专利名称：一种卫星组合罗盘及方位角和俯仰角测量计算方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星指向系统，特别是一种卫星组合罗盘及方位角和俯仰角测量计算方法。
背景技术：
传统的磁性指南针、电子罗经和惯性罗盘等罗盘的测量精度受地磁场变化和数据漂移的影响较大，各地的磁偏角极不稳定，方位角和俯仰角测量误差较大。虽然卫星罗盘测量精度较高，不存在数据漂移。但受卫星遮挡的影响，在跟踪全球导航卫星数量达不到4颗时，卫星罗盘无法给出方位角和俯仰角数据或方位角和俯仰角数据不连续。因此卫星罗盘也不能给出方位角和俯仰角数据或方位角和俯仰角数据不连续。经检索，发现有三个有关使用GPS或地磁罗盘的专利。I无轨电动伸缩门地磁导航系统:该专利仅使用地磁罗盘测方位，未使用GPS卫星信息。2全方位志愿船自动测报装置:该专利只有一个GPS天线，用于接收和定位。它是根据定位数据查表得出磁偏角，用磁偏角修正地磁测向，从而得到航向角，而不是使用GPS天线及接收机进行相位差测向。3 —种组合导航装置和实施方法:该专利只有一个GPS天线，用于接收和定位。在卫星有遮挡时，用手机网络定位代替GPS定位。上述三个专利均不属卫星罗盘:无轨电动伸缩门地磁导航系统专利根本没有使用全球导航卫星天线，不属卫星罗盘；全方位志愿船自动测报装置和一种组合导航装置和实施方法两个专利只使用一个全球导航卫星天线，用于定位，查磁偏角和修正磁偏角。只有用两个全球导航卫星天线测量相位差，计算方位和俯仰角，才是卫星罗盘。
发明内容
发明目的:本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种卫星组合罗盘及方位角和俯仰角测量计算方法，解决传统罗盘的方位角和俯仰角测量误差较大，且不稳定；卫星罗盘测量精度较高，不受磁场变化影响，不存在数据漂移，但容易受遮挡全球导航卫星的影响的技术缺陷。为了解决上述技术问题，本发明公开了一种卫星组合罗盘，包括卫星罗盘和数字地磁罗盘和组合处理器。所述组合处理器用于对卫星罗盘和数字地磁罗盘的数据进行组合计算和确定输出数据并进行显示；所述卫星罗盘包括依次连接的第一天线、第一馈线、第一多通道接收机以及计算电路，所述计算电路还与依次连接的第二天线、第二馈线以及第二多通道接收机连接，所述计算电路同时连接组合处理器；所述第一天线和第二天线用于接收4颗全球导航卫星信号；所述第一多通道接收机和第二多通道接收机用于将每颗全球导航卫星信号处理成信号相位和全球导航卫星轨道数据及位置数据；所述计算电路用于计算每颗全球导航卫星到达第一天线和第二天线的相位差和该全球导航卫星的位置数据、全球导航卫星受遮挡数据、相对于第一天线和第二天线为基线的方位角α 和俯仰角ε ；所述数字地磁罗盘用于输出方位角α2和俯仰角ε2。本发明中，所述数字地磁罗盘包括地磁传感器。本发明卫星组合罗盘的性能远高于卫星罗盘、数字地磁罗盘各自的性能。本发明计算电路计算4颗全球导航卫星，GPS、GLONASS、Galileo和全球北斗等，到达两套天线的相位差和全球导航卫星的位置，经进一步解算可得到相对于两套天线为基线的方位角\和俯仰角ει。计算电路为通用单板机(型号如:摩托罗拉通用单板机的型号:CompactPCI等)。通用单板机内装有方位角a i和俯仰角S1计算、消除2 π模糊技术和卫星优选程序。通用单板机有两个与卫星接收机输出连接的端口，并有方位角\和俯仰角ε !的输出端口。
本发明所采用的组合处理器的硬件是通用单板机(型号如:摩托罗拉通用单板机的型号=CompactPCI等)。组合处理器通用单板机内装组合计算和确定输出数据软件。组合处理器保证充分发挥卫星罗盘和数字地磁罗盘各自的优势，达到优势互补；同时克服卫星罗盘和数字地磁罗盘的各自不足之处。计算电路和组合处理器在结构上可以采用一个单板机完成两种功能，也可以采用两个单板机各自完成各自的功能。本发明还公开了一种卫星组合罗盘的方位角和俯仰角测量计算方法，在全球导航卫星信号没有遮挡时，包括以下步骤:步骤11，第一天线、第一馈线、第一多通道接收机接收4颗全球导航卫星的信号和数据，并送给计算电路；步骤12，第二天线、第二馈线、第二多通道接收机接收4颗全球导航卫星的信号和数据，并送给计算电路；步骤13，在计算电路中进行处理得到卫星罗盘的无漂移方位角α:和俯仰角ε通过组合处理器处理后作为卫星组合罗盘的输出；在全球导航卫星信号有遮挡时，包括以下步骤:步骤21，第一天线、第一馈线、第一多通道接收机接收4颗全球导航卫星的信号和数据，并送给计算电路；步骤22，第二天线、第二馈线、第二多通道接收机接收4颗全球导航卫星的信号和数据，并送给计算电路；步骤23，在计算电路中进行处理得到卫星罗盘的方位角α:和俯仰角ε i，送给组合处理器；步骤24，数字地磁罗盘将采集到的有漂移的方位角％和俯仰角ε2数据发送给组合处理器；步骤25，使用组合处理器修正无遮挡最后一组h时刻数据:将方位角CI=Ci1和俯仰角ε = ε i作为卫星组合罗盘的输出数据；步骤26,在h时刻以后,将方位角<1=(12-八(12和俯仰角ε = ε2-Δ ε 2作为卫星组合罗盘的输出数据，Λ %和Λ ￡2分别为数字地磁罗盘在h时刻以后的外推漂移误差。本发明使用了卫星罗盘两个天线和两个接收机，用于相位差测航向角和俯仰角；同时，地磁数字罗盘经过静态和动态校准，可以在短时间内卫星受遮挡时代替卫星罗盘。经过组合，形成高精度卫星组合罗盘，无固定误差磁偏角和漂移误差，与现有技术本质区别。有益效果:本发明所述的卫星组合罗盘具有以下优点:①本发明不受磁场及其变化的影响，以及不受钢铁环境的影响，不存在数据漂移；②本发明是信息接收和数字计算，没有高速机械部件，可靠性较高；③本发明测量方位角和俯仰角的精度潜力较大，两天线之间的距离基线越长，测量方位角和俯仰角的精度越高；④本发明具有抗移动平台翻滚或障碍物遮挡全球导航卫星影响的能力；⑤本发明对武器发射测向，雷达测方位，激光测方位、武器瞄准、航空航海行军等有重大意义；⑥本发明有较高的经济效益和社会效益。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1为本发明卫星组合罗盘结构示意图。图2为本发明全球导航卫星到两个接收天线的相位差示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明由卫星罗盘1、数字地磁罗盘2和组合处理器3组成。本发明采用接收全球导航卫星，GPS、GLONASS、Galileo和全球北斗等，下同的信号和数据进行精确计算而获取方位角和俯仰角数据，与磁场的影响完全无关。在卫星罗盘I内装有两套天线4a、4b、馈线5a、5b、多通 道接收机6a、6b和一个计算电路7。两套天线4、馈线5、多通道接收机6接收4颗全球导航卫星信号；每个多通道接收机6a、6b将每颗全球导航卫星信号处理成信号相位和全球导航卫星轨道数据及多通道接收机6a、6b的位置数据，以及全球导航卫星受遮挡数据；将信号相位和各种数据输入计算电路7。在计算电路7中计算得出每颗全球导航卫星到达两套天线4a、4b的相位差和该全球导航卫星的位置数据；经进一步处理得到相对于两套天线为基线的方位角\和俯仰角S1，作为卫星组合罗盘的输出数据方位角α和俯仰角ε。数字地磁罗盘2由地磁传感器和数字化电路组成。数字地磁罗盘2输出方位角《2和俯仰角ε2。当全球导航卫星被遮挡时，经过修正的数字地磁罗盘2的方位角％和俯仰角ε2，作为卫星组合罗盘的输出数据方位角α和俯仰角ε。组合处理器3用于组合处理、罗盘的输出数据方位角α及俯仰角ε，并显示方位角α和俯仰角ε数据。本实施例中，计算电路7和组合处理器3分别采用一套摩托罗拉通用单板机CompactPCI，以减少相互干扰，提闻精度。卫星罗盘I的工作原理如下:卫星罗盘I内装有两套天线4a、4b、馈线5a、5b、多通道接收机6a、6b和一个计算电路7。两套天线4a、4b、馈线5及多通道接收机6a、6b接收4颗全球导航卫星信号；多通道接收机6a、6b将全球导航卫星信号处理成信号相位的小数部分、全球导航卫星的轨道数据和两套天线4a、4b的位置数据；将信号相位的小数部分和各种数据输入给计算电路7 ;在计算电路7中信号相位的小数部分和数据经计算得出每颗全球导航卫星到达两套天线4a、4b的相位差的小数部分δ和该卫星的位置数据；根据信号相位的小数部分、两套天线4a、4b之间的距离L、卫星位置数据和两套天线4a、4b的位置数据可计算出每颗全球导航卫星到达两套天线4a、4b的相位差的的整周期数N消除2 π模糊。两套天线4a、4b之间的相位差Δ炉:
权利要求
1.一种卫星组合罗盘，其特征在于，包括卫星罗盘和数字地磁罗盘，所述卫星罗盘和数字地磁罗盘同时连接组合处理器，所述组合处理器用于合成卫星罗盘和数字地磁罗盘发来的数据进行处理和显示； 所述卫星罗盘包括依次连接的第一天线、第一馈线、第一多通道接收机以及计算电路，所述计算电路还与依次连接的第二天线、第二馈线以及第二多通道接收机连接，所述计算电路同时连接组合处理器； 所述第一天线和第二天线用于接收4颗全球导航卫星信号； 所述第一多通道接收机和第二多通道接收机用于将每颗全球导航卫星信号处理成信号相位和全球导航卫星轨道数据及位置数据； 所述计算电路用于计算每颗全球导航卫星到达第一天线和第二天线的相位差和该全球导航卫星的位置数据、全球导航卫星受遮挡数据、相对于第一天线和第二天线为基线的方位角α 和俯仰角ε ； 所述数字地磁罗盘用于输出方位角％和俯仰角ε2。
2.根据权利要求1所述的一种卫星组合罗盘，其特征在于，所述数字地磁罗盘包括地磁传感器。
3.—种卫星组合罗盘的方位角和俯仰角测量计算方法，其特征在于， 在全球导航卫星信号没有遮挡时，包括以下步骤: 步骤11，第一天线、第一馈线、第一多通道接收机接收4颗全球导航卫星的信号和数据，并送给计算电路； 步骤12，第二天线、第二馈线、第二多通道接收机接收4颗全球导航卫星的信号和数据，并送给计算电路； 步骤13，在计算电路中进行处理得到卫星罗盘的无漂移方位角\和俯仰角S1，通过组合处理器处理后作为卫星组合罗盘的输出； 在全球导航卫星信号有遮挡时，包括以下步骤: 步骤21，第一天线、第一馈线、第一多通道接收机接收4颗全球导航卫星的信号和数据，并送给计算电路； 步骤22，第二天线、第二馈线、第二多通道接收机接收4颗全球导航卫星的信号和数据，并送给计算电路； 步骤23，在计算电路中进行处理得到卫星罗盘的方位角\和俯仰角S1，送给组合处理器； 步骤24，数字地磁罗盘将采集到的有漂移的方位角％和俯仰角^2数据发送给组合处理器； 步骤25，使用组合处理器修正无遮挡最后一组h时刻数据:将方位角a=、和俯仰角ε = 作为卫星组合罗盘的输出数据； 步骤26,在h时刻以后,将方位角0=02-八€[2和俯仰角ε = ε2-Δ ε 2作为卫星组合罗盘的输出数据，Λ %和Λ ￡2分别为数字地磁罗盘在h时刻以后的外推漂移误差。
全文摘要
本发明公开了一种卫星组合罗盘，包括卫星罗盘和数字地磁罗盘，所述卫星罗盘和数字地磁罗盘同时连接组合处理器，所述组合处理器用于合成卫星罗盘和数字地磁罗盘发来的数据并进行显示；所述卫星罗盘包括依次连接的第一天线、第一馈线、第一多通道接收机以及计算电路，所述计算电路还与依次连接的第二天线、第二馈线以及第二多通道接收机连接，所述计算电路同时连接组合处理器；所述第一天线和第二天线用于接收4颗全球导航卫星信号；所述第一多通道接收机和第二多通道接收机用于将每颗全球导航卫星信号处理成信号相位和全球导航卫星轨道数据及位置数据。本发明还公开了一种采用上述设备的卫星组合罗盘的方位角和俯仰角测量计算方法。
文档编号G01C17/00GK103148845SQ20131006657
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月1日 优先权日2013年3月1日
发明者刘兴, 赵敏, 常传文 申请人:中国电子科技集团公司第二十八研究所