一种基于GNSS和北斗短报文的落水人员搜救定位方法与流程

本发明涉及一种落水人员搜救定位方法，特别是一种基于gnss和北斗短报文的落水人员搜救定位方法。

背景技术：

1、近年来，随着人类海洋活动的日益频繁，海上事故数量逐年增长。应急救援部门的工作负荷大大增加。因此，亟需对目前的海上搜救技术进行优化升级。快速、准确地确定落水人员的位置，对缩短救援时间、提高搜救成功率具有重要意义，成为突破海上应急搜救难题的关键。

2、目前，搜救飞机/船搭载救援人员进行肉眼定位仍是搜救海上落水人员的主要方法。虽然航线预测、人员漂移预测等模型能够辅助人工搜救，但该方法对需要的搜救人力物力投入高且效率低下。随着全球卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)和北斗卫星导航系统的发展，支持落水人员自主报警和定位的救生设备如救生设备搜救信标得到快速的应用推广。这种基于gnss/北斗的落水人员定位采用伪距单点定位模式，不需要布设基站，能够实时确定海上遇险人员的位置。然而，海面上严重的卫星信号反射造成部分伪距含有无法容许的多路径误差，即卫星发生故障。故障卫星参与定位解算将导致落水人员的定位含有不能接受的定位误差或定位失效。

技术实现思路

1、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，提供一种基于gnss和北斗短报文的落水人员搜救定位方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于gnss和北斗短报文的落水人员搜救定位方法，包括以下步骤：

3、步骤1，使用gnss测量单元接收并处理gnss卫星信号，获取当前历元即历元k的gnss伪距、载波相位和星历观测值；

4、步骤2，根据上述gnss测量单元获取的数据，计算所有卫星的伪距增量、伪距增量预测值和故障检测量，判断并标记所有卫星为故障卫星或正常卫星；

5、步骤3，对卫星当前历元的伪距观测值进行修正；

6、步骤4，按照方位角对正常卫星和故障卫星进行分组；

7、步骤5，筛选用于定位的卫星，即根据步骤4中所述的分组，优化定位卫星的几何构型；

8、步骤6，计算用于定位的卫星的权重；

9、步骤7，依据步骤6中得到的权重和经过步骤3修正的伪距观测值，利用加权最小二乘法进行解算，得到定位结果；

10、步骤8，利用北斗短报文，发送定位结果，完成基于gnss和北斗短报文的落水人员搜救定位。

11、进一步的，步骤2中所述的计算所有卫星的伪距增量，具体包括：

12、设任意卫星编号为i，其实测伪距增量即时间差分伪距δρi,k如下：

13、δρi,k＝ρi,k-ρi,k-1

14、其中，编号i的初值为1，ρi,k和ρi,k-1分别是卫星i在历元k和历元k-1时的伪距观测值。

15、进一步的，步骤2中所述的计算所有卫星的伪距增量预测值，具体包括：

16、基于当前历元k和历元k-1的载波相位观测值，计算卫星i的伪距增量预测值具体如下：

17、

18、其中，λ为载波的波长；和分别为卫星i在历元k和历元k-1时的载波相位观测值；为时间差分载波相位。

19、进一步的，步骤2中所述的计算所有卫星的故障检测量，具体包括：

20、卫星i的故障检测量si，具体如下：

21、

22、进一步的，步骤2中所述的判断并标记所有卫星为故障卫星或正常卫星，具体包括：

23、计算故障检测量的阈值t，方法如下：

24、

25、其中，为卫星i的故障检测量si的先验标准差；

26、根据如下条件进行判断：若si≤t，则将卫星i标记为正常卫星；否则将卫星i标记为故障卫星；

27、判断是否遍历所有卫星，若未完成遍历卫星，则i增加1并重新计算该卫星的伪距增量、伪距增量预测值和故障检测量，判断并标记该卫星为故障卫星或正常卫星，直至完成所有卫星的遍历判断。

28、进一步的，步骤3中所述的对卫星当前历元的伪距观测值进行修正，具体包括：

29、利用载波相位修正当前历元的伪距观测值：

30、

31、其中，为载波相位修正后历元k时可见卫星的伪距组成的向量，n为历元k的可见卫星数量，t是向量或矩阵的转置运算符；ρk-1＝[ρ1,k-1 ρ2,k-1 …ρn,k-1]t为历元k-1时可见卫星的伪距组成的向量；为历元k时伪距增量预测值组成的向量；δρk＝[δρ1,k δρ2,k … δρn,k]t为历元k时实测伪距增量组成的向量；w为权重矩阵，通过下式确定：

32、

33、其中，w为对角矩阵；如果卫星i(i＝1,2,…,n)被标记为正常卫星，则wi＝0；如果卫星i被标记为故障卫星，则wi＝1。

34、进一步的，步骤4中所述的按照方位角对正常卫星和故障卫星进行分组，具体包括：

35、将所有卫星按方位角从0°到360°中，每45°划分为一个区间，即划分为如下区间：

36、[0°,45°),[45°,90°),…,[315°,360°)

37、统计卫星方位角在各个区间中的正常卫星和故障卫星的数量，并进行分组。

38、进一步的，步骤5所述的筛选用于定位的卫星，即根据步骤4中所述的分组，优化定位卫星的几何构型，具体包括：

39、设历元k用于定位的卫星集合为sk；遍历步骤6中划分的方位角区间，将每个区间中的正常卫星放入用于定位的卫星集合sk；若方位角区间中正常卫星数量为0，故障卫星数量不为0，则将该区间中故障检测量最小的故障卫星放入用于定位的卫星集合sk，遍历所有方位角区间后得到最终用于定位的卫星集合sk。

40、进一步的，步骤6中所述的计算用于定位的卫星的权重，方法如下：

41、

42、其中，pj为用于定位的卫星的权重，θj为用于定位的卫星集合sk中卫星j的卫星仰角；sj为卫星j的故障检测量；α和β为经验系数；为用于定位的卫星集合sk中卫星的数量；

43、根据用于定位的卫星的权重pj，得到卫星定位权重矩阵p如下：

44、

45、进一步的，步骤7中所述的得到定位结果，具体方法包括：

46、将卫星定位权重矩阵p、用于定位的卫星集合sk中的卫星伪距和根据卫星星历计算的卫星坐标作为输入，利用加权最小二乘法进行解算，得到所述的定位结果。

47、有益效果：

48、1、本发明针对搜救人员肉眼定位搜救效率低且受光照条件影响大的问题，本发明基于gnss/北斗实现落水人员的自主高精度定位，并利用北斗短报文将落水人员的位置实时发送给搜救部门，可大大减少人力物力的消耗，且定位效果不受光照条件影响。

49、2、本发明针对基于传统伪距单点定位的落水人员自主定位方法受海面多路径误差干扰的问题，本发明提出基于载波相位的故障卫星检测和伪距修正，根据基于卫星方位角的分组情况筛选最终参与定位的卫星，进行基于卫星仰角和时间差分载波相位/伪距的加权定位解算，从而实现落水人员的高精度可靠定位。