双频双动态定位方法、装置、定位设备及运载工具与流程

本申请涉及定位技术领域，具体而言，涉及一种双频双动态定位方法、装置、定位设备及运载工具。

背景技术：

在海洋探测或航海领域，目标定位的准确度往往依赖于基站。由于成本和地理条件的限制，基站的数量相对于广阔的大海相对过少。当待定目标距离基站较远时，获取的定位结果的精度往往不能满足需要。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种双频双动态定位方法、装置、定位设备及运载工具，以解决上述问题：

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种双频双动态定位方法，应用于定位设备，所述定位设备与参考站彼此通讯，其中，所述定位设备和所述参考站均为运动载体，所述方法包括：向所述参考站发送定位请求，并接收所述参考站反馈的双频载波信号，以获取载波相位观测量；接收所述参考站的发送的第一状态信息；其中，所述第一状态信息携带所述参考站的位置信息和运动信息；将所述载波相位观测量作为载波双差模型的输入参数，以获得整周模糊度的固定值；依据所述固定值、所述第一状态信息以及第二状态信息获得所述定位设备的定位信息；其中，所述第二状态信息携带所述定位设备的位置信息和运动信息。

第二方面，本申请实施例提供一种双频双动态定位装置，应用于定位设备，所述定位设备与参考站彼此通讯，其中，所述定位设备和所述参考站均为运动载体，所述装置包括：信息收发模块：用于向所述参考站发送定位请求，并接收所述参考站反馈的双频载波信号，以获取载波相位观测量；接收所述参考站的发送的第一状态信息；其中，所述第一状态信息携带所述参考站的位置信息和运动信息；处理模块：用于将所述载波相位观测量作为载波双差模型的输入参数，以获得整周模糊度的固定值；依据所述固定值、所述第一状态信息以及第二状态信息获得所述定位设备的定位信息；其中，所述第二状态信息携带所述定位设备的位置信息和运动信息。

第三方面，本申请实施例提供一种定位设备，所述定位设备包括处理器、存储器，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器读取并运行所述计算机指令，以执行第一方面所述的双频双动态定位方法。

第四方面，本申请实施例提供一种运载工具，所述运载工具包括第三方面所述的定位设备。

相对于现有技术，本申请实施例所提供的一种双频双动态定位方法、装置、定位设备及运载工具，定位设备通过分析参考站发送的双频载波信号，获得载波相位观测量，从而获得整周模糊度的固定值，再结合参考站的状态信息获得定位设备的定位信息，避免了过度依赖基站的缺陷，相对地提高了定位结果的精确度，扩大定位的应用场景。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种定位系统的通讯示意图；

图2为本申请实施例提供的定位设备的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的双频双动态定位方法的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种双频双动态定位方法的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的s40的子步骤流程示意图；

图6为本申请实施例提供的s406的子步骤流程示意图；

图7为本申请实施例提供的s50的子步骤流程示意图；

图8为本申请实施例提供的双频双动态定位装置的功能单元示意图。

图中：100-定位设备；101-处理器；102-存储器；103-总线；104-双频接收机；200-参考站；301-信息收发模块；302-处理模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在海洋探测或航海领域，目标定位的准确度往往依赖于基站。由于成本和地理条件的限制，基站的数量相对于广阔的大海相对过少。当待定目标距离基站较远时，获取的定位结果的精度往往不能满足需要。本发明实施例提供了一种定位系统，请参考图1，定位系统包括定位设备100和参考站200。定位设备100和参考站200进行载波通讯，定位设备100和参考站200均可以与卫星通讯。定位设备100和参考站200均可以通过单点定位的方法获取其自身的初始坐标，即初始位置信息。定位设备100和参考站200均能通过姿态采集传感器采集其自身的姿态信息。

本发明实施例提供了一种双频双动态定位方法，应用于定位设备100。请参照图2，是定位设备100的结构示意图。定位设备100包括处理器101、存储器102、总线103以及双频接收机104。处理器101、存储器102以及双频接收机104通过总线103连接，处理器101用于执行存储器102中存储的可执行模块，例如计算机程序。

处理器101可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，双频双动态定位方法的各步骤可以通过处理器101中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器101可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessor，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

存储器102可能包含高速随机存取存储器(ram：randomaccessmemory)，也可能还包括非易失性的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。

总线103可以是isa(industrystandardarchitecture)总线、pci(peripheralcomponentinterconnect)总线或eisa(extendedindustrystandardarchitecture)总线等。图1中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线103或一种类型的总线103。

存储器102用于存储程序，例如双频双动态定位装置。双频双动态定位装置包括至少一个可以软件或固件(firm-ware)的形式存储于存储器102中或固化在定位设备的操作系统(operatingsystem，os)中的软件功能模块。处理器101在接收到执行指令后，执行所述程序以实现双频双动态定位方法。

双频接收机104为全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)用户终端设备中的一种。双频接收机104可同时接收l1、l2载波信号，在一种可能的实现方式中，双频接收机104也可以接收其他的双频载波信号。利用双频载波信号受电离层延迟影响的差异性，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响。本实施例中，双频接收机104用于接收参考站200或卫星发送的载波信号。

应当理解的是，图2所示的结构仅为定位设备100的结构应用示意图，定位设备还可包括比图2中所示更多或者更少的组件，或者具有与图2所示不同的配置。图2中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

本发明实施例提供的一种双频双动态定位方法，应用于定位设备100，具体的流程，请参见图3：

s10：向参考站发送定位请求，并接收参考站反馈的双频载波信号，以获取载波相位观测量。

具体地，参考站200接收到定位设备100发送的定位请求时，参考站200向定位设备100发送双频载波信号。定位设备100接收到参考站200反馈的双频载波信号后，分析接收到的双频载波信号，以获取载波相位观测量。载波相位测量(carrierphasemeasurement)是利用接收机测定载波相位观测值或其差分观测值，经基线向量解算以获得两个同步观测站之间的基线向量坐标差的技术和方法。载波相位观测量理论上是gps(或gnss)信号在接收时刻的瞬时载波相位值。但实际上是无法直接测量出任何信号的瞬时载波相位值，测量接收到的是具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。

s20：接收参考站的发送的第一状态信息。

其中，第一状态信息携带参考站200的位置信息和运动信息。在一种可能的实现方式中，参考站200可以通过单点定位计算出其位置信息和运动信息，即第一状态信息。位置信息可以通过经纬坐标系或其他坐标系表述。运动信息(即姿态信息)包括参考站200的运动方向、速度以及加速度。

s40：将载波相位观测量作为载波双差模型的输入参数，以获得整周模糊度的固定值。

具体地，整周模糊度(ambiguityofwholecycles)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。正确地确定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之一。

s50：依据固定值、第一状态信息以及第二状态信息获得定位设备的定位信息。

其中，第二状态信息携带定位设备100的位置信息和运动信息。在一种可能的实现方式中，定位设备100可以通过单点定位获取其自身的位置信息和运动信息，即第二状态信息。再依据整周模糊度的固定值、第一状态信息以及第二状态信息即可获得定位设备100的定位信息。在一种可能的实现方式中，定位信息可以通过经纬坐标系或其他坐标系表述，基于此还能够计算出定位设备100与参考站200的相对位置关系。

综上所述，本发明实施例提供的双频双动态定位方法中，定位设备和参考站均可以是运动的载体，定位设备通过分析参考站发送的双频载波信号，获得载波相位观测量，从而获得整周模糊度的固定值，再结合第一状态信息和第二状态信息获得定位设备的定位信息，避免了过度依赖基站的缺陷，相对地提高了定位结果的精确度，扩大定位的应用场景。

在图3的基础上，本实施例还提供了一种可能的双频双动态定位方法，请参看图4，所述方法包括：

s30：接收参考站发送的伪距信息。

请继续参阅图4，其中，对于s40中的内容，本发明实施例还提供了一种可能的实现方式，s40包括：

s401：依据伪距信息和载波相位观测量获取周跳特性信息。

具体地，在获得整周模糊度的固定值前，需要保证相位观测数据(载波相位观测量)的准确性，以降低误差，因此需要获取双频载波信号的周跳特性信息。

其中，周跳特性信息表征周跳发生的位置及大小。在一种可能的实现方式中，依据m-w组合法和二次电离层残差法获取周跳特性信息。

具体地，请参见下文：

m-w组合法是伪距相位组合法的一类，是双频的载波相位与码伪距相结合组成的，也可称为宽巷相位减窄巷相位伪距法，两者相减可得观测方程，即：

其中：为宽巷线性组合、pn为窄巷线性组合、n1、n2为模糊度、ε为观测噪声及多路径的综合误差，f1、f2为载波频率。

由式(1-1)的观测方程可以明显看出m-w组合法消除了站星间几何距离的误差、延迟及相关钟差等误差。此时，只存在宽巷模糊度、观测噪声及多路径等误差。当不存在周跳时，nmw应为在某个常数附近波动的受多路径效应及观测噪声影响的某一固定值。若在相邻历元间进行作差，则可以得到m-w组合法的周跳检测量，即：

由式(1-2)可以看出m-w组合法的检测量不受基线长度及接收机运动状态的影响，且可消除组合的宽巷模糊度。当不存在周跳时，δnmw会在零值附近波动；当存在周跳在两频率载波上大小相等时，即满足δn1＝δn2时，此时此方法是无法检测到周跳的，方法失效。

若伪距的测量精度为则m-w组合的误差为：

因此，可总结出m-w组合法的使用范围，由于其消除了星站间的几何距离，是一种较理想的探测方法。但是，此方法不能够探测出等周跳组合。因此，也无法确定发生周跳的具体载波，所以，此方法经常与其他方法一起使用来更好的探测周跳。

电离层残差法(pir)利用无几何距离组合时间序列在历元间的变化来检测周跳，基本思想是利用两个频率的载波相位方程间求差来求得电离层延迟，然后在历元间求差得出电离层延迟残差的变化量。因此，在双频情况下对同历元的载波相位进行作差，即：

由上式可看出电离层残差法使得误差仅与电离层、整周模糊度、多路径效应及观测噪声有关，消除了卫星及接收机的钟差和站星间的几何距离。采用pir法可使得电离层延迟误差的作用减小约67％。可见，pir法对削弱电离层误差有明显的效果。将式(1-3)进行历元间作差可得pir法的周跳检测结果，即：

其中：δn1、δn2为频率l1、l2的载波上的周跳。

可见，如果产生的周跳大小与频率存在倍数关系时，利用pir法就难以成功检测出周跳。

若满足δn1＝δn2＝0时，则：

其中：δdion1为相邻历元间误差的变化量。

探测周跳的误差为：

为了进一步减小误差，有学者提出对pir的历元间进行二次差分，即二次电离层残差法(stpir)。由一次电离层残差法式(1-4)可得：

其中：为延迟修正项，n、n-1代表相邻的两历元。

因此，stpir法可定义为：

其周跳探测误差为：

所以，可总结出二次电离层残差法的适用范围，即pir法消除了站星间的距离，且对于北斗系统的三种卫星类型都同样的适用。即使采样率比较低，利用stpir也能够准确的检测出周跳具体位置，但此方法在周跳大小与频率存在倍数关系时，不能够灵活的检测出来。所以，此方法常常与其他方法结合使用。

本发明实施例还提供了一种可能的探测周跳特性的实现方式，利用m-w组合法探测周跳时，若发现周跳就将周跳的具体历元标记出来，将此历元前及历元后的数据作为两个弧段，则两弧段的周跳大小δnwl，即可利用两段间的宽巷模糊度均值作差来求得。在利用二次电离层残差法探测周跳时，若某历元的电离层残差出现超过某一阈值的突变时，则可认为此历元出现了周跳，且变化量用δnpir表示。这两种方法如果结合使用就有取长补短的效果。这两者表达式可写为：

此时可以得到浮点解，进而确定搜索区域(δni±4σ，δni±4σ),其中σ为均方根误差。在搜索域内搜索，直至出现候选整数值且满足：

此时即为最优解。

s402：将载波相位观测量、周跳特性信息作为载波双差模型的输入参数，以预生成浮点解。

具体地，再获取到载波相位观测量和周跳特性信息后，依据周跳特性信息预生成未知参数，将未知参数和载波相位观测量作为载波双差模型的输入参数，以预生成浮点解。浮点解为整周模糊度的估算值所组成的矩阵。

本实施例提供了一种可能的实现方式，请参看下文：

载波相位及伪码线性化双差观测方程可以表示为：

l＝ax+bn+e(1-10)

其中：x∈r^p是浮点未知数，通常p＝3；n∈zⁿ为未知的整周模糊度；a∈r^m×p、b∈r^m×n为系数矩阵；e为误差及观测噪声的影响；m为方程数目，n为历元数。

若已知噪声的特性，即协方差阵为在混合的最小二乘问题中，未知数的最优无偏线性估计x'和n'可表示为：

其中：x∈r^p,n∈zⁿ，范数的定义为

因此，式(1-11)也可表述为：

一般p+n<m，所以矩阵[ab]的秩为p+n，为了使最小二乘有唯一解，需将n∈zⁿ变换为n∈rⁿ，求得模糊度的浮点解和

s403：依据浮点解构建协方差矩阵。

s405：调整协方差矩阵的排序，以使协方差矩阵的对角线元素从小到大排列。

在一种可能的实现方式中，通过引入置换矩阵以使方差矩阵的对角线元素从小到大排列，从而避免协方差矩阵做z变换时，出现协方差矩阵对角线上的元素出现负数的情况，能够很好的降低运算次且解决方程病态问题。

对于s405中的内容，本实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文：

其中：s为置换矩阵，且s为n×n维零矩阵，若对的元素从小到大排列后，已知排序前的i值和排序后排的j位，则sji＝1。例如：

若

则

s406：对调整后的协方差矩阵进行处理，以获得整周模糊度的固定值。

具体地，解算调整后的协方差矩阵以获得整周模糊度的固定值。请参见下文s406-1～s406-3。

在图4的基础上，对于s40中的内容，本实施例还提供了一种可能的实现方式，请参见图5，s40包括：

s404：对协方差矩阵进行正则化处理。

具体地，在构建完协方差矩阵后，往往需要对其做tikhonov正则化处理之后再解算。

在图4的基础上，对于s406中的内容，本实施例还提供了一种可能的实现方式，请参见图6，s406包括：

s406-1：对调整后的协方差矩阵进行乔利斯基分解，以获得下三角矩阵。

具体地，对调整后的协方差矩阵进行乔利斯基(cholesky)因式分解，请参考以下式子：

其中：l1和是下三角矩阵；d为的协方差阵，且d＝diag(d1,...dn),di＞0为对角阵；di为模糊度全部固定时的协方差。

s406-2：对下三角矩阵做整数变换处理，以获得矩阵z。

具体地，矩阵z中的所有元素均为整数。

s406-3：依据矩阵z获得固定值。

具体地，通过ratio值进行模糊度确认，在某一段时间内持续满足ratio值条件的模糊度组合才能确定为模糊度的固定解，此时获得固定值。

在图3的基础上，对于s50中的内容，本发明实施例还提供了一种可能的实现方式，请参见图7，s50包括：

s501：依据固定值获得基线解算矢量。

s502：依据基线解算矢量、第一状态信息、第二状态信息分析出定位设备的定位信息。

请参阅图8，图8为本发明实施例提供的一种双频双动态定位装置，可选的，该双频双动态定位装置可以采用定位设备100的实现方式。需要说明的是，本实施例所提供的双频双动态定位装置，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。

双频双动态定位装置包括信息收发模块301和处理模块302。

信息收发模块301：用于向参考站发送定位请求，并接收参考站反馈的双频载波信号，以获取载波相位观测量；接收参考站的发送的第一状态信息；其中，第一状态信息携带参考站的位置信息和运动信息。在一种可能的实现方式中，信息收发模块301可以执行上述s10、s20。

处理模块302：用于将载波相位观测量作为载波双差模型的输入参数，以获得整周模糊度的固定值；依据固定值、第一状态信息以及第二状态信息获得定位设备的定位信息；其中，第二状态信息携带定位设备的位置信息和运动信息。在一种可能的实现方式中，处理模块302可以执行上述s40、s50。

本发明实施例还提供的一种可能的双频双动态定位装置，其中：

信息收发模块301还用于：接收参考站发送的伪距信息。在一种可能的实现方式中，信息收发模块301可以执行上述s30。

处理模块302具体用于依据伪距信息和载波相位观测量获取周跳特性信息；其中，周跳特性信息表征周跳发生的位置及大小；将载波相位观测量、周跳特性信息作为载波双差模型的输入参数，以预生成浮点解；其中，浮点解为整周模糊度的估算值所组成的矩阵；依据浮点解构建协方差矩阵；其中，协方差矩阵为浮点解的方差所组成的矩阵；调整协方差矩阵的排序，以使协方差矩阵的对角线元素从小到大排列；对调整后的协方差矩阵进行处理，以获得整周模糊度的固定值。在一种可能的实现方式中，处理模块302可以执行上述s401～s406。

下面提供一种定位设备100，该定位设备100如图2所示，可以实现上述图8对应的双频双动态定位装置；具体的，该定位设备100包括：处理器101，存储器102、总线103以及双频接收机104。处理器101可以是基带芯片。

除了图中该定位设备100可能具有的器件外，该定位设备100还可以包含：电池、各类传感器、触摸屏、射频电路等等。

本实施例还提供了一种运载工具，该运载工具包括上述的定位设备100。运载工具可以为船舶、潜艇、勘测台或飞机。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。