月28日 優先權日2007年11月28日
發明者丁赤飈, 尤紅建, 林 蘇 申請人:中國科學院電子學研究所