一種水面載體的綜合定位裝置和方法
2023-04-26 19:06:51 1
專利名稱：一種水面載體的綜合定位裝置和方法
技術領域：
本發明涉及信號處理技術領域，更具體地，本發明涉及一種水面載體的綜 合定位裝置和方法。
背景技術：
水面導航和定位可以為各種測量跟蹤設備提供初始的位置基準，是測量目 標位置、速度、航行狀況的重要手段。隨著系統性能的不斷提高，對海區的海 域、定位測速的精度、設備協同使用、目標航行等綜合信息都有了更高的要求， 因此需要建設不受固定基站限制的大範圍、高精度、對空對海兼容、高動態、
性價比高的綜合差分GPS定位系統。
為了提高定位精度，現有的GPS接收機常用雙差方法來消除相關性較強的 誤差，常用的雙差方法包括偽距差分和載波相位差分兩種。
偽距差分得到的定位精度嚴重依賴於基線長度和基站本身的精度，其差分 信號由自建差分基站或信標臺提供。信標臺是由國家交通部沿海建立的免費差 分信號廣播系統，在海上傳播的距離大約為300 ~ 400km,能在近岸距離內提供 米級定位精度，在距離超過100km後定位精度迅速下降。
載波相位差分可使定位精度達到釐米級，但是由於其計算收斂時間長，要 求基準站相對固定。當艦船離岸基準站約20km後，由於信號的相關性減弱，定 位精度迅速下降。星站差分在載波相位差分的基礎上，採用誤差模型分離技術 和同步衛星廣播方式，可以在較大範圍內獲得較高精度(約分米級)的定位結 果，但全球星站差分信號的服務費用非常昂貴，不具有普適性。
發明內容
4為克服現有水面載體的大範圍綜合定位中的精度低、普適性差的缺陷，本 發明提出 一種水面載體的綜合定位裝置和方法。
根據本發明的一個方面，提出了一種水面載體的綜合定位裝置，包括多
路GPS信號接收模塊、信標信號接收模塊、數傳電臺和信息處理監控模塊；
其中，所述多路GPS信號接收模塊用於將接收的多個測量點的GPS衛星信
號轉化為衛星偽距原始數據和衛星狀態數據發送到所述到信息處理監控模塊； 所述信標信號接收模塊用於將收到的信標臺差分信號轉化為偽距差分數據
並發送給所述信息處理監控模塊；
數傳電臺用於將收到的動基站差分數據發送到信息處理監控模塊； 信息處理監控模塊，根據所接收的所述衛星偽距原始數據、衛星狀態數據、
所述偽距差分數據以及所迷動基站差分數據，使用偽距觀測方程消除影響GPS
定位的多種誤差源，獲取所述水面載體的精確定位數據。
其中，所述多路GPS信號接收模塊包括分別固定在所述水面載體的多個測
量點的多套GPS接收系統。
其中，所述信息處理監控模塊包括
偽距差分信號綜合模塊，接收所述信標差分數據和所述動基站差分數據；
共視衛星監測模塊，根據所述衛星狀態數據和所述偽距差分信號綜合模塊 的差分數據信息獲得共視衛星信息，反饋給所述偽距差分信號綜合模塊，所述 偽距差分信號綜合模塊根據所述共視衛星信息形成最優差分改正量；
GPS定位數據解算模塊，根據所述最優差分改正量、GPS原始數據和基線長 度，基於偽距觀測方程，獲取所述水面載體的定位數據。
其中，所述共視衛星信息包括衛星編號、衛星仰角。
其中，所述定位數據可以用文字顯示，或者與矢量海圖數據匹配後以圖形 界面顯示；所述定位數據傳送到數傳電臺，與其它所述裝置進行定位數據交互。
其中，所述GPS定位數據解算模塊所消除的GPS誤差源包括衛星鐘差、 接收機鐘差、對流層延遲誤差、電離層延遲誤差軌道誤差、天線相位中心偏差、 地球旋轉和地球固體潮影響誤差。
其中，所述GPS定位數據解算模塊根據下述^^式來修正並獲取水面載體的位置
《=屍0 。)W+^+^; A,
其中，V"為衛星^到基站^的偽距差分改正數，P。為水面載體偽距初始值； 為測量站的接收^L鐘差，A《為基站與測量站的對流層延遲誤和電離層延遲
殘差，^為接收機噪聲誤差；P,為水面載體坐標值。
根據本發明的另一方面，提出了一種水面載體的綜合定位方法，包括 步驟IO)、接收多個測量點的GPS衛星信號，轉化為衛星偽距原始數據和
衛星狀態數據；
步驟20)、接收信標臺差分信號和動基站差分數據；
步驟30)、根據所接收的所述衛星偽距原始數據、衛星狀態數據、所述偽 距差分數據以及所述動基站差分數據，使用偽距觀測方程消除影響GPS定位的 多種誤差源，獲取所述水面載體的精確定位數據。
其中，步驟30)包括
根據所述衛星狀態數據和差分數據信息獲得共視衛星信息，形成最優差分 改正量；根據所述最優差分改正量、GPS原始數據和基線長度，基於偽距觀測方 程，荻取所述水面載體的定位數據；其中，所述共視衛星信息包括衛星編號、 衛星仰角。
其中，根據下述公式來修正並獲取水面載體的位置
口
其中，V"為衛星^到基站^的偽距差分改正數，P。為水面載體偽距初始值； 為測量站的接收機鐘差，A《為基站與測量站的對流層延遲誤和電離層延遲
殘差，^為接收機噪聲誤差；S為水面載體坐標值。
本發明提供的裝置和方法通過多點測量和多差分源綜合處理技術提高GPS 定位精泉；數傳電臺既是差分信號接收設備，也可同時作為多個測量系統之間 的定位數據互傳設備。本裝置採用的差分信號綜合方法可以在較大範圍提高大 載體的定位精度；設備利用率高，同時具備定位、導航、通訊多種功能，能夠用於海上試驗的多種用途和場合。
圖l是多功能高精度綜合定位裝置的結構示意圖2是多路GPS信號接收^^塊結構示意圖3是信號處理監控;漠塊的結構示意圖4示出載體測量點個數與共視衛星數的關係；
圖5是表示海上試驗定位測量示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種水面載體的綜合定位裝置 進^於詳細4苗述。
根據本發明的一個實施例，圖1示出一種多功能高精度的綜合定位裝置的 結構，用於為海上艦船及大型載體在大範圍的定位測量中提供高性價比的解決 方案。
如圖l所示，該定位裝置包括多路GPS信號接收模塊1、信標信號接收模塊 2、數傳電臺3、多串口連接模塊4和信息處理監控模塊5。
其中，多路GPS信號接收模塊1用於接收多個測量點的GPS衛星信號，本 實施例中由3路GPS雙頻差分信號接收板組成，也即3套GPS接收系統。每套 接收系統包含GPS雙頻差分天線、饋線、GPS信號接收處理板、串口數據連接 線、電源連接線。3個GPS雙頻差分天線分別固定安裝在船體高處無遮擋的3個 測量點(如船頭、中部和船尾)，相互間的基線長度事先經過測量。多路GPS 信號接收模塊1將所接收的3路GPS衛星信號轉化為衛星偽距原始數據和衛星 狀態數據通過多串口連接模塊4輸出到信息處理監控模塊5。
信標信號接收模塊2設備包括信標天線、饋線、信標信號接收處理板、 串口數據連接線和電源連接線。信標信號接收模塊2將收到的信標臺差分信號 轉化為偽距差分數據，通過多串口連接模塊4輸出給信息處理監控模塊5。數傳電臺3包括全向電臺天線、饋線、半雙工數傳電臺、串口數據連接 線和電源連接線。數傳電臺3將收到的動基站差分數據通過多串口連接模塊4 輸出到信息處理監控模塊5。
多串口連接模塊4的作用是匯聚多個串口設備的數據，本實施例中使用的 是帶8個擴展串口的外置式串口伺服器，將模塊l、 2、 3的串口數據匯聚，通 過網口送給信息處理監控鬥莫塊5。
信息處理監控模塊5是帶網口的高性能計算機，通過網口與多串口連接模
塊4連接，接收多路GPS信號接收模塊1、信標信號接收模塊2、數傳電臺3的
所述衛星偽距原始數據、衛星狀態數據、所述偽距差分數據以及所述動基站差
分數據，進行定位解算。該模塊的結構如圖3所示偽距差分信號綜合模塊接
收來自模塊2的信標差分數據和來自模塊3的動基站差分數據；共視衛星監測
模塊根據衛星狀態數據和偽距差分信號綜合模塊的差分數據信息獲得共視衛星
信息，包括衛星編號、衛星仰角等，並將這些信息反饋給偽距差分信號綜合模
塊；偽距差分信號綜合模塊根據衛星的仰角形成一組最優差分改正量；GPS定位
數據解算模塊根據該改正量、GPS原始數據和已知的基線長度代入偽距觀測方
程，解算出載體中心的精確定位數據，傳給定位顯示模塊。定位數據除了用文
字顯示外，還與矢量海圖數據進行匹配後顯示為圖形界面；同時通過數據交互
模塊連接到數傳電臺3,與其他系統進行定位數據交互。
在本發明的一個實施例中，影響GPS定位的誤差源主要有衛星鐘差《、
接收機鐘差 < 、對流層延遲誤差《、電離層延遲誤差《以及其它誤差《(包括
軌道誤差、天線相位中心偏差、地球旋轉和地球固體潮影響誤差等)。
(工)
有些誤差可以在偽距差分計算前進行預處理根據衛星播發的導航電文可 以獲得衛星鐘差的修正參數；利用雙頻技術，可以將基準站和流動站的對流層 延遲誤差《和電離層延遲誤差《減小到一定範圍內；其它誤差《也可通過模型 擬合或事前校準，儘量削弱。在偽距差分計算中主要包含的誤差接收機鐘差^、 對流層延遲和電離層延遲殘差《。
基站到衛星的偽距差分量和偽距差分修正計算公式如下formula see original document page 9其中，v"為衛星^到基站^的偽距差分改正數，P。為測量點偽距初始值， 均為已知量；A^為測量站的接收機鐘差，A《為基站與測量站的對流層延遲誤 和電離層延遲殘差，^為接收機噪聲誤差；^為待求的測量點坐標值。設共視 衛星數量為"'，則該測量點需求解的未知量個數為
& = 4 + ", ( 4 )
觀測方程數為
M =", ( 5 )
為了得到確定的解，觀測方程數必須大於未知量個數。在近距離情況下可 以忽略對流層延遲和電離層延遲殘差A《'的影響，未知量個數降為4。只要能觀 測4顆以上的共視衛星數據(GPS衛星覆蓋度為4重)就可以獲得較高精度的定 位結果。但隨著基站與流動站距離增大，A《的影響越來越大，須觀測更多的共 視衛星數才能保證定位數據精度下降不致太多。而隨著距離的增大，共視衛星 的數量只會越來越少。
為了解決這一矛盾，在本方案中採取了兩個措施。 一是借鑑了廣域差分原 理，將多個基站差分信息源進行匯集，增加共視衛星的數量；二是在載體內增 加多個測量點，其位置相對固定，由於這些測量點的位置足夠近，可以認為各 測量點與基站間的殘差《相同，設測量點個數為 ，則需求解的未知量個數變 為
& = 4",+", ( 6 )
觀測方程數變為
M"，,("廠l) ( 7 )
觀測點個數和共視衛星數隻要滿足以下關係就能獲得確定解(見附圖5陰 影區)。
"J&^ (8) ",_1
9從圖中曲線可以看到測量點小於3時，計算所需的共視衛星數太高，基本
難以滿足；當測量點大於3時，所需共視衛星數下降不明顯，而增加的成本迅 速升高。故測量點個數取3較為合適，這時共視衛星數隻要大於5即可。根據 共視衛星監控模塊挑選出所有可用的差分信息，當可用共視衛星數大於最小要 求時，用最小二乘平差法進行迭代計算，可進一步提高定位精度和穩定性。
如附圖5所示的海上試驗中，有4^:試驗船隻，在主船0處(離岸約250km) 布設了一個由Navcom公司提供的基於Starfire星站差分信號服務的動基站， 其自身水平定位精度大約為0. 15m，採用30MHz的短波凝:傳電臺，傳播距離可達 到100km以上，無線數據通信速率可達到9600bps。信標基站的自身定位精度大 約為0. 5m。
假設試驗船1在動基站與岸基之間，距動基站約120km，距岸基信標臺1約 180km，距岸基信標臺2約150km;試驗船2也在動基站與岸基之間，距動基站 約80km,距岸基信標臺1約120km，距岸基信標臺2約250km ;試驗船3距動 基站約30km,距岸基信標臺1約280km,距岸基信標臺2約350km。每臺試驗船 上配置本方案所述的多功能高精度綜合定位裝置，GPS天線(GPS天線的架設點) 分別布設在船頭、船尾和中部駕駛艙頂，由信號處理監控終端根據GPS星曆數 據對收到的信標臺和動基站差分(來自信標臺和自建動基站)進行綜合計算， 形成新的差分信號改正量，再對多點測量的GPS原始數據進行解算。根據該方 法，各試驗船在從海岸到距動基站離岸100km (見附圖5白色區域)處都能獲得 基本一致的定位精度。本發明的裝置單個可以實現載體的定位，在此實施例中 多個試驗船是為了說明不同位置的精度可基本保持已知，體現本裝置的主要作 用是在距離基站較遠時使定位精度不致下降太快。
從該實施例可以看到，使用本裝置，只需要開通少量的星站差分服務基站 就可以在較大範圍內顯著提高定位精度。
在本發明的另一個實施例中，提供一種水面載體的綜合定位方法，包括 接收多個測量點的GPS衛星信號，轉化為衛星偽距原始數據和衛星狀態數據； 接收信標臺差分信號和動基站差分數據；根據所接收的所述衛星偽距原始數據、 衛星狀態數據、所述偽距差分數據以及所述動基站差分數據，獲取所述水面載體的定位數據。
其中，可以使用固定在所述水面載體的多個測量點的多套GPS接收系統來
獲取GPS數據。所述共視衛星信息包括衛星編號、衛星仰角。
所述定位數據可以用文字顯示，或者與矢量海圖數據匹配後以圖形界面顯
示；所述定位數據傳送到數傳電臺，與其它所述裝置進行定位數據交互。
所述獲取所述水面載體的定位數據步驟中，所消除的GPS誤差源包括衛
星鐘差、接收機鐘差、對流層延遲誤差、電離層延遲誤差軌道誤差、天線相位
中心偏差、地球旋轉和地球固體潮影響誤差。其中，根據所述衛星狀態數據和
差分數據信息獲得共視衛星信息，形成最優差分改正量；根據所述最優差分改
正量、GPS原始數據和基線長度，基於偽距觀測方程，獲取所述水面載體的定位
數據；其中，所述共視衛星信息包括衛星編號、衛星仰角。根據下述公式來修
正並獲取水面載，的位置 。>
《=屍。+v" + ^A-+ 7 = 了，其中，v"為衛星A到基站^的偽
距差分改正數，《為水面載體偽距初始值；A^為測量站的接收機鐘差，A《為 基站與測量站的對流層延遲誤和電離層延遲殘差， 為接收機噪聲誤差；《為 水面載體坐標值。
最後應說明的是，以上實施例僅用以描述本發明的技術方案而不是對本技 術方法進行限制，本發明在應用上可以延伸為其他的修改、變化、應用和實施 例，並且因此認為所有這樣的4務改、變化、應用、實施例都在本發明的精神和 教導範圍內。
ii
權利要求
1、一種水面載體的綜合定位裝置，包括多路GPS信號接收模塊、信標信號接收模塊、數傳電臺和信息處理監控模塊；其中，所述多路GPS信號接收模塊用於將接收的多個測量點的GPS衛星信號轉化為衛星偽距原始數據和衛星狀態數據發送到所述到信息處理監控模塊；所述信標信號接收模塊用於將收到的信標臺差分信號轉化為偽距差分數據並發送給所述信息處理監控模塊；數傳電臺用於將收到的動基站差分數據發送到信息處理監控模塊；信息處理監控模塊，根據所接收的所述衛星偽距原始數據、衛星狀態數據、所述偽距差分數據以及所述動基站差分數據，使用偽距觀測方程消除影響GPS定位的多種誤差源，獲取所述水面載體的精確定位數據。
2、 權利要求l的裝置，其中，所述多路GPS信號接收模塊包括分別固定在所述水面載體的多個測量點的多套GPS接收系統。
3、 權利要求l的裝置，其中，所述信息處理監控模塊包括偽距差分信號綜合模塊，接收所述信標差分數據和所述動基站差分數據；共視衛星監測模塊，根據所述衛星狀態數據和所述偽距差分信號綜合模塊的差分數據信息獲得共視衛星信息，反饋給所述偽距差分信號綜合模塊，所述偽距差分信號綜合模塊根據所述共視衛星信息形成最優差分改正量；GPS定位數據解算模塊，根據所述最優差分改正量、GPS原始數據和基線長度，基於偽距觀測方程，獲取所述水面載體的定位數據。
4、 權利要求3的裝置，其中，所述共視衛星信息包括衛星編號、衛星仰角。
5、 權利要求3的裝置，其中，所述定位數據可以用文字顯示，或者與矢量海圖數據匹配後以圖形界面顯示；所述定位數據傳送到數傳電臺，與其它所述裝置進行定位數據交互。
6、 權利要求3的裝置，其中，所述GPS定位數據解算模塊所消除的GPS誤差源包括衛星鐘差、接收機鐘差、對流層延遲誤差、電離層延遲誤差軌道誤差、天線相位中心偏差、地球旋轉和地球固體潮影響誤差。
7、 權利要求3的裝置，其中，所述GPS定位數據解算模塊根據下述公式來修正並獲取水面載體的位置《=屍。+ + + Afr+sv; * 其中，V為衛星s,到基站《的偽A,距差分改正數，p。為水面載體偽距初始值；A^為測量站的接收機鐘差，A《為基站與測量站的對流層延遲誤和電離層延遲殘差，^為接收機噪聲誤差；《為水面載體坐標值。
8、 一種水面載體的綜合定位方法，包括步驟IO)、接收多個測量點的GPS衛星信號，轉化為衛星偽距原始數據和衛星狀態數據；步驟20)、接收信標臺差分信號和動基站差分數據；步驟30)、根據所接收的所述衛星偽距原始lt據、衛星狀態數據、所述偽距差分數據以及所述動基站差分數據，使用偽距觀測方程消除影響GPS定位的多種誤差源，獲取所述水面載體的精確定位數據。
9、 權利要求8的方法，其中，步驟30)包括根據所述衛星狀態數據和差分數據信息獲得共視衛星信息，形成最優差分改正量；根據所述最優差分改正量、GPS原始數據和基線長度，基於偽距觀測方程，獲取所述水面載體的定位數據；其中，所述共視衛星信息包括衛星編號、衛星仰角。
10、 權利要求9的方法，其中，根據下述公式來修正並獲取水面載體的位置S =屍。+Vy+^(^—/。) +A《《=^",其中，為衛星S,到基站、的偽距差分改正數，p。為水面載體偽距初始值；A&為測量站的接收機鐘差，A《為基站與測量站的對流層延遲誤和電離層延遲殘差， 為接收機噪聲誤差；《為水面載體坐標值。
全文摘要
本發明公開一種水面載體的綜合定位裝置和方法，包括多路GPS信號接收模塊，將接收的載體多個測量點的GPS衛星信號轉化為多路衛星偽距原始數據和衛星狀態數據；信標信號接收模塊，將收到的信標臺差分信號轉化為偽距差分數據；數傳電臺，將收到的動基站差分數據發送到信息處理監控模塊；信息處理監控模塊，根據多路衛星偽距原始數據、衛星狀態數據、偽距差分數據以及動基站差分數據，獲取所述水面載體的定位數據。本發明通過多點測量和多差分源綜合處理技術提高GPS定位精度。本裝置可以在較大範圍提高大載體的定位精度；設備利用率高，同時具備定位、導航、通訊多種功能，能夠用於海上試驗的多種用途和場合。
文檔編號G01S5/02GK101470190SQ20081017751
公開日2009年7月1日 申請日期2008年11月18日 優先權日2007年12月26日
發明者劉紀元, 張揚帆, 傑 田, 黃海寧 申請人:中國科學院聲學研究所