卫星导航设备及其定向方法及装置与流程

本发明涉及卫星导航定向技术领域，尤其涉及一种卫星导航设备及其定向方法及装置。

背景技术：

全球四大卫星导航系统包括中国的北斗卫星导航系统、美国GPS卫星导航系统、俄罗斯“格洛纳斯”卫星导航系统、欧洲“伽利略”卫星导航系统。卫星导航系统包括空间段、控制段和用户段。空间段由卫星组成，控制段涉及卫星的运行管理，用户段包括军用和民用用户设备。卫星导航定向技术作为卫星导航卫星系统高精度定位技术的应用，是基于卫星载波相位信号干涉测量原理，确定空间两点所成几何矢量在给定坐标系下的指向。

确定基准星和主星是卫星导航定向技术的关键步骤，基准星和主星的空间几何分布会影响定位精度，传统的方法是选择几何精度衰减因子最小的4颗卫星作为基准星和主星，该选星方法仅适用于换星速度很慢的静态定位测量的情况，无法满足在换星速度较快的高动态精密相对测量情况下的定位精度需求。

技术实现要素：

基于此，本发明提出一种卫星导航设备及其定向方法及装置，能够满足在换星速度较快的高动态精密相对测量情况下的定位精度需求。

一种卫星导航设备的定向方法，包括：

获取由信号接收设备构成的基线确定的基准星和主星；其中基准星和主星的相对定位精度因子的计算值小于或等于预设阈值；

通过信号接收设备测量基准星和主星的载波相位；

搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度；

根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量。

一种卫星导航设备的定向装置，包括：

基准星和主星确定模块，用于获取由信号接收设备构成的基线确定的基准星和主星；其中基准星和主星的相对定位精度因子的计算值小于或等于预设阈值；

载波相位测量模块，用于通过信号接收设备测量基准星和主星的载波相位；

整周模糊度搜索模块，用于搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度；

基线矢量计算模块，用于根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量。

一种卫星导航设备，包括：

基准星和主星确定设备，用于获取相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星；

载波相位测量设备，用于通过信号接收设备测量基准星和主星的载波相位；

整周模糊度搜索设备，用于搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度；

基线矢量计算设备，用于根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量。

上述卫星导航设备及其定向方法及装置，卫星导航设备上设置有信号接收设备，通过对信号接收设备定位表征对卫星导航设备的定向，首先获取由信号接收设备构成的基线确定的观测卫星，计算出相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星，再通过信号接收设备连续测量基准星和主星的载波相位，并搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度，最后根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算信号接收设备构成的基线矢量，获取基线矢量后即可获取信号接收设备的方向角，从而对卫星导航设备定向。本发明的卫星导航设备及其定向方法及装置，结合相对定位精度因子来确定基准星和主星，定位精度高，有利于准确计算信号接收设备构成的基线矢量，从而准确对卫星导航设备进行定向。

附图说明

图1为一个实施例中的卫星导航设备的定向方法流程示意图；

图2为一个实施例中的卫星导航设备的定向示意图；

图3为另一个实施例中的卫星导航设备的定向方法流程示意图；

图4为又一个实施例中的卫星导航设备的定向方法流程示意图；

图5为再一个实施例中的卫星导航设备的定向方法流程示意图；

图6为一个实施例中的卫星导航设备的定向装置的结构示意图；

图7为一个实施例中的卫星导航设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一个实施例中，请参阅图1，一种卫星导航设备的定向方法，包括：

S11：获取相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星；

S12：通过信号接收设备测量基准星和主星的载波相位；

S13：搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度；

S14：根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量。

卫星导航设备为基于卫星导航定向技术以及卫星载波相位信号干涉测量原理，用于确定空间两点所成几何矢量在给定坐标系下的指向的卫星导航快速定向设备。基准星和主星为空间几何分布的定位精度最佳的一组卫星，通常基准星和主星由4颗卫星组成，其中一颗为基准星，另外三颗为主星，通过信号接收设备以及基准星和主星可实现对卫星导航设备的定向。信号接收设备可为安装在卫星导航设备上的天线，天线可以发射及接收信号，通过对信号接收设备进行定向可实现卫星导航设备的快速定向。基线矢量为信号接收设备构成矢量，获取基线矢量后，可进一步获取基线大小和方向，如获取基线航向角和俯仰角，从而实现对卫星到设备的定向。信号接收设备可为两个或多个，如图2，具体可在卫星导航设备上安装两个天线。载波相位为在接收时刻接收的卫星信号的相位相对于信号接收设备产生的载波信号相位的测量值，载波相位测量精度最高的。

本实施例中，基准星和主星的定位精度通过相对定位精度因子(Relative Dilution of Precision，简称RDOP)确定，相对定位精度因子适用于静态定位测量以及高动态精密相对测量的情况，相对定位精度因子越小，说明基准星和主星的定位精度越高，将相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星。

在一种可选的实施方式中，请参阅图3，获取相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星，通过以下步骤实现：

S111：根据基线获取俯仰角最大的卫星作为备选星；其中备选星数量大于等于5；

S112：计算所述备选星中任意4颗卫星的相对定位精度因子，将相对定位精度因子最小的4颗卫星设置为基准星和主星。

本实施方式中，通过基线获取各观测卫星的俯仰角，将俯仰角最大的一系列卫星作为备选星，可减小对流层和电离层误差的影响，在相对定位中，需要4颗以上的卫星才能够进行相对定位解算，因此选取5颗以上的卫星作为备选星，提高相对定位精度因子解算精度。

在一种可选的实施方式中，请参阅图4，将相对定位精度因子最小的4颗卫星设置为基准星和主星之前，还包括以下步骤：

S1121：若所述相对定位精度因子大于预设阈值，等待预设时间后，重新计算所述备选星中任意4颗卫星的相对定位精度因子；

S1122：将预设时间前后，获取的相对定位精度因子最小的4颗卫星设置为基准星和主星。

预设阈值为作为基准星和主星的相对定位精度需满足的精度值，具体可为10。计算所述备选星中任意4颗卫星的相对定位精度因子之后，判断所述相对定位精度因子是否大于预设阈值设置，若大于，则等待预设时间后，重新计算备选星的相对定位精度因子，将预设时间前后两次计算的相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星。本实施方式中，对备选星的相对定位精度因子进行多次计算，尽量保证设置的基准星和主星的相对定位精度因子最小，提高了定位精度。若小于，可不需重新计算所述备选星的相对定位精度因子。

在一种可选的实施方式中，等待预设时间后，重新计算所述备选星中任意4颗卫星的相对定位精度因子之后，包括以下步骤：

若所述备选星在预设时间前后，计算的任意4颗卫星的相对定位精度因子均大于预设阈值，则扩大所述备选星的数量范围；

计算扩大范围后的备选星中的任意4颗卫星的相对定位精度因子；

将相对定位精度因子最小，并且小于或等于预设阈值的4颗卫星设置为基准星和主星。

等待预设时间后，重新计算所述备选星中任意4颗卫星的相对定位精度因子，对于所述备选星，若两次计算的任意4颗卫星的相对定位精度因子均大于预设阈值，则扩大所述备选星的数量范围，例如开始确定的备选星为5颗，则可扩大至7颗，然后计算扩大范围后的备选星中的任意4颗卫星的相对定位精度因子，若存在相对定位精度因子小于或等于预设阈值的4颗卫星，且该4颗卫星在扩大范围的备选星中，相对定位精度因子最小，可将该4颗卫星设置为基准星和主星。若扩大范围后，备选星的相对定位精度因子仍旧达不到精度要求，可继续扩大备选星的范围，继续计算。但是备选星的数量范围并非无限大，因为备选星的数量范围越多，计算量越大，因此应根据精度指标要求及平台的处理能力从所有可用共视星中选择适当数量的备选星进行相对定位解算。

整周模糊度(ambiguity of whole cycles)又称整周未知数，是在全球定位系统技术的载波相位测量时，载波相位与基准相位之间相位差的首观测值所对应的整周未知数，整周模糊度是全球定位系统载波相位测量中非常重要且必须解决的问题。在一种可选的实施方式中，搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度，包括以下步骤：

搜索若干个历元中载波相位的最优整周模糊度，根据所述最优整周模糊度计算基线矢量。

历元为时间单位，在天文学上，历元是为指定天球坐标或轨道参数而规定的某一特定时刻。在天文学和卫星定位中，所获数据对应的时刻也称为历元。本实施方式中，可搜索一个或两个以上历元中的最优整周模糊度，然后根据所述最优整周模糊度计算基线矢量。充分利用多历元中载波相位的整周模糊度信息来确定最优载波相位模糊度，可提高载波相位整周模糊度的准确性，以保证定向的准确性。

优选地，请参阅图5，搜索若干个历元中载波相位的最优整周模糊度，包括以下步骤：

S131：获取预设历元数内出现次数最多的整周模糊度为第一模糊度；

S132：获取预设历元数内出现次数第二多的整周模糊度为第二模糊度；

S133：计算第一模糊度与第二模糊度的残差；

S134：若所述残差大于门限值，则确认所述第一模糊度为最优模糊度。

若在预设历元数内测得某一整周模糊度出现了多次，例如在6个历元内，对基准星的载波相位的整周模糊度进行搜索，在第1、3、5个历元搜索到基准星的载波相位的整周模糊度13周，在第2和4个历元搜索到基准星的载波相位的整周模糊度为14周，在第6个历元搜索到基准星的载波相位的整周模糊度为12周，说明为13的整周模糊度出现了3次，为第一模糊度，说明为14的整周模糊度出现了2次，为第二模糊度，为12的整周模糊度出现了1次，计算第一模糊度与第二模糊度的残差，若所述残差大于门限值，则可确定为13周的整周模糊度为所述基准星的载波相位的最优模糊度。可按照以下方式计算残差：其中ε为残差，i为第i颗卫星，n为第n颗卫星，X₁₂为基线矢量，N₁₂为整周模糊度向量。

一个实施例中，根据载波相位和整周模糊度构建双差观测方程之后，包括以下步骤：

获取连续测量的载波相位，进行周跳探测以及周跳修复，以确认所述载波相位是否存在周跳误差。

信号接收设备对观测卫星进行连续的载波相位测量过程中，由于某种原因可能导致整周计数发生错误，使载波相位观测值较之载波相位正常值，出现一个整数周的跳跃，称之为周跳误差，周跳误差的产生将破坏载波相位观测值连贯性，对后续载波相位观测值造成成批的整周数偏差。在进行载波相位测量中，可通过周跳探测实时检测载波相位观测值是否发生周跳误差，若产生了周跳误差，则进行周跳修复，对载波相位观测值进行修复，保证定向结果的连续性和准确性。具体地，可采用TurboEdit算法进行周跳探测以及周跳修复，即联合使用宽项组合和电离层组合来进行周跳探测和周跳修复。

测得载波相位、整周模糊度和相对定位精度因子后，根据观测方程来计算信号接收设备的构成的基线矢量。观测方程包括单差观测方程、双差观测方程以及三差观测方程。一个实施例中，根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量的步骤包括：

通过信号接收设备测量基准星和主星的伪距；

按照以下方式，根据载波相位和整周模糊度构建双差观测方程：

Φ₁₂＝AX₁₂+N₁₂+ε₁₂

其中，

Φ₁₂为信号接收设备1及信号接收设备2获取的载波相位，A为系数矩阵，λ为载波波长，r⁽ⁿ⁾为信号接收设备至n号卫星的单位方向矢量，ε₁₂为信号接收设备1及信号接收设备2的双差观测误差矢量，X₁₂为信号接收设备1及信号接收设备2构成的基线矢量，N₁₂为信号接收设备1及信号接收设备2测得的整周模糊度向量；

按照以下方式，根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量X₁₂的最小二乘解：

X₁₂＝(A^TPA)^-1A^TP(Φ₁₂-N₁₂)

X₁₂为基线矢量，(A^TPA)^-1为相对定位精度因子值，P为伪距。

伪距是光速乘上由卫星发射的测距信号到达信号接收设备的传播所用的时间之后，所得的卫星与信号接收设备之间的距离，但是在信号传播过程中，误差的影响比如接收机钟差卫星钟差电离层折射误差以及对流层折射误差等使得实际观测距离和卫星到信号接收设备的真实的距离并不相等，所以称为伪距。

Φ₁₂为信号接收设备1及信号接收设备2获取的载波相位，为一个列向量，为除基准星外的其他观测卫星的载波相位双差观测值。N₁₂为信号接收设备1及信号接收设备2获取的整周模糊度向量，为一个列向量，表示除基准星外的其他观测卫星的整周模糊度向量。

已知载波相位和整周模糊度，根据双差观测方程可的基线矢量的最小二乘解，结合相对定位精度因子，其中，相对定位精度因子(A^TPA)^-1与伪距有关，通过公式X₁₂＝(A^TPA)^-1A^TP(Φ₁₂-N₁₂)计算基线矢量。由于两个或者多个信号接收设备对相同卫星进行同步观测时，测得的载波相位、整周模糊度和伪距等观测量会受到一些误差的影响，如卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、电离层误差以及对流层误差等,而这些误差对观测量的影响有一定的相关性,通过构建双差观测方程将这些观测量进行组合，可对上述误差进行消除或者减弱,可提高对卫星导航设备的定位精度。

上述卫星导航设备的定向方法，卫星导航设备上设置有信号接收设备，通过对信号接收设备定位表征对卫星导航设备的定向，首先获取由信号接收设备构成的基线确定的观测卫星，计算出相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星，再通过信号接收设备连续测量基准星和主星的载波相位，并搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度，最后根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算信号接收设备构成的基线矢量，获取基线矢量后即可获取信号接收设备的方向角，从而对卫星导航设备定向。本发明的卫星导航设备的定向方法结合相对定位精度因子来确定基准星和主星，定位精度高，有利于准确计算信号接收设备构成的基线矢量，从而准确对卫星导航设备进行定向。

以上为本发明的卫星导航设备的定向方法的具体实施方式，下面就本发明的卫星导航设备的定向装置的具体实施方式作进一步介绍。

一个实施例中，请参阅图6，一种卫星导航设备的定向装置，包括：

基准星和主星确定模块，用于获取相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星；

载波相位测量模块，用于通过信号接收设备测量基准星和主星的载波相位；

整周模糊度搜索模块，用于搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度；

基线矢量计算模块，用于根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量。

一个实施例中，基线矢量计算模块包括：

伪距测量模块，用于通过信号接收设备测量基准星和主星的伪距；

双差观测方程构建模块，用于按照以下方式，根据载波相位和整周模糊度构建双差观测方程：

Φ₁₂＝AX₁₂+N₁₂+ε₁₂

其中，

Φ₁₂为信号接收设备1及信号接收设备2获取的载波相位，A为系数矩阵，λ为载波波长，r⁽ⁿ⁾为信号接收设备至n号卫星的单位方向矢量，ε₁₂为信号接收设备1及信号接收设备2的双差观测误差矢量，X₁₂为基线矢量，N₁₂为整周模糊度向量；

基线矢量最小二乘解计算模块，用于按照以下方式，根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量X₁₂的最小二乘解：

X₁₂＝(A^TPA)^-1A^TP(Φ₁₂-N₁₂)

其中，X₁₂为基线矢量，(A^TPA)^-1为相对定位精度因子值，P为伪距。

一个实施例中，基准星和主星确定模块包括：

备选星确定模块，用于根据基线获取俯仰角最大的卫星作为备选星；其中备选星数量大于等于5；

相对定位精度因子计算模块，用于计算所述备选星中任意4颗卫星的相对定位精度因子，将相对定位精度因子最小的4颗卫星设置为基准星和主星。

一个实施例中，相对定位精度因子计算模块，包括：

识别模块，用于若所述相对定位精度因子大于预设阈值，等待预设时间后，重新计算所述备选星中任意4颗卫星的相对定位精度因子；

比较模块，用于将预设时间前后，获取的相对定位精度因子最小的4颗卫星设置为基准星和主星。

一个实施例中，比较模块包括：

备选星范围扩大模块，用于若所述备选星在预设时间前后，计算的任意4颗卫星的相对定位精度因子均大于预设阈值，则扩大所述备选星的数量范围；

扩大计算模块，用于计算扩大范围后的备选星中的任意4颗卫星的相对定位精度因子；

确定模块，用于将相对定位精度因子最小，并且小于或等于预设阈值的4颗卫星设置为基准星和主星。

一个实施例中，整周模糊度搜索模块包括：

最优整周模糊度搜索模块，用于搜索若干个历元中载波相位的最优整周模糊度，根据所述最优整周模糊度计算基线矢量。

一个实施例中，最优整周模糊度搜索模块包括：

第一模糊度获取模块，用于获取预设历元数内出现次数最多的整周模糊度为第一模糊度；

第二模糊度获取模块，用于获取预设历元数内出现次数第二多的整周模糊度为第二模糊度；

残差计算模块，用于计算第一模糊度与第二模糊度的残差；

第一模糊度确认模块，用于若所述残差大于门限值，则确认所述第一模糊度为最优整周模糊度。

一个实施例中，双差观测方程构建模块包括：

探测及修复模块，用于获取连续测量的载波相位，进行周跳探测以及周跳修复，以确认所述载波相位是否存在周跳误差。

一个实施例中，请参阅图7，一种卫星导航设备，包括：

基准星和主星确定设备，用于获取相对定位精度因子最小的一组卫星作为基准星和主星；

载波相位测量设备，用于通过信号接收设备测量基准星和主星的载波相位；

整周模糊度搜索设备，用于搜索基准星和主星的载波相位的整周模糊度；

基线矢量计算设备，用于根据载波相位、整周模糊度以及所述相对定位精度因子计算基线矢量。

本发明的卫星导航设备及其定向装置与卫星导航设备的定向方法一一对应，在上述卫星导航设备的定向方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于所述卫星导航设备及其定向装置的实施例中，特此声明。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能组合都进行描述，然而只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。