一种通信基站天线位移监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种通信基站天线位移监测方法，属于卫星定位与导航技术领域。该方法基于低成本GNSS模块以及多套GNSS天线，利用GNSS单频伪距与载波相位观测值，采用序贯最小二乘技术，实时解算模糊度的浮点解，并采用LAMBDA方法解算整周模糊度，获得高精度的相对位置信息；同时采用射频切换技术，获得多套GNSS天线的相对位置信息，从而很大程度上降低设备成本。本发明所提供的方法能够实时提供基站天线的位置信息，降低基站天线维护成本，具有广泛的应用价值。
【专利说明】
-种通信基站天线位移监测方法
技术领域
[0001] 本发明属于卫星定位与导航技术领域，设及一种通信基站天线位移监测方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动通信网络的迅猛发展，目前=大运营商仅存量天线数就超过350万，随着 时间的推移，基站天线的功能参数、位置都会发生变化，会导致基站天线实际覆盖区域偏离 规划的范围，将直接影响通信质量，尤其是沿海台风多发地带，其基站天线变化更为频繁。 因此天线位置的实时监测尤其重要，但是，由于对其工作状况缺乏有效的监控手段，基站天 线系统的工作参数管理一直是维护的难点。随着4G网络规模的不断扩大，依靠传统的巡检 手段进行天线管理，不仅消耗了大量的人力物力，维护成本高，而且现场采集的数据实时性 和准确性较差。
[0003] GNSS精密定位技术是全球卫星导航系统提供精密位置服务的关键技术之一，目前 已广泛应用于测绘、地质灾害监测、驾考、精准农业、无人机等领域。它利用GNSS载波相位相 对定位技术，利用两个接收机采集的载波相位和伪距数据作为主要观测值来进行差分解 算，并估计载波相位的整周模糊度，可W实时获得高精度的相对位置信息，极大的提高了作 业效率，降低作业成本。但是基于目前的GNSS相对定位产品一般基于采用双频方案，其硬件 成本相对较高，从而限制了其应用范围W及产业化推广。因此专利提出一种一机多天线实 时监测基站天线位移方法，可对基站天线进行实时、在线监测，进一步提高了网优水平，降 低了维护成本。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种通信基站天线位移监测方法，该方法基于 低成本单频卫星导航模块，支持多个基站天线上安装的卫星导航天线，获得每个基站天线 的位移信息。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] -种通信基站天线位移监测方法，该方法基于低成本GNSS(全球导航卫星系统， Global化Vigation Satellite System)模块W及多套GNSS天线，利用GNSS单频伪距与载 波相位观测值，采用序贯最小二乘方法实时解算模糊度的浮点解，并采用LAMBDA方法解算 整周模糊度，获得高精度的相对位置信息；同时采用射频切换技术，获得多套GNSS天线的相 对位置信息，降低设备成本。
[0007] 进一步，该方法包括W下步骤：
[000引步骤一:卫星导航模块连接卫星导航天线
[0009] CPU控制射频切换开关，使得卫星导航模块首次连接任一基站天线上安装的卫星 导航天线，卫星导航模块开始实时接收导航卫星的单频观测数据。
[0010] 步骤二:形成双差观测方程
[0011] GNSS单频频率原始的伪距与载波相位观测值为：
[0012]
(I)
[001引式中，縱魏为原始的伪距观测值，鱗穗表示W米为单位的原始的载波相位观测 值，鱗遽为接收机到卫星的距离饱含误差源，如相对论、地球固体潮、卫星相位中必）A为 载波波长，鱗||第一频段载波的电离层延迟，兹縣i为对流层延迟，縣为巧点载波的模糊 度值，皆*表示伪距的观测噪声，表示载波相位的观测噪声。
[0014] 由于两个天线距离很近，约20cm，此时大气误差影响可W忽略，则原方程可W表示 为：
[0015]
塔）
[0016] 步骤S :周跳探测
[0017] 采用载波相位观测值进行解算时，由于天线周围环境影响，载波相位观测值不可 避免的存在周跳现象，为了获得可靠的解算结果，需要实时的探测周跳。
[0018] 由于两个天线都处于静止状态，因此本方法中的周跳探测方法采用时间差分法， 如下式所示：
[0019]
(3)
[0020] 由于观测时间间隔较短，卫星变化不大，此方法可W有效探测到1周周跳：
[0021]
[0022] 5为域值，一般可W设置为0.8,如果超过该域值，则认为有周跳发生，即重新初始 化该模糊度参数。
[002引步骤四：线性化观测方程
[0024]公式(2)为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处理，采用 泰勒展开线性化(2)式可得：
[00 巧] (4)
[0026]
[0027]
[002引
[0029]
[0030]
[0031]
[00创式中據，聲，嫁为方向余玄，Axb, AyB, Azb为代估参数，4, 4为卫星k，巧化 天线近似距离，茲，.?为卫星k，j到A天线距离，A天线坐标可由单点定位获得。
[0033] 步骤五:序贯最小二乘估计
[0034] 估计的参数主要包含=个位置参数、双差载波相位的模糊度：
[0035] 城
[0036]
[0037]
[00；3 引
[0039] 采用序贯最小二乘即可W估计对应的待估参数，其过程为：
[0040]
做
[OOW 式中yk为伪距与载波相位观测值，Ak为观测值的系数矩阵，％-鐵:嗦为k-1历元的状 态向量，、S为预测的状态向量，为当前k历元的状态向量，Kk为增益矩阵。
[0042] 步骤六:基线约束模糊度解算
[0043] 采用序贯最小二乘技术，计算模糊度浮点解及其方差协方差阵^錢》，此时采用 约束LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解。
[0044]
[0045] 式中Z为整数模糊度候选矢量，a为最优模糊度解算结果。
[0046] 步骤屯:固定模糊度更新航向信息
[0047] 采用经典的Ratio检验方法，如果检验通过，更新基线向量：
[0048]
(7)
[0049] 式中为基线向量与模糊度的协方差，:1:为浮点解基线向量，敎碱为固定解基线 向量。
[0050] 步骤屯:切换射频开关
[0051] 此时切换射频，连接另一个基站天线上安装的卫星导航天线，并采用相同的解算 方法，获得该基站天线的位移信息，循环上述步骤。
[0052] 本发明的有益效果在于:本发明提供的一种低成本基站天线位移监测方法，该方 法基于控制射频开关，同时支持多个卫星导航天线，从而有效降低硬件成本，同时采用序贯 最小二乘方法，结合LAMBDA方法，实现稳健的高精度基站天线位移监测。
【附图说明】
[0053] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0054] 图1为一机多天线GNSS监测基站天线位移示意图；
[0055] 图2为GNSS相对定位解算流程图。
【具体实施方式】
[0056] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0057] 图1为一机多天线GNSS监测基站天线位移示意图，图2为GNSS相对定位解算流程 图；如图所示，本发明提供的一种通信基站天线位移监测方法，包括W下步骤：
[005引步骤一:卫星导航模块连接卫星导航天线
[0059] CPU控制射频切换开关，使得卫星导航模块首次连接任一基站天线上安装的卫星 导航天线，卫星导航模块开始实时接收导航卫星的单频观测数据。
[0060] 步骤二:形成双差观测方程
[0061 ] GNSS单频频率原始的伪距与载波相位观测值为：
[006^
(1)
[0063] 式中，鑛^^为原始的伪距观测值，鱗|||表示^米为单位的原始的载波相位观测 值，縱为接收机到卫星的距离饱含误差源，如相对论、地球固体潮、卫星相位中屯、），入g为 载波波长，&燃還第一频段载波的电离层延迟，&槪g为对流层延迟，續t为&酒黨载波的模糊 度值，皆^靈表示伪距的观测噪声，表示载波相位的观测噪声。
[0064] 由于两个天线距离很近，约20cm，此时大气误差影响可W忽略，则原方程可W表示 为：
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(2)
[0066] 步骤S:周跳探测
[0067] 采用载波相位观测值进行解算时，由于天线周围环境影响，载波相位观测值不可 避免的存在周跳现象，为了获得可靠的解算结果，需要实时的探测周跳。
[0068] 由于两个天线都处于静止状态，因此本方法中的周跳探测方法采用时间差分法， 如下式所示：
[0069]
(3)
[0070] 由于观测时间间隔较短，卫星变化不大，此方法可W有效探测到1周周跳：
[0071]
[0072] 5为域值，一般可W设置为0.8,如果超过该域值，则认为有周跳发生，即重新初始 化该模糊度参数。
[007引步骤四：线性化观测方程
[0074] 公式(2)为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处理，采用 泰勒展开线性化(2)式可得：
[0075] (4)
[0076]
[0077]
[007引
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] 式中篆:，嫁，參为方向余玄，Axb，Aye，Azb为代估参数，禱，为卫星ko?到B 天线近似距离，讀，rf为卫星k，j到A天线距离，A天线坐标可由单点定位获得。
[0083] 步骤五:序贯最小二乘估计
[0084] 估计的参数主要包含=个位置参数、双差载波相位的模糊度：
[0085]
(5)
[0086] 观测值的系数矩阵为：
[0087]
[008引
[0089] 采用序贯最小二乘即可W估计对应的待估参数，其过程为：
[0090]
(6)
[0091] 式中yk为伪距与载波相位观测值，Ak为观测值的系数矩阵，％攀为k-1历元的状 态向量，％为预测的状态向量，为当前k历元的状态向量，Kk为增益矩阵。
[0092] 步骤六:基线约束模糊度解算
[0093] 采用序贯最小二乘技术，计算模糊度浮点解及其方差协方差阵歡錢SS，此时采用 约束LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解。
[0094]
[00M]式中Z为整数模糊度候选矢量，a为最优模糊度解算结果。
[0096] 步骤屯:固定模糊度更新航向信息
[0097] 采用经典的Ratio检验方法，如果检验通过，更新基线向量：
[009引
巧）
[0099] 式中殘総为基线向量与模糊度的协方差，r为浮点解基线向量，Ic錢为固定解基线 向量。
[0100] 步骤屯:切换射频开关
[0101] 此时切换射频，连接另一个基站天线上安装的卫星导航天线，并采用相同的解算 方法，获得该基站天线的位移信息，循环上述步骤。
[0102] 最后说明的是，W上优选实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可W在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种通信基站天线位移监测方法，其特征在于:该方法基于低成本GNSS(全球导航卫 星系统，Global Navigation Satellite System)模块以及多套GNSS天线，利用GNSS单频伪 距与载波相位观测值，采用序贯最小二乘方法实时解算模糊度的浮点解，并采用LAMBDA方 法解算整周模糊度，获得高精度的相对位置信息；同时采用射频切换技术，获得多套GNSS天 线的相对位置信息，降低设备成本。2. 根据权利要求1所述的一种通信基站天线位移监测方法，其特征在于:该方法具体包 括以下步骤： Sl:卫星导航模块连接一个卫星导航天线 CPU控制射频切换开关，使得卫星导航模块首次连接任一基站天线上安装的卫星导航 天线，卫星导航模块开始实时接收导航卫星的单频观测数据； S2:形成双差观测方程 GNSS单频频率双差伪距与载波相位观测倌为：式中，为双差伪距观测值表示以米为单位的双差载波相位观测值，为 接收机到卫星的双差距离，Ag为载波波长丨为1??载波的模糊度僧羡示伪距的 观测噪』良示载波相位的观测噪声； S3:周跳探测 采用载波相位观测值进行解算时，由于天线周围环境影响，载波相位观测值不可避免 的存在周跳现象，为了获得可靠的解算结果，需要实时的探测周跳； 由于两个天线都处于静止状态，因此本方法中的周跳探测采用时间差分法，如下式所 示：式4b用t周跳採测的时「0」差分的载汲相位观测值； 由于观测时间间隔较短，卫星变化不大，此方法可以有效探测到1周周跳：S为域值，设置为0.8，如果超过该域值，则认为有周跳发生，即重新初始化该模糊度参 数； S4:线性化观测方程 由于步骤S2中的公式为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处 理，采用泰勒展开线性化该式可得：式中：％方向余玄，A xb，A yB，Azb为代估参数； S5:序贯最小二乘估计 采用序贯最小二乘估彳+对应的锫估僉救_ it忖耜为.式中yk为伪距与载波相位观测值，Ak为观测值的系数矩阵，为k_l历元的状态向 量，为预测的状态向量，为当前k历元的状态向量，Kk为增益矩阵； S6:模糊度解算 米用序贯最小二乘计算模糊度浮点解及其方差协方差阵t 此时米用约束LAMBDA 方法解算模糊度，获得模糊度的固定解；式中z为整数模糊度候选矢量，a为最优模糊度解算结果； S7:固定模糊度更新航向信息 采用经典的Ratio检验方法，如果检验通过，更新基线向量：式中费_为基线向量与模糊度的协方差，i为浮点解基线向量为固定解基线向量； S8:切换射频开关 此时切换射频，连接另一个基站天线上安装的卫星导航天线，并采用相同的解算方法， 获得该基站天线的位置信息，循环上述步骤。
【文档编号】G01S19/44GK106019344SQ201610569596
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】于兴旺, 洪昌萍, 卢艳娥
【申请人】中国科学院重庆绿色智能技术研究院