一種單星定位裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于導(dǎo)航定位領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種包括微型傳感測(cè)量器件的單星定位導(dǎo)航 裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] WGPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng)）為代表的各種GNSS(Global 化vigation Satellite System,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）作為現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的結(jié)晶，為人們 的生活與工作帶來了巨大的便利和變革。然而，GPS類衛(wèi)星定位系統(tǒng)也并非盡善盡美，其本 身仍存在著一些明顯的不足。從測(cè)量學(xué)原理講，GNSS采用基于偽距測(cè)量的距離交會(huì)原理，需 要觀測(cè)4顆W上的衛(wèi)星才能順利進(jìn)行=維定位和導(dǎo)航，所WGNSS依賴于完整和可靠的衛(wèi)星 星座。運(yùn)使得GNSS的建設(shè)與維護(hù)需要花費(fèi)大量的人力與物力，建設(shè)周期較長(zhǎng)，系統(tǒng)復(fù)雜度較 高。而實(shí)際上，系統(tǒng)本身又比較脆弱，信號(hào)容易受到干擾。在諸如城市、高樓和山區(qū)等遮擋物 較多的環(huán)境下，觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)目容易少于4顆，此時(shí)傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位模型將無法進(jìn)行實(shí)時(shí)定 位。若在戰(zhàn)時(shí)等特殊時(shí)期，其可用性更會(huì)大大降低。一份來自美國(guó)海軍研究GI^衛(wèi)星系統(tǒng)未 來發(fā)展的研究報(bào)告曾明確指出：如果不對(duì)GI^系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的建設(shè)與改造，那么由于其脆 弱性與易干擾性，衛(wèi)星星座與信號(hào)將很容易受到干擾或破壞，因此也將無法適用于未來戰(zhàn) 爭(zhēng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出一種包括微傳感器件的單星或 單基站或單信號(hào)源定位裝置與方法，在僅有一顆測(cè)距衛(wèi)星或單基站時(shí)也能實(shí)現(xiàn)具有一定精 度水平的連續(xù)=維定位。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種單星定位裝置，包括用戶終端和一顆具有測(cè)距功能的衛(wèi)星或單基站或單信號(hào) 源，用戶終端安裝了氣壓測(cè)高忍片、測(cè)角部件、計(jì)步器、囚禁原子鐘CPT(Coherent Popul曰tion Tr曰ppin邑）。其中，
[0006] 所述單衛(wèi)星、單基站或單信號(hào)源為導(dǎo)航定位提供基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量與用戶終端的偽距 值。
[0007] 所述氣壓測(cè)高忍片用W測(cè)量用戶終端所處位置的氣壓值，將所述氣壓值轉(zhuǎn)換后得 到大地高程值。
[000引所述測(cè)角部件利用慣性或磁場(chǎng)測(cè)量用戶終端運(yùn)動(dòng)的方位角度及方位角度的變化 量。
[0009] 所述囚禁原子鐘CPT用于提供時(shí)間和頻率值。
[0010] 所述計(jì)步器用于測(cè)量用戶終端行進(jìn)的步距值。
[0011] 進(jìn)一步地，所述測(cè)角部件為一指北計(jì)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述測(cè)角部件包括巧螺儀和加速度計(jì)。
[0013] 進(jìn)一步地，所述囚禁原子鐘CPT提供的時(shí)間和頻率值的時(shí)頻穩(wěn)定度優(yōu)于1(TW。
[0014] -種應(yīng)用所述單星定位裝置進(jìn)行定位的方法，包括W下步驟：
[0015] 步驟1，用戶終端接收來自具有所述測(cè)距功能的衛(wèi)星或單基站或單信號(hào)源的導(dǎo)航 信號(hào)，解調(diào)后得到導(dǎo)航電文和一個(gè)偽距測(cè)量值，消除偽距測(cè)量值中包括接收終端鐘差的誤 差，得到用戶終端與所述衛(wèi)星或單基站之間的偽距測(cè)量值P1。用戶終端位于W所述衛(wèi)星或 基站或信號(hào)源為球屯、、Wpi為半徑的球面上。
[0016] 步驟2,由所述氣壓測(cè)高忍片測(cè)得用戶終端所處位置的大地高程值h，得到高程值 為h的等高程約束曲面，用戶終端位于所述等高程約束曲面上。
[0017] 步驟3,步驟1所述的球面與步驟2所述的等高程約束曲面交會(huì)得到一個(gè)圓S，用戶 終端位于所述圓S上。
[0018] 步驟4,由測(cè)角部件測(cè)得用戶終端運(yùn)動(dòng)的方位角及變化量，所述方位角為用戶終端 運(yùn)動(dòng)方向與正北的夾角。若上一觀測(cè)歷元用戶終端位于化(xo，yo，zo)處，上一觀測(cè)歷元測(cè)得 的方位角為〇1，過點(diǎn)Uo、方向與用戶終端運(yùn)動(dòng)方向相同的直線與步驟3所述圓S的交點(diǎn)即為當(dāng) 前觀測(cè)歷元的用戶終端位置化(X，y，Z)。
[0019] 步驟5,由所述計(jì)步器獲得步距，采用廣義融合方法修正終端位置化(x，y，z)。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟1所述的球面方程為：
[0021] ^('r-.v,)]+(.r-.v.|):!+(z-Z|r =巧
[0022] 其中，（xi，yi，zi)為衛(wèi)星或基站的坐標(biāo)。
[0023] 進(jìn)一步地，步驟2所述的等高程約束曲面的方程為：
[0025]其中，a、b分別為地球楠圓的長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度。
[00%]進(jìn)一步地，步驟4所述的直線的方程為：
[0027] 廠y〇 = tanai X (X-X0)
[0028] 進(jìn)一步地，用戶終端處于海洋環(huán)境時(shí)，所述等高程約束曲面為海平面。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0030] 本發(fā)明所述的定位裝置采用氣壓測(cè)高忍片、巧螺儀、計(jì)步器等傳感器器件，實(shí)現(xiàn)了 一類基于單顆衛(wèi)星測(cè)距的導(dǎo)航定位方法。本發(fā)明所述方法的定位原理不同于傳統(tǒng)的GPS類 衛(wèi)星系統(tǒng)，擺脫了四星定位的限制，方法簡(jiǎn)單易行，既能用作衛(wèi)星數(shù)目較少時(shí)傳統(tǒng)GPS類衛(wèi) 星定位系統(tǒng)的補(bǔ)充和輔助，亦可作為一種獨(dú)立的定位方法，能夠廣泛適用于手機(jī)定位、LBS 化ocation Based Service,基于位置的服務(wù)）、海洋浮標(biāo)和輪船的定位與監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0031] 圖1為曲面交會(huì)示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明單星定位示意圖；
[0033] 圖3為定位累積誤差消除示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0035] 近年來，隨著導(dǎo)航定位、電子信息、LBS產(chǎn)業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多嶄 新的定位設(shè)備、技術(shù)與方法。例如，目前廉價(jià)且微型的氣壓測(cè)高忍片、微巧螺儀忍片、計(jì)步器 等傳感器，已經(jīng)可W測(cè)量得到較高精度的高程值、角度和步距等信息，并已被集成到手機(jī)等 定位終端之中，參與導(dǎo)航與定位功能。CPT(Coherent Population Trapping,囚禁原子鐘或 高精度晶振）已經(jīng)可W達(dá)到優(yōu)于的時(shí)頻穩(wěn)定度，且價(jià)格可W控制在千元量級(jí)。因此，在 某些定位終端設(shè)備中已經(jīng)可W配備CPT原子鐘，W便直接獲得接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星(或基站或 單信號(hào)源)時(shí)鐘之間的差值。
[0036] 本發(fā)明所述的單星定位裝置，包括用戶終端和一顆具有測(cè)距功能的衛(wèi)星或單基站 或單信號(hào)源(任意一個(gè)可利用的信號(hào)福射源）。用戶終端至少包括氣壓測(cè)高忍片、測(cè)角部件、 計(jì)步器、囚禁原子鐘CPT。其中，
[0037] 氣壓測(cè)高忍片用W測(cè)量用戶終端所處位置的氣壓值。氣壓值與大地高程相關(guān)聯(lián)， 將測(cè)量得到的氣壓值轉(zhuǎn)換成大地高程值，解決大地高程的度量問題。
[0038] 測(cè)角部件利用慣性原理或磁場(chǎng)測(cè)量得到方位角度及方位角度的變化量，解決行進(jìn) 時(shí)的方向問題。測(cè)角部件可W采用指北計(jì)，也可W由巧螺儀和加速度計(jì)完成測(cè)角。
[0039] 計(jì)步器利用加速度計(jì)獲得用戶終端的速度和步距。根據(jù)速度和步距信息，采用廣 義融合方法修正終端位置化(X，y，Z)。
[0040] 用戶終端可W是一部普通的手機(jī)，因此氣壓測(cè)高忍片、測(cè)角部件和測(cè)速部件均采 用微型忍片，它們的尺寸小到足W使它們能夠安裝到手機(jī)的線路板上。
[0041] 囚禁原子鐘CPT用W提供高穩(wěn)定性的時(shí)間和頻率值，能夠提供穩(wěn)定度優(yōu)于IO-W的 時(shí)頻信號(hào)。高穩(wěn)定度的時(shí)頻信號(hào)能夠?yàn)橛脩艚K端提供高精度的偽距測(cè)量值。也可W采用高 精度晶振代替囚禁原子鐘CPT。
[0042] 單衛(wèi)星或單基站或單信號(hào)源為導(dǎo)航定位提供基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)還用W