[发明专利]一种基于车载经纬仪的自定位定向系统及方法

权利要求书

1.一种基于车载经纬仪的自定位定向系统，其特征在于：包括第一车载经纬仪、第二车载经纬仪、第一BD/GPS接收机、第二BD/GPS接收机、第三BD/GPS接收机、第四BD/GPS接收机以及上位机；

第一车载经纬仪、第二车载经纬仪完全相同；

第一BD/GPS接收机、第二BD/GPS接收机、第三BD/GPS接收机、第四BD/GPS接收机完全相同；

第一BD/GPS接收机和第二BD/GPS接收机分别安装在第一车载经纬仪的U型支架开口侧的两个顶面上，且第一BD/GPS接收机和第二BD/GPS接收机中心等高；U型支架开口侧的两个顶面的平面度均为0.02mm，且两台接收机之间的位置公差为0.1mm；

第三BD/GPS接收机和第四BD/GPS接收机分别安装在第二车载经纬仪的U型支架开口侧的两个顶面上，且第三BD/GPS接收机和第四BD/GPS接收机中心等高；U型支架开口侧的两个顶面的平面度均为0.02mm，且两台接收机之间的位置公差为0.1mm；

第一BD/GPS接收机、第二BD/GPS接收机、第三BD/GPS接收机、第四BD/GPS接收机均包括双频测量天线、低噪放大器以及信号处理主板；

第一BD/GPS接收机通过双频测量天线接收公共BD卫星或GPS卫星的电磁波信号并将其转化为电流信号，再通过低噪放大器对电流信号放大送入信号处理主板，信号处理主板先对电流信号进行下变频和AD模数转换处理后，获得第一数字信号上传至上位机；

第二BD/GPS接收机通过双频测量天线接收与第一BD/GPS接收机相同的公共BD卫星或GPS卫星的电磁波信号并将其转化为电流信号，再通过低噪放大器对电流信号放大送入信号处理主板，信号处理主板先对电流信号进行下变频和AD模数转换处理后，获得第二数字信号上传至上位机；

上位机对第一数字信号和第二数字信号进行处理得到第一车载经纬仪的当前位置坐标；

第三BD/GPS接收机通过双频测量天线接收公共BD卫星或GPS卫星的电磁波信号并将其转化为电流信号，再通过低噪放大器对电流信号放大送入信号处理主板，信号处理主板先对电流信号进行下变频和AD模数转换处理后，获得第三数字信号上传至上位机；

第四BD/GPS接收机通过双频测量天线接收与第三BD/GPS接收机相同的公共BD卫星或GPS卫星的电磁波信号并将其转化为电流信号，再通过低噪放大器对电流信号放大送入信号处理主板，信号处理主板先对电流信号进行下变频和AD模数转换处理后，获得第四数字信号上传至上位机；

上位机对第三数字信号和第四数字信号进行处理得到第二车载经纬仪的当前位置坐标；

上位机通过第一车载经纬仪的当前位置坐标和第二车载经纬仪的当前位置坐标计算得到两个车载经纬仪的大地北向，从而确定第一车载经纬仪或第二车载经纬仪在当地北天东坐标系下对任意目标的方位角与俯仰角。

2.根据权利要求1所述的一种基于车载经纬仪的自定位定向系统，其特征在于：所述第一BD/GPS接收机、第二BD/GPS接收机、第三BD/GPS接收机、第四BD/GPS接收机还包括数据通信模块；信号处理主板通过数据通信模块将第一数字信号、第二数字信号、第三数字信号、第四数字信号发送至上位机。

3.根据权利要求1所述的一种基于车载经纬仪的自定位定向系统，其特征在于：所述第一BD/GPS接收机、第二BD/GPS接收机、第三BD/GPS接收机、第四BD/GPS接收机还包括电源模块；所述电源模块用于向信号处理主板供电。

4.一种基于车载经纬仪的自定位定向方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的自定位定向系统，具体的执行步骤如下：

步骤1：获取第一车载经纬仪的位置坐标；

步骤1.1：第一BD/GPS接收机接收任意第i个BD或GPS卫星的电磁波信号经过放大处理、下变频处理和AD模数转换处理后转化为第一数字信号上传至上位机；

步骤1.2：上位机通过第一数字信号建立第一BD/GPS接收机对应任意第i个BD或GPS卫星的载波相位观测方程：

式中：

λ—第i个BD或GPS卫星的载波波长，该参数第一数字信号自身携带；

—第一BD/GPS接收机对应的第i颗BD或GPS卫星的载波相位观测量，单位：周；

—第一BD/GPS接收机对应的第i颗BD或GPS卫星的载波整周模糊度，单位：周；

xⁱ yⁱ zⁱ—第i颗BD或GPS卫星的三轴坐标，该参数第一数字信号自身携带；

x_R1 y_R1 z_R1—第一BD/GPS接收机的坐标；

drⁱ—第i个BD或GPS卫星的轨道误差，该参数第一数字信号自身携带；

—第i个BD或GPS卫星伪距的电离层误差；

—第i个BD或GPS卫星伪距的对流层误差；

δt_R1—第一BD/GPS接收机自身的钟差；

δtⁱ—第i个BD或GPS卫星的钟差；

—第一BD/GPS接收机对第i个BD或GPS卫星的观测噪声；

将上式线性化后：

式中：

其中，表示两台接收机基线向量与卫星方向的单位向量；

(x₀,y₀,z₀)表示卫星位置坐标初始值；

(x^Si,y^Si,z^Si)表示两台接收机之间的基线向量；

表示线性化后的加入的截断误差；

步骤1.3：按照步骤1.1和1.2，在上位机上建立第二BD/GPS接收机对应任意第i个BD或GPS卫星的线性化后的载波相位观测方程：

—第二BD/GPS接收机第i颗BD或GPS卫星的载波相位观测量，单位：周；

—第二BD/GPS接收机第i颗BD或GPS卫星的载波整周模糊度，单位：周；

x_R2 y_R2 z_R2—第二BD/GPS接收机的坐标；

—第i个BD或GPS卫星伪距的电离层误差；

—第i个BD或GPS卫星伪距的对流层误差；

δt_R2—第一BD/GPS接收机自身的钟差；

δtⁱ—第i个BD或GPS卫星的钟差；

线性化后加入的截断误差；

c代表真空中光速；

步骤1.4：将步骤1.2和步骤1.3线性化后的两个载波相位观测方程进行差分处理，消去两个线性化后的载波相位观测方程中drⁱ、δtⁱ，得到第i个BD或GPS卫星的单差方程：

步骤1.5：重复执行步骤1.1至步骤1.4，得到第j个BD或GPS卫星的单差方程；

步骤1.6：对第i个BD或GPS卫星的单差方程和第j个BD或GPS卫星的单差方程再次进行双差处理，消去δt_R1、δt_R2以及系统的装配误差，得到双差方程：

步骤1.7：当第一BD/GPS接收机和第二BD/GPS接收机可观测到的公共BD/GPS卫星的数量为M时，则双差观测方程可以表示成如下矩阵形式：

将上式写成矩阵简化形式为：

Φ＝AX+BY

其中，Φ表示载波相位观测量向量，A表示基线向量卫星方向的单位向量矩阵，X表示两台接收机组成的基线向量，B表示载波波长矩阵，Y表示双差模糊度向量；

步骤1.8：根据步骤1.7的双差观测方程矩阵简化式，计算第一BD/GPS接收机和第二BD/GPS接收机之间的坐标值；

利用最小二乘法求解位置坐标修正向量X及双差模糊度向量Y，使得：

由于整周模糊度向量Y是整数，上式可以分解为三项：

式中，是以整周模糊度Y为约束的最小二乘的位置坐标修正向量，为其协方差阵，为无约束的最小二乘残差矢量；

在上述分解情况下，由于模糊度整数特性的限制，上式的第二项可完全消除，相应的目标函数变为：

根据上式求解得到模糊度整数解进而求解位置坐标修正向量的固定解具体公式如下：

为第一BD/GPS接收机和第二BD/GPS接收机之间坐标值，即车载经纬仪的当前坐标；

步骤2：按照步骤1.1至步骤1.9相同的方式，获取第二车载经纬仪的位置坐标；

步骤3：通过第一车载经纬仪位置坐标和第二车载经纬仪的位置坐标，求解两个车载经纬仪的大地北向，从而确定第一车载经纬仪或第二车载经纬仪在当地北天东坐标系下对任意目标的方位角与俯仰角。