[發(fā)明專利]雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010123017.8
• 申請日: 2010-03-11
• 公開（公告）號: CN101799552A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發(fā)明（設計）人: 張曉林;張強;陳燦輝;霍航宇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S19/45
• 分類號: G01S19/45;G01S19/35
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務所 11121
• 代理人: 周長琪

1.雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：獲取衛(wèi)星位置及偽距觀測量；

在接收機跟蹤到衛(wèi)星信號后，根據(jù)獲得的導航電文，得到衛(wèi)星的位置X_i；同時由接收機 基帶模塊得到衛(wèi)星的偽距測量值ρ_i；

其特征在于，該方法還包括如下步驟：

步驟2：獲取接收機位置；

根據(jù)觀測衛(wèi)星的兩種不同情況，采用不同的步驟來完成接收機定位處理：

第一種情況：兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)分別有三顆可見衛(wèi)星的情況；

步驟2.1.1：整理六顆觀測衛(wèi)星的位置及偽距測量值；

假設第一衛(wèi)星、第二衛(wèi)星和第三衛(wèi)星屬于第一系統(tǒng)，第四衛(wèi)星、第五衛(wèi)星和第六衛(wèi)星屬 于第二系統(tǒng)；選擇第一衛(wèi)星作為第一系統(tǒng)的參考衛(wèi)星、選擇第四衛(wèi)星作為第二系統(tǒng)的參考衛(wèi) 星；

根據(jù)步驟1已經(jīng)得到這六顆可見衛(wèi)星的位置X_i、偽距測量值ρ_i，X_i為衛(wèi)星坐標列向量， X_i＝[x_i?y_i?z_i]^T，x_i、y_i、z_i表示衛(wèi)星的三維坐標，ρ_i＝D_i+c*δt_k，其中D_i為第i衛(wèi)星到 接收機的真實距離，c為光速，δt_k為接收機時鐘相對第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)的鐘差，其中 i＝1,2,3,…,6；當i＝1,2,3時，k＝1；當i＝4,5,6時，k＝2；

步驟2.1.2：獲取非參考衛(wèi)星與參考衛(wèi)星的偽距測量值之差；

利用第二衛(wèi)星、第三衛(wèi)星的偽距測量值與第一衛(wèi)星的偽距測量值做差，利用第五衛(wèi)星、 第六衛(wèi)星的偽距測量值與第四衛(wèi)星的偽距測量值做差，求得非參考衛(wèi)星與參考衛(wèi)星的偽距測 量值之差d_i，i＝2,3,5,6，有：

d2=ρ2-ρ1=D2-D1d3=ρ3-ρ1=D3-D1d5=ρ5-ρ4=D5-D4d6=ρ6-ρ4=D6-D4;---(1)]]>

其中，ρ₁為第一衛(wèi)星偽距測量值，ρ₂為第二衛(wèi)星偽距測量值，ρ₃為第三衛(wèi)星偽距測量值， ρ₄為第四衛(wèi)星偽距測量值，ρ₅為第五衛(wèi)星偽距測量值，ρ₆為第六衛(wèi)星偽距測量值；D₁為第 一衛(wèi)星到接收機的真實距離，D₂為第二衛(wèi)星到接收機的真實距離，D₃為第三衛(wèi)星到接收機 的真實距離，D₄為第四衛(wèi)星到接收機的真實距離，D₅為第五衛(wèi)星到接收機的真實距離，D₆為 第六衛(wèi)星到接收機的真實距離；

步驟2.1.3：構造接收機位置與參考衛(wèi)星真實距離之間的線性關系；

利用步驟1中得到的衛(wèi)星位置、步驟2.1.2中得到的偽距測量值之差，構造接收機位置 與第一系統(tǒng)參考衛(wèi)星到接收機的真實距離D₁和第二系統(tǒng)參考衛(wèi)星到接收機的真實距離D₄的 線性關系方程；

將步驟2.1.2中得到的偽距測量值之差d_i移項后取平方，得到下式：

D22=D12+2d2D1+d22D32=D12+2d3D1+d32D52=D42+2d5D4+d52D62=D42+2d6D4+d62---(2)]]>

因為Di=(Xi-Xu)T(Xi-Xu),]]>則Di2=ri2+ru2-2XiTXu;]]>其中r_i為衛(wèi)星到地心的距離， r_i＝|X_i|；r_u為接收機到地心的距離，r_u＝|X_u|；X_u為接收機坐標列向量，X_u＝[x_u?y_u?z_u]^T， x_u、y_u、z_u表示接收機的三維坐標；將此關系代入到上式中，得到如下方程：

r22+ru2-2X2TXu=r12+ru2-2X1TXu+2d2D1+d22r32+ru2-2X3TXu=r12+ru2-2X1TXu+2d3D1+d32r52+ru2-2X5TXu=r42+ru2-2X4TXu+2d5D4+d52r62+ru2-2X6TXu=r42+ru2-2X4TXu+2d6D4+d62---(3)]]>

經(jīng)過化簡后，得到：

2(X1T-X2T)Xu=r12-r22+d22+2d2D12(X1T-X3T)Xu=r12-r32+d32+2d3D12(X4T-X5T)Xu=r42-r52+d52+2d5D42(X4T-X6T)Xu=r42-r62+d62+2d6D4---(4)]]>

令：c1=r12-r22+d22,]]>c2=r12-r32+d32,]]>c3=r42-r52+d52,]]>c4=r42-r62+d62,]]>將上式中的 后三個方程寫成矩陣的形式：

2AX_u＝B₁D₁+B₂D₄+C????（5）

其中：A=X1T-X3TX4T-X5TX4T-X6T,]]>B1=2d300,]]>B2=02d52d6,]]>C=c2c3c4;]]>

進一步得到接收機位置與第一系統(tǒng)參考衛(wèi)星到接收機的真實距離D₁以及第二系統(tǒng)參考衛(wèi) 星到接收機的真實距離D₄的線性關系方程：

X_u＝(2A)^-1(B₁D₁+B₂D₄+C)????（6）

其中D₁和D₄此刻仍為未知量，由后續(xù)步驟獲得；

步驟2.1.4：構造第一系統(tǒng)參考衛(wèi)星到接收機的真實距離D₁和第二系統(tǒng)參考衛(wèi)星到接收 機的真實距離D₄的代數(shù)關系；

將第一系統(tǒng)參考衛(wèi)星到接收機的真實距離D₁和第二系統(tǒng)參考衛(wèi)星到接收機的真實距離 D₄作為未知數(shù)，利用已有觀測信息構造關于D₁和D₄的方程；

X_u∈R³，通過線性變化得到：

αβγX1T-X3TX4T-X5TX4T-X6T=(X1T-X2T)---(7)]]>

繼而得到：αβγ=(X1T-X2T)X1T-X3TX4T-X5TX4T-X6T-1]]>

由此得到D₁和D₄的第一個關系式：

D₁＝c₅D₄+c₆????（8）

其中：c5=d5β+d6γd2-d3α,]]>c6=c2α+c3β+c4γ-c12(d2-d3α)]]>

由接收機到第一系統(tǒng)參考衛(wèi)星和第二系統(tǒng)參考衛(wèi)星的距離得到：

D12=r12+ru2-2X1TXuD42=r42+ru2-2X4TXu---(9)]]>

兩式做差得到D₁和D₄的第二個關系式：

D12-D42=r12-r42-2(X1T-X4T)Xu---(10)]]>

令Y1=X1T-X2T,]]>Y2=X1T-X4T,]]>得：

D12-D42=r12-r42-Y2A-1(B1D1+B2D4+C)---(11)]]>

步驟2.1.5獲取接收機到參考衛(wèi)星的真實距離，并進行結果的取舍；

將步驟2.1.4中得到的D₁和D₄的第一個關系式（8）代入第二個關系式（11）中，得到 關于D₄的一元二次方程：

a1D42+a2D4+a3=0---(12)]]>

其中：a₂＝(2c₅c₆+c₅Y₂A^-1B₁+Y₂A^-1B₂)，a3=(c62+r42-r12+Y2A-1C+c6Y2A-1B1);]]>

利用此一元二次方程得到D₄的兩個結果：

D4=-a2±a22-4a1a32a1---(13)]]>

根據(jù)步驟2.1.4中D₁和D₄的一次關系式（8），由D₄得到D₁的兩個結果，從而得到兩組 解，根據(jù)如下原則進行解的取舍：

（a）根據(jù)D₁和D₄的物理意義，應滿足條件：D₁＞0，D₄＞0；

（b）根據(jù)矢量關系式：|||x||-y|||≤||x-y||，D₁＝||X₁-X_u||，D₄＝||X₄-X_u||，因此D₁和D₄還應滿足條件：|D₁-D₄|≤||X₁-X₄||；

（c）δt₁＝t_R-T_sat1，δt₂＝t_R-T_sat2，其中，t_R是接收機時鐘，T_sat1是第一系統(tǒng)的系統(tǒng)時間， T_sat2是第二系統(tǒng)的系統(tǒng)時間，因此，δt₁-δt₂＝T_sat2-T_sat1；

根據(jù)：ρ₁＝D₁+c*δt₁，ρ₄＝D₄+c*δt₂得到：|c*δt₂-c*δt₁|＝|ρ₄-D₄-ρ₁+D₁|；由于第 一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)的時間偏差范圍是已知的，且通常不大，假設其最大值為dt_max，則 |ρ₄-D₄-ρ₁+D₁|≤c*dt_max；

經(jīng)過上面三個條件的排除，將得到一組唯一的D₁和D₄；

步驟2.1.6：獲得接收機位置向量和接收機相對兩個系統(tǒng)的鐘差；

將步驟2.1.5中得到的D₁和D₄的值代入到步驟2.1.3中得到的接收機位置X_u與D₁和D₄的線性關系方程（6）中，得到接收機位置X_u，同時利用ρ₁＝D₁+c*δt₁，ρ₄＝D₄+c*δt₂得 到接收機相對兩個系統(tǒng)的鐘差δt₁和δt₂；

第二種情況：兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)一共有七顆或七顆以上可見衛(wèi)星的情況；

步驟2.2.1：整理同時觀測到的七顆或七顆以上衛(wèi)星的位置及偽距測量值；

假設某時刻同時觀測到N顆衛(wèi)星，其中N₁顆衛(wèi)星屬于第一系統(tǒng)，剩余N₂顆衛(wèi)星屬于第二 系統(tǒng)；N、N₁和N₂滿足條件：N、N₁和N₂均為正整數(shù)，且N≥7，1≤N₁＜N，N₂＝N-N₁；

由此得到N個觀測方程：

ρi=Di+b1;i=1,2,...,N1ρj=Dj+b2;j=N1+1,N1+2,...,NDi=(xi-xu)2+(yi-yu)2+(zi-zu)2;i=1,2,...,N---(14)]]>

其中：b₁＝c*δt₁，b₂＝c*δt₂；

步驟2.2.2：將未知數(shù)及其平方項作為新的未知數(shù)，構造新的線性矩陣方程； 整理觀測方程，通過取平方去掉開方項，并將方程中的未知數(shù)x_u，y_u，z_u，b₁，b₂及其 平方項作為新的待求未知數(shù)，并令：f₁＝x_u，f₂＝y(tǒng)_u，f₃＝z_u，f₄＝b₁， f₅＝b₂，f6=xu2+yu2+zu2-b12,]]>f7=xu2+yu2+zu2-b22,]]>構造出新的線性矩陣方程：

EF＝G????（15）

其中：E=2x12y12z1-2ρ10-10·····················2x32y32z3-2ρ30-102x42y42z40-2ρ40-1·····················2x72y72z70-2ρ70-1,]]>F=f1f2f3f4f5f6f7,]]>G=x12+y12+z12-ρ12···x32+y32+z32-ρ32x42+y42+z42-ρ42···x72+y72+z72-ρ72;]]>

步驟2.2.3：根據(jù)新的線性矩陣方程，得到接收機位置和接收機相對兩個系統(tǒng)的鐘差；

利用最小二乘法處理步驟2.2.2所得到的新的線性矩陣方程（15），從而得到 F＝(E^TE)^-1(E^TG)；然后根據(jù)f₁＝x_u，f₂＝y(tǒng)_u，f₃＝z_u，f₄＝b₁，f₅＝b₂，得到接收機位置 X_u＝[x_u?y_u?z_u]^T、接收機相對第一系統(tǒng)的鐘差δt₁以及接收機相對第二系統(tǒng)的鐘差δt₂；

步驟3：輸出定位結果；

將得到的接收機位置X_u＝[x_u?y_u?z_u]^T、接收機相對第一系統(tǒng)的鐘差δt₁以及接收機相對 第二系統(tǒng)的鐘差δt₂通過通訊接口輸出給用戶。