一种基于半紧组合的UWBTOA-GNSS组合导航系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于半紧组合的UWBTOA

【技术实现步骤摘要】
一种基于半紧组合的UWBTOA
‑
GNSS组合导航系统及方法


[0001]本专利技术属于组合导航
，具体地，涉及一种基于半紧组合的UWBTOA
‑
GNSS组合导航系统及方法。

技术介绍

[0002]GNSS的全称是(Global Navigation Satellite System)，即全球导航卫星系统，是通过卫星来实现的定位和导航服务。实际应用中，卫星导航技术仍存在一定的不足。由于卫星信号的脆弱性，在遮挡严重的环境中，卫星信号严重受阻，导致信号质量变差、观测方程数量减少，从而严重影响卫星导航的定位精度和可靠性。同时由于卫星在高程方向上的几何分布较差，使得定位结果在高程方向上的误差较大。为了弥补卫星导航技术的不足，通常采用组合导航的方法来提高定位能力。
[0003]近年来，超宽带(Ultra
‑
Wide Band,UWB)技术在无线通信领域研究中受到了热切的关注。UWB技术具有成本低、信号穿透力强、测距精度高、抗多径能力强等特点，同时，UWB信号的功率远远小于GNSS信号的功率，使其能够在不干扰GNSS信号的情况下与其共存。因此UWB
‑
GNSS组合导航前景广阔。
[0004]在UWBTOA
‑
GNSS的组合方法中，应用比较广泛的是UWBTOA
‑
GNSS紧组合方法，传统的UWB与GNSS紧组合，是将原始观测量融入到一个线性化方程中进行计算，定位误差较大。此方法和伪距单点定位方法相似，先准备数据和设置初始解，再将非线性方程线性化，将UWB的原始方程和单点定位的方程进行简单的组合求解，得到最终的位置信息，该方法的优势在于简单且无需修改太多原始方程内容，缺点是精度提升有限。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提出了一种基于半紧组合的UWBTOA
‑
GNSS组合导航系统及方法，通过伪距单点定位求解出位置，再将其与UWBTOA的原始观测量进行紧组合，在传统的UWBTOA
‑
GNSS紧组合的基础上，有效的提高组合导航的定位精度。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种基于半紧组合的UWBTOA
‑
GNSS组合导航方法：
[0008]所述方法具体包括以下步骤：
[0009]步骤1，通过伪距单点定位方法SPP(single
‑
pointpositioning)得出目标点的位置信息；
[0010]步骤2，以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；
[0011]步骤3，在步骤2所述的球面上确定一点，使其到步骤1目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合方式的定位结果。
[0012]进一步地，
[0013]对于所有可见卫星n，通过伪距单点定位方法SPP收集到在同一测量时刻的伪距测量值ρ
(n)
，并计算测量值中的各种偏差成分如δt
(n)
，I
(n)
和T
(n)
，
[0014]其中δt
(n)
为卫星n的卫星钟差，I
(n)
为卫星n的电离层延迟误差，T
(n)
为卫星n的对流层延迟误差；
[0015]根据式子ρ
c(n)
＝ρ
(n)
+δt
(n)
‑
I
(n)
‑
T
(n)
计算误差校正之后的伪距测量值；
[0016]同时根据可见卫星的星历计算出经地球自转校正后的卫星空间位置坐标。
[0017]进一步地，
[0018]UWB基站与移动站间的测距误差标准差为5cm；
[0019]最小误差为球面上的点与移动站真实位置的测距误差，
[0020]最大误差为UWB基站与移动站之间真实距离的二倍与UWB测距误差的和。
[0021]进一步地，
[0022]分别以真值到UWB基站的距离和伪距单点定位值到UWB基站的距离为半径做圆，将真值的距离与UWB值进行做差后除以真值与伪距单点定位的差值进行求解，真值解取距离伪距单点定位值近的值做为定位结果。
[0023]进一步地，
[0024]借助上面求得的信息，将非线性方程线性化，得到矩阵方程式：
[0025]G[ΔxΔyΔzΔδt
u
]T
＝b
[0026]其中[ΔxΔyΔzΔδt
u
]T
为展开点与接收机位置、接收机钟差结果之间的差值向量，G为展开点与各卫星之间的观测向量矩阵，b为伪距与展开点和卫星间距离的差值向量；
[0027]利用最小二乘法求解GPS伪距定位线性矩阵方程式，解法为：
[0028][ΔxΔyΔzΔδt
u
]T
＝(G
T
G
‑1)G
T
b
[0029]更新非线性方程组的根，根据下式子更新接收机位置坐标x
k
和钟差值δt
u,k
：
[0030]x
k
＝x
k
‑1+Δx＝x
k
‑1+[ΔxΔyΔz]T
[0031]δt
u,k
＝δt
u,k
‑1+Δδt
u
。
[0032]进一步地，
[0033]以UWB基站的坐标点为球心，以测得的UWB基站与移动站间的距离为半径作球面：
[0034][0035]其中(uwb
x
,uwb
y
,uwb
z
)为UWB基站的三维位置坐标，P
uwb
为UWB基站与UWB移动站间的测距值；
[0036]求出UWB基站与单点定位结果所在直线的方程：
[0037][0038]其中(spp
x
,spp
y
,spp
z
)为移动站的单点定位结果坐标；
[0039]联立上述两个式子进行求解，得到两组半紧组合之后的位置解，将两组位置解进行比对，选取距离(spp
x
,spp
y
,spp
z
)更近的那组位置解作为定位结果。
[0040]一种基于半紧组合的UWBTOA
‑
GNSS组合导航系统：
[0041]所述导航系统包括主导航系统和辅助导航系统
[0042]所述主导航系统通过伪距单点定位方法SPP得出目标点的位置信息；
[0043]所述辅助导航系统以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；并在所述的球面上确定一点，使其到目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于半紧组合的UWBTOA
‑
GNSS组合导航方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤1，通过伪距单点定位方法SPP得出目标点的位置信息；步骤2，以UWB基站的位置为球心，以UWB基站与移动站间的距离为半径作球面；步骤3，在步骤2所述的球面上确定一点，使其到步骤1目标点的距离最小，所确定的点即为半紧组合方式的定位结果。2.根据权利要求1所述导航方法，其特征在于：在步骤1中，对于所有可见卫星n，通过伪距单点定位方法SPP收集到在同一测量时刻的伪距测量值ρ
(n)
，并计算测量值中的各种偏差成分如δt
(n)
，I
(n)
和T
(n)
，其中δt
(n)
为卫星n的卫星钟差，I
(n)
为卫星n的电离层延迟误差，T
(n)
为卫星n的对流层延迟误差；根据式子ρ
c(n)
＝ρ
(n)
+δt
(n)
‑
I
(n)
‑
T
(n)
计算误差校正之后的伪距测量值；同时根据可见卫星的星历计算出经地球自转校正后的卫星空间位置坐标。3.根据权利要求2所述导航方法，其特征在于：UWB基站与移动站间的测距误差标准差为5cm；最小误差为球面上的点与移动站真实位置的测距误差，最大误差为UWB基站与移动站之间真实距离的二倍与UWB测距误差的和。4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：分别以真值到UWB基站的距离和伪距单点定位值到UWB基站的距离为半径做圆，将真值的距离与UWB值进行做差后除以真值与伪距单点定位的差值进行求解，真值解取距离伪距单点定位值近的值做为定位结果。5.根据权利要求4所述方法，其特征在于：借助上面求得的信息，将非线性方程线性化，得到矩阵方程式：G[ΔxΔyΔzΔδt
u
]
T
＝b其中[ΔxΔyΔzΔδt
u
]
T
为展开点与接收机位置、接收机钟差结果之间的差值向量，G为展开点与各卫星之间的观测向量矩阵，b为伪距与展开点和卫星间距离的差值向量；利用最小二乘法求解GPS伪距定位线性矩阵方程式，解法为：[ΔxΔyΔzΔδt
u
...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾春，程建华，崔珈浩，李阳，李亮，杨福鑫，赵琳，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：