CN102262236B - 一种运动载体方位标定装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可广泛应用于测绘、地质勘探、气象雷达等领域的运动载体方位标定装置，包括有天线、电缆、和差信号网络、和差信号接收模块、电源模块、串口数据线、显控模块；天线为两路矩阵形天线；和差信号接收模块通过串口数据线与显控模块连接；两路天线接收的卫星信号通过电缆将∑信号与Δ信号构成和差信号网络，∑、Δ信号通过和差信号接收模块解算送入显控模块。本发明装置具有抗干扰性能好，智能化程度高，定向结果可靠等特点。本发明同时还具有体积小、重量轻、价格便宜、全天候、误差不随时间积累、无需长时间初始对准等诸多优点。

Description

一种运动载体方位标定装置及其标定方法

技术领域

本发明涉及无线电定向装置及方位标定方法，具体地说是一种可利用北斗卫星导航定位***进行运动载体方位标定的装置其标定方法。

背景技术

GPS由美国研制的空间卫星导航定位***，其空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾角为55°。目前，运动载体姿态标定***主要是利用GPS对载波相位高精度的相对定位信号，来确定两天线相位中心的相对位置，以计算载体的方位角、俯仰角和横滚角。该***通常需要3个以上的接收天线，以防止运动载体旋转时屏蔽掉1个或更多的天线，其余额外的天线提供测量冗余度；***中各天线共用的载波相位接收机测定足够多的GPS卫星载波瞬时相位，并比较相位差，最终完成精确测定基线的空间方向；对互不平行且不共平面的三条基线测向，则可测定运动载体空间指向，亦即确定其姿态。具体的测定方法是以一个天线(O₁)为基准点，精确测量WGS84坐标系下另外两个天线(O₂、O₃)相对于O₁的坐标差(ΔX2，ΔY2，ΔZ2)和(ΔX3，ΔY3，ΔZ3)。依据坐标差算出三个姿态角。***中三个天线的相位中心构成两个短基线(长度约为3～30m)。***测姿的精度主要取决于基线的长度和基线的相对定位精度。当基线b＝3.0m时，测姿精度可达0.2°～0.5°；当基线大于30m时，测姿精度可达0.02°。载波相位相对定位的观测值为L波段载波的相位值，它包括整周数N(存在模糊度)和不足1周的相位值Δф，Δф的测量精度很高，一般其等效距离只有(2～3)mm。因此，如何准确确定整周模糊度就成为载波相对定位的关键。常规的静态定位一般利用长时间的静态观测，使卫星几何图形产生足够大的变化，从而求解出整周模糊度。在动态定位中，整周模糊度的在航解算(OnTheFly)方法主要有快速模糊度解算法(FARA)、最小二乘模糊度搜索法(LSAST)、模糊函数法(AFM)等。由此可见利用GPS的运动载体姿态标定技术已比较成熟。由此可见，利用GPS的运动载体姿态标定***其技术已相对比较成熟。

北斗卫星导航定位***是中国研制的定位***。目前启用的北斗一号卫星导航定位***属于区域性定位***，它由三颗北斗卫星组成，均为静止轨道卫星。由于该***采用的是静止轨道地球同步卫星，其卫星数目较少并且只发送一个频率的下行载波，因此，GPS运动载体姿态标定技术并不适用于北斗一号卫星导航定位***。

目前，利用北斗一号卫星导航定位***进行姿态测量主要采用旋转天线法。该方法存在诸多问题，如求解整周模糊度的算法复杂，检核困难，定向结果可靠性低；两路射频部分的时延一致性难以保证，定向结果误差大；抗干扰性能差，抗多径设计会大大增加天线及后端处理的复杂性。

本发明的目的就是要提供一种抗干扰性能好，智能化程度高，定向结果可靠性高的，适用于北斗一号卫星导航定位***的运动载体方位标定装置，同时提供一种尤其适用于利用北斗一号卫星导航定位***进行运动载体方位标定的方法。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明所提供运动载体方位标定装置，包括有天线、电缆、和差信号网络、和差信号接收模块、电源模块、串口数据线、显控模块；天线为两路矩阵形天线；和差信号接收模块通过串口数据线与显控模块连接；两路天线接收的卫星信号通过电缆将∑信号与Δ信号构成和差信号网络，∑、Δ信号通过和差信号接收模块解算送入显控模块。

本发明装置通过两路矩阵形天线同时接收北斗卫星信号，采用多模式并行工作，经过和差处理后，送入显控模块；在对天线接收的功率数据进行比较、处理时，找出功率最小值，由此较为精确的找到正对卫星的方向；再根据本机当前坐标与卫星的空间几何关系，解算出天线所指方向与真北之间的方位角。

本发明装置具有抗干扰性能好，智能化程度高，定向结果可靠等特点。本发明同时还具有体积小、重量轻、价格便宜、全天候、误差不随时间积累、无需长时间初始对准等诸多优点。

本发明装置可广泛应用于测绘、地质勘探、气象雷达等领域。

本发明所提供的利用北斗一号卫星导航定位***进行运动载体方位标定的方法，是由本发明装置中的两路矩阵形天线分别接收两组来自北斗卫星的相位信息，通过和差信号网络转换为包含幅度信息的单通道信号，在通过幅度测量来实现方位的测量。

更为具体的运动载体方位标定的方法是：

a、开机注册：输入本机所在地的大地坐标LBH或大地直角坐标XYZ；

b、获取卫星坐标：转动天线，开启本机，通过和差信号接收模块锁定北斗卫星中的一颗卫星波束且计算出功率足够强的时候，停止转动天线，和差信号接收模块中的信号处理模块开始输出接收到的和差信号网络中的支路功率数据，待完整接收到卫星坐标后，停止输出；重复上述过程直至三颗卫星的坐标接收完毕，将卫星的空间坐标作为后面计算的参数进行保存；

c、获取∑信号与Δ信号：天线接收卫星信号，通过和差信号网络得到Δ、∑信号，经过和差信号接收模块对输入信号的解扩、解调、译码等，解出信号功率及导航电文，送入显控模块。

d、计算卫星方位：其流程包括显控模块向和差信号接收模块中发送传递功率命令，和差信号接收模块并行搜索处理六个波束卫星信号功率并实时将信号功率发送至显控模块，显控模块同时接收***输入的方位数据，将接收到的来自和差信号接收模块的功率数据与方位数据一一对应；打标记，并对数据进行处理；当天线旋转两周后，显控模块发送停止命令至和差信号接收模块，和差信号接收模块停止输出；然后经过计算得到3颗卫星所在的一组方位角数据；通过计算可得到一组真北方位数据；将这组真北方位数据剔除野值后，取平均值即可得到真北方位数据；

e、传递真北方位数据。

本发明装置及其方法与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和有益效果：

(1)利用两路矩阵形天线的接收功率差的最小值确定卫星信号方位，用接收功率和的最大值来解决方位的模糊，由此避免了载波整周模糊度的求解，简化了计算方法，提高了装置的运行效率。

(2)卫星∑、Δ信号在和差信号网络出口获得，射频部分的延时对方位确定无影响，由此大大降低了对设备一致性的苛求条件，提高了定向结果的可靠性，降低产品成本。

(3)多径效应对信号功率估值影响不大，所以对定向精度的影响也不大。

本发明中的∑信号是指和支路信号；Δ信号是指差支路信号；

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置中的天线结构示意图。

图3是本发明装置中的和差信号网络的电路原理图

图4是本发明装置中的和差信号接收模块的功能框图。

图5是本发明装置中和差信号接收模块中的信号通道处理模块的功能及结构框图。

图6是本发明装置中显控模块***硬件结构示意图。

图7是本发明装置天线接收卫星信号原理图。

以下结合附图对本发明做进一步的详述。

具体实施例

本发明装置如图1所示，包括有天线1、电缆2、和差信号网络3、和差信号接收模块4、电源模块5、串口数据线6、显控模块7；天线1为两路矩阵形天线(101、102)，和差信号接收模块4通过串口数据线6与显控模块7连接；天线1为两路矩阵形天线(101、102)，两路天线(101、102)接收的卫星信号通过电缆2将∑信号与Δ信号构成和差信号网络3；和差信号接收模块4接收和差信号网络3输入的∑、Δ信号经过解算送入显控模块7。

如图2所示，本发明装置的两路天线(101、102)优选微带天线阵列，方位面采用16个阵子(A₁～A₈、A₉～A₁₆)，每路天线方位面采用8个阵子；在物理结构上分为左右两个部分(即左边8个阵子，右边8个阵子)，接收的卫星信号通过电缆2将∑信号与Δ信号构成和差信号网络3。和差信号网络3中的∑、Δ信号通过∑信号接口与Δ信号接口输入和差信号接收模块4，经解算得到一个方位和波束和方位差波束并送入显控模块7。如此通过加大天线平面净尺寸，有效提高了天线的接收性能。

本发明装置中的和差信号网络3的主要功能是搬移微波信号的相位。

其功能框图如图3所示，微波移相器301、微波功率合成器302、构成和差信号网络3。一路天线101信号分别走传输线a和传输线b，当其选择传输线b时会比走传输线a多走2个四分之一波长(λ/2)。因此，天线101走传输线b就比走传输线a相位滞后180度。天线101信号的模值保持不变，相位变化180度，则天线101信号就会变为负值，然后将微波移相器301所输出的信号送给微波功率合成器302。另一路天线102信号通过c传输线直接进入微波功率合成器302。微波功率合成器302将由一路天线101传输的两支路信号分别与另一路天线102传输的信号合成，即做相加运算，输出两路数值。

本发明装置中的和差信号接收模块4用于实现对输入信号的捕获、跟踪、解扩、解调、译码功能，解出信号功率及导航电文。其具体的电路设计如图4所示，该模块由A/D转换器(401、404)和通道处理模块(402、403)和信号处理模块405构成，其中的A/D转换器(401、404)分别通过通道处理模块(402、403)与信号处理器模块405相连，信号处理模块405提取通道处理模块送来的数据，经处理送入显控模块7。A/D转换器(401、403)将和差信号网络3送来的模拟信号转换为数字信号，然后再通过通道处理模块(402、403)对数字中频信号及复现载波和复现码的相关处理输出功率值及导航电文等信息，通过信号处理模块405提取通道处理模块(402、403)送来的功率值及导航电文信息送入显控模块7，而后显控模块7对接收到的功率值数据进行比较，数值越小表明天线与卫星之间的夹角越小，当数值达到相对最小值时，天线正对卫星。

上述的通道处理模块(402、403)的功能、结构如图5所示，该模块包括有本地数字载波发生器、NCO(载波数控振荡器)、I支路码相关器、Q支路码相关器。通道处理模块(402、403)接收和差网络3送来的数字中频信号，由本地数字载波发生器、NCO产生的复现载波和复现码与接收的数字中频载波信号和码信号相乘，然后经过I支路相关器、Q支路相关器进行相关处理，得到功率值及导航电文信息观测量。

上述中的I是指In-phase(同相分量)；Q是指Quadrature(正交分量)。

本发明装置中的显控模块7负责对和差信号接收模块4、与***输入的方位角数据进行处理。在数据处理时，对两路天线的数据进行比较，以找出最小值，即为正对卫星的方向，由此再根据本机当前坐标与卫星的空间几何关系可以解算出天线所指方向与真北之间的方位角。

本发明装置中的显控模块7即CPU，与显控模块连接的***硬件由FPGA+DSP结构实现。如图6所示，包括有USB接口701，定位数据接口702、方位角数据录取接口703、和差信号接收模块接口704，实时钟705，JTAG 706，Flash接口707、SDRAM接口708，以太网接口709，液晶屏710，键盘711，及SD卡712。显控模块7中运行的操作***，可以方便地实现液晶显示屏710驱动、控制面板接口、扩展接口等功能。USB为显控模块7提供内置主从控制接口；定位数据接口702、方位角数据录取接口703、和差信号接收模块接口704分别接收定位数据、方位角数据及和差信号；实时钟705为显控模块7提供时间。显控模块7根据信号功率及对应的角度信息及从导航电文中解算的卫星位置解算出卫星方位与天线方位的对应关系，进而推算出真北方位与天线方位的关系；定位数据接口702可从外部定位终端获得自身位置坐标信息。

本发明装置中的电源模块5为各个模块提供所需要的功耗。

采用本发明装置，利用北斗一号卫星导航定位***进行运动载体方位标定：首先通过两路矩阵形天线(101、102)分别接收两组来自北斗卫星的相位信息，通过和差信号网络3转换为包含幅度信息的单通道信号，再通过幅度测量来实现方位的测量。

其更为具体的步骤是：

a、开机注册：主要是从键盘711输入本机所在地的大地坐标LBH或大地直角坐标XYZ。

b、获取卫星坐标：转动天线，开启本机，通过和差信号接收模块4锁定北斗卫星中的特定卫星波束且计算出功率足够强的时候，停止转动天线，信号通道处理器405开始输出接收到的和差信号网络3中的支路功率数据，待完整接收到卫星坐标后，停止输出；重复上述过程直至三颗卫星的坐标接收完毕，将卫星的空间坐标作为后面计算的参数进行保存；

c、获取方位波束和信号与方位波束差信号：接收天线发送的和支路功率数据、同时接收***输入的方位角数据并将和支路功率数据和天线方位数据形成映射关系，根据接收到的方位角数据确定天线转动了一周后，设置天线输出差支路功率数据；

d、计算卫星方位：

显控模块7向和差信号接收模块4中发送传递功率命令，和差信号接收模块4并行搜索处理六个波束卫星信号功率并实时将信号功率发送至显控模块7，显控模块7同时接收方位数据，并将接收到的来自和差信号接收模块4的功率数据与方位数据一一对应；打标记，并对数据进行处理；当天线旋转两周后，显控模块7发送停止命令至和差信号接收模块4，和差信号接收模块4停止输出；然后经过计算得到3颗卫星所在的一组方位角数据；通过计算可得到一组真北方位数据；将这组真北方位数据剔除野值后，取平均值即可得到真北方位数据；

e、传递真北方位数据。

5、传递真北方位流程：人工或自动。

本发明装置天线接收卫星信号原理如图7所示，随时间不断旋转的两路天线(101、102)接收的两路信号，两路天线相位中心距离为L，卫星与天线中心平面夹角为α，可以得到两路天线(101、102)接收到的信号传输距离差s，设天线(101、102)均为各向同性且性能相同，经过移相和切换后可以得到一包络信号，通过对包络信号对α的微分可知：包络的变化dP正比于L，反比于λ。根据包络的极值点可以确定卫星方位，根据本机位置坐标及卫星位置坐标确定本机至卫星的基线方位，进而确定真北方位。

其具体运算方式如下：

首先进行和差运算，两路天线(101、102)相位中心距离(即基线长度)为L，卫星与天线中心平面夹角为α，则两路天线(101、102)接收到的信号传输距离差为：

S＝Lcosα＝Φλ/2π     (1)

即Φ＝2πLcosα/λ      (2)

设天线(101、102)均为各向同性且性能相同，令天线(101)接收信号为：

PA＝Acosω0t            (3)

则天线(102)接收信号为

PB＝Acos(ω0t+Φ)       (4)

经过和差运算后得到∑+Δ和∑-Δ

∑＝PA+PB＝Acosω0t+Acos(ω0t+Φ)

＝2Acos(ω0t+Φ/2)cosΦ/2    (5)

Δ＝PA-PB＝Acosω0t-Acos(ω0t+Φ)

＝2Asin(ω0t+Φ/2)sinΦ/2    (6)差支路经过移相和切换后表达式为：

ΔM＝I(t)2Acos(ω0t+Φ/2)sinΦ/2    (7)

其中I(t)值为1，-1，则有：

∑+ΔM＝2Acos(ω0t+Φ/2)×〔cosΦ/2+I(t)sinΦ/2〕    (8)

为一包络信号，其包络变化幅度为：

P＝4AsinΦ/2

为考察包络变化，求包络P对α的微分，得：

dP＝-4Acos(πLcosα/λ)*πLsinα/λ*dα    (9)

由(9)式可知：包络的变化dP正比于L，反比于λ

根据包络的极值点可以确定卫星方位，根据本机位置坐标及卫星位置坐标确定本机至卫星的基线方位，进而确定真北方位。

Claims (5)

1.一种运动载体方位标定装置，其特征在于该装置包括有天线（1）、电缆（2）、和差信号网络（3）、和差信号接收模块（4）、电源模块（5）、串口数据线（6）、显控模块（7）；天线（1）为两路矩阵形天线（101、102）；和差信号接收模块（4）通过串口数据线（6）与显控模块（7）连接；两路矩阵形天线（101、102）接收的卫星信号通过电缆（2）将Σ信号与Δ信号构成和差信号网络（3），Σ、Δ信号通过和差信号接收模块（4）解算送入显控模块（7）；其中所述的Σ信号为和支路信号，Δ信号为差支路信号。

2.根据权利要求1所述的运动载体方位标定装置，其特征在于所说的两路矩阵形天线（101、102）为微带天线阵列，每路天线方位面采用8个阵子。

3.根据权利要求1或2所述的运动载体方位标定装置，其特征在于所说的和差信号网络（3）由微波移相器（301）与微波功率合成器（302）构成，一路天线信号（101）通过传输线经微波移相器（301）进入微波功率合成器（302），另一路天线信号（102）通过传输线直接进入微波功率合成器（302）。

4.根据权利要求1或2所述的运动载体方位标定装置，其特征在于所说的和差信号接收模块（4）中设有A/D转换器（401、404）、通道处理模块（402、403）、信号处理模块（405），其中A/D转换器（401、404）分别通过通道处理模块（402、403）与信号处理模块（405）连接，信号处理模块（405）提取通道处理模块（402、403）送来的数据送入显控模块（7）。

5.一种利用北斗一号卫星导航定位***进行运动载体方位标定的方法，其特征在采用权利要求4所述的运动载体方位标定装置，按照以下步骤进行：

a、开机注册：输入本机所在地的大地坐标LBH或大地直角坐标XYZ；

b、获取卫星坐标：转动天线，开启本机，通过和差信号接收模块（4）锁定北斗卫星中的一颗卫星波束且计算出功率足够强的时候，停止转动天线，和差信号接收模块（4）中的信号处理模块（405）开始输出接收到的和差信号网络（3）中的支路功率数据，待完整接收到卫星坐标后，停止输出；重复上述过程直至三颗卫星的坐标接收完毕，将卫星的空间坐标作为后面计算的参数进行保存；

c、获取Σ信号与?信号：天线（101、102）接收卫星信号，通过和差信号网络（3）得到Δ、Σ信号，经过和差信号接收模块（4）对输入信号解扩、解调、译码，解出信号功率及导航电文，送入显控模块（7）；

d、计算卫星方位：其流程包括显控模块（7）向和差信号接收模块（4）中发送传递功率命令，和差信号接收模块（4）并行搜索处理六个波束卫星信号功率并实时将信号功率发送至显控模块（7），显控模块（7）同时接收***输入的方位数据，将接收到的来自和差信号接收模块（4）的功率数据与方位数据一一对应；打标记，并对数据进行处理；当天线旋转两周后，显控模块（7）发送停止命令至和差信号接收模块（4），和差信号接收模块（4）停止输出；然后经过计算得到3颗卫星所在的一组方位角数据；通过计算可得到一组真北方位数据；将这组真北方位数据剔除野值后，取平均值即可得到真北方位数据；

e、传递d步骤最终得到的真北方位数据。

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