一种基于反射器的远程目标设备精密姿态测量方法技术

本发明专利技术提出一种基于信号反射器的远程目标设备精密姿态测量方法，该系统通过使用三个设计的信号反射器将设备处接收到的信号转发至固定基站处，利用三个信号反射器传输的信号相位差对目标设备进行三维姿态测量，相比于传统的姿态监测，此方法成本低，应用范围广；在固定基站位置将三根接收天线对收到的信号预处理获得较为稳定的原始数据；然后利用预处理后的不同天线的信号建立伪距和载波相位的双差观测模型，以此消除信号传输过程中的延时误差，过程中结合卡尔曼滤波和lambda算法解算整周模糊度，即可求出主基线和副基线的姿态向量，从而得到目标设备的偏航角，俯仰角以及偏横滚角。该发明专利技术方法能有效地对远程目标设备的三维姿态进行测量。三维姿态进行测量。三维姿态进行测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反射器的远程目标设备精密姿态测量方法


[0001]本专利技术属于户外远程精密测姿技术，一种基于信号反射器的低成本远程精密测姿方法。

技术介绍

[0002]随着社会科技发展的需要，姿态测量技术被应用在越来越多的工程实践中，现有的姿态测量技术有很多，比较常用的有惯性姿态测量技术，卫星测姿技术。卫星测姿技术相较而言具有更大的优势，其具有成本低，易部署，产品应用比较广泛的特点，最重要的是卫星测姿技术不存在误差累积的问题。
[0003]在此测姿技术的基础上，我们考虑到实时远程测姿依然存在一些困难，目前的实时现场测姿技术已经比较成熟，但是如何实现精准的远距离测姿依旧是一个具有很大研究意义的问题，特别是目前在建筑物形变监测，桥梁安全监测，还有无线电波传播技术研究等问题上，不管是大型建筑物的形变，还是微波天线的姿态变化，都会对经济建设科技发展产生很大的安全隐患，所以实时掌控它们姿态信息是很有必要的。类似这种问题，远程精密姿态测量技术就具有很大的应用前景。
[0004]本专利技术提出一种基于信号反射器的远程目标设备精密测姿方法，该系统通过使用三个设计的信号反射器将设备处接收到的信号转发至固定基站处，利用三个信号反射器传输的信号相位差对目标设备进行三维姿态测量，相比于传统的姿态监测，此方法成本低，应用范围广；在固定基站位置将三根接收天线对收到的信号预处理获得较为稳定的原始数据；然后利用预处理后的不同天线的信号建立伪距和载波相位的双差观测模型，以此消除信号传输过程中的延时误差，过程中结合卡尔曼滤波和lambda算法解算整周模糊度，即可求出主基线和副基线的姿态向量，从而得到目标设备的偏航角，俯仰角以及偏横滚角。该专利技术方法能有效地对远程目标设备的三维姿态进行测量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于信号反射器的远程目标设备精密测姿方法，它将信号反射器结合在载波相位双差技术上，有效地对物体的三维姿态进行监测。
[0006]本专利技术所述的适用于目标设备的低成本远程精密测姿方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、设计一个小型信号反射器；
[0008]步骤二、在目标设备上的选取关键位置并部署三个信号反射器，在固定基站处选取合适位置安装三个定向接收天线和终端解算设备；
[0009]步骤三、提取原始数据，获取载波相位观测值和伪距观测值，构建载波相位定位模型，结合卡尔曼滤波和LAMBDA算法求解载波相位测量值中的整周模糊度N；
[0010]步骤四、将整周模糊度N代入坐标解算，得到由三个反射器所构成的两条基线的状态信息，以此来判断目标设备的三维姿态是否发生姿态变化。
[0011]有益效果
[0012]本专利技术是提供一种基于卫星信号反射器的低成本远程精密测姿方法，有以下优点：
[0013]1.有效地构建了基于反射器的载波相位测姿模型，为远程精密姿态测量提供了模型依据；
[0014]2.将信号反射器与固定基站处的定向天线结合使用，可以实现全天候的连续远程测姿，不需要等人工巡检，直接在固定基站处即可接收解算目标设备的三维姿态信息，此技术可以广泛应用在远程智能调角等方面；
[0015]3.此处的信号反射器需放大信号功率，为有源器件，但是在户外可以使用太阳能进行供电，成本低，所以可以大面积推广使用。
附图说明
[0016]图1为设计的信号反射器。
[0017]图2为本专利技术的测试场景示意图。
具体实施方案
[0018]下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明：
[0019]步骤一、如图2所示，在目标设备上选取三个关键位置并分别部署卫星信号反射器；
[0020]步骤二、选取固定基站位置，分别安装三个定向天线，信号接收设备和信号解算设备；
[0021]步骤三、提取原始数据，获取载波相位观测值和伪距观测值，构建载波相位模型分别求出Rf1
‑
Rf2主基线和Rf1
‑
Rf3副基线的基线向量，求解过程如下：
[0022]3a、首先，利用固定基站处天线Dx1的观测数据进行伪距单点定位，计算出天线Rx1的初始位置，将其解作为状态变量的初值，然后，分别对天线Dx2和天线Dx3的数据进行伪距单点定位，计算出天线Dx2和天线Dx3的初始位置；
[0023]3b、利用天线Dx1与天线Dx2共同观测卫星构建载波相位差分方程，对于天线Dx1，伪距观测方程为
[0024]ρ(t)＝c[t
Dx1
(t)
‑
t
(s)
(t
‑
τ)](1)
[0025]式中τ＝τ1+τ2+τ3，r为卫星与反射器之间的几何距离，I(t)为电离层时延，T(t)为对流层时延，τ2为反射器内部时延，τ3为信号从反射器传输到天线Dx1所用的时间，t
Dx1
(t)为天线Dx1最终接收到卫星信号的时间，t
(s)
(t
‑
τ)为卫星信号的发射时间，则推导后得到的天线Dx1信号的伪距观测值和载波相位观测值分别为
[0026][0027]其中，式中b为无线传输路径中延时产生的距离，δt
Dx1
(t)为接收机时钟钟差，ε
ρ1
为伪距测量噪声量；
[0028]同理，对于固定基站天线Dx2，经推导得到的伪距观测值和载波相位观测值为
[0029][0030]对于固定基站天线Dx3，经推导得到的伪距观测值和载波相位观测值为
[0031][0032]对Dx1和Dx2两天线接收信号进行的载波相位和伪距单差，消除卫星钟差，消除接收机钟差、信号反射过程中延时带来的误差等，单差电离层延时和单差对流层延时近似为0，得
[0033][0034]同理，对于Dx1和Dx3两天线有
[0035][0036]此单差过程中结合卡尔曼滤波算法求解出单差整周模糊度的浮点解；
[0037]3c、将单差转化为双差，得到双差测量值φ
(ij)
和ρ
(ij)
的观测方程式，则有
[0038][0039][0040]通过整周模糊度求解得到双差整周模糊度矢量和将模糊度矢量代入下式，利用模糊度的整数特性，进一步提高基线矢量估计精度；
[0041][0042]当代入时，式中即为Rf1
‑
Rf2主基线的基线矢量改正数的固定解，为对应的协方差矩阵；当代入时，式中即为Rf1
‑
Rf3副基线的基线矢量改正数的固定解；至此，主基线Rf1
‑
Rf2和副基线Rf1
‑
Rf3的姿态已被求解出来；
[0043]步骤四、将主基线在当地水平坐标系的向量坐标，计算目标设备的偏航角和俯仰角；将副基线在当地水平坐标系的向量坐标，计算目标设备的偏横滚角。
[0044]4a、获取大地坐标系；将步骤b)中的主基线Rf1
‑
Rf2和副基线Rf本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反射器的远程目标设备精密姿态测量方法，其特征在于：a)构造基于反射器的远程目标设备姿态测量场景，场景中选取目标设备上的三个关键位置，并且选取固定基站的位置；b)所用设备包括设计的小型卫星信号反射器(1)，定向接收天线(2)，信号处理设备(3)和信号解算设备(4)；c)在目标设备的三个关键部位分别部署信号反射器(1)，将信号转发到固定基站处，反射器自身无需解算原始卫星信号；d)固定基站处有三个定向天线(2)，分别接受三个卫星信号反射器(1)传来的信号，根据接收到的三个原始信号通过差分方法获得两条基线向量数据。分别构造载波相位差分方程，解算目标设备的三维姿态信息，以此判断目标设备的偏航角，俯仰角和偏横滚角是否发生变化。2.如权利要求1所述的基于反射器的远程目标设备姿态测量方法，其特征在于，在此场景中，固定基站处安装三个定向接收天线(2)，定向天线Dx1接收信号反射器Rf1传来的信号，定向天线Dx2接收信号反射器Rf2传来的信号，定向天线Dx3接收信号反射器Rf3传来的信号。3.如权利要求1所述的基于反射器的远程目标设备精密姿态测量方法，其特征在于，所述的卫星信号反射器(1)由信号接收天线Rx(5)，卫星信号功率放大器(6)和信号定向发射天线Tx(7)组成。4.如权利要求1所述的基于反射器的远程目标设备精密姿态测量方法，其特征在于，由反射器Rf1
‑
Rf2和Rf1
‑
Rf3构成了主基线(8)和副基线(9)。5.如权利要求1所述的基于反射器的远程目标设备精密姿态测量方法，其特征在于，利用天线Rx1，天线Rx2和天线Rx3接收的信号解算出Rf1
‑
Rf2主基线(8)和Rf1
‑
Rf3(9)副基线的姿态变化，解算步骤如下：a)首先，利用固定基站处天线Dx1的观测数据进行伪距单点定位，计算出天线Rx1的初始位置，将其解作为状态变量的初值，然后，分别对天线Dx2和天线Dx3的数据进行伪距单点定位，计算出天线Dx2和天线Dx3的初始位置；b)利用天线Dx1与天线Dx2共同观测卫星构建载波相位差分方程，对于天线Dx1，伪距观测方程为ρ(t)＝c[t
Dx1
(t)
‑
t
(s)
(t
‑
τ)](1)式中τ＝τ1+τ2+τ3，r为卫星与反射器之间的几...

【专利技术属性】
技术研发人员：何维，张静，田增山，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：