一種虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向方法及裝置，該方法步驟包括：對衛(wèi)星信號進行放大、下變頻和信號調理，轉換為數(shù)字信號；對數(shù)字信號進行捕獲、跟蹤和解調，獲取衛(wèi)星的偽距、載波相位和電文等原始觀測值；利用原始觀測值進行定位解算和載波相位解模糊，計算包含衛(wèi)星天線基線形變的定向測量值；利用與天線固定連接的光學成像系統(tǒng)測量出衛(wèi)星天線基線的形變量；用形變量修正衛(wèi)星天線基線定向結果，得到虛擬的穩(wěn)定基線的定向結果。本發(fā)明在衛(wèi)星定向系統(tǒng)的基礎上增加一套光學成像測角系統(tǒng)，監(jiān)測衛(wèi)星天線在形變環(huán)境中可能發(fā)生的移位，實現(xiàn)了與環(huán)境變化無關的穩(wěn)定基線定向輸出。
【專利說明】一種虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星定向【技術領域】，尤其涉及一種在形變條件下的衛(wèi)星定向及數(shù)據(jù)處理方法和裝置。

【背景技術】
[0002]以⑶3 ￠1013511 ？0811:10111118 3781:6111，全球定位系統(tǒng))為代表的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(61013511 ^^1^81:1011 8^1:61111:6 $781:6111,⑶33)可以提供全天時、全天候的高精度導航、定位和授時服務，在國防和經(jīng)濟建設中產(chǎn)生了巨大效益，是重要的空間和時間基礎設施。我國獨立自主的“北斗二號”區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)已于2012年底投入正式運營，該系統(tǒng)為我國及周邊區(qū)域提供與⑶3系統(tǒng)類似的服務功能，計劃在2020年前后拓展為全球覆蓋的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
[0003]傳統(tǒng)的衛(wèi)星導航接收機通過測量接收機天線與至少四顆衛(wèi)星的距離，可計算出接收機天線的三維位置。隨著數(shù)據(jù)處理技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)更為精確的接收機載波相位測量信息在完成載波整周模糊解算后，可用于精確的雙天線相對定位，從而將單天線的定位功能拓展至多天線的定向定姿功能。早期的⑶3系統(tǒng)僅提供單頻點的民用服務信號，實現(xiàn)多天線定向的核心是實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的載波相位模糊度解算。隨著⑶3現(xiàn)代化計劃、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃以及歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)計劃的興起，未來的⑶33系統(tǒng)將提供雙頻甚至三頻的民用服務信號，極大地加快載波相位解模糊算法的效率，推動基于高精度載波相位測量的衛(wèi)星定向系統(tǒng)在工程測量、自動控制、航空航天等領域的進一步發(fā)展。
[0004]傳統(tǒng)的衛(wèi)星定向系統(tǒng)將兩個⑶33天線固定在待測量基線兩端，衛(wèi)星定向系統(tǒng)計算出兩個天線相位中心連線的方位角，從而確定待測量基線的方位。這種方法適用于⑶33天線易于安裝，與待測量基線不發(fā)生相對形變的應用場合，但在某些振動、扭轉等載體發(fā)生形變的應用場合中，6^88天線的位置隨著環(huán)境發(fā)生變化，與待測量基線之間的關系并不固定，導致衛(wèi)星定向系統(tǒng)給出的定向結果并不是待測量基線的實時方位，從而限制了衛(wèi)星定向系統(tǒng)在形變環(huán)境的應用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明所要解決的問題是在形變環(huán)境中利用衛(wèi)星定向技術實現(xiàn)穩(wěn)定的待測量基線的方位測量。為解決上述問題，本發(fā)明提出一種虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向方法及其定向裝置，該技術將光學成像測量技術應用于衛(wèi)星定向系統(tǒng)，利用光學成像測量技術修正因形變導致的衛(wèi)星定向系統(tǒng)基線與待測量基線偏差的定向方法，從而形成一個不受影響的虛擬穩(wěn)定基線。
[0006]—種虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向方法，其步驟如下:
[0007]81.雙天線衛(wèi)星信號前端處理
[0008]兩個⑶33天線的信號分別經(jīng)過低噪聲放大、自動增益控制、混頻、濾波轉化為中頻模擬信號，再由八/0轉換將模擬信號采樣為數(shù)字信號；
[0009]82.衛(wèi)星信號基帶處理和原始測量值生成
[0010]對數(shù)字信號進行捕獲、跟蹤和解調，在本地恢復出多顆衛(wèi)星的實時載波相位和擴頻碼，獲取對應的偽距、載波相位和電文原始觀測數(shù)據(jù)；
[0011]83.衛(wèi)星定位定向解算
[0012]采用最小二乘或卡爾曼濾波方法進行定位解算得到兩個天線的定位結果；采用1^(1^算法完成所述的載波相位模糊度求解，若有兩個天線基線長度的先驗信息，也可采用快速降維法進行求解；根據(jù)單差或雙差觀測方程模型，利用解模糊后的載波相位計算兩個衛(wèi)星天線的相對定向結果；將相對定向結果轉換到定位結果表征的當?shù)貣|北天坐標系，得到衛(wèi)星基線的定向測量值；
[0013]84.光學成像系統(tǒng)形變測量
[0014]與其中一個⑶33天線固連的目標光源發(fā)出光束，與另一個⑶33天線固連的成像模塊接收光束并對目標光源進行實時成像，根據(jù)圖像中目標光源的位置變化，計算與光源和成像模塊固連的兩個天線的相對形變量；
[0015]85.衛(wèi)星定向結果修正輸出
[0016]光學成像系統(tǒng)測得的相對形變量除以天線基線長度，得到以弧度表示的⑶33天線方位校正量，用天線的定向結果減去方位校正量，得到虛擬的穩(wěn)定基線的定向結果。
[0017]一種虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向裝置，包括:
[0018]6^88天線，用于安裝在待測基線兩端，若待測基線有多條可利用多個⑶33天線；
[0019]衛(wèi)星定向接收模塊，用于接收⑶33天線的導航信號，完成基于載波相位的⑶33天線基線的相對定位定向，輸出至綜合處理模塊；
[0020]目標光源模塊，該模塊與其中一個⑶33天線固定連接，用于發(fā)出光束供光學成像模塊接收；
[0021]光學成像模塊，該模塊與另一個⑶33天線固定連接，用于接收目標光源發(fā)出的光束并成像，獲得目標光源的像在圖像上的位移變化，作為形變量輸出至綜合處理模塊；
[0022]綜合處理模塊，用于接收衛(wèi)星定向接收模塊的相對定位定向信息和光學成像模塊輸出的形變量，計算⑶33天線偏離待測基線的偏差并進行校正，輸出經(jīng)校正后的待測基線方位信息完成定向。
[0023]優(yōu)選地，6^88天線是內(nèi)置低噪聲放大器的零相位中心測量型天線，適合于多個頻段⑶33信號的接收。
[0024]優(yōu)選地，衛(wèi)星定向接收模塊進一步可以分為射頻模塊、信號處理模塊和定位定向模塊，其中:射頻模塊包含下變頻器、放大器、濾波器、八/0轉換模塊，將天線接收的信號轉換為數(shù)字信號；信號處理模塊是處理數(shù)字信號的多通道捕獲、跟蹤電路，在本地復制出導航信號的載波相位和擴頻碼，獲取不同衛(wèi)星的載波相位、偽距和電文觀測值，通常采用？？以、^810芯片或等軟硬件混合方式實現(xiàn)；定位定向模塊一般是運行在微處理器中的軟件模塊，根據(jù)原始觀測值完成兩個天線的定位和相對定向。
[0025]優(yōu)選地，目標光源模塊和光學成像模塊是一套光學成像測量系統(tǒng)，分別與兩個天線固定連接。其中目標光源是[￡0光源，光學成像測量模塊采用線性冗0陣列或二維冗0陣列對光源成像，輸出僅與天線位移相關的形變測量。
[0026]優(yōu)選地，綜合處理模塊完成定向信息融合和輸出，與定位定向模塊共用微處理器。
[0027]本發(fā)明公開了一種在形變條件下利用衛(wèi)星定向技術和光學成像技術，實現(xiàn)一個虛擬的不隨形變變化的穩(wěn)定基線，并準確測量該基線方位的定向方法和系統(tǒng)。該方法步驟包括:對衛(wèi)星信號進行放大、下變頻和信號調理，轉換為數(shù)字信號；對數(shù)字信號進行捕獲、跟蹤和解調，獲取衛(wèi)星的偽距、載波相位和電文等原始觀測值；利用原始觀測值進行定位解算和載波相位解模糊，計算包含衛(wèi)星天線基線形變的定向測量值；利用與天線固定連接的光學成像系統(tǒng)測量出衛(wèi)星天線基線的形變量；用形變量修正衛(wèi)星天線基線定向結果，得到虛擬的穩(wěn)定基線的定向結果。本發(fā)明在衛(wèi)星定向系統(tǒng)的基礎上增加一套光學成像測角系統(tǒng)，監(jiān)測衛(wèi)星天線在形變環(huán)境中可能發(fā)生的移位，實現(xiàn)了與環(huán)境變化無關的穩(wěn)定基線定向輸出。
[0028]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提出在傳統(tǒng)衛(wèi)星定向基礎上，增加一套光學成像測量系統(tǒng)測量衛(wèi)星天線基線與待測基線的偏差，通過將衛(wèi)星定向技術與光學測量技術的組合應用，實現(xiàn)了一種不隨環(huán)境形變變化的虛擬穩(wěn)定基線，可應用于振動、搖擺等場景的基線定向，或天線基線因無法固連產(chǎn)生形變的基線監(jiān)測等應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明利用光學成像測量系統(tǒng)校正衛(wèi)星基線偏移的原理示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明提供的虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向方法流程示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明提供的一種基于光學測量校正的衛(wèi)星定向裝置的具體結構圖。

【具體實施方式】
[0032]為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0033]圖1是利用光學成像測量系統(tǒng)校正衛(wèi)星基線偏移的原理示意圖，仙連線是待測方位角的基線，在非形變環(huán)境中天線安裝在八和8點，此時天線的基線與待測基線重合，利用衛(wèi)星定向技術即可直接測量待測基線的方位角。在形變環(huán)境中，天線八和天線8都可能發(fā)生位置變化，而仙基線的平移是不改變基線方位的，因此圖中忽略了平移，假定天線八位置不變，而天線8發(fā)生了形變至位置8’，衛(wèi)星基線變成了仙’，實際待測量方位角是2 八8。
[0034]圖2是本發(fā)明提供的虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向方法流程示意圖，包括步驟:
[0035]51，雙天線衛(wèi)星信號前端處理
[0036]兩個⑶33天線的信號分別經(jīng)過低噪聲放大、自動增益控制、混頻、濾波轉化為中頻模擬信號，再由八/0轉換將模擬信號采樣為數(shù)字信號。
[0037]32，衛(wèi)星信號基帶處理和原始測量值生成
[0038]對數(shù)字信號進行捕獲、跟蹤和解調，在本地恢復出多顆衛(wèi)星的實時載波相位和擴頻碼，獲取對應的偽距、載波相位和電文原始觀測數(shù)據(jù)。
[0039]33，衛(wèi)星定位定向解算
[0040]根據(jù)電文給出的衛(wèi)星星歷計算衛(wèi)星位置，結合至少四顆衛(wèi)星的偽距觀測值，采用最小二乘或卡爾曼濾波方法進行定位解算，獲取兩個天線的定位結果；默認地載波相位解模糊采用[肅也算法，若基線長度有約束可采用快速降維法進行求解；根據(jù)衛(wèi)星構型和解模糊后的載波相位觀測值，構成單差或雙差觀測方程，計算包含衛(wèi)星天線基線形變的相對定位結果，將相對定位結果取模計算基線仙的長度為I ；相對定位結果根據(jù)定位結果進行當?shù)貣|北天坐標系轉換，得到包含形變的方位角2 018’，記為0。
[0041〕 54，光學成像系統(tǒng)形變量測量
[0042]與天線8固連的目標光源發(fā)出光束，與天線八固連的光學成像模塊對目標光源發(fā)出的光束進行成像，根據(jù)所成的像中光源的位置變化計算天線8因形變發(fā)生偏離基線的位移八。
[0043]35，衛(wèi)星定向結果修正輸出
[0044]根據(jù)基準光線的形變量與天線之間的相對距離計算出形變導致的方位角偏差，修正衛(wèi)星定向結果進行綜合處理，得到不隨形變變化的虛擬穩(wěn)定基線定向結果。當形變量相對基線長度較小時，因形變導致的方位角偏差計算為2 8’八8=八/1(作(1)，記為0。綜合形變測量與衛(wèi)星定向結果，輸出修正后的穩(wěn)定基線方位:
[0045]2 0^8 = + 0。
[0046]更進一步地，步驟31中兩個⑶33天線可以同時支持多個⑶33系統(tǒng)不同頻點的信號接收。目前全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)中包含的信號頻點有⑶3的11/12/15、北斗的81/82/83、610^88的以/⑵以及&111160的￡1/25/26，要求⑶33天線至少支持某個單一系統(tǒng)的兩個頻點，提供最低程度的載波相位模糊度解算需要的觀測信息。
[0047]更進一步地，步驟33中，根據(jù)接收衛(wèi)星信號的種類不同和硬件時鐘的差異，優(yōu)選算法進行載波模糊度求解和定向解算。例如若提供了北斗或⑶3三頻點的原始觀測值，可利用不同頻點形成超寬巷、寬巷、窄巷組合加快模糊度求解速度；若兩個⑶33天線的采樣和信號處理采樣相同的數(shù)字時鐘和本地時間管理，不存在兩個天線信號處理的鐘差，優(yōu)選地可以采用單差相對定位模型，否則采用雙差相對定位模型。
[0048]更進一步地，步驟35中，衛(wèi)星定向和形變測量的典型頻率是1取，輸出的虛擬穩(wěn)定基線方位的頻度也是1取，根據(jù)應用場合的定位頻度需求，可進行更長時間的平滑濾波，降低輸出頻度，提高方位角的輸出精度。
[0049]圖3為本發(fā)明提供的一種基于光學測量校正的衛(wèi)星定向裝置的具體結構圖，裝置由衛(wèi)星天線八、衛(wèi)星天線8、目標光源模塊、光學成像模塊、衛(wèi)星定位定向主機和若干線纜組成。衛(wèi)星天線八與光學成像模塊固定連接，衛(wèi)星天線8和目標光源模塊固定連接，光學成像模塊對目標光源發(fā)出的光束成像，測量天線8的位移形變輸出至衛(wèi)星定位定向主機。光學成像可進行傾斜形變等校正提高測量精度，屬于光學成像測量領域的常識，這里不再敘述。衛(wèi)星定位定向主機接收兩個衛(wèi)星天線的信號，完成衛(wèi)星信號的接收和定位定向解算，將衛(wèi)星定向結果與形變測量數(shù)據(jù)進行綜合計算輸出最終虛擬基線定向結果。衛(wèi)星定位定向主機內(nèi)可分解為射頻模塊、信號處理模塊、定位定向模塊和綜合處理模塊，分別與示例一中的31、32、33、85步驟一一對應。本領域的普通技術人員可理解，其中信號處理模塊、定位定向模塊和綜合處理模塊是通過程序指令相關硬件完成的，這里的程序可存儲于狀1、光盤等介質中，硬件通常包含？？以、03？、仙1等嵌入式處理器。
[0050]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明將衛(wèi)星定位定向技術與光學成像測量技術結合起來，提出了一種在形變環(huán)境下仍然可以穩(wěn)定測量基線方位的方法和裝置，拓展了衛(wèi)星定向技術的適用范圍，具有方案簡單可靠，裝置易于實現(xiàn)等優(yōu)點。
[0051]雖然以上結合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但本領域的技術人員應該理解，本發(fā)明所述的方法和系統(tǒng)并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，在不背離由所附權利要求書限定的本發(fā)明精神和范圍的情況下，可對本發(fā)明作出各種修改、增加、以及替換。
【權利要求】
1.一種虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向方法，其特征在于:其步驟如下: 51.雙天線衛(wèi)星信號前端處理 兩個GNSS天線的信號分別經(jīng)過低噪聲放大、自動增益控制、混頻、濾波轉化為中頻模擬信號，再由A/D轉換將模擬信號采樣為數(shù)字信號； 52.衛(wèi)星信號基帶處理和原始測量值生成 對數(shù)字信號進行捕獲、跟蹤和解調，在本地恢復出多顆衛(wèi)星的實時載波相位和擴頻碼，獲取對應的偽距、載波相位和電文原始觀測數(shù)據(jù)； 53.衛(wèi)星定位定向解算 采用最小二乘或卡爾曼濾波方法進行定位解算得到兩個天線的定位結果；采用Lamda算法完成所述的載波相位模糊度求解，當有兩個天線基線長度的先驗信息時，也能夠采用快速降維法進行求解；根據(jù)單差或雙差觀測方程模型，利用解模糊后的載波相位計算兩個衛(wèi)星天線的相對定向結果；將相對定向結果轉換到定位結果表征的當?shù)貣|北天坐標系，得到衛(wèi)星基線的定向測量值； 54.光學成像系統(tǒng)形變測量 與其中一個GNSS天線固連的目標光源發(fā)出光束，與另一個GNSS天線固連的成像模塊接收光束并對目標光源進行實時成像，根據(jù)圖像中目標光源的位置變化，計算與光源和成像模塊固連的兩個天線的相對形變量； 55.衛(wèi)星定向結果修正輸出 光學成像系統(tǒng)測得的相對形變量除以天線基線長度，得到以弧度表示的GNSS天線方位校正量，用GNSS天線的定向結果減去方位校正量，得到虛擬的穩(wěn)定基線的定向結果。
2.一種虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向裝置，其特征在于，包括GNSS天線、衛(wèi)星定向接收模塊、目標光源模塊、光學成像模塊和綜合處理模塊； GNSS天線，用于安裝在待測基線兩端，若待測基線有多條可利用多個GNSS天線； 衛(wèi)星定向接收模塊，用于接收GNSS天線的導航信號，完成基于載波相位的GNSS天線基線的相對定位定向，輸出至綜合處理模塊； 目標光源模塊，該模塊與其中一個GNSS天線固定連接，用于發(fā)出光束供光學成像模塊接收； 光學成像模塊，該模塊與另一個GNSS天線固定連接，用于接收目標光源發(fā)出的光束并成像，獲得目標光源的像在圖像上的位移變化，作為形變量輸出至綜合處理模塊； 綜合處理模塊，用于接收衛(wèi)星定向接收模塊的相對定位定向信息和光學成像模塊輸出的形變量，計算GNSS天線偏離待測基線的偏差并進行校正，輸出經(jīng)校正后的待測基線方位信息完成定向。
3.根據(jù)權利要求2所述的虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向裝置，其特征在于，GNSS天線是內(nèi)置低噪聲放大器的零相位中心測量型天線，適合于多個頻段GNSS信號的接收。
4.根據(jù)權利要求3所述的虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向裝置，其特征在于，衛(wèi)星定向接收模塊包括射頻模塊、信號處理模塊和定位定向模塊，射頻模塊包含下變頻器、放大器、濾波器、A/D轉換模塊，射頻模塊將天線接收的信號轉換為數(shù)字信號；信號處理模塊是處理數(shù)字信號的多通道捕獲、跟蹤電路，在本地復制出導航信號的載波相位和擴頻碼，獲取不同衛(wèi)星的載波相位、偽距和電文觀測值，信號處理模塊采用FPGA、ASIC芯片或FPGA/DSP、FPGA/ARM軟硬件混合方式實現(xiàn)；定位定向模塊是運行在微處理器中的軟件模塊，根據(jù)原始觀測值完成兩個GNSS天線的定位和相對定向。
5.根據(jù)權利要求4所述的虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向裝置，其特征在于，目標光源模塊和光學成像模塊是一套光學成像測量系統(tǒng)，分別與兩個天線固定連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的虛擬穩(wěn)定基線衛(wèi)星定向裝置，其特征在于，綜合處理模塊完成定向信息融合和輸出，與定位定向模塊共用微處理器。
【文檔編號】G01S19/44GK104459744SQ201410770733
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權日:2014年12月15日
【發(fā)明者】陳曉峰, 羅丁, 肖茂森, 陸衛(wèi)國, 劉建華, 朱宇虹, 翟玉濤, 蒙連勝 申請人:湖南航天電子科技有限公司, 中國人民解放軍第二炮兵裝備研究院第四研究所, 中國科學院西安光學精密機械研究所