阅读说明：本技术 一种阵列伪卫星与gnss相结合的定位方法及系统 (Array pseudolite and GNSS combined positioning method and system ) 是由 甘兴利 黄璐 张衡 梁晓虎 祝瑞辉 李雅宁 李爽 程建强 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阵列伪卫星与GNSS相结合的定位方法及系统,属于伪卫星定位导航技术领域。该系统包括多通道信号发射器、阵列天线、接收机、智能终端和导航卫星,其中,多通道信号发射机用于发射不同的PRN码,其信号与GPS和BDS信号兼容；商业化的GNSS接收机可以接收这些信号,并与阵列伪卫星和GNSS进行组合定位,通过使用阵列信道之间的差异来消除伪卫星伪距的时钟偏差。本发明利用一颗阵列伪卫星和三颗导航卫星组成的微型定位系统进行定位,实验表明,与四颗全球导航卫星系统相比,微型定位系统可以实现组合定位,水平定位精度有所提高。(The invention discloses a positioning method and a positioning system combining an array pseudolite and a GNSS, and belongs to the technical field of pseudolite positioning navigation. The system comprises a multichannel signal transmitter, an array antenna, a receiver, an intelligent terminal and a navigation satellite, wherein the multichannel signal transmitter is used for transmitting different PRN codes, and the signals of the multichannel signal transmitter are compatible with GPS and BDS signals; commercial GNSS receivers can receive these signals and perform combined position fixes with array pseudolites and GNSS, using the differences between the array channels to eliminate the clock bias of the pseudolite pseudoranges. The invention uses a micro positioning system composed of one array pseudo satellite and three navigation satellites to carry out positioning, and experiments show that the micro positioning system can realize combined positioning and improve the horizontal positioning precision compared with four global navigation satellite systems.)

一种阵列伪卫星与GNSS相结合的定位方法及系统

技术领域

本发明涉及伪卫星定位导航技术领域，特别是指一种阵列伪卫星与GNSS相结合的定位方法及系统。

背景技术

目前，室内定位的需求越来越迫切，卫星导航在城市峡谷中信号受阻，通常不能提供正常的定位服务。伪卫星具有通过提供额外的导航信号来提高全球导航卫星系统的定位精度和可用性的潜在能力。

伪卫星定位实际上是通过伪卫星阵列天线实现的，该天线将导航模拟器输出的类似于实际的卫星信号发送给用户终端，利用这些原始观测数据实现位置的预测。然而在伪卫星系统研究中，通常会遇到时间同步、时钟偏差等问题，导致基于伪卫星系统的定位方法无法得到推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种阵列伪卫星与GNSS相结合的定位方法及系统，能够实现连续、高精度的室外定位。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种阵列伪卫星与GNSS相结合的定位方法，用于通过接收机u对多通道信号发射器所发射的导航信号和导航卫星信号进行跟踪，从而实现对所述接收机u的定位；所述多通道信号发射器连接有多个位置固定的伪卫星发射天线，每个伪卫星发射天线对应于一个伪卫星通道，每个伪卫星通道的信号均具有唯一的C/A码，各伪卫星通道均在GPS的L1码和BDS的B1码调制，且各通道信号均同时由1PPS生成；所述接收机u通过对导航信号的跟踪获取接收机u与伪卫星发射天线i、伪卫星发射天线j以及三颗导航卫星之间的伪距测量值；该方法包括以下步骤：

(1)根据接收机u相对于伪卫星发射天线i和j的距离，建立如下阵列伪距的表达式：

Δρ_ij＝F^ij(r_u)+ε_ij，

其中，Δρ_ij为阵列伪距，ε_ij为噪声，F^ij(r_u)为中间变量：

F^ij(r_u)＝||rⁱ-r_u||-||r^j-r_u||，

式中，rⁱ和r^j分别为发射天线i和j的位置坐标，r_u为接收机的位置坐标；

(2)对F^ij(r_u)求偏导：

利用Newton-Raphson牛顿迭代法对F^ij(r_u)进行迭代更新，从而求得F^ij(r_u)的近似解，其中，F^ij(r_u)迭代的初始值F^ij(r_u,1)为：

式中，r_u,0＝(x₀,y₀,z₀)，为接收机的初始坐标；

根据F^ij(r_u)的解得到Δρ_ij，并利用Δρ_ij消除天线i和j之间的钟差；

(3)建立阵列伪卫星与导航卫星的伪距观测方程：

求得接收机的位置增量

式中，xk、yk、zk为k时刻接收机的三维坐标，为k时刻的F^ij(r_u)函数，Δρ_s代表接收机到导航卫星的伪距变化量，ε_s代表多径和测量噪声误差；

(4)根据k时刻接收机的三维坐标以及位置增量，求得下一时刻接收机的三维坐标。

此外，本发明还提供一种阵列伪卫星与GNSS相结合的定位系统，其包括多通道信号发射器、阵列天线、接收机、智能终端和导航卫星，所述阵列天线包括多个位置固定的伪卫星发射天线，所述多通道信号发射器通过阵列天线发送导航信号，阵列天线中的每个伪卫星发射天线对应于多通道信号发射器的一个通道，每个通道的信号均具有唯一的C/A码，多通道信号发射器的各通道均在GPS的L1码和BDS的B1码调制，且各通道信号均同时由1PPS生成；所述接收机包括GNSS接收芯片，所述智能终端通过蓝牙与所述接收机进行数据传输；接收机u通过GNSS接收芯片对多通道信号发射器的信号进行跟踪，获取接收机u与伪卫星发射天线i、伪卫星发射天线j以及导航卫星之间的伪距测量值；所述智能终端用于执行如下程序：

(1)根据接收机u相对于伪卫星i和j的距离，建立如下阵列伪距的表达式：

Δρ_ij＝F^ij(r_u)+ε_ij，

其中，Δρ_ij为阵列伪距，ε_ij为噪声，F^ij(r_u)为中间变量：

F^ij(r_u)＝||rⁱ-r_u||-||r^j-r_u||，

式中，rⁱ和r^j分别为发射天线i和j的位置坐标，r_u为接收机的位置坐标；

(2)对F^ij(r_u)求偏导：

利用Newton-Raphson牛顿迭代法对F^ij(r_u)进行迭代更新，从而求得F^ij(r_u)的近似解，其中，F^ij(r_u)迭代的初始值F^ij(r_u,1)为：

式中，r_u,0＝(x₀,y₀,z₀)，为接收机的初始坐标；

根据F^ij(r_u)的解得到Δρ_ij，并利用Δρ_ij消除天线i和j之间的钟差；

(3)建立阵列伪卫星与导航卫星的伪距观测方程：

求得接收机的位置增量

式中，xk、yk、zk为k时刻接收机的三维坐标，

为k时刻的F^ij(r_u)函数，Δρ_s代表接收机到导航卫星的伪距变化量，ε_s代表多径和测量噪声误差；

(4)根据k时刻接收机的三维坐标以及位置增量，求得下一时刻接收机的三维坐标。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)避免了传统伪卫星存在的时间同步问题。通过具有相同时钟源的多信道发射机，每个信道的导航信号基于相同的1PPS，通过利用不同阵列信道的伪距不同，消除接收机和伪距的时钟偏差。

(2)阵列伪卫星伪距测量方程可以与GNSS相结合，阵列伪卫星信号与GPS和BDS信号兼容，商业化的GNSS接收机可以跟踪这些信号并估计用户位置。

附图说明

图1为本发明系统架构图。

图2为阵列伪卫星原理图。

图3为用户终端结构图。

图4为系统定位解算流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实施方式对本发明作更进一步的描述。

一种阵列伪卫星与GNSS相结合的定位方法，用于通过接收机u对多通道信号发射器所发射的导航信号和导航卫星信号进行跟踪，从而实现对所述接收机u的定位；所述多通道信号发射器连接有多个位置固定的伪卫星发射天线，每个伪卫星发射天线对应于一个伪卫星通道，每个伪卫星通道的信号均具有唯一的C/A码，各伪卫星通道均在GPS的L1码和BDS的B1码调制，且各通道信号均同时由1PPS生成；所述接收机u通过对导航信号的跟踪获取接收机u与伪卫星发射天线i、伪卫星发射天线j以及三颗导航卫星之间的伪距测量值；该方法包括以下步骤：

(1)根据接收机u相对于伪卫星发射天线i和j的距离，建立如下阵列伪距的表达式：

Δρ_ij＝F^ij(r_u)+ε_ij，

其中，Δρ_ij为阵列伪距，ε_ij为噪声，F^ij(r_u)为中间变量：

F^ij(r_u)＝||rⁱ-r_u||-||r^j-r_u||，

式中，rⁱ和r^j分别为发射天线i和j的位置坐标，r_u为接收机的位置坐标；

(2)对F^ij(r_u)求偏导：

利用Newton-Raphson牛顿迭代法对F^ij(r_u)进行迭代更新，从而求得F^ij(r_u)的近似解，其中，F^ij(r_u)迭代的初始值F^ij(r_u,1)为：

式中，r_u,0＝(x₀,y₀,z₀)，为接收机的初始坐标；

根据F^ij(r_u)的解得到Δρ_ij，并利用Δρ_ij消除天线i和j之间的钟差；

(3)建立阵列伪卫星与导航卫星的伪距观测方程：

求得接收机的位置增量

式中，xk、yk、zk为k时刻接收机的三维坐标，

为k时刻的F^ij(r_u)函数，Δρ_s代表接收机到导航卫星的伪距变化量，ε_s代表多径和测量噪声误差；

(4)根据k时刻接收机的三维坐标以及位置增量，求得下一时刻接收机的三维坐标。

一种阵列伪卫星与GNSS相结合的定位系统，其包括多通道信号发射器、阵列天线、接收机、智能终端和导航卫星，所述阵列天线包括多个位置固定的伪卫星发射天线，所述多通道信号发射器通过阵列天线发送导航信号，阵列天线中的每个伪卫星发射天线对应于多通道信号发射器的一个通道，每个通道的信号均具有唯一的C/A码，多通道信号发射器的各通道均在GPS的L1码和BDS的B1码调制，且各通道信号均同时由1PPS生成；所述接收机包括GNSS接收芯片，所述智能终端通过蓝牙与所述接收机进行数据传输；接收机u通过GNSS接收芯片对多通道信号发射器的信号进行跟踪，获取接收机u与伪卫星发射天线i、伪卫星发射天线j以及导航卫星之间的伪距测量值；所述智能终端用于执行如下程序：

(1)根据接收机u相对于伪卫星i和j的距离，建立如下阵列伪距的表达式：

Δρ_ij＝F^ij(r_u)+ε_ij，

其中，Δρ_ij为阵列伪距，ε_ij为噪声，F^ij(r_u)为中间变量：

F^ij(r_u)＝||rⁱ-r_u||-||r^j-r_u||，

式中，rⁱ和r^j分别为发射天线i和j的位置坐标，r_u为接收机的位置坐标；

(2)对F^ij(r_u)求偏导：

利用Newton-Raphson牛顿迭代法对F^ij(r_u)进行迭代更新，从而求得F^ij(r_u)的近似解，其中，F^ij(r_u)迭代的初始值F^ij(r_u,1)为：

式中，r_u,0＝(x₀,y₀,z₀)，为接收机的初始坐标；

根据F^ij(r_u)的解得到Δρ_ij，并利用Δρ_ij消除天线i和j之间的钟差；

(3)建立阵列伪卫星与导航卫星的伪距观测方程：

求得接收机的位置增量

式中，xk、yk、zk为k时刻接收机的三维坐标，

为k时刻的F^ij(r_u)函数，Δρ_s代表接收机到导航卫星的伪距变化量，ε_s代表多径和测量噪声误差；

(4)根据k时刻接收机的三维坐标以及位置增量，求得下一时刻接收机的三维坐标。

图1为系统组成，该系统主要包括阵列伪卫星、全球导航卫星系统和用户终端等部分。

图2为阵列伪卫星设计原理图，由DSP和FPGA组成的基带单元驱动多个射频通道(AD9361)。每个信道通过调制GPS L1和BDS B1载波发送具有不同C/A码和导航消息的信号。由于阵列伪卫星信号是在同一时间点(相同的1PPS)产生的，所以对于GNSS接收机，阵列伪卫星的时钟误差是相同的。本发明设计了一种简单的GNSS时序设计，以确保商用GNSS芯片能够同时接收伪卫星信号和GNSS信号。

图3为用户终端结构图，用户终端包括三个主要部分：接收天线、商用接收机芯片(如ublox M8T、Unicorecomm UC6220)、ARM处理器。

图4为系统流程图，其具体步骤为：

1)根据传统的伪距测量方程测量伪距ρ_i为用户终端到第i个阵列天线的计算公式为：

其中ρ_i为用户位置(x,y,z)和第i个阵列天线的位置(x_i,y_i,z_i)之间的距离，Ti是对流层延迟，t_r是接收机时钟误差，t_i是伪卫星时钟误差，ε_i是多径和接收机热噪声误差。

从用户终端到阵列伪卫星信道j的伪距测量ρ_j被建模为：

其中ρ_j为用户位置(x,y,z)和第j个阵列天线的位置(x_j,y_j,z_j)之间的距离，Tj是对流层延迟，t_r是接收机时钟误差，t_j是伪卫星时钟误差，ε_j是多径和接收机热噪声误差。

在上面的等式中，因为它们使用相同的时钟，t_i的项等于t_j，所以ρ_i和ρ_j之间的差可以写成：

这里，如果

则公式(3)可以简化为：

Δρ_ij＝||rⁱ-r_u||-||r^j-r_u||+ε_ij (4)

如果方程(4)中的非线性项被定义为F^ij：

F^ij(r_u)＝||rⁱ-r_u||-||r^j-r_u||

它关于r_u的偏导数是：

如果Newton-Raphson法解更新过程所用的r_u的初始值被描述为r_u,0＝(x₀,y₀,z₀),并且如果忽略F^ij(r_u)的泰勒展开的二阶和高阶项,则第一更新解被表示为：

那么公式(4)可表示为：

这些阵列伪距的观测方程用矩阵的形式表示为：

式(8)左侧的矩阵定义为G，右侧的两个列向量分别定义为b(左一)和ε(右一)，式(8)表示为：

G·Δr_u,0＝b+ε (9)

方程(9)的解为：

Δr_u,0＝(G^TG)^-1G^Tb (10)

通过下面公式迭代更新估计的位置：

2)阵列伪卫星与GNSS的组合

从用户终端到导航卫星的伪距测量ρ_s建模为：

这里ρ_s表示用户到导航卫星的伪距，(x_sy_sz)表示导航卫星的位置，T表示对流层延迟，I表示电离层误差，t_s表示卫星的时钟误差，ε_s表示多径误差和接收机热噪声误差。

第一个更新方程为：

公式(4)可以表示为：

阵列伪卫星各个天线和三颗导航卫星的观测方程以如下矩阵形式表示：

公式(15)可以表示为：

G·Δr_u,0＝b+ε (16)

方程(16)的解为：

Δr_u,0＝(G^TG)^-1G^Tb (17)

根据下面公式迭代更新估计位置：

本发明解决了传统伪卫星复杂的时间同步问题，提出一种新型的异步阵列伪卫星系统。多通道信号发射机用于发射不同的PRN码，其信号与GPS和BDS信号兼容。商业化的GNSS接收机可以接收这些信号，并与阵列伪卫星和GNSS进行组合定位，通过使用阵列信道之间的差异来消除伪卫星伪距的时钟偏差。利用一颗阵列伪卫星和三颗导航卫星组成的微型定位系统进行定位实验，结果表明，与四颗全球导航卫星系统相比，微型定位系统可以实现组合定位，水平定位精度有所提高。