基于三角形接收機陣列的高精度衛(wèi)星定位裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星導航定位技術領域，尤其是一種不依靠基準站的基于三角形接收機陣列的高精度衛(wèi)星定位裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)主要包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等，隨著衛(wèi)星定位技術的快速發(fā)展，人們對快速高精度位置信息的需求也日益強烈。當前，高精度實時衛(wèi)星定位導航的應用范圍越來越廣，要求用戶接收機的定位精度需要達到分米級甚至厘米級。
[0003]單點衛(wèi)星定位接收機技術已經(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)射時間等觀測量和用戶鐘差來實現(xiàn)的。要獲得地面的三維坐標，必須對至少4顆衛(wèi)星進行測量。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、對流層誤差等引起的；第二部分是由傳播延遲導致的誤差；第三部分為各用戶接收機固有的誤差，由內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應等原因造成。由于這些誤差的存在，單點衛(wèi)星靜態(tài)定位的精度很難達到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)星定位技術來實現(xiàn)。差分衛(wèi)星定位技術的原理為:首先利用已知精確三維坐標的差分衛(wèi)星定位地面基準站，求得偽距修正量或位置修正量或載波相位修正量，再將這個修正量實時通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給用戶接收機(移動站)，對用戶接收機的測量數(shù)據(jù)進行修正，移去了大部分誤差，從而提高用戶接收機的衛(wèi)星定位精度。用戶接收機可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)。基準站發(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，此修正信號改善了衛(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。為了進一步提高性能和使用方便性，可以將多個基準站通過數(shù)據(jù)處理中心連接成網(wǎng)絡，構成地面增強系統(tǒng)，向用戶接收機發(fā)送修正量。我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的這種差分衛(wèi)星定位技術的原理是必須依靠基準站通過數(shù)據(jù)鏈路來發(fā)送修正量才能顯著提高定位精度。但是，建設和使用基準站、數(shù)據(jù)鏈路及用戶接收機的成本很高，而且操作繁瑣，另外在應用中遇到的最大問題就是基準站校正數(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時衛(wèi)星定位導航的大規(guī)模應用推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種設計合理、精度高、成本低的基于三角形接收機陣列的高精度衛(wèi)星定位裝置及其方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題是采取以下技術方案實現(xiàn)的:
[0007]一種基于三角形接收機陣列的高精度衛(wèi)星定位裝置，包括三個單點衛(wèi)星定位接收機構成的三角形接收機陣列，各個單點衛(wèi)星定位接收機的天線相位中心位于三角形接收機陣列的各頂點上，每個單點衛(wèi)星定位接收機均包括一個MCU及與MCU相連接的接收機，各個MCU相互之間并聯(lián)在一起并共同連接到一個處理器模塊上。
[0008]進一步，所述單點衛(wèi)星定位接收機的天線振子分布在同一平面上，校正三個單點衛(wèi)星定位接收機天線，使其中兩個接收機坐標觀測值與真實值之間的偏差矢量方向一致；這個偏差矢量方向與第三個單點衛(wèi)星定位接收機的偏差方向相反，即相差180度。
[0009]進一步，所述的三角形接收機陣列為等邊三角形接收機陣列。
[0010]一種基于三角形接收機陣列的高精度衛(wèi)星定位裝置的定位方法，包括以下步驟:[0011 ]步驟1、各個單點衛(wèi)星定位接收機將各自的ID及觀測值坐標發(fā)給處理器模塊；
[0012]步驟2、處理器模塊根據(jù)各個單點衛(wèi)星定位接收機的ID、各個單點衛(wèi)星定位接收機的觀測值、三角形接收機陣列的物理幾何參數(shù)計算出如下一個三角形圖形:三個單點衛(wèi)星定位接收機的坐標觀測值所圍成的三角形圖形ABC’；
[0013]步驟3、在三角形圖形ABC的兩個頂點上分別畫出垂直于上述兩個頂點之間直線的兩條射線，如果第三個單點衛(wèi)星定位接收機的坐標觀測值C’位于兩條射線之間的區(qū)域內(nèi)，貝丨J利用三角形圖形ABC’的坐標計算出三角形ABC’的幾何中心坐標，即三角形ABC’的三條中線的交點的坐標。該坐標為天線陣列幾何中心點的高精度的坐標信息；
[0014]步驟4:如果第三個單點衛(wèi)星定位接收機的坐標觀測值C’位于兩條射線之間的區(qū)域外，則利用修正值對定位坐標進行修正，得到天線陣列幾何中心點的高精度的經(jīng)瑋度坐標?目息O
[0015]進一步，所述修正值是通過修正值函數(shù)庫獲得，該修正值函數(shù)庫包括對應不同的載噪比、可用衛(wèi)星數(shù)、仰角和夾角、信道實用數(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方式獲得。
[0016]進一步，所述修正值的長度小于物理接收機天線陣列的半徑。
[0017]進一步，所述利用修正值對定位坐標進行修正的方法為:利用三角形圖形ABC’的觀測值坐標，計算出三角形ABC’的三條中線的交點的坐標減去修正值，從而得到天線陣列幾何中心點的高精度的經(jīng)瑋度坐標信息。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:
[0019]1、本發(fā)明將三個單點衛(wèi)星定位接收機按三角形排列而構成接收機陣列電路，能夠最大程度地消除單點衛(wèi)星定位接收機存在的三部分誤差，其直接利用和處理衛(wèi)星定位系統(tǒng)下發(fā)的衛(wèi)星定位信號就能顯著提高定位精度(可達到亞米級)。
[0020]2、本發(fā)明不依靠基準站來提高定位精度，完全省去了基準站、地面增強系統(tǒng)及數(shù)據(jù)鏈路的建設與使用成本，也免去了繁瑣的專業(yè)技術操作，同時也使得其工作范圍沒有任何局限。
[0021]3、本發(fā)明與依靠基準站進行通訊和差分計算的用戶接收機相比，其接收機成本非常低廉。
[0022]4、本發(fā)明與普通的單點衛(wèi)星定位接收機相比，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的性價比。
[0023]5、本發(fā)明設計合理，具有精度高、成本低廉、使用方便等特點，可以在高精度實時衛(wèi)星定位導航的普通民用領域大規(guī)模應用推廣。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的三角形接收機天線陣列幾何分布圖；
[0025]圖2是三角形接收機陣列的電路方框圖；
[0026]圖3是本發(fā)明的三角形接收機陣列工作原理圖(觀測值C’位于AD和BE之間的區(qū)域內(nèi))；
[0027]圖4是本發(fā)明的三角形接收機陣列工作原理圖(觀測值C’位于AD和BE之間的區(qū)域外)。
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述:
[0029]一種基于三角形接收機陣列的高精度衛(wèi)星定位裝置，是利用三個單點衛(wèi)星定位接收機按三角形排列構成的接收機陣列電路來提高定位精度。
[0030]下面以圖1所示的三角形接收機陣列構成的高精度實時衛(wèi)星定位裝置為例進行說明。該高精度衛(wèi)星定位裝置包括三個單點衛(wèi)星定位接收機組成一個三角形陣列的總體接收機電路，三個單點衛(wèi)星定位接收機各自的天線幾何相位中心位于三角形的三個頂點A、B、C。各個接收機天線振子布在同一平面上。校正三個單點衛(wèi)星定位接收機天線，使其中A、B兩個接收機坐標觀測值與真實值之間的偏差矢量方向一致;這個偏差矢量方向與第三個單點衛(wèi)星定位接收機的偏差矢量方向相反，即相差180度。
[0031]圖2給出了基于三角形接收機陣列的高精度衛(wèi)星定位裝置的電路方框圖。每個單點衛(wèi)星定位接收機均包括一個MCU及與MCU相連接的接收機，三個單點衛(wèi)星定位接收機的M⑶相互之間并聯(lián)在一起，并共同連接到一個處理器模塊中。A、B、C單點衛(wèi)星定位接收機通過衛(wèi)星信號強度、衛(wèi)星仰角和夾角高低以及可用衛(wèi)星顆數(shù)分析，使三個接收機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)進行單獨處理解算出每個單點接收機的天線相位幾何中心坐標。每個接收機都對應一個MCU來處理接收到的數(shù)據(jù)，三個MCU生成三個接收機的ID ο三個M⑶相互之間是并聯(lián)的，這樣使三個接收機保持數(shù)據(jù)同步，并將每個接收機的ID數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器模塊。處理器模塊的第一個作用是控制三個接