一种单频GPS测向系统及其测向定位方法

摘要

本发明提供了一种单频GPS测向系统，由双GPS接收机及双天线、ARM9处理器和上位机组成，双GPS接收机分别与主天线和从天线相连。上述测向定位方法，其包括：首先解算出主天线的位置和速度，作为参考坐标，再以该坐标为坐标系为中心构建一个球形坐标空间，作为双差整周数的搜索区间，确定整周模糊度后，利用主天线和从天线之间的方向矢量角确定载体的二维姿态信息。本发明具有成本低、携带方便、安装灵活、测量精度高的优点，可广泛应用于航天测量、精密着陆、地理姿态测量、车船姿态或航向测量等方面。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GPS测向系统，尤其涉及一种用于测向定位的单频GPS测向系统及其测向定位方法。

背景技术

姿态测量是航空、航天、航海以及陆地导航系统的关键技术之一。随着GPS技术的快速发展，利用GPS组成姿态测量系统来测量载体的姿态参数迅速成为一个重要的研究方向。

传统的姿态测量系统主要基于光电姿态敏感器 、磁强计、加速计和陀螺仪等，这些测量系统属于自主式系统，具有较好的自治性，但其缺点也较为明显。光电姿态敏感器受外界环境的影响较大，在测量过程中极易受到干扰。基于磁强计、加速度计和陀螺仪的惯性导航系统，具有良好的自治特性，受外界干扰小，能测量各种高速姿态变化，但本身存在的测量漂移特性导致无法进行连贯持久的测量，惯性导航系统经过一段时间需要对测量数据进行修正，才能保证数据测量精度，这样便限制了其应用的环境，降低了惯性导航系统的使用效率。

发明内容

为克服传统姿态测量系统成本高，不易扩展等缺陷，而设计了一种基于ARM 9处理器S3C2440 的单频GPS 实时航向测量系统，具有低成本、模块化，和高集成度等优点。

本发明所采用的技术方案为：提供一种单频GPS测向系统，由双 GPS 接收机及双天线、ARM9处理器和上位机组成。利用伪距测量和载波相位双差测量技术，需要双天线观测到相同卫星的数量在4颗以上。首先利用伪距定位方法解算出主天线的位置和速度，作为参考坐标。再以该坐标为坐标系的原点、基线的长度为半径，构建一个球形坐标空间，通过该球形空间和从天线所观测到卫星的伪距和整周数计算的到双差整周数的搜索区间。将该搜索区间作为已知的双差整周数，通过主天线和从天线观测到的相同的伪距和载波相位整周数构成双差矩阵方程，利用最小二乘法解算从天线到主天线的坐标差，即超短基线的长度，将此长度与已知基线长度做比较，通过检测后即认为正确的双差整周数已经找到，此时可以计算出当前基线的姿态。当观测的卫星发生周跳时，需要重新计算双差整周数。

选定的四颗主要卫星称为主星，其中仰角最大的一颗为基星，对于双天线共同观测到的卫星，除四颗主星外的卫星成为辅星，在双差运算中，主要应用了基星和另外三颗主星以及基星和辅星做双差构成矩阵方程。

通过双卫星接收机获取所需要的卫星数据，对接收机的位置和速度进行解算，得到接收天线的坐标和速度，进而计算出天线所在平台的俯仰角和偏向角。

提供一种采用本发明单频GPS测向定位方法，其包括以下步骤：

1)一台GPS接收机通过主天线接收卫星观测量，利用伪距定位方法解算出主天线的位置和速度，将数据传输至数据接收模块。

2)通过主天线和从天线观测到的相同的伪距和载波相位整周数构成双差矩阵方程，在航向解算模块中，通过卫星筛选，整周模糊度判断，基线检测，周跳检测最终确定唯一的整周模糊度值，然后根据得到的整周模糊度值计算基线的姿态。

3)将得到的姿态数据及定位信息，通过数据输出及配置模块，发送至pc或嵌入式系统等上位机，通过上位机显示相关数据信息。

所述步骤2）具体包括以下步骤：

301. 首先初始化系统并根据接收机类型、基线长度、载体的概略坐标、屏蔽卫星的PRN号等用户配置信息对系统进行配置，再执行步骤302； 

302. 对接收机进行初始化。如果初始化完成进入303，否则进入313继续量测，再执行步骤303；

303. 整个系统初始化完成之后，数据接收模块开始从串口读取每个历元的观测数据，再执行步骤304；

304. 通过ARM9串口1和串口2读取GPS接收机发送的卫星观测数据，并计算卫星的坐标和速度，在根据预设位置和之后计算得到的载体坐标计算每颗卫星在载体所在本地坐标系的仰角。下一步根据预设的卫星高度角和预先设定的PRN号对卫星进行筛选，然后对每颗卫星的载波观测数据进行周跳检测，并删除不符合检测条件的卫星数据。最后经过筛选和检测后的数据保存起来。因为存在卫星可用性和多径等问题，需要对卫星进行筛选。筛选的方式有两种：一是根据卫星PRN号将不需要的卫星数据删除；二是预设一定卫星高度角，将仰角低于高度角的卫星删除，减少可能存在的多径影响。通过卫星坐标计算及筛选检测之后，进入步骤305；

305. 通过主天线接收卫星观测量，利用伪距定位方法解算出主天线的位置和速度，再执行步骤306；

306. 使用最小二乘搜索法确定整周模糊度，通过伪距计算确定主天线的坐标，以该坐标为中心点，两接收机间的实际距离即基线长度为半径建立球型基本坐标搜索空间。在该空间中建立搜索栅格，对于每一个栅格上的点，选择3个基本双差观测量，通过最小二乘法分别计算出其对应的双差整周模糊度初值并记录。全部栅格计算完成后，选择这些双差整周模糊度初值中的最大整数值和最小整数值，确定基本搜索空间，搜索成功则进行步骤307，否则进入步骤308；

307. 在确定的搜索空间中选取一组待检测的双差模糊度，利用已知的双差观测量计算动态点坐标，并对该动态点进行基线长度检测和方差因子检测对动态点坐标进行进一步筛选，最后采用显著门限比例判决，进入步骤309；

308. 重新搜索双差整周模糊度，进入步骤310；

309. 通过基线长度检测和方差因子检测则进入步骤311.否则进入步骤312；

310. 双差整周模糊度搜索成功则进入步骤307.否则进入步骤312；

311. 解算载体的航向角和俯仰角，进入步骤312；

312. 调用数据输出及配置模块，将解算的航向数据和导航信息通过工控机的串口输出，进入步骤313；

313. 根据用户需求判断是否进入下一个历元进行观测，需要继续检测则进入步骤303，进入下一历元的 计算，否则进入步骤314；

314. 在此历元处结束，系统退出。

本发明专利具有以下有益效果：

利用GPS载波相位测量原理，采用双天线布局，实现GPS天线间的精确相对定位。当天线安装在被测载体上时，这种相对定位技术可以用于测量载体的二维姿态信息，因此基于GPS的姿态或航向测量技术成为一种新的姿态测量技术。因为只需要提供GPS载波接收机、天线以及具有计算功能的模块，GPS测姿测向技术具有成本低、携带方便、安装灵活、测量精度高的优点。GPS系统可以全球全天候实时性测量，这使得GPS测向技术受到地理、天气等外界因素产生的干扰大为降低，并且具有实时测量，无累积误差，无测量漂移的优势。这些优势克服了光电姿态敏感器和惯性导航系统的不足，使GPS测向技术可以广泛应用于航天测量、精密着陆、地理姿态测量、车船姿态或航向测量等方面。

附图说明

图1为本发明实施方案系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的功能模块示意图；

图3为本发明实施例提供的数据处理的工作流程图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明单频GPS测向定位系统包括GPS接收机12、GPS接收机13、主天线10、从天线11、ARM9处理器14、以及电源模块15。GPS接收机12包括连接的主天线10，通过串口1和ARM9处理器连接，使用时利用伪距定位方法解算出主天线10的位置和速度，作为参考坐标。再以该坐标为坐标系的原点、主天线10和从天线11之间的距离，即基线的长度为半径，构建一个球形坐标空间，通过该球形空间和从天线11所观测到卫星的伪距和整周数计算得到双差整周数的搜索区间。将该搜索区间作为已知的双差整周数，通过主天线10和从天线11观测到的相同的伪距和载波相位整周数构成双差矩阵方程，利用最小二乘法解算从天线11到主天线10的坐标差，即超短基线的长度，将此长度与已知基线长度做比较，通过检测后即认为正确的双差整周数已经找到，此时通过ARM9处理器14计算出当前基线的姿态，并发送至上位机用户界面。

请参阅图2，本发明系统功能模块图，数据输出及配置模块22首先初始化系统并根据接收机类型、基线长度、载体的概略坐标、屏蔽卫星的PRN号等用户配置信息对系统进行配置，然后对接收机进行初始化。整个系统初始化完成之后，数据接收模块20开始从串口读取每个历元的观测数据，计算卫星的坐标并进行筛选，接下来航向及导航信息解算模块21计算主天线的坐标和速度，并搜索双差整周模糊度。搜索成功后开始解算天线间的向量和载体的偏航角和俯仰角。最后在调用数据输出及配置模块22，将解算的航向数据和导航信息通过工控机的串口输出。

请一并参阅图3，本发明单频GPS测向定位系统及测向定位方法的数据处理部分进行，系统初始化，GPS接收机初始化，接收观测历元，计算卫星坐标及检测数据，计算主天线位置坐标，搜索双差整周模糊度，计算天线基线向量并进行检测，进行航向角和俯仰角姿态解算，最终输出姿态信息等步骤，具体如下：

301. 首先初始化系统并根据接收机类型、基线长度、载体的概略坐标、屏蔽卫星的PRN号等用户配置信息对系统进行配置，再执行步骤302。 

302. 对接收机进行初始化。如果初始化完成进入303，否则进入313继续量测，再执行步骤303。

303. 整个系统初始化完成之后，数据接收模块开始从串口读取每个历元的观测数据，再执行步骤304。

304. 通过图1中ARM9串口1和串口2读取GPS接收机发送的卫星观测数据，并计算卫星的坐标和速度，在根据预设位置和之后计算得到的载体坐标计算每颗卫星在载体所在本地坐标系的仰角。下一步根据预设的卫星高度角和预先设定的PRN号对卫星进行筛选，然后对每颗卫星的载波观测数据进行周跳检测，并删除不符合检测条件的卫星数据。最后经过筛选和检测后的数据保存起来。因为存在卫星可用性和多径等问题，需要对卫星进行筛选。筛选的方式有两种：一是根据卫星PRN号将不需要的卫星数据删除；二是预设一定卫星高度角，将仰角低于高度角的卫星删除，减少可能存在的多径影响。通过卫星坐标计算及筛选检测之后，进入步骤305。

305. 通过主天线接收卫星观测量，利用伪距定位方法解算出主天线的位置和速度，再执行步骤306。

306. 使用最小二乘搜索法确定整周模糊度，通过伪距计算确定主天线的坐标，以该坐标为中心点，两接收机间的实际距离即基线长度为半径建立球型基本坐标搜索空间。在该空间中建立搜索栅格，对于每一个栅格上的点，选择3个基本双差观测量，通过最小二乘法分别计算出其对应的双差整周模糊度初值并记录。全部栅格计算完成后，选择这些双差整周模糊度初值中的最大整数值和最小整数值，确定基本搜索空间，搜索成功则进行步骤307，否则进入步骤308.

307. 在确定的搜索空间中选取一组待检测的双差模糊度，利用已知的双差观测量计算动态点坐标，并对该动态点进行基线长度检测和方差因子检测对动态点坐标进行进一步筛选，最后采用显著门限比例判决，进入步骤309.

308. 重新搜索双差整周模糊度，进入步骤310.

309. 通过基线长度检测和方差因子检测则进入步骤311.否则进入步骤312。

310. 双差整周模糊度搜索成功则进入步骤307.否则进入步骤312.

311. 解算载体的航向角和俯仰角，进入步骤312。

312. 调用数据输出及配置模块，将解算的航向数据和导航信息通过工控机的串口输出，进入步骤313。

313. 根据用户需求判断是否进入下一个历元进行观测，需要继续检测则进入步骤303，进入下一历元的 计算，否则进入步骤314。

314. 在此历元处结束，系统退出。

可以理解，本实施所述的计算结果都是坐标，该坐标均指基于各类坐标框架如（WGS-84坐标系统和各类自定义坐标系）的地理坐标系，其坐标的表示方式包括但不限于空间直角坐标系（X/Y/Z），经纬度（B/L），平面直角坐标（X/Y）表达方式和竖直方向的高程值（h）等。本发明单频GPS测向定位系统具备高精度，高稳定性低成本之优势，达到俯仰角 0.4°，航向角0.2°的测量精度。