一種基于精密機(jī)械臂的室外gnss接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心校正方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于天線測(cè)量技術(shù)與衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域，涉及一種基于精密機(jī)械的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心校正方法。該方法針對(duì)常規(guī)室外GNSS觀測(cè)無(wú)法獲得高精度的接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心校正模型的問(wèn)題，通過(guò)超短基線觀測(cè)消除大部分公共誤差，借助高精度的機(jī)械臂的快速旋轉(zhuǎn)和傾斜實(shí)現(xiàn)接收機(jī)天線絕對(duì)相位中心補(bǔ)償（Phase Center Offset 簡(jiǎn)稱PCO）和相位中心變化（Phase Center Variation 簡(jiǎn)稱PCV）的分離，最后通過(guò)最小二乘算法解算 PCO 并對(duì)觀測(cè)殘差進(jìn)行擬合計(jì)算PCV。本發(fā)明能在室外操作，且能達(dá)到1mm的PCO和PCV的校正精度，適用于能跟蹤GPS、BDS、GLONASS及Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的接收機(jī) PCO 和 PCV 的精確標(biāo)定，從而可以消除由于接收機(jī) PCO 和 PCV 的不精確引入的系統(tǒng)性測(cè)量誤差，進(jìn)一步提高用戶定位精度。
【專利說(shuō)明】-種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中 心校正方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明屬于天線測(cè)量技術(shù)與衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域，具體涉及一種基于精密機(jī)械臂的 室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中也校正方法。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004] 在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global ^vigation Satellite System簡(jiǎn)稱GNSS)導(dǎo)航定 位領(lǐng)域，載波相位觀測(cè)值精度比偽距觀測(cè)值精度高得多，因此在高精度GNSS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù) 處理中載波相位觀測(cè)值占有很大權(quán)重。相位觀測(cè)值是通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星發(fā)射天線發(fā)射時(shí)刻相對(duì) 于接收機(jī)接收時(shí)刻各自的瞬時(shí)相位中也得到。其瞬時(shí)相位中也隨著高度角、方位角、衛(wèi)星信 號(hào)強(qiáng)度的變化而變化并且跟頻率有關(guān)，在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中無(wú)法得到衛(wèi)星和接收機(jī)的瞬時(shí)相 位中也的具體位置，因而引入一個(gè)平均相位中也來(lái)描述瞬時(shí)相位中也的平均值，該值相對(duì) 于接收機(jī)參考點(diǎn)的差距稱為絕對(duì)天線相位偏差（Phase Center Offset簡(jiǎn)稱PC0)。該樣， 如果將單個(gè)觀測(cè)值的瞬時(shí)相位中也與平均相位中也相比較得到的偏差值就稱為天線相位 中也變化（Phase Center Variation簡(jiǎn)稱PCV)。實(shí)踐證明，衛(wèi)星W及接收機(jī)終端的天線相 位中也偏差和相位中也變化，是影響用戶定位精度的主要系統(tǒng)誤差源。GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)往往 混合使用了各種不同類型的接收機(jī)，該些接收機(jī)在制造工藝、工作模式上存在差異，導(dǎo)致天 線相位中也存在較大差異，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)容易引入系統(tǒng)性偏差。因此天線在使用前必 須進(jìn)行高精度的天線相位中也標(biāo)定。
[0005] GNSS接收機(jī)天線相位中也的校正或標(biāo)定目前主要有微波暗室校正法和利用室外 實(shí)測(cè)全球定位系統(tǒng)（Global化sitioning System簡(jiǎn)稱GPS)信號(hào)的相對(duì)定位法兩種。微 波暗室法采用的是在較為理想的環(huán)境下的GI^S模擬信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，受干擾較少，但該種方 法對(duì)設(shè)備要求較高，測(cè)試成本也較高，并且其模擬的觀測(cè)環(huán)境與室外觀測(cè)環(huán)境可能存在一 定的差異，導(dǎo)致校正結(jié)果可行度不高，該也是國(guó)際GNSS服務(wù)組織（Internat ional GNSS Service化ganization簡(jiǎn)稱IGS)沒(méi)有采用暗室校正結(jié)果的原因之一。而室外實(shí)測(cè)GPS信 號(hào)的相對(duì)定位法要求參考站的天線相位中也信息事先已知，得到的待測(cè)天線結(jié)果是相對(duì)于 參考天線的相對(duì)相位中也模型值，不能得到與參考站無(wú)關(guān)的絕對(duì)天線相位中也模型值；另 夕F，W上方法目前都無(wú)法標(biāo)定我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)天線相位中也。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是；針對(duì) 常規(guī)室外GNSS觀測(cè)無(wú)法獲得高精度的接收機(jī)絕對(duì)天線相位中也校正模型的問(wèn)題，通過(guò)超 短基線觀測(cè)消除大部分公共誤差，借助高精度的機(jī)械臂的快速旋轉(zhuǎn)和傾斜實(shí)現(xiàn)接收機(jī)天線 絕對(duì)相位中也補(bǔ)償（化口)和相位中也變化（化'。的分離，最后通過(guò)最小二乘算法解算化餅^ 對(duì)觀測(cè)殘差進(jìn)行擬合計(jì)算化y。本發(fā)明能在室外操作，且能達(dá)到1mm的化'巧日化飾勺校正精 度，適用于能跟蹤GPS/抓S/化ONASS/Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的接收機(jī)化巧日PCV的 精確標(biāo)定，從而可W消除由于接收機(jī)化巧日化飾勺不精確引入的系統(tǒng)性測(cè)量誤差，進(jìn)一步提 高用戶定位精度。
[0008] 本發(fā)明具有如下的有益效果： 本發(fā)明提供一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中也校正方法，該 方法與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于；本發(fā)明專利基于可傾斜和旋轉(zhuǎn)的高精度機(jī)械臂采集大 量不同方位角和高度角的實(shí)測(cè)GNSS觀測(cè)值，在室外就可W實(shí)現(xiàn)GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位 中也的標(biāo)定，標(biāo)定精度高，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試成本低，室外測(cè)試環(huán)境更接近使用環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn) GPS/抓S/化0NASS和Galileo衛(wèi)星系統(tǒng)的接收機(jī)天線相位中也標(biāo)定。
[0009]

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中也校正方法的流 程圖； 圖2為用于計(jì)算化'0在水平面內(nèi)的化'0 (A0和化'0 (巧分量的GNSS觀測(cè)與機(jī)械臂轉(zhuǎn) 動(dòng)方法示意圖； 圖3為用于計(jì)算化諱E豎直面內(nèi)的化'0 ( 0分量的GNSS觀測(cè)與機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)方法示意 圖。
[0011]

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。W下實(shí)施例用于 說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0013] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是；針對(duì)常規(guī)室外GNSS觀測(cè)無(wú)法獲得高精度的接收 機(jī)絕對(duì)天線相位中也校正模型的問(wèn)題，通過(guò)超短基線觀測(cè)消除大部分公共誤差，借助高精 度的機(jī)械臂的快速旋轉(zhuǎn)和傾斜實(shí)現(xiàn)接收機(jī)天線絕對(duì)相位中也補(bǔ)償（化口）和相位中也變化 (化'。的分離，最后通過(guò)最小二乘算法解算化巧巧才觀測(cè)殘差進(jìn)行擬合計(jì)算化y。本發(fā)明 能在室外操作，且能達(dá)到1mm的化'巧日化胸校正精度，適用于能跟蹤GPS/抓S/化0NASS/ Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的接收機(jī)化巧日化飾勺精確標(biāo)定，從而可W消除由于接收機(jī) 化巧日化飾勺不精確引入的系統(tǒng)性測(cè)量誤差，進(jìn)一步提高用戶定位精度。該校正方法的實(shí)施 流程如圖1所示。
[0014] 本發(fā)明的具體實(shí)施方案如下： 步驟1 ;在GNSS超短基線觀測(cè)模式下，其中一個(gè)天線固定在參考站，另一個(gè)接收機(jī)天線 安裝在機(jī)械臂末端(移動(dòng)站)。通過(guò)調(diào)整機(jī)械臂移動(dòng)天線，觀測(cè)得到不同時(shí)段的多條基線，通 過(guò)基線解算可得到機(jī)械臂末端的GNSS坐標(biāo)值，通過(guò)計(jì)算機(jī)可同時(shí)讀取對(duì)應(yīng)時(shí)段的機(jī)械臂 末端的機(jī)械臂本體坐標(biāo)值。通過(guò)解算該些坐標(biāo)對(duì)，得到GNSS坐標(biāo)系與機(jī)械臂本體坐標(biāo)系之 間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一，具體轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心校正方法，其特征在于， 該方法包括以下幾個(gè)步驟： 步驟1 :選用兩個(gè)配備天線的GNSS接收機(jī)組成超短基線（< 10m)，其中一個(gè)天線固定在 參考站，另一個(gè)接收機(jī)天線安裝在機(jī)械臂末端(移動(dòng)站）；調(diào)整機(jī)械臂移動(dòng)天線，可觀測(cè)得到 不同時(shí)段的多條基線，通過(guò)基線解算可得到機(jī)械臂末端的GNSS坐標(biāo)值，通過(guò)計(jì)算機(jī)可同時(shí) 讀取對(duì)應(yīng)時(shí)段的機(jī)械臂末端的機(jī)械臂本體坐標(biāo)值；通過(guò)解算這些坐標(biāo)對(duì)，得到GNSS坐標(biāo)系 與機(jī)械臂本體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一； 步驟2 :固定配備任意接收機(jī)天線的參考站，通過(guò)機(jī)械臂控制待測(cè)接收機(jī)天線在水平 面內(nèi)指定的方向(測(cè)試時(shí)指定的起算方向，即"天線指北方向"）做0° (記為位置1)和任意 非0°角度(位置2)快速往返轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)記錄高采樣GNSS觀測(cè)值； 步驟3 :根據(jù)步驟2,將GNSS觀測(cè)值按位置1和位置2分解成兩部分，對(duì)步驟1的參考 站和步驟2中移動(dòng)站組成的雙差觀測(cè)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，獲得(參考站至位置1)和(參考站 至位置2)兩條基線的同步雙差觀測(cè)值； 步驟4 :利用步驟3得到的同步雙差觀測(cè)值，以步驟2指定的天線北為起算方向，以待 測(cè)天線參考點(diǎn)為原點(diǎn)，建立天線本體站心坐標(biāo)系(北/東/高坐標(biāo)系)，在此坐標(biāo)系進(jìn)行絕對(duì) 天線相位偏差（Phase Center Offset簡(jiǎn)稱PCO)參數(shù)建模，通過(guò)雙差觀測(cè)可解算出/--分 量中的北和東方向分量產(chǎn)仍（奶和產(chǎn)仍（萬(wàn)）； 步驟5 :固定配備任意接收機(jī)天線的參考站，通過(guò)機(jī)械臂控制待測(cè)接收機(jī)天線在堅(jiān)直 面內(nèi)作0° (位置3)和任意非0°角度(位置4)的快速傾斜往返轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)記錄高采樣率 GNSS觀測(cè)值； 步驟6 :根據(jù)步驟5,將GNSS觀測(cè)值按位置3和位置4分解成兩部分；對(duì)步驟1的參考 站和步驟5中移動(dòng)站組成的雙差觀測(cè)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到參考站至位置3和參考站至 位置4兩條基線的同步雙差觀測(cè)值； 步驟7 :利用步驟6得到的同步雙差觀測(cè)值，通過(guò)同步雙差觀測(cè)可解算得到/?'吩量中 的高方向分量產(chǎn)仍（仍； 步驟8 :將步驟4和步驟7得到的三個(gè)分量的產(chǎn)⑶值帶入根據(jù)步驟3和步驟6的位置1 與位置2的雙差觀測(cè)值和位置3與位置4的雙差觀測(cè)觀測(cè)方程中進(jìn)而得到觀測(cè)殘差，依據(jù) 步驟4建立的坐標(biāo)系計(jì)算高度角和方位角，對(duì)觀測(cè)值殘差進(jìn)行分段線性擬合或者球冠諧函 數(shù)擬合計(jì)算得到關(guān)于高度角和方位角的相對(duì)天線相位中心變化（Phase Center Variation 簡(jiǎn)稱PCV)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心 校正方法，其特征在于，所述步驟1的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下： 第一步：將參考站與移動(dòng)站(位置A)組成基線，通過(guò)相對(duì)定位得到位置A的GNSS坐標(biāo)， 同時(shí)記錄機(jī)械臂末端在機(jī)械臂全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，兩者組成坐標(biāo)對(duì)1 ; 第二步：調(diào)整機(jī)械臂末端的位置(位置B)，將參考站與位置B處的移動(dòng)站組成基線，通 過(guò)相對(duì)定位得到位置B的GNSS坐標(biāo)，同時(shí)記錄機(jī)械臂末端在機(jī)械臂全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， 兩者組成坐標(biāo)對(duì)2 ; 第三步：采用與第一步和第二步相同的方式，通過(guò)調(diào)整機(jī)械臂末端的位置，得到N個(gè)坐 標(biāo)對(duì)（N彡3); 第四步：采用經(jīng)典的7參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型得到GNSS坐標(biāo)系與機(jī)械臂本體坐標(biāo)系之間的 轉(zhuǎn)換參數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心 校正方法，其特征在于，所述步驟2的觀測(cè)方法如下： 第一步：調(diào)整待測(cè)天線，使待測(cè)天線與機(jī)械臂保持水平，將事先標(biāo)記的天線指北方向與 機(jī)械臂的X坐標(biāo)軸平行，此時(shí)待測(cè)天線位置標(biāo)記為位置1 ; 第二步：水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂到某一指定的角度，此時(shí)待測(cè)天線位置標(biāo)記為位置2 ; 第三步：控制機(jī)械臂在位置1上進(jìn)行GNSS觀測(cè)，一段時(shí)間后快速轉(zhuǎn)動(dòng)到位置2上繼續(xù) 進(jìn)行觀測(cè)一段時(shí)間，然后從位置2上快速返回到位置1上繼續(xù)觀測(cè)，再?gòu)奈恢?快速轉(zhuǎn)動(dòng)到 位置2上進(jìn)行觀測(cè)；按該方式進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和GNSS觀測(cè)3至5小時(shí)后結(jié)束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心 校正方法，其特征在于所述步驟3的計(jì)算過(guò)程如下： 第一步：按照機(jī)械臂輸出的不同姿態(tài)，將位置1與位置2與參考站組成的雙差觀測(cè)值進(jìn) 行分離； 第二步：將(參考站至位置1)的雙差觀測(cè)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到采樣間隔較為連續(xù) 的雙差觀測(cè)值；同理，通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到(參考站至位置2)的較為連續(xù)的雙差觀測(cè)值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心 校正方法，其特征在于，所述步驟4的計(jì)算過(guò)程如下： 第一步：按照步驟4所建立待測(cè)天線的(北/東/高)本體坐標(biāo)系，通過(guò)步驟2中的坐標(biāo) 參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，建立天線本體坐標(biāo)系下的產(chǎn)⑶（奶和產(chǎn)⑶（幻參數(shù)在GNSS坐標(biāo)系下的觀測(cè) 方程；將(參考站至位置1)與(參考站至位置2)的同步雙差觀測(cè)值作差后，組成關(guān)于位置1 和位置2的新雙差觀測(cè)值，通過(guò)最小二乘法可估算待測(cè)天線的產(chǎn)仍（奶和產(chǎn)仍（幻分量值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心 校正方法，其特征在于，所述步驟5的觀測(cè)方法如下： 第一步：調(diào)整待測(cè)天線，使待測(cè)天線與機(jī)械臂保持水平，將事先標(biāo)記的天線指北方向與 機(jī)械臂的X坐標(biāo)軸平行，此時(shí)待測(cè)天線位置標(biāo)記為位置3 ; 第二步：堅(jiān)直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂到某一指定的角度，此時(shí)待測(cè)天線位置標(biāo)記為位置4 ; 第三步：控制機(jī)械臂在位置3上進(jìn)行GNSS觀測(cè)，一段時(shí)間后快速轉(zhuǎn)動(dòng)到位置4上繼續(xù) 進(jìn)行觀測(cè)一段時(shí)間，然后從位置4上快速返回到位置3上繼續(xù)觀測(cè)，再?gòu)奈恢?快速轉(zhuǎn)動(dòng)到 位置4上進(jìn)行觀測(cè)；按該方式進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和GNSS觀測(cè)3至5小時(shí)結(jié)束。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心 校正方法，其特征在于，所述步驟6的計(jì)算過(guò)程如下： 第一步：按照機(jī)械臂輸出的不同姿態(tài)，將位置3與位置4與參考站組成的雙差觀測(cè)值進(jìn) 行分離； 第二步：將(參考站至位置3)雙差觀測(cè)值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到采樣間隔較為連續(xù)的 雙差觀測(cè)值；同理，通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到(參考站至位置4)的較為連續(xù)的雙差觀測(cè)值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于精密機(jī)械臂的室外GNSS接收機(jī)絕對(duì)天線相位中心 校正方法，其特征在于，所述步驟7的計(jì)算過(guò)程如下： 第一步：按照步驟4建立待測(cè)天線的北/東/高本體坐標(biāo)系； 第二步：通過(guò)步驟2中的坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，建立天線本體坐標(biāo)系下的/-- (仍參數(shù)在 GNSS坐標(biāo)系下的觀測(cè)方程，將(參考站至位置3)與(參考站至位置4)的同步雙差觀測(cè)值作 差后，組成關(guān)于位置3和位置4的新雙差觀測(cè)值，將步驟5計(jì)算的(幻和產(chǎn)仍（AM乍為 已知值帶入GNSS觀測(cè)方程，通過(guò)最小二乘法可估算待測(cè)天線的產(chǎn)仍（仍； 第三步：將步驟4和步驟7得到的產(chǎn)⑶（萬(wàn))、/^9 (仍三個(gè)分量值帶入根據(jù)步 驟3和步驟6的位置1與位置2和位置3與位置4的雙差觀測(cè)方程中，進(jìn)而得到雙差觀測(cè) 殘差，依據(jù)步驟4所建立的坐標(biāo)系計(jì)算各個(gè)衛(wèi)星的高度角和方位角，對(duì)觀測(cè)值殘差進(jìn)行分 段線性擬合或者球冠諧函數(shù)擬合計(jì)算得到關(guān)于高度角和方位角的mKt。
【文檔編號(hào)】G01S19/23GK104502926SQ201410780992
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】胡志剛, 趙齊樂(lè), 李陶, 郭強(qiáng) 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)