CN108181630B - 一种北斗双天线旋转快速定向方法 - Google Patents

一种北斗双天线旋转快速定向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种北斗双天线旋转快速定向方法，根据卫星载波相位双差值与卫星单位方向向量和基线向量的关系，通过垂直于双天线基线方向的连续旋转，计算出载波相位双差方程中的整周模糊度双差值，进而解算出基线向量，最后得到双天线基线的航向；在卫星信号不发生周跳的情况下，得到的整周模糊度双差值一直有效；也可以通过检测基线长度误差，判断计算的整周模糊度双差值是否失效。本发明方法计算量小，定向速度快，并且精度高，实时性强。

Description

一种北斗双天线旋转快速定向方法
技术领域
本发明涉及利用北斗卫星导航***对载体进行定向的方法，特别是涉及一种北斗双天线旋转快速定向方法。
背景技术
北斗卫星导航***是我国自主开发研制的全球卫星导航***，具有全球性、全天候、连续的导航定位能力。使用单北斗天线只能确定载体的位置和速度不能确定载体的航向，使用双北斗天线可以确定载体的航向，且其误差不会随着时间积累，并有定位功能。使用双北斗天线定位定向在航海航空、阵地布防、土地测量、建筑测量等军民应用领域中有着广泛的需求和应用前景。传统的测向方法有磁罗盘、高精度电子罗经、天文测量法等。磁罗盘精度低，稳定性差，且容易受到周围电磁场干扰；高精度电子罗经但价格昂贵，初始对准时间长，且误差随着时间积累；天文测量法虽然可以精确的获得真北，但是其安装使用复杂，定向效率不高。
发明内容
技术问题：本发明提供一种北斗双天线旋转快速定向方法，其目的在于提供一种快速、方便、可靠的定向方法。
技术方案：本发明的北斗双天线旋转快速定向方法，其实施的硬件装置包括，两个北斗天线、两接收机、旋转机构、控制解算单元；所述的两个北斗天线分别与接收机连接；所述的两接收机与控制解算单元连接；所述的旋转机构与解算控制单元连接；所述控制解算单元负责计算基线航向和控制旋转机构运动。
上述北斗卫星主天线和从天线构成基线向量，方向由北斗卫星主天线指向从天线，主从天线安装于旋转机构上，可以自由旋转；由于两个北斗卫星天线的距离较近，所以可以认为北斗卫星主从天线到卫星Si的方向向量是平行的；安装时将上述旋转机构的零位和基线向量正对载体前方，那么基线的航向就是载体的航向。
本发明的北斗双天线旋转快速定向方法，包括以下步骤：
1)根据下式计算北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星的载波相位单差值
Figure BDA0001490419330000011
Figure BDA0001490419330000012
其中，
Figure BDA0001490419330000013
表示北斗卫星主天线到北斗卫星Si的载波相位测量值，
Figure BDA0001490419330000014
表示北斗卫星从天线到北斗卫星Si的载波相位测量值，Si表示编号为i的北斗卫星，i为北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星的编号；
2)计算地理坐标系下北斗卫星主天线到北斗卫星Si的单位方向向量Gi；
3)在北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星中选择高度角最大的卫星Sj作为参考卫星，根据下式计算北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星的载波相位双差值
Figure BDA0001490419330000021
Figure BDA0001490419330000022
其中，
Figure BDA0001490419330000023
为参考卫星Sj的载波相位单差值，j为参考卫星编号，且i≠j；
4)根据下式计算北斗主天线到北斗卫星Si的单位方向向量与到参考卫星Sj的单位方向向量的差值Gij：
Gij＝Gi-Gj
其中，Gj为参考卫星Sj的单位方向向量；
5)计算北斗卫星载波相位双差值
Figure BDA0001490419330000024
对应的整周模糊度双差值
Figure BDA0001490419330000025
6)将北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星按高度角从高到低排列为S1、S2、.....Sn，n表示主从天线同时接收到的北斗卫星个数，n大于等于4，S1为参考卫星，即高度角最大的北斗卫星在排序后的编号；
然后利用如下公式计算基线向量A：
A＝λ(MTM)-1MTK
其中，A为地理坐标系下基线向量，λ为北斗卫星载波相位的波长，[]T表示矩阵转置，[]-1表示矩阵求逆，
M＝[G21 G31 ...... Gn1]T，
Figure BDA0001490419330000026
G21、G31......和Gn1为北斗主天线到北斗卫星Si的单位方向向量与到参考卫星S1的单位方向向量的差值，
Figure BDA0001490419330000027
Figure BDA0001490419330000028
为所述步骤3)计算得到的北斗卫星载波相位双差值，
Figure BDA0001490419330000029
Figure BDA00014904193300000210
为所述步骤5)计算得到的北斗卫星载波相位双差值
Figure BDA00014904193300000211
对应的整周模糊度双差值；
7)利用所述基线向量A计算基线航向和基线长度。
经上面计算的航向需要进行下表所示的象限的转换。
进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中，单位方向向量Gi是根据下式计算：
Figure BDA0001490419330000031
其中，
Figure BDA0001490419330000032
为地心坐标系到地理坐标系的变换矩阵，
Figure BDA0001490419330000033
是北斗卫星Si在地心坐标系下的坐标向量，Pa是北斗卫星主天线在地心坐标系中的坐标向量。
进一步的，本发明方法中，所述步骤5)中，整周模糊度双差值
Figure BDA0001490419330000034
是根据下式计算：
Figure BDA0001490419330000035
其中，
Figure BDA0001490419330000036
为基线旋转一整圈中载波相位双差值，round()表示取整函数，该取整方式为四舍五入式取整，即取得浮点数最接近的整数。
进一步的，本发明方法中，所述步骤3)和步骤6)中，是利用步骤2)计算的单位方向向量Gi的天向分量来比较确定各北斗卫星高度角的大小，天向分量大的，则卫星高度角就大。
进一步的，本发明方法中，所述步骤1)中，北斗卫星载波相位为同一频率下的载波相位。
进一步的，本发明方法中，所述步骤7)中，根据下式计算基线航向和基线长度：
Figure BDA0001490419330000037
其中，x，y，z为基线向量在东北天坐标系下的向量坐标，满足(x，y，z)T为东北天地理坐标系下基线向量A，H为基线航向，l为基线长度，航向的范围是(0，2π)，并且以北偏东为正。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)该方法采用基线旋转的方式求解整周模糊度双差值与现有的LAMBDA搜索算法相比，计算量小，确定航向的速度快。
(2)现有的双天线基线旋转方式求航向是在载波相位双差分的基础上，在基线向量零度位置与基线向量转过180度位置再做一次差消除整周模糊度，然后求出基线向量确定航向，该方法每旋转一周期只能计算一个方向的航向，该方法实时性和动态性能不强；本发明方法采用基线旋转整圈的方式求解出整周模糊度双差值，在卫星信号不发生周跳的情况下，得到的整周模糊度双差值一直有效，能持续计算航向，实时性和动态性强。
(3)该方法应用于双天线短基线时，能够使定位定向***体积更小，更方便使用。
(4)该方法使用卫星定位***计算载体的航向与传统的电子罗经相比，结果没有误差的积累，稳定工作时间长。
(5)该方法使用了差分技术，消除了对流层、电离层、接收机钟差和卫星钟差误差，计算结果精度高。
附图说明
图1一种北斗双天线定向方法硬件装置示意图。
图2一种北斗双天线快速定向工作流程图。
图3基线30cm时，实验解算的载体航向图。
图4基线30cm时，实验解算基线长度图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步地说明。
如图1所示，本发明的北斗双天线旋转快速定向方法，其实施的硬件装置包括，两个北斗天线、两接收机、旋转机构、控制解算单元；两个北斗天线分别与两接收机连接；两接收机与控制解算单元连接；旋转机构与控制解算单元连接；控制解算单元负责计算基线航向和控制旋转机构运动。
在本实施例中，硬件装置采用一块OEM617D板卡、两个GNSS天线、旋转直驱电机和C6748DSP进行实施。所述板卡可以同时接收两个GNSS天线的数据，相当于两个北斗接收机；旋转直驱电机构成旋转机构；选用该DSP作为控制解算单元，负责控制电机和航向计算。该装置中，两个GNSS天线与OEM617D板卡连接；OEM617D板卡通过引脚与C6748DSP连接；DSP通过串口指令的方式控制旋转直驱电机运动，并通过编码器接口获得电机角度值；两天线通过支架安装于电机平面上；板卡和DSP通过金属盒固定于电机平面；电机平面安装于电机转子上；电机定子安装于电机底座中；电源和信号通过导电滑环传输。
本实施例中一种北斗双天线快速定向方法，包括以下步骤：
1)计算北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星的载波相位单差值
Figure BDA0001490419330000041
Figure BDA0001490419330000042
其中，
Figure BDA0001490419330000051
表示北斗卫星主天线到卫星Si的载波相位测量值，
Figure BDA0001490419330000052
表示北斗卫星从天线到卫星Si的载波相位测量值，Si表示编号为i的卫星。
2)计算地理坐标系下北斗卫星主天线到北斗卫星Si的单位方向向量Gi：
3)在北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星中选择高度角最大的卫星Sj作为参考卫星，计算北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星的载波相位双差值
Figure BDA0001490419330000053
Figure BDA0001490419330000054
其中，
Figure BDA0001490419330000055
为参考卫星Sj的载波相位单差值，j为参考卫星编号，且i≠j。
4)计算北斗主天线到北斗卫星Si的单位方向向量与到参考卫星Sj的单位方向向量的差值Gij：
Gij＝Gi-Gj
其中，Gj为参考卫星Sj的单位方向向量。
5)计算基线旋转一整圈的北斗卫星载波相位整周模糊度双差值
Figure BDA0001490419330000056
6)假设北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星按高度角从高到低排列为S1、S2、.....Sn，n表示主从天线同时接收到的北斗卫星数，n大于等于4，S1为参考卫星，即高度角最大的北斗卫星在排序后的编号，然后利用如下公式计算基线向量A：
A＝λ(MTM)-1MTK
其中，A为地理坐标系下基线向量，λ为北斗卫星载波相位的波长，[]T表示矩阵转置，[]-1表示矩阵求逆，
M＝[G21 G31 ...... Gn1]T，
Figure BDA0001490419330000057
G21、G31......和Gn1为北斗主天线到北斗卫星Si的单位方向向量与到参考卫星S1的单位方向向量的差值，
Figure BDA0001490419330000058
Figure BDA0001490419330000059
为步骤3)计算得到的北斗卫星载波相位双差值，
Figure BDA00014904193300000510
Figure BDA00014904193300000511
为步骤5)计算得到的北斗卫星载波相位双差值
Figure BDA00014904193300000512
对应的整周模糊度双差值。
7)根据步骤6)计算的基线向量A，计算基线的航向和基线长度。
本发明的优选方案中，步骤2)中根据下式计算地理坐标系下北斗卫星主天线到北斗卫星Si的单位方向向量Gi：
Figure BDA0001490419330000061
其中，
Figure BDA0001490419330000062
为地心坐标系到地理坐标系的变换矩阵，
Figure BDA0001490419330000063
λ是当地经度，φ是当地纬度，
Figure BDA0001490419330000064
是北斗卫星Si在地心坐标系下的坐标向量，Pa是北斗卫星主天线在地心坐标系中的坐标向量。上述
Figure BDA0001490419330000065
是通过接收机卫星星历报文计算获得；上述Pa通过经纬高位置报文转换得到：
Figure BDA0001490419330000066
Figure BDA0001490419330000067
其中，Re为地球长轴，f为地球偏率，RN表示卯酉圈半径，(Ba，La，ha)T表示主天线报文输出的经纬高，(xa，ya，za)T表示转换为地心坐标系下主天线坐标，那么获得地心坐标系到东北天地理坐标系的转移矩阵。
本发明的优选方案中，步骤5)中，整周模糊度双差值
Figure BDA0001490419330000068
是根据下式计算：
Figure BDA0001490419330000069
其中，round()表示取整函数，该取整方式为四舍五入式取整，即取得浮点数最接近的整数。
本发明的优选方案中，步骤7)中，利用如下公式计算基线的航向和基线长度：
Figure BDA00014904193300000610
其中，x，y，z为基线向量在东北天坐标系下的向量坐标，即(x，y，z)T为东北天地理坐标系下基线向量A，H为基线航向，l为基线长度，航向的范围是(0，2π)，并且以北偏东为正。
本发明的优选方案中，经上面计算的航向需要进行下表所示的象限的转换：
Figure BDA0001490419330000071
采用基线误差阈值为实际基线误差的两倍，若连续计算的基线误差超过该阈值可认为步骤5)中所计算的整周模糊度双差值失效，本次计算航向无效。
本实施的具体工作流程图如图2所示。本次实施采用的基线长度为0.3m，计算或得的航向如图3所示，基线长如图4所示。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种北斗双天线旋转快速定向方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据下式计算北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星的载波相位单差值
Figure FDA0002595755940000011
Figure FDA0002595755940000012
其中，
Figure FDA0002595755940000013
表示北斗卫星主天线到北斗卫星Si的载波相位测量值，
Figure FDA0002595755940000014
表示北斗卫星从天线到北斗卫星Si的载波相位测量值，Si表示编号为i的北斗卫星，i为北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星的编号；
2)计算地理坐标系下北斗卫星主天线到北斗卫星Si的单位方向向量Gi；
3)在北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星中选择高度角最大的卫星Sj作为参考卫星，根据下式计算北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星的载波相位双差值
Figure FDA0002595755940000015
Figure FDA0002595755940000016
其中，
Figure FDA0002595755940000017
为北斗卫星主从天线同时接收到的参考卫星Sj的载波相位单差值，j为参考卫星编号，且i≠j；
4)根据下式计算北斗卫星主天线到北斗卫星Si的单位方向向量与到参考卫星Sj的单位方向向量的差值Gij：
Gij＝Gi-Gj
其中，Gj为北斗卫星主天线到参考卫星Sj的单位方向向量；
5)根据下式计算载波相位双差值
Figure FDA0002595755940000018
对应的整周模糊度双差值
Figure FDA0002595755940000019
Figure FDA00025957559400000110
其中，
Figure FDA00025957559400000111
为基线旋转一整圈中载波相位双差值，round()表示取整函数，该取整方式为四舍五入式取整，即取得浮点数最接近的整数；
6)将北斗卫星主从天线同时接收到的北斗卫星按高度角从高到低排列为S1、S2、.....Sn，n表示主从天线同时接收到的北斗卫星个数，n大于等于4，S1为参考卫星，即高度角最大的北斗卫星在排序后的编号；
然后利用如下公式计算基线向量A：
A＝λ(MTM)-1MTK
其中，A为地理坐标系下基线向量，λ为北斗卫星载波相位的波长，[]T表示矩阵转置，[]-1表示矩阵求逆，
M＝[G21 G31 ...... Gn1]T，
Figure FDA0002595755940000021
G21、G31……和Gn1为
北斗卫星主天线到北斗卫星Si的单位方向向量与到参考卫星S1的单位方向向量的差值，
Figure FDA0002595755940000022
为所述步骤3)计算得到的载波相位双差值，
Figure FDA0002595755940000023
Figure FDA0002595755940000024
为所述步骤5)计算得到的载波相位双差值
Figure FDA0002595755940000025
对应的整周模糊度双差值；
7)利用所述基线向量A计算基线航向和基线长度。
2.根据权利要求1所述的北斗双天线旋转快速定向方法，其特征在于，所述步骤2)中，单位方向向量Gi是根据下式计算：
Figure FDA0002595755940000026
其中，
Figure FDA0002595755940000027
为地心坐标系到地理坐标系的变换矩阵，
Figure FDA0002595755940000028
是北斗卫星Si在地心坐标系下的坐标向量，Pa是北斗卫星主天线在地心坐标系中的坐标向量。
3.根据权利要求1或2所述的北斗双天线旋转快速定向方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤6)中，是利用步骤2)计算的单位方向向量Gi的天向分量来比较确定各北斗卫星高度角的大小。
4.根据权利要求1或2所述的北斗双天线旋转快速定向方法，其特征在于，所述步骤1)中，北斗卫星载波相位为同一频率下的载波相位。
5.根据权利要求1或2所述的北斗双天线旋转快速定向方法，其特征在于，所述步骤7)中，根据下式计算基线航向和基线长度：
Figure FDA0002595755940000031
其中，x，y，z为基线向量在东北天地理坐标系下的向量坐标，即(x,y,z)T为东北天地理坐标系下基线向量A，H为基线航向，l为基线长度，航向的范围是(0,2π)，并且以北偏东为正。
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