[發明專利]一種適用于船舶交通管理系統的雙模衛星融合定位方法

有效

• 申請號: 202010264534.0
• 申請日: 2020-04-07
• 公開（公告）號: CN111399015B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 夏亮;夏金峰;金家龍;王子駿;周曉安;盛開
• 申請（專利權）人: 中船重工鵬力（南京）大氣海洋信息系統有限公司;中國船舶重工集團南京鵬力科技集團有限公司
• 主分類號: G01S19/42
• 分類號: G01S19/42;G01S19/40;G01S19/33
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 石艷紅

1.一種適用于船舶交通管理系統的雙模衛星融合定位方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1、建立衛星雙頻偽距誤差修正模型：對編號為s的衛星，建立如下所示的雙頻偽距誤差修正模型：

式(5)中，表示衛星s經雙頻修正后的偽距測量值；f₁和f₂分別表示衛星信號的兩個不同載波頻率；和分別表示船載接收終端u在同一時刻對衛星s所發射的兩個不同載波頻率信號f₁和f₂上接收的偽距測量值；

步驟2、修正衛星的偽距測量值：假設船載接收終端u所能接收的所有可見衛星包括m顆北斗衛星和n顆GPS衛星；則在當前觀測歷元t時刻下，通過船載接收終端，根據步驟1中建立的衛星雙頻偽距誤差修正模型，對每顆衛星均進行偽距測量值的修正；

步驟3、北斗衛星和GPS衛星的空間位置解算及時空轉換：接收m顆北斗衛星和n顆GPS衛星的星歷數據，根據星歷中的開普勒參數對衛星位置進行解算，得到每顆衛星的空間位置坐標，然后將n顆GPS衛星的空間位置坐標轉換到北斗坐標系下，同時將GPS時間系統轉換到北斗時間系統下，從而實現北斗系統和GPS的時空轉換與統一；

步驟4、初步求解船舶位置：針對m顆北斗衛星和n顆GPS衛星，建立雙模偽距定位觀測方程組，并對其進行線性化，通過最小二乘法初步解算出在當前觀測歷元t時刻下船舶在北斗坐標系中的空間位置坐標(x_t，y_t，z_t)；

步驟5、計算每顆衛星相對于船舶的高度角：根據步驟3得到的衛星空間位置坐標和步驟4初步得到的船舶空間位置坐標，計算m顆北斗衛星和n顆GPS衛星相對于船舶的高度角，得到m顆北斗衛星的高度角為n顆GPS衛星的高度角為

步驟6、建立多權重模型：根據衛星的系統類別、信噪比和高度角，建立如下所示的多權重模型：

W·A·△X＝W·B (21)

W＝W₁·W₂·W₃ (20)

其中，A為觀測系數矩陣；△X為關于船舶從t-1時刻至t時刻的修正量矩陣；B為過程矩陣；W為綜合權重矩陣；W₁為(m+n)顆衛星基于系統類別的權重矩陣；W₂為(m+n)顆衛星基于信噪比的權重矩陣；W₃為(m+n)顆衛星基于高度角的權重矩陣；

(m+n)顆衛星基于系統類別的權重矩陣W₁如下所示：

其中，W_B表示m顆北斗衛星構成的基于系統類別的權重矩陣；W_G表示n顆GPS衛星構成的基于系統類別的權重矩陣；

(m+n)顆衛星基于信噪比的權重矩陣W₂如下所示：

式(18)中，分別表示m顆北斗衛星基于信噪比的權重值；

分別表示n顆GPS衛星基于信噪比的權重值；

(m+n)顆衛星基于高度角的權重矩陣W₃如下所示：

式(19)中，分別表示m顆北斗衛星基于高度角的權重值；分別表示n顆GPS衛星基于高度角的權重值；

權重矩陣W₃中m顆北斗衛星或n顆GPS衛星基于高度角的權重值，簡稱基于衛星高度角的權重Q₃，計算公式如下：

Q₃＝sinθ (16)

式(16)中，θ表示衛星的高度角；

步驟7、二次精確求解船舶位置：采用加權最小二乘法求解線性化后的公式(21)，得到修正量矩陣△X，從而獲得在當前觀測歷元t時刻下船舶在北斗坐標系中的精確空間位置坐標；其中，獲得的修正量矩陣△X為：

△X＝-(A^T·W^T·W·A)^-1·A^T·W^T·W·B (22)

式(22)中，A^T表示矩陣A的轉置，W^T表示矩陣W的轉置，(A^T·W^T·W·A)^-1表示矩陣(A^T·W^T·W·A)的逆；

步驟8，在下一歷元時刻，重復步驟1到步驟7，獲得船舶的空間位置坐標；利用衛星的雙頻偽距進行電離層延時修正，能有效消除偽距測量值的電離層延時誤差，從而顯著提升船舶的定位精度；另外，通過建立的多權重模型，充分考慮衛星的系統類別、信噪比和高度角對每顆衛星偽距測量值的影響，并采用加權最小二乘法進行定位解算，進一步提升船舶定位精度，同時也明顯降低定位算法的復雜度。