一種高精度實時衛星定位裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于衛星導航定位技術領域，尤其是一種不依靠基準站的高精度實時衛星定位裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]衛星定位導航系統主要包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等，隨著衛星定位技術的快速發展，人們對快速高精度位置信息的需求也日益強烈。當前，高精度實時衛星定位導航的應用范圍越來越廣，要求用戶接收機的定位精度需要達到分米級甚至厘米級。
[0003]單點衛星定位接收機技術已經非常成熟。由公知原理可知，衛星定位是利用一組衛星的偽距、星歷、衛星發射時間等觀測量和用戶鐘差來實現的。要獲得地面的三維坐標，必須對至少4顆衛星進行測量。在這一定位過程中，存在3部分誤差:第一部分誤差是由衛星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等引起的；第二部分是由傳播延遲導致的誤差；第三部分為各用戶接收機固有的誤差，由內部噪聲、通道延遲、多路徑效應等原因造成。由于這些誤差的存在，單點衛星靜態定位的精度很難達到10米以下，因此，不能滿足高精度定位要求。
[0004]為了獲得更高的定位精度，目前主要采用差分衛星定位技術來實現。差分衛星定位技術的原理為:首先利用已知精確三維坐標的差分衛星定位地面基準站，求得偽距修正量或位置修正量或載波相位修正量，再將這個修正量實時通過數據鏈發送給用戶接收機(移動站)，對用戶接收機的測量數據進行修正，移去了大部分誤差，從而提高用戶接收機的衛星定位精度。用戶接收機可處于靜止狀態，也可處于運動狀態。基準站發送的信息方式可將差分定位分為三類，即:位置差分、偽距差分和相位差分。差分衛星定位是在正常的衛星定位外附加(差分)修正信號，此修正信號改善了衛星定位的精度。這三類差分方式的工作原理是相同的，所不同的是，發送修正數的具體內容不一樣，其差分定位精度也不同。為了進一步提高性能和使用方便性，可以將多個基準站通過數據處理中心連接成網絡，構成地面增強系統，向用戶接收機發送修正量。我們發現，現有的這種差分衛星定位技術的原理是必須依靠基準站通過數據鏈路來發送修正量才能顯著提高定位精度。但是，建設和使用基準站、數據鏈路及用戶接收機的成本很高，而且操作繁瑣，另外在應用中遇到的最大問題就是基準站校正數據的有效作用距離與范圍非常有限，這些缺陷阻礙了高精度實時衛星定位導航的大規模應用推廣。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種設計合理、精度高、成本低的高精度實時衛星定位裝置及其方法。
[0006]本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的:
[0007]—種高精度實時衛星定位裝置，包括多個單點衛星定位接收機構成的多邊形接收機陣列，各個單點衛星定位接收機的天線相位中心位于多邊形接收機陣列的各頂點和中心點上，每個單點衛星定位接收機均包括一個MCU及與M⑶相連接的接收機，各個MCU相互之間并聯在一起并共同連接到一個處理器模塊上。
[0008]進一步，所述單點衛星定位接收機的天線振子分布在同一平面上，校正各個單點衛星定位接收機天線，使位于各頂點的單點衛星定位接收機坐標觀測值與真實值之間的偏差矢量的方向相互一致;這個偏差矢量的方向與位于中心點的單點衛星定位接收機的偏差矢量方向相反，即兩個偏差矢量矢量的方向相差180度。
[0009]進一步，所述的多邊形接收機天線陣列為等邊三角形接收機天線陣列、正方形接收機天線陣列、等邊五邊形接收機天線陣列或等邊六邊形接收機天線陣列。
[0010]一種高精度實時衛星定位方法，包括以下步驟:
[0011 ]步驟1、各個單點衛星定位接收機將各自的ID及觀測值坐標發給處理器模塊；
[0012]步驟2、處理器模塊根據各個單點衛星定位接收機的ID、各個單點衛星定位接收機的觀測值、多邊形接收機陣列的物理幾何參數計算出如下兩個幾何圖形:一個是各個頂點接收機的坐標觀測值所圍成的幾何圖形;另一個是以位于中心點的接收機的坐標觀測值為中心點，以頂點接收機的物理線路所圍成的幾何圖形；
[0013]步驟3、如果兩個幾何圖形有重合區域，則使用從位于中心點的接收機得到的觀測值與利用各個頂點的接收機所得到的坐標觀測值計算出多邊形中心點的坐標進行差分計算，得到兩個坐標之間的中點的坐標，該坐標即為天線陣列幾何中心點的高精度的經瑋度坐標信息；
[0014]步驟4:如果兩個幾何圖形沒有重合區域，則利用修正值對定位坐標進行修正，得到天線陣列幾何中心點的高精度的經瑋度坐標信息。
[0015]進一步，所述修正值是通過修正值函數庫獲得，該修正值函數庫包括對應不同的載噪比、可用衛星數、仰角和夾角、信道實用數量等參數條件下的最佳修正值，上述最佳修正值是通過試驗方式獲得。
[0016]進一步，所述修正值的長度小于物理接收機天線陣列的半徑。
[0017]進一步，所述利用修正值對定位坐標進行修正的方法為:利用頂點的單點衛星定位接收機所得到的坐標觀測值計算出多邊形中心點的坐標減去修正值，從而得到天線陣列幾何中心點的高精度的經瑋度坐標信息。
[0018]本發明的優點和積極效果是:
[0019]1、本發明將多個單點衛星定位接收機按一定幾何形狀排列而構成接收機陣列電路，能夠最大程度地消除單點衛星定位接收機存在的三部分誤差，其直接利用和處理衛星定位系統下發的衛星定位信號就能顯著提高定位精度(達到分米甚至厘米級)。
[0020]2、本發明不依靠基準站來提高定位精度，完全省去了基準站、地面增強系統及數據鏈路的建設與使用成本，也免去了繁瑣的專業技術操作，同時也使得其工作范圍沒有任何局限。
[0021]3、本發明與依靠基準站進行通訊和差分計算的用戶接收機相比，其接收機成本非常低廉。
[0022]4、本發明與普通的單點衛星定位接收機相比，雖然增加了部分元器件數量，但這些器件均為低成本元件，但卻將衛星定位精度提高了 100倍，顯著提高了用戶接收機的性價比。
[0023]5、本發明設計合理，具有精度高、成本低廉、使用方便等特點，可以在高精度實時衛星定位導航的普通民用領域大規模應用推廣。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明的正方形接收機天線陣列幾何分布圖；
[0025]圖2是正方形接收機陣列的電路方框圖；
[0026]圖3是本發明的正方形接收機陣列工作原理圖(兩個正方形有重疊情況)；
[0027]圖4是本發明的正方形接收機陣列工作原理圖(兩個正方形無重疊情況)。
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述:
[0029]一種高精度實時衛星定位裝置，是利用一個由多個單點衛星定位接收機按一定幾何形狀排列而構成的接收機陣列電路來實現定位精度的提高，接收機陣列可以是三角形、正方形、五邊形、六邊形或其他多邊形幾何位置分布，各個單點衛星定位接收機的天線相位中心位于多邊形各頂點和中心點。
[0030]下面以圖1所示的正方形接收機陣列構成的高精度實時衛星定位裝置為例進行說明。以正方形接收機陣列構成的高精度實時衛星定位裝置包括五個單點衛星定位接收機組成一個正方形陣列的總體接收機電路，其中四個單點衛星定位接收機各自的天線幾何相位中心位于正方形四個頂點A、B、C、D，另一個中心單點衛星定位接收機的天線幾何相位中心位于中心點E。各個接收機天線振子布在同一平面上。校正四個頂點A、B、C、D接收機的天線，使這四個接收機的坐標觀測值與真實值之間偏差矢量的方向相同。同時校正位于中心點E的接收機的天線，使它的坐標觀測值與真實值之間偏差矢量的方向與A、B、C、D接收機的偏差矢量方向相差180度，即偏差方向相反。
[0031]圖2給出了高精度實時衛星定位裝置的電路方框圖。每個單點衛星定位接收機均包括一個MCU及與M⑶相連接的接收機，五個單點衛星定位接收機的MCU相互之間并聯在一起，并共同連接到一個處理器模塊中。A、B、C、D、E每個單點衛星定位接收機，通過衛星信號強度、衛星仰角和夾角高低以及可用衛星顆數分析，使五個接收機鎖定相同的可用定位衛星。以每秒N幀的數據來接收衛星定位的原始數據進行單獨處理解算出每個單點接收機的天線相位幾何中心坐標。每個接收機都對應一個M⑶來處理接收到的數據，五個M⑶生成五個接收機的ID。五個MCU相互之間是并聯的，這樣使五個接收機保持數據同步，并將每個接收機的ID數據發送給處理器模塊。處理器模塊的第一個作用是控制五個接收機和MCU保持數據同步，第二個作用是將從MCU收到的數據進行解析，進行綜合處理完成計算