基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统的制作方法.docx

基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统的制作方法基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统的制作方法本发明涉及卫星定位【技术领域】，公开了一种基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统，包括步骤：利用天线阵接收BDS信号，并将所述BDS信号转换为数字信号；根据所述数字信号得到BDS?RNSS卫星星历数据，同时测量载波相位信息；对所述载波相位信息进行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向数据；测量出天线阵之间的基线长度和俯仰角，并测量出天线之间的夹角，然后将测量结果再次进行迭代处理，计算出基线矢量的方位角；综合计算并进行坐标转换得到所需测量点的定向结果本发明通过天线阵形成了完整、高精度的北斗系统导航定位的解算流程，实现了独立于GPS技术的高精度导航定向定位技术专利说明】基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统【技术领域】[0001]本发明涉及一种卫星定位【技术领域】，特别涉及基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统背景技术】[0002]随着GPS卫星导航系统越来越广泛而深入的应用，GPS应用领域已经扩展到军用民用的多个方面，为航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等诸多领域提供导航定位、测速和授时的应用和服务。

自20世纪90年代开始，随着载波相位测量等技术的发展和应用，特别是GPS接收机硬件设备性能的提升、GPS高精度测量设备价格的下降和GPS快速定姿定向算法的研究和验证，使得GPS卫星导航系统在高精度测量领域得到了极大的发展，特别是快速的高精度定位定向、定姿领域[0003]在20世纪90年代，国内就陆续开展了 GPS测姿定向方面的研究,但在定位定向精度，尤其是动态快速初始化等方面需要进一步提高我国于2003年建成的“北斗一号”卫星导航试验系统，后又开始建设“北斗二号”卫星导航系统，兼具“北斗一号”(RDSS，RadioDetermination Satellite Service,卫星无线电测定业务)和 RNSS (Radio NavigationSatellite System，卫星无线电导航系统)功能的区域性高精度卫星导航系统，最终将于2020年建成全球性的卫星导航系统[0004]对于卫星导航系统来说，快速高精度定位定向是系统有效性、可靠性和易用性的基础传统的定向技术都是通过适当的布局安装在同一平面上且不在同一线上的3个GPS天线，采用载波相位差分测量，天线之间构成的基线向量能够被精确地测定。

目前北斗系统中的研究和应用基本都是通过购买两个或三个及三个以上的GPS卫星导航系统高精度零相位中心天线安装固定到载体平台上，利用两套(可测两维姿态-方位角Azimuth和俯仰角Pitch)或三套(可测三维姿态-方位角Azimuth、俯仰角Pitch和横滚角Roll)国外厂家生产的GPS定制导航板卡(俗称OEM板)配合定位定向处理器与显控模块组成GPS快速定位定向系统系统的集成度低、可靠性不强、实用性弱，不能规模化使用，成本、体积与重量却偏高，最重要的是其技术严重依赖GPS和国外厂商，自主性和独立性均受到牵制发明内容】[0005]针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现不依赖于GPS技术的高精度导航定向[0006]为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种基于北斗系统的天线阵高精度定向方法，包括步骤:[0007]SI，利用天线阵接收BDS信号，并将所述BDS信号转换为数字信号；[0008]S2，根据所述数字信号得到BDS RNSS卫星星历数据，同时测量载波相位信息；[0009]S3，对所述载波相位信息进行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向数据；[0010]S4，测量出天线阵之间的基线长度和俯仰角，并测量出天线之间的夹角，然后将测量结果再次进行迭代处理，计算出基线矢量的方位角；[0011]S5，综合计算并进行坐标转换得到所需测量点的定向结果。

[0012]优选地，步骤SI中，将所述BDS信号转换为数字信号具体包括步骤:[0013]对所述BDS信号经前置滤波放大，再经混频、下变频、A/D转换成数字中频信号[0014]优选地，步骤S2中，利用天线阵同时跟踪观测多个卫星载波相位得到所述载波相位信息[0015]优选地，步骤S3中，采用快速降维法进行所述整周模糊度求解[0016]优选地，步骤S3中，所述得到定位和初步的定向数据具体为用确定的整数解模糊度的载波相位观测量或平滑后的模糊度的载波相位观测量来解算用户位置[0017]优选地，步骤S5中，所述综合计算并进行坐标转换为:[0018]利用所述数字信号复制出与接收到的卫星信号相一致的本地载波和本地伪码信号，实现对卫星信号的捕获与跟踪；[0019]获得卫星信号的伪距和载波相位等测量值以及解调出导航电文；[0020]利用解算结果获得卫星定位结果，通过转换给出规定坐标系下的基准方向信息[0021]优选地，采用北斗RNSS三频及其组合进行所述测量[0022]另一方面，本发明还同时提供一种基于北斗系统的天线阵高精度定向系统，包括:[0023]射频模块，用于利用天线阵接收BDS信号，并将所述BDS信号转换为数字信号；[0024]测量模块，用于根据所述数字信号得到BDS RNSS卫星星历数据，同时测量载波相位信息；[0025]定位定向解算模块，用于对所述载波相位信息进行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向数据；[0026]迭代模块，用于测量出天线阵之间的基线长度和俯仰角，并测量出天线之间的夹角，然后将测量结果再次进行迭代处理，计算出基线矢量的方位角；[0027]综合处理模块，综合计算并进行坐标转换得到所需测量点的定向结果。

[0028]优选地，所述天线阵包括布局成“丁”字形的三天线[0029]优选地，所述综合处理模块进一步包括:[0030]信号处理模块，用于利用所述数字信号复制出与接收到的卫星信号相一致的本地载波和本地伪码信号，实现对卫星信号的捕获与跟踪；[0031]解调模块，用于获得卫星信号的伪距和载波相位等测量值以及解调出导航电文；[0032]转换模块，用于利用解算结果获得卫星定位结果，通过转换给出规定坐标系下的基准方向信息[0033]相对于现有技术，本发明提供了一种基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统，基于我国自主研发的北斗卫星导航系统进行定向，实现了独立的导航定向定位过程，摆脱了对于GPS的限制，更重要的是实现了完整、高精度的解算流程，又利用独特的三天线阵形式以及利用北斗三频的优势，达到快速实现物体的高精度定向、测姿能力专利附图】【附图说明】[0034]图1为本发明的一个实施例中基于北斗系统的天线阵高精度定向方法流程示意图；[0035]图2为本发明的一个优选实施例中三天线阵的布局结构示意图；[0036]图3为本发明的另一个优选实施例中利用三天线阵同时测量卫星的载波相位的原理示意图具体实施方式】[0037]如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。

本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性连接于所述第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电性连接至所述第二装置说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准[0038]以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定[0039]现有的卫星定向技术一般都是通过多个GPS天线采用载波相位差分测量，再配合定位定向处理器完成从技术指标上来讲，国内外定向精度指标一般都可以达到每米基线0.6° (约为72角秒)，但是相对于某些对于精度指标要求较高(如每米基线30角秒)的精度要求还是偏低，需要在精度上进一步提高。

加上现有设备成本、体积与重量偏高，而且技术上严重依赖GPS和国外厂商，限制了定向技术的发展本发明基于我国自主研发的北斗卫星导航系统进行定向，实现了独立的导航定向定位过程，摆脱了对于GPS的限制，更重要的是实现了完整、高精度的解算流程，又利用独特的三天线阵形式以及利用北斗三频的优势，达到快速实现物体的高精度定向、测姿能力[0040]如图1所示，在本发明的一个实施例中，基于北斗系统的天线阵高精度定向方法包括步骤:[0041]SI,利用天线阵接收 BDS (BeiDou Navigation Satellite System,北斗卫星导航系统，简称北斗系统)信号，并将所述BDS信号转换为数字信号；[0042]S2，根据所述数字信号得到BDS RNSS卫星星历数据，同时测量载波相位信息；[0043]S3，对所述载波相位信息进行整周模糊度求解，得到定位和初步的定向数据；[0044]S4，测量出天线阵之间的基线长度和俯仰角，并测量出天线之间的夹角，然后将测量结果再次进行迭代处理，计算出基线矢量的方位角；[0045]S5，综合计算并进行坐标转换得到所需测量点的定向结果[0046]其中，步骤SI中，将所述BDS信号转换为数字信号具体包括步骤:[0047]对所述BDS信号经前置滤波放大，再经混频、下变频、A/D转换成数字中频信号。

[0048]步骤S2中，利用天线阵同时跟踪观测多个卫星载波相位得到所述载波相位信息[0049]步骤S3中，采用快速降维法进行所述整周模糊度求解此外，所述得到定位和初步的定向数据具体为用确定的整数解模糊度的载波相位观测量或平滑后的模糊度的载波相位观测量来解算用户位置[0050]步骤S4中，利用全站仪和反光镜测量出天线阵之间的基线长度、俯仰角及天线之间的夹角[0051]步骤S5中，利用所述数字信号复制出与接收到的卫星信号相一致的本地载波和本地伪码信号，从而实现对卫星信号的捕获与跟踪，并且从中获得卫星信号的伪距和载波相位等测量值以及解调出导航电文，再利用解算结果，最终获得卫星定位结果，通过转换给出规定坐标系下的基准方向信息[0052]更进一步地，如图2所示，本发明中利用天线阵接收BDS信号，所述天线阵包括布局成“丁”字形的三天线；在图2中，两辅天线B、C通过长度为d2的第二连接杆直接相连，主天线A通过长度为Cl1的第一连接杆连接到第二连接杆，三天线的实际位置构成顶角为α的等腰三角形，图2中定向需要确定的是主天线A与正北方的方位角β利用天线阵以及预先可以得到的附加信息可以进一步提高项目精度，原理如图3所示:三天线A、B、C同时测量卫星的载波相位，由于卫星距离地面很远，任意两个天线间距离相对较小(约为10米)，因此，卫星信号可以视为平面波。

如图3所示，波面阵到达三天线的时间不同，因此每两个天线之间存在相位差，相位差反映了对应的两天线到卫星的距离差，尤其是主天线A与两辅天线B、C的卫星距离差?.Xi及7.元在本发明中三天线A、B、C同时跟踪观测卫星载波相位，可以得到载波观测方程，同时三天线也构成了网平差使用的条件利用最小二乘求解载波观测方程组，得到误差矢量，在加上由于预先可以精确测得的天线阵信息(如三天线间的各种距离信息X1、X0、屯、d2等)，可以进一步迭代结果，直到满足迭代终止条件的定向结果[0053]步骤S3中，整周模糊度求解中的载波相位基线解算过程是一个利用观测值进行信息提取过程观测值越多，信息提取成功的可靠性。