一种基于多节点数据融合的卫星导航相对定位装置及方法

摘要

本发明提供了一种基于多节点数据融合的卫星导航相对定位装置及方法，基准站子系统接收卫星导航系统输出的卫星导航信号，分别由4个卫星导航接收机单元进行跟踪、捕获处理，生成4路卫星导航观测信息及星历信息；融合处理单元利用生成的4路导航观测及星历信息进行完好性监测及融合处理生成1路差分与完好性增强信息，输入至发射电台单元进行广播；在移动站子系统端，接收电台单元接收基准站子系统发送的差分与完好性增强信号，卫星导航接收机单元接收卫星导航系统发送的卫星导航信号，进行相对定位及完好性处理，获得最终的相对定位及完好性计算结果。本发明在保证卫星导航相对定位精度的同时保障其完好性，有效地提升卫星导航相对定位系统在航空领域应用的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航相对定位领域，涉及BDS、GPS系统，可用于卫星导航相对定位系统多节点卫星导航数据的融合及差分修正信息的生成。

背景技术

卫星导航相对定位系统是一种基于卫星导航差分相对定位技术原理的系统，包括卫星导航系统、基准站设备和移动站设备。其中：

卫星导航系统：是指导航卫星产生测距信号，发送给基准站设备和移动站设备的系统。

基准站设备：包括卫导接收机、数据处理器和差分增强数据链。基准站将卫导接收机接收到的卫星测距信号通过差分增强数据链发送至移动站设备。

移动站设备：接收和处理由卫星导航系统和基准站设备发射的信号，输出卫星导航相位差分定位结果和完好性告警信息。

随着卫星导航差分相对定位技术的不断发展，卫星导航相对定位系统在各领域应用范围越来越广，尤其是在航空领域，而航空领域作为生命安全相关应用，相对定位不但要求较高精度而且其完好性至关重要。目前卫星导航相对定位系统基准站和移动站的基本配置为基准站中包含1台卫星导航接收机单元，移动站包含1台卫星导航接收机单元，在此配置下系统完好性性能难以保障。在卫星导航着舰应用中，为保障系统的完好性基准站中采用4个卫星导航接收机单元的配置，但需要同时发送4个基准站卫星导航接收机单元的信息至移动站，在此配置下数据通信容量压力大，且移动站运算资源消耗巨大难以满足实时高效运算。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航相对定位系统装置，实现多节点卫星导航数据的融合处理及差分修正信息的生成能力，在保证卫星导航相对定位精度的同时保障其完好性，有效地提升卫星导航相对定位系统在航空领域应用的安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种卫星导航相对定位装置，包括基准站子系统和移动站子系统各一套；

所述的基准站子系统包括4个卫星导航接收机单元及对应的天线单元、1个发射电台单元及对应的天线单元和1个融合处理单元；所述的移动站子系统包括1个卫星导航接收机单元及对应的天线单元、1个接收电台单元及对应的天线单元和1个定位解算单元；基准站子系统接收卫星导航系统输出的卫星导航信号，分别由4个卫星导航接收机单元进行跟踪、捕获处理，生成4路卫星导航观测信息及星历信息；融合处理单元利用生成的4路导航观测及星历信息进行完好性监测及融合处理生成1路差分与完好性增强信息，输入至发射电台单元进行广播；在移动站子系统端，接收电台单元接收基准站子系统发送的差分与完好性增强信号，卫星导航接收机单元接收卫星导航系统发送的卫星导航信号，进行相对定位及完好性处理，获得最终的相对定位及完好性计算结果。

本发明还提供一种用于上述装置的多节点数据融合处理方法，包括以下步骤：

(1)基准站子系统4个卫星导航接收机单元分别接收卫星导航系统信号，生成4路观测信息与星历信息；

(2)完好性监测单元首先根据4个卫星导航接收机所有接收到的卫星信号进行共视卫星集合的判定，然后分别对共识卫星集合内的每一个卫星导航接收机单元信息并行进行导航星历监测、伪距跳变监测、伪距缓变监测、载波跳变监测、载波缓变监测；每一项监测内容分别生成一个监测结果，最终生成4个卫星导航接收机所有可用卫星集合；

(3)对可用卫星集合内的卫星导航观测信息进行融合处理，生成1路差分修正信息；其中伪距差分修正量直接通过对伪距残差的求和平均获得，载波相位差分修正量通过对载波相位进行互差修正后求和平均获得；同时，分别对每一颗可用卫星的伪距方差、载波相位方差值进行求和平均获得伪距与载波相位完好性参数；

(4)利用步骤(3)生成的融合差分修正信息以及移动站子系统的观测、星历信息进行相对定位与完好性计算。

本发明的有益效果是：由于综合利用了4个卫星导航接收机单元的观测信息，本发明能够通过冗余观测信息进行观测信息异常的检测与识别，消除了由于观测信息异常带来的错误定位问题，提升了系统的完好性性能。

本发明通过将基准站4个卫星导航接收机单元的4路观测信息进行融合，最终生成1路差分增强信息，降低了差分增强数据传输量，减轻了卫星导航相对定位系统的通信容量压力；在移动站只需进行1路差分相对定位运算，减少了运算时间，提升了运算效率。

本发明相对于传统的卫星导航相对定位系统，不但降低了通信容量要求，而且有效地保证系统服务的精度、完好性能力。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构框图；

图2为本发明装置中的融合处理单元结构框图；

图3为本发明整个装置的传输关系图；

图4为本发明方法的总流程示意图；

图5为本发明方法中的完好性监测流程示意图；

图6为本发明方法中的融合差分修正量生成处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明所涉及的卫星导航相对定位系统包括卫星导航系统、基准站子系统和移动站子系统。其中，卫星子系统是指导航卫星产生测距信号，发送给基准站子系统和移动站子系统。基准站子系统包括4个卫星导航接收机单元及天线单元、1个收发电台单元及天线单元、1个融合处理单元、1个电源组合单元，通过将4个卫星导航接收机单元信息进行融合处理通过发射电台单元将相对差分与完好性增强信息发送至移动站子系统；移动站子系统接收处理由卫星导航系统和基准站子系统发送的信号，输出相对差分定位结果和完好性告警信息。

参照图1，本发明装置包括：卫星导航接收天线单元A1、A2、A3、A4、A5，卫星导航接收机单元B1、B2、B3、B4、B5，电台发射天线单元C、发射电台单元D、融合处理单元E、电台接收天线单元F、接收电台单元G、定位解算单元H。融合处理单元E包括：导航星历监测模块E1、伪距跳变监测模块E2、伪距缓变监测模块E3、载波跳变监测模块E4、载波缓变监测模块E5、融合修正量生成模块E6，如图2所示。

参照图3，本发明整个装置的传输关系如下：

卫星导航接收机单元B1、B2、B3、B4分别通过网络通信接口a、接口b、接口c、接口d连接将原始观测量、导航电文等信息传输给导航星历监测模块E1、伪距跳变监测模块E2、伪距缓变监测模块E3、载波跳变监测模块E4和载波缓变监测模块E5进行完好性监测。其中卫星导航接收机单元B1的完好性监测传输对应关系为1a、2a、3a、4a、5a；卫星导航接收机单元B2的完好性监测传输对应关系为1b、2b、3b、4b、5b；卫星导航接收机单元B3的完好性监测传输对应关系为1c、2c、3c、4c、5c；卫星导航接收机单元B4的完好性监测传输对应关系为1d、2d、3d、4d、5d。

导航星历监测模块E1、伪距跳变监测模块E2、伪距缓变监测模块E3、载波跳变监测模块E4和载波缓变监测模块E5分别生成卫星导航接收机单元B1、B2、B3、B4每一颗卫星的监测结果，将其中的异常卫星进行剔出后通过接口e将各卫星导航接收机单元原始观测量、导航电文等信息传输至融合修正量生成模块E6，数据传输关系分别为6、7、8、9、10。

融合修正量生成模块E6对数据流6、7、8、9、10进行融合处理生成一路差分与完好性修正信息后通过发射电台单元D将数据11发送至接收电台单元H。在移动站子系统中，卫星导航接收机单元B5将接收到的原始观测量、导航电文等信息传输到定位解算单元I，同时接收电台单元H将接收到的差分与完好性修正信息发送至定位解算单元I。定位解算单元利用接收到的原始观测量、导航电文、差分与完好性修正信息进行相对定位及完好性计算。

参考图4，本发明的卫星导航相对定位系统多节点数据融合方法，包括如下步骤：

步骤1，多节点卫星导航接收机单元信息获取

基准站子系统中4个卫星导航接收机接收卫星导航系统发射的信号，进行卫星导航原始观测信息、星历等信息的获取。

步骤2，完好性监测处理

融合处理单元对基准站子系统中4个卫星导航接收机输出的原始观测信息、星历信息进行完好性监测。监测项包括导航星历监测、伪距跳变监测、伪距缓变监测、载波跳变监测、载波缓变监测。各监测并行处理，每一项监测对所监测的卫星导航接收机单元及其各颗卫星的完好性进行判定并生成卫星是否可用的标识，最终生成4个卫星导航接收机所有可见星监测结果矩阵。

如图5，本发明方法中的完好性监测处理过程，包括以下步骤：

2a、共视卫星选择，取每一台卫星导航接收机单元接收到的卫星集合的交集，确定4个卫星导航接收机单元共视卫星集合；

2b、卫星导航接收机单元监测，对4个卫星导航接收机单元接收到的共视卫星同时进行导航星历监测、伪距跳变监测、伪距缓变监测、载波跳变监测、载波缓变监测，如果任意一项监测项监测到异常则对该卫星导航接收机、该颗卫星标识为“1”，如果所有监视项均未监测到异常，则该卫星导航接收机、该颗卫星标识为“0”。

2c、监测结果矩阵生成，综合4个卫导接收机单元的监测结果，生成4个卫导接收机单元可用卫星集合。

步骤3，融合差分修正量生成处理

融合差分修正量生成处理模块根据完好性监测处理模块生成的可用卫星集合进行融合处理，生成一路差分修正与完好性信息。

如图6，本发明方法中的融合差分修正量生成处理过程，包括以下步骤：

3a、卫星导航接收机单元单点定位，分别对卫星导航接收机单元1、2、3、4进行单点定位获得其单点定位位置；

3b、理论距离计算：利用卫星导航接收机单元1、2、3、4的单点定位位置及卫星位置，分别计算卫星导航接收机单元1、2、3、4至各颗可用卫星的距离；

3c、伪距残差计算：利用卫星导航接收机单元1、2、3、4至各颗可用卫星的距离及其输出的伪距观测信息进行作差处理，获得伪距残差；

3d、载波残差计算：利用卫星导航接收机单元1、2、3、4至各颗可用卫星的距离及其输出的载波观测信息进行作差处理，获得载波残差；

3e、载波相位互差修正：选择卫星导航接收机单元1、2、3、4中一台卫导接收机单元作为主卫导接收机(记作S)，选择所有可用卫星中仰角最大的卫星作为基准卫星(记作M)，进行双差相对定位计算，获得双差整周模糊度值；对获得的载波残差修正量进行修正，修正方法为对除去卫导接收机S，卫星M外的载波残差值分别加入双差整周模糊度值；

3f、求和平均及完好性参数计算：分别对伪距残差值和修正后的载波残差值进行求和平均，获得融合后的伪距差分修正量与载波相位差分修正量；分别对每一颗可用卫星的伪距方差、载波相位方差值进行求和平均获得伪距与载波相位完好性参数。

步骤4，差分相对定位及完好性计算

移动站根据接收到的卫星导航观测、星历信息，结合融合差分修正量生成处理模块输出的差分与完好性参数进行相对定位及完好性的计算。

上述实施例中，整个多节点数据融合处理过程不但降低了卫星导航相对定位系统差分相对定位的运算资源，而且提高了卫星导航相对定位系统的完好性能力。通过基准站多节点卫星导航数据的完好性监测处理，保证了基准站卫星导航信息的完好性。通过基准站多节点卫星导航数据的融合，降低了相对定位系统对数据传输容量的要求，提升了移动站相对定位的运算效率。相对于单节点卫星导航相对定位系统，该技术方案更有效地提高了系统的精确性、完好性。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。