專利名稱：雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星導航通信領域，具體涉及一種雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法。

背景技術(shù)：
全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)已經(jīng)成為全球發(fā)展最快的信息產(chǎn)業(yè)之一，可以給用戶提供定位、測速和授時等服務，并具有全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的特點。目前已有的兩大衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國的全球定位系統(tǒng)(Global Position System，簡稱為GPS)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)(GLObal Navigation Satellite System，簡稱為GLONASS)，處于設計建造階段的主要有歐洲的伽利略系統(tǒng)和中國的BD2系統(tǒng)(Compass system，通常稱為BD2)。雙系統(tǒng)組合或多系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機將比單系統(tǒng)衛(wèi)星接收機具有更高的可靠性、可用性。因此，雙系統(tǒng)組合或多系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機成為目前研究的熱點。
單系統(tǒng)衛(wèi)星導航定位時，偽距觀測方程中，含有3個接收機位置未知數(shù)和1個接收機相對于衛(wèi)星系統(tǒng)鐘差未知數(shù)，因此，單系統(tǒng)衛(wèi)星導航定位處理至少需要4個觀測量，至少需要4顆可見衛(wèi)星；雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航定位時，偽距觀測方程中，含有3個接收機位置未知數(shù)和接收機相對于2個衛(wèi)星系統(tǒng)的鐘差未知數(shù)，因此，雙系統(tǒng)衛(wèi)星導航定位處理至少需要5個觀測量，至少需要5顆可見衛(wèi)星；依次類推，多系統(tǒng)組合時，需要更多的可見衛(wèi)星提供觀測信息進行定位處理。
在獲得偽距觀測量后，通常的方法是將觀測方程線性化，而后采用最小二乘法或卡爾曼濾波方法進行導航定位處理。由于在一些特殊環(huán)境中，如深空探測、仰角約束較為苛刻的山區(qū)等，衛(wèi)星導航接收機的可見衛(wèi)星位置分布比較差，可能會導致最小二乘法及卡爾曼濾波方法發(fā)散、不收斂，因此，Bancroft等人提出了一類可以不經(jīng)過線性化而直接對衛(wèi)星觀測的非線性方程組進行處理的方法，利用此類方法可以避免迭代發(fā)散問題，保證定位結(jié)果的穩(wěn)定可靠。
目前，針對單系統(tǒng)直接定位處理的主要方法有 美國的Bancroft于1985年提出的Bancroft方法這是一種不需要迭代的全局性非線性最小二乘方法，主要依據(jù)是四維空間下的洛倫茲(Lorentz)內(nèi)積； Krause于1987年提出的Krause方法這是一種針對GPS類型導航方程的代數(shù)化解析處理的方法，Krause方法利用可見衛(wèi)星構(gòu)造測量平面，并選擇其中一個作為參考測量平面，根據(jù)參考測量平面，構(gòu)造一個垂直于該平面的輔助向量，推導了衛(wèi)星到接收機向量與輔助向量及接收機鐘差的線性關系； Abel.J.S于1991年提出的Abel方法這是一種直接處理GPS導航方程的代數(shù)方法，Abel方法選擇一顆衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，并將其作為新坐標系的坐標原點，在此定義下，重新改寫觀測方程，并經(jīng)過推導最終得到關于接收機位置的一個一元二次方程，直接求解一元二次方程獲得兩個可能解，然后根據(jù)條件進行錯誤解的排除，最終獲得正確的定位結(jié)果。
上述這些方法都是針對單系統(tǒng)定位應用的，對于雙系統(tǒng)組合定位處理，由于多了一個鐘差未知數(shù)，導致雙系統(tǒng)衛(wèi)星導航接收機的觀測方程組不同于單系統(tǒng)的觀測方程組，這使得這些方法不再適用于雙系統(tǒng)衛(wèi)星導航接收機。
常規(guī)的觀測方程線性化處理方法為 雙系統(tǒng)組合定位接收機同時觀測到N顆衛(wèi)星時，可以得到如下觀測方程組 式中，ρi(t)表示偽距測量值，Di(t)為衛(wèi)星到接收機的真實距離，c為光速，δtk(t)為接收機時鐘相對兩個系統(tǒng)的鐘差，下標i表示觀測衛(wèi)星的標號，下標k表示兩個不同的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，由于每個衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)都采用單獨定義并維持的時間系統(tǒng)，且這些時間系統(tǒng)之間存在不固定的偏差，因此，雙系統(tǒng)定位解算時，將會有兩個接收機鐘差，分別表示對兩個單獨的時間系統(tǒng)的偏差。
式中，Xi為衛(wèi)星坐標列向量，Xi＝[xi yi zi]T，xi、yi、zi表示衛(wèi)星的三維坐標，Xu為接收機坐標列向量，Xu＝[xu yu zu]T，xu、yu、zu表示接收機的三維坐標。
將Di(t)在接收機初始位置估計值(x0，y0，z0)處用泰勒級數(shù)展開，并且只取其一次近似，這樣可以將非線性方程改寫為線性化的形式 Di(t)＝[-li(t)，-mi(t)，-ni(t)][δx，δy，δz]T+Di0(t)(3) 式中，li、mi、ni為從(x0，y0，z0)到觀測衛(wèi)星i的方向余弦，δx，δy，δz為接收機位置的改正數(shù)。
對觀測方程組進行整理可得如下矩陣形式 H(t)δT+L(t)＝0(4) 假設衛(wèi)星1～衛(wèi)星j屬于第一系統(tǒng)，衛(wèi)星j+1～衛(wèi)星N屬于第二系統(tǒng)，(4)式中的矩陣分別為 其中，H(t)矩陣表示方向余弦矩陣，δT表示待求矩陣，L(t)表示偽距觀測量與初始距離估計值的差。
利用最小二乘法可以求得δT δT＝-(H(t)TH(t))-1(H(t)TL(t)) (5) 上述常規(guī)的觀測方程線性化的方法在通常情況下都可以得到很好的定位結(jié)果，但是在一些特殊應用環(huán)境中，如深空探測等，有可能會使定位結(jié)果不收斂，不能保證可靠地定位。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法，使得雙系統(tǒng)接收機在深空探測等特殊使用環(huán)境中仍然可以得到可靠有效的定位結(jié)果。
本發(fā)明的雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法包括如下步驟 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；同時由接收機基帶模塊得到衛(wèi)星的偽距測量值； 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； 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。
下面針對兩種不同情況，分別介紹定位處理的方法步驟 1、兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)分別有三顆可見衛(wèi)星的情況 此種情況下，定位處理的步驟如下 步驟2.1.1整理六顆觀測衛(wèi)星的位置及偽距測量值； 不失一般性，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Xi、偽距測量值ρi。Xi為衛(wèi)星坐標列向量，Xi＝[xi yi zi]T，ρi＝Di+c*δtk，其中Di為第i衛(wèi)星到接收機的真實距離，c為光速，δtk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，得到非參考衛(wèi)星與參考衛(wèi)星的偽距測量值之差di，i＝2，3，5，6； 步驟2.1.3構(gòu)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(gòu)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； 步驟2.1.4構(gòu)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(gòu)造關于D1和D4的方程； 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(jié)果的取舍； 將步驟2.1.4中得到的D1和D4的一次關系式代入二次關系式中，得到關于D4的一元二次方程，利用此一元二次方程可以獲得D4的兩個結(jié)果，繼而由D1和D4的一次關系式得到D1的兩個結(jié)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-Xu‖，D4＝‖X4-Xu‖，因此D1和D4還應滿足條件|D1-D4|≤‖X1-X4‖ (c)δt1＝tR-Tsat1，δt2＝tR-Tsat2，其中，tR是接收機時鐘，Tsat1是第一系統(tǒng)的系統(tǒng)時間，Tsat2是第二系統(tǒng)的系統(tǒng)時間，因此，δt1-δt2＝Tsat2-Tsat1。
根據(jù)ρ1＝D1+c*δt1，ρ4＝D4+c*δt2可以得到|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，且通常不會很大，設其最大值為dtmax，則|ρ4-D4-ρ1+D1|≤c*dtmax 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Xu與D1和D4的線性關系方程中，獲得接收機位置Xu，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。
2、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 此種情況下，定位方法的步驟如下 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； 不失一般性，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； 步驟2.2.2將未知數(shù)及其平方項作為新的未知數(shù)，構(gòu)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)xu，yu，zu，b1，b2及其平方項xu2，yu2，zu2，b12，b22作為新的待求未知數(shù)，并令f1＝xu，f2＝y(tǒng)u，f3＝zu，f4＝b1，f5＝b2，構(gòu)造出新的線性矩陣方程； 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，從而得到接收機位置Xu＝[xu yu zu]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(jié)果。
將得到的接收機位置Xu＝[xu yu zu]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。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 (1)在可見衛(wèi)星滿足條件時，利用本發(fā)明提供的定位方法能夠保證在特殊使用環(huán)境中仍然能提供有效可靠的定位結(jié)果； (2)本發(fā)明所提出的定位方法不需要對接收機的位置進行估計； (3)本發(fā)明所提出的定位方法處理過程不需要迭代運算，不存在發(fā)散問題，保證了導航定位的可靠性。



圖1是本發(fā)明雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法流程圖； 圖2是本發(fā)明兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)分別有三顆可見衛(wèi)星時的處理流程圖； 圖3是本發(fā)明兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)一共有七顆或七顆以上可見衛(wèi)星時的處理流程圖； 圖4是現(xiàn)有線性化方法在兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)分別有三顆可見衛(wèi)星時的定位誤差結(jié)果； 圖5是本發(fā)明方法在兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)分別有三顆可見衛(wèi)星時的定位誤差結(jié)果； 圖6是現(xiàn)有線性化方法在兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)一共有七顆可見衛(wèi)星時的定位誤差結(jié)果； 圖7是本發(fā)明方法在兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)一共有七顆可見衛(wèi)星時的定位誤差結(jié)果。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行說明。
本發(fā)明所述的是一種雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法，如圖1所示，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；同時由接收機基帶模塊得到衛(wèi)星的偽距測量值； 步驟2獲取接收機位置； 根據(jù)觀測衛(wèi)星的不同情況，采用不同的步驟來完成接收機定位處理，下面針對兩種不同情況，分別對接收機定位方法步驟進行詳細說明。
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 該種情況中接收機定位處理流程如圖2所示，具體步驟如下 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Xi、偽距測量值ρi。Xi為衛(wèi)星坐標列向量，Xi＝[xi yi zi]T，ρi＝Di+c*δtk，其中Di為第i衛(wèi)星到接收機的真實距離，c為光速，δtk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。
某時刻，六顆可見衛(wèi)星的坐標值及觀測偽距測量值如表1所示 表1實施實例1可見六顆星衛(wèi)星坐標及偽距觀測值
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)星偽距測量值做差，得到非參考衛(wèi)星與參考衛(wèi)星的偽距測量值之差di，其中i＝2，3，5，6，有 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(gòu)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(gòu)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di移項后取平方，可得下式 因為則其中ri為衛(wèi)星到地心的距離，ri＝|Xi|；ru為接收機到地心的距離，ru＝|Xu|；Xu為接收機坐標列向量，Xu＝[xu yu zu]T。將此關系代入到上式中，得到如下方程 經(jīng)過化簡后，可以得到 令將上式中的后三個方程寫成矩陣的形式 2AXu＝B1D1+B2D4+C(10) 其中 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 Xu＝(2A)-1(B1D1+B2D4+C)(11) 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(gòu)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(gòu)造關于D1和D4的方程。
Xu∈R3，可以通過線性變化得到 繼而得到 由此得到D1和D4的第一個關系式 D1＝c5D4+c6(13) 其中 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)星的距離可以得到 兩式做差可以得到D1和D4的第二個關系式 令可得 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(jié)果的取舍； 將步驟2.1.4中得到的D1和D4的第一個關系式(13)代入第二個關系式公式(16)中，得到關于D4的一元二次方程 其中a2＝(2c5c6+c5Y2A-1B1+Y2A-1B2)， 利用此一元二次方程可以得到D4的兩個結(jié)果 在表1所給條件下，分別得到如下中間參量的值 c1＝2.2125e+12，c2＝8.8756e+12，c3＝1.4673e+12，c4＝1.1074e+12，c5＝1.1529，c6＝1.1498e+7，a1＝0.32923，a2＝2.9677e+7，a3＝-8.9448e+14。
將a1、a2和a3代入公式(18)，得到的D4的兩個結(jié)果分別為2.3837e+7和-1.1398e+8。
根據(jù)步驟2.1.4中D1和D4的一次關系式(13)，由D4得到D1的兩個結(jié)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-Xu‖，D4＝‖X4-Xu‖，因此D1和D4還應滿足條件|D1-D4|≤‖X1-X4‖ (c)δt1＝tR-Tsat1，δt2＝tR-Tsat2，其中，tR是接收機時鐘，Tsat1是第一系統(tǒng)的系統(tǒng)時間，Tsat2是第二系統(tǒng)的系統(tǒng)時間，因此，δt1-δt2＝Tsat2-Tsat1。
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，且通常不會很大，設其最大值為dtmax，則|ρ4-D4-ρ1+D1|≤c*dtmax 經(jīng)過上面三個條件的排除，D4的第二個結(jié)果-1.1398e+8被排除，從而得到一組唯一的D1和D4，D1＝3.898e+7，D4＝2.3837e+7； 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的值代入到公式(11)中，得到接收機位置Xu。在本實例中，Xu＝[-2.1775e+6 4.3889e+6 4.07e+6]。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。在本實例中，得到δt1＝0.01，δt2＝0.0100005。
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 該種情況中接收機定位處理流程如圖3所示，具體步驟如下 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； 由此可得N個觀測方程 其中b1＝c*δt1，b2＝c*δt2； 假設某時刻同時觀測到七顆衛(wèi)星，其中三顆衛(wèi)星屬于第一系統(tǒng)，剩余四顆衛(wèi)星屬于第二系統(tǒng).由此可得七個觀測方程 其中b1＝c*δt1，b2＝c*δt2。
某時刻，七顆可見衛(wèi)星的坐標值及觀測偽距測量值如表2所示 表2實施實例2可見七顆星衛(wèi)星坐標及偽距觀測值
步驟2.2.2將未知數(shù)及其平方項作為新的未知數(shù)，構(gòu)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)xu，yu，zu，b1，b2及其平方項xu2，yu2，zu2，b12，b22作為新的待求未知數(shù)，并令f1＝xu，f2＝y(tǒng)u，f3＝zu，f4＝b1，f5＝b2，可以得到如下的線性矩陣方程 EF＝G (21) 其中 根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以得到在本實例中的值 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(21)，從而得到F＝(ETE)-1(ETG)，然后根據(jù)f1＝xu，f2＝y(tǒng)u，f3＝zu，f4＝f1，f5＝f2，得到接收機位置Xu＝[xu yu zu]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。
利用步驟2.2.2中的矩陣E和G的值，得到本實例中進而得到接收機位置Xu＝[-2.1775e+6 4.3889e+6 4.07e+6]T和接收機相對兩個系統(tǒng)的鐘差δt1＝0.01，δt2＝0.0100005。
步驟3輸出定位結(jié)果。
將得到的接收機位置Xu＝[xu yu zu]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。
在本實例中，將解算得到的接收機位置Xu＝[-2.1775e+6 4.3889e+6 4.07e+6]T、接收機相對第一系統(tǒng)的鐘差δt1＝0.01以及接收機相對第二系統(tǒng)的鐘差δt2＝0.0100005通過通訊接口輸出給用戶。
用同樣的方法對多個歷元時刻進行定位仿真，設定接收機由位置(-2177528，4388901，4070001)向(-2.816e7，5.5023e7，2.145e7)運動，對整個運動過程進行定位分析，并與常規(guī)的線性化方法進行對比，其中的線性化方法是指將觀測方程線性化的方法，其對比結(jié)果如圖4，圖5，圖6和圖7所示。其中圖4是線性化方法在兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)分別有三顆可見衛(wèi)星時的定位誤差結(jié)果，圖5是本發(fā)明方法在兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)分別有三顆可見衛(wèi)星時的定位誤差結(jié)果，圖6是線性化方法在兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)一共有七顆可見衛(wèi)星時的定位誤差結(jié)果，圖7是本發(fā)明方法在兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)一共有七顆可見衛(wèi)星時的定位誤差結(jié)果。在圖4～圖7中，當定位結(jié)果發(fā)散時，為了表示方便，當誤差絕對值大于1e7時，令誤差絕對值為1e7。由圖4和圖6可以看到，線性化方法在某些時刻定位結(jié)果發(fā)散，定位誤差絕對值大于1e7，因此線性化方法有可能無法得到正確的定位結(jié)果，由圖5和圖7可以看到，本發(fā)明提出的方法在線性化方法發(fā)散時，仍然可以得到可靠的定位結(jié)果，誤差在±150m以內(nèi)，可以保證接收機得到可靠的定位結(jié)果。本發(fā)明提出的方法不需要有接收機初始位置的估計值，不需要迭代運算處理，因此適合在深空探測等特殊環(huán)境中使用。
權(quán)利要求
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Xi；同時由接收機基帶模塊得到衛(wèi)星的偽距測量值ρi；
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Xi、偽距測量值ρi，Xi為衛(wèi)星坐標列向量，Xi＝[xi yi zi]T，xi、yi、zi表示衛(wèi)星的三維坐標，ρi＝Di+c*δtk，其中Di為第i衛(wèi)星到接收機的真實距離，c為光速，δtk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di，i＝2，3，5，6，有
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(gòu)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(gòu)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di移項后取平方，得到下式
因為則其中ri為衛(wèi)星到地心的距離，ri＝|Xi|；ru為接收機到地心的距離，ru＝|Xu|；Xu為接收機坐標列向量，Xu＝[xu yu zu]T，xu、yu、zu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
經(jīng)過化簡后，得到
令將上式中的后三個方程寫成矩陣的形式
2AXu＝B1D1+B2D4+C(5)
其中
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
Xu＝(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(gòu)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(gòu)造關于D1和D4的方程；
Xu∈R3，通過線性變化得到
繼而得到
由此得到D1和D4的第一個關系式
D1＝c5D4+c6(8)
其中
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
兩式做差得到D1和D4的第二個關系式
令得
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(jié)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
其中a2＝(2c5c6+c5Y2A-1B1+Y2A-1B2)，
利用此一元二次方程得到D4的兩個結(jié)果
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(jié)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-Xu‖，D4＝‖X4-Xu‖，因此D1和D4還應滿足條件|D1-D4|≤‖X1-X4‖；
(c)δt1＝tR-Tsat1，δt2＝tR-Tsat2，其中，tR是接收機時鐘，Tsat1是第一系統(tǒng)的系統(tǒng)時間，Tsat2是第二系統(tǒng)的系統(tǒng)時間，因此，δt1-δt2＝Tsat2-Tsat1；
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dtmax，則|ρ4-D4-ρ1+D1|≤c*dtmax；
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Xu與D1和D4的線性關系方程(6)中，得到接收機位置Xu，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
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(gòu)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)xu，yu，zu，b1，b2及其平方項xu2，yu2，zu2，b12，b22作為新的待求未知數(shù)，并令f1＝xu，f2＝y(tǒng)u，f3＝zu，f4＝b1，f5＝b2，構(gòu)造出新的線性矩陣方程
EF＝G (15)
其中
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＝(ETE)-1(ETG)；然后根據(jù)f1＝xu，f2＝y(tǒng)u，f3＝zu，f4＝b1，f5＝b2，得到接收機位置Xu＝[xu yu zu]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(jié)果；
將得到的接收機位置Xu＝[xu yu zu]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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙系統(tǒng)組合衛(wèi)星導航接收機定位方法。首先獲取衛(wèi)星位置及偽距觀測量；然后根據(jù)觀測衛(wèi)星的不同情況，采用不同的步驟來完成接收機定位處理，獲取接收機位置；最后輸出定位結(jié)果。該方法根據(jù)可見衛(wèi)星個數(shù)有兩種解決方案，其一，是當兩個衛(wèi)星系統(tǒng)均有三顆可見衛(wèi)星的情況，利用一元二次方程的代數(shù)處理方法可以最終獲得接收機的位置；其二，是當兩個衛(wèi)星系統(tǒng)可見七顆及七顆以上衛(wèi)星的情況，利用觀測信息的冗余性將觀測方程組轉(zhuǎn)化為一次方程組，最終利用最小二乘方法直接進行處理。該方法不需要導航位置初始估計值，也不需要迭代運算處理，可使接收機在深空探測及其它特殊環(huán)境中得到可靠的定位結(jié)果。
文檔編號G01S19/45GK101799552SQ20101012301
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者張曉林, 張強, 陳燦輝, 霍航宇 申請人:北京航空航天大學