一種高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種不依靠基準(zhǔn)站的高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)快速高精度位置信息的需求也日益強(qiáng)烈。當(dāng)前，高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位導(dǎo)航的應(yīng)用范圍越來越廣，要求用戶接收機(jī)的定位精度需要達(dá)到分米級(jí)甚至厘米級(jí)。
[0003]單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。由公知原理可知，衛(wèi)星定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測(cè)量和用戶鐘差來實(shí)現(xiàn)的。要獲得地面的三維坐標(biāo)，必須對(duì)至少4顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量。在這一定位過程中，存在3部分誤差:第一部分誤差是由衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差等引起的；第二部分是由傳播延遲導(dǎo)致的誤差；第三部分為各用戶接收機(jī)固有的誤差，由內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應(yīng)等原因造成。由于這些誤差的存在，單點(diǎn)衛(wèi)星靜態(tài)定位的精度很難達(dá)到10米以下，因此，不能滿足高精度定位要求。
[0004]為了獲得更高的定位精度，目前主要采用差分衛(wèi)星定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。差分衛(wèi)星定位技術(shù)的原理為:首先利用已知精確三維坐標(biāo)的差分衛(wèi)星定位地面基準(zhǔn)站，求得偽距修正量或位置修正量或載波相位修正量，再將這個(gè)修正量實(shí)時(shí)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給用戶接收機(jī)(移動(dòng)站)，對(duì)用戶接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，移去了大部分誤差，從而提高用戶接收機(jī)的衛(wèi)星定位精度。用戶接收機(jī)可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；鶞?zhǔn)站發(fā)送的信息方式可將差分定位分為三類，即:位置差分、偽距差分和相位差分。差分衛(wèi)星定位是在正常的衛(wèi)星定位外附加(差分)修正信號(hào)，此修正信號(hào)改善了衛(wèi)星定位的精度。這三類差分方式的工作原理是相同的，所不同的是，發(fā)送修正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。為了進(jìn)一步提高性能和使用方便性，可以將多個(gè)基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)處理中心連接成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成地面增強(qiáng)系統(tǒng)，向用戶接收機(jī)發(fā)送修正量。我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的這種差分衛(wèi)星定位技術(shù)的原理是必須依靠基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈路來發(fā)送修正量才能顯著提高定位精度。但是，建設(shè)和使用基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈路及用戶接收機(jī)的成本很高，而且操作繁瑣，另外在應(yīng)用中遇到的最大問題就是基準(zhǔn)站校正數(shù)據(jù)的有效作用距離與范圍非常有限，這些缺陷阻礙了高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位導(dǎo)航的大規(guī)模應(yīng)用推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、精度高、成本低的高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位裝置及其方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位裝置，包括多個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)構(gòu)成的多邊形接收機(jī)陣列，各個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)的天線相位中心位于多邊形接收機(jī)陣列的各頂點(diǎn)和中心點(diǎn)上，每個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)均包括一個(gè)MCU及與M⑶相連接的接收機(jī)，各個(gè)MCU相互之間并聯(lián)在一起并共同連接到一個(gè)處理器模塊上。
[0008]進(jìn)一步，所述單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)的天線振子分布在同一平面上，校正各個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)天線，使位于各頂點(diǎn)的單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)坐標(biāo)觀測(cè)值與真實(shí)值之間的偏差矢量的方向相互一致;這個(gè)偏差矢量的方向與位于中心點(diǎn)的單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)的偏差矢量方向相反，即兩個(gè)偏差矢量矢量的方向相差180度。
[0009]進(jìn)一步，所述的多邊形接收機(jī)天線陣列為等邊三角形接收機(jī)天線陣列、正方形接收機(jī)天線陣列、等邊五邊形接收機(jī)天線陣列或等邊六邊形接收機(jī)天線陣列。
[0010]一種高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位方法，包括以下步驟:
[0011 ]步驟1、各個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)將各自的ID及觀測(cè)值坐標(biāo)發(fā)給處理器模塊；
[0012]步驟2、處理器模塊根據(jù)各個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)的ID、各個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)的觀測(cè)值、多邊形接收機(jī)陣列的物理幾何參數(shù)計(jì)算出如下兩個(gè)幾何圖形:一個(gè)是各個(gè)頂點(diǎn)接收機(jī)的坐標(biāo)觀測(cè)值所圍成的幾何圖形;另一個(gè)是以位于中心點(diǎn)的接收機(jī)的坐標(biāo)觀測(cè)值為中心點(diǎn)，以頂點(diǎn)接收機(jī)的物理線路所圍成的幾何圖形；
[0013]步驟3、如果兩個(gè)幾何圖形有重合區(qū)域，則使用從位于中心點(diǎn)的接收機(jī)得到的觀測(cè)值與利用各個(gè)頂點(diǎn)的接收機(jī)所得到的坐標(biāo)觀測(cè)值計(jì)算出多邊形中心點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行差分計(jì)算，得到兩個(gè)坐標(biāo)之間的中點(diǎn)的坐標(biāo)，該坐標(biāo)即為天線陣列幾何中心點(diǎn)的高精度的經(jīng)瑋度坐標(biāo)信息；
[0014]步驟4:如果兩個(gè)幾何圖形沒有重合區(qū)域，則利用修正值對(duì)定位坐標(biāo)進(jìn)行修正，得到天線陣列幾何中心點(diǎn)的高精度的經(jīng)瑋度坐標(biāo)信息。
[0015]進(jìn)一步，所述修正值是通過修正值函數(shù)庫(kù)獲得，該修正值函數(shù)庫(kù)包括對(duì)應(yīng)不同的載噪比、可用衛(wèi)星數(shù)、仰角和夾角、信道實(shí)用數(shù)量等參數(shù)條件下的最佳修正值，上述最佳修正值是通過試驗(yàn)方式獲得。
[0016]進(jìn)一步，所述修正值的長(zhǎng)度小于物理接收機(jī)天線陣列的半徑。
[0017]進(jìn)一步，所述利用修正值對(duì)定位坐標(biāo)進(jìn)行修正的方法為:利用頂點(diǎn)的單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)所得到的坐標(biāo)觀測(cè)值計(jì)算出多邊形中心點(diǎn)的坐標(biāo)減去修正值，從而得到天線陣列幾何中心點(diǎn)的高精度的經(jīng)瑋度坐標(biāo)信息。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0019]1、本發(fā)明將多個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)按一定幾何形狀排列而構(gòu)成接收機(jī)陣列電路，能夠最大程度地消除單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)存在的三部分誤差，其直接利用和處理衛(wèi)星定位系統(tǒng)下發(fā)的衛(wèi)星定位信號(hào)就能顯著提高定位精度(達(dá)到分米甚至厘米級(jí))。
[0020]2、本發(fā)明不依靠基準(zhǔn)站來提高定位精度，完全省去了基準(zhǔn)站、地面增強(qiáng)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)鏈路的建設(shè)與使用成本，也免去了繁瑣的專業(yè)技術(shù)操作，同時(shí)也使得其工作范圍沒有任何局限。
[0021]3、本發(fā)明與依靠基準(zhǔn)站進(jìn)行通訊和差分計(jì)算的用戶接收機(jī)相比，其接收機(jī)成本非常低廉。
[0022]4、本發(fā)明與普通的單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)相比，雖然增加了部分元器件數(shù)量，但這些器件均為低成本元件，但卻將衛(wèi)星定位精度提高了 100倍，顯著提高了用戶接收機(jī)的性價(jià)比。
[0023]5、本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，具有精度高、成本低廉、使用方便等特點(diǎn)，可以在高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位導(dǎo)航的普通民用領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用推廣。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的正方形接收機(jī)天線陣列幾何分布圖；
[0025]圖2是正方形接收機(jī)陣列的電路方框圖；
[0026]圖3是本發(fā)明的正方形接收機(jī)陣列工作原理圖(兩個(gè)正方形有重疊情況)；
[0027]圖4是本發(fā)明的正方形接收機(jī)陣列工作原理圖(兩個(gè)正方形無重疊情況)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述:
[0029]一種高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位裝置，是利用一個(gè)由多個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)按一定幾何形狀排列而構(gòu)成的接收機(jī)陣列電路來實(shí)現(xiàn)定位精度的提高，接收機(jī)陣列可以是三角形、正方形、五邊形、六邊形或其他多邊形幾何位置分布，各個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)的天線相位中心位于多邊形各頂點(diǎn)和中心點(diǎn)。
[0030]下面以圖1所示的正方形接收機(jī)陣列構(gòu)成的高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位裝置為例進(jìn)行說明。以正方形接收機(jī)陣列構(gòu)成的高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位裝置包括五個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)組成一個(gè)正方形陣列的總體接收機(jī)電路，其中四個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)各自的天線幾何相位中心位于正方形四個(gè)頂點(diǎn)A、B、C、D，另一個(gè)中心單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)的天線幾何相位中心位于中心點(diǎn)E。各個(gè)接收機(jī)天線振子布在同一平面上。校正四個(gè)頂點(diǎn)A、B、C、D接收機(jī)的天線，使這四個(gè)接收機(jī)的坐標(biāo)觀測(cè)值與真實(shí)值之間偏差矢量的方向相同。同時(shí)校正位于中心點(diǎn)E的接收機(jī)的天線，使它的坐標(biāo)觀測(cè)值與真實(shí)值之間偏差矢量的方向與A、B、C、D接收機(jī)的偏差矢量方向相差180度，即偏差方向相反。
[0031]圖2給出了高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位裝置的電路方框圖。每個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)均包括一個(gè)MCU及與M⑶相連接的接收機(jī)，五個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)的MCU相互之間并聯(lián)在一起，并共同連接到一個(gè)處理器模塊中。A、B、C、D、E每個(gè)單點(diǎn)衛(wèi)星定位接收機(jī)，通過衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度、衛(wèi)星仰角和夾角高低以及可用衛(wèi)星顆數(shù)分析，使五個(gè)接收機(jī)鎖定相同的可用定位衛(wèi)星。以每秒N幀的數(shù)據(jù)來接收衛(wèi)星定位的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理解算出每個(gè)單點(diǎn)接收機(jī)的天線相位幾何中心坐標(biāo)。每個(gè)接收機(jī)都對(duì)應(yīng)一個(gè)M⑶來處理接收到的數(shù)據(jù)，五個(gè)M⑶生成五個(gè)接收機(jī)的ID。五個(gè)MCU相互之間是并聯(lián)的，這樣使五個(gè)接收機(jī)保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，并將每個(gè)接收機(jī)的ID數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器模塊。處理器模塊的第一個(gè)作用是控制五個(gè)接收機(jī)和MCU保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，第二個(gè)作用是將從MCU收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，進(jìn)行綜合處理完成計(jì)算