一种适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法，将北斗和GPS进行双模融合，实现船舶的精确、实时、可靠定位，主要步骤包括：首先建立卫星双频伪距误差修正模型；然后根据星历数据分别解算北斗卫星和GPS卫星的空间位置坐标，并进行双系统的时空转换与统一；接着进行北斗和GPS双模伪距定位解算，初步求解船舶位置；进而计算每颗卫星相对于船舶的高度角；然后根据卫星的系统类别、信噪比和高度角等因素，建立多权重模型；最后基于多权重模型再次对船舶进行定位解算，最终确定船舶在当前观测历元t时刻下的空间位置坐标。本发明专利技术定位精度更高、算法复杂度更小、系统安全性更强。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法
本专利技术涉及船舶导航定位领域，特别是一种适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法。
技术介绍
我国社会经济的蓬勃发展以及“海洋强国”战略的扎实推进，带动了水运业务量的逐年增长，船舶数量急剧增加。这也导致了船舶交通压力凸显、资源消耗加剧以及水域环境污染等一系列问题，对船舶交通、能源及环境等方面造成了严峻的挑战。为有效解决上述问题，众多学者纷纷着手于船舶交通管理系统(VesselTrafficServices，VTS)的研究，旨在借助先进的导航定位技术、多源传感器技术、数据通信技术等来改善交通状况，充分发挥现有水域的交通潜力，提高船舶通航效率，综合解决各类水上交通运输问题。目前，船舶交通管理系统高度依赖船舶导航定位技术，获取精确、实时、可靠的船舶位置信息是船舶交通管理系统正常运行的前提条件。因此，船舶导航定位技术是目前VTS研究的核心内容之一。目前，应用最为广泛的船舶导航定位技术是全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)，但是由于单GPS系统在一定区域内可见卫星数量有限，使其在遮挡严重的复杂环境中(如山区峡谷)无法获得较高的定位精度。与此同时，GPS的使用还受限于美国军方的选择失效(SD)技术，该技术可通过基于陆地上的干扰源来干扰民用GPS信号，以此中断某一特定地域的标准定位服务。着眼于国家安全和经济社会发展需要，我国自主研制建设了北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)，该系统作为国家重要的空间基础设施，不受国外政策和形势的影响，可以为用户提供全天候、高精度、强安全的定位、导航和授时服务。目前，BDS和GPS并存与竞相发展的局面已初步形成，彼此之间的兼容性也在稳步提升。将BDS和GPS融合可以显著增加可视卫星数目，改善卫星几何分布，从而提升定位的精度、实时性和可靠性，同时也降低了对GPS的依赖。因此，BDS和GPS双模融合定位已然成为船舶导航定位的重要发展趋势之一。之前学者开展的BDS-GPS双模融合研究大都只利用了单频(B1I/L1)信号上的伪距测量值，该频段信号带宽不够，易受物体发射干扰，多径误差较大，且无法有效地消除电离层延时误差，最终影响定位精度。随着BDS的建成完善以及GPS的现代化，卫星信号体制也发生了改变，除了已有的北斗B1I和GPSL1频段，逐渐加入了北斗B3I、B2a和GPSL2、L5频段，可用的频段资源越来越丰富。新增的频段信号带宽高、码率大，折射及反射对其影响较小，而且可以通过对比不同频率信号在电离层中的延迟，完全消除电离层延时误差，使得定位精度得到进一步提升。与此同时，考虑到电离层延时、对流层延时、卫星钟差以及多径误差，每颗卫星的伪距测量值相互独立、非同等分布，有着不同的测量误差。这种情况下，之前普遍采用的最小二乘法就不能保证其最优性，无法获得最优的定位结果，这就需要加权最小二乘法来提升定位精度。加权最小二乘的思想就是赋予每颗卫星的伪距测量值不同的权重，权重越大的伪距测量值在求解方程的过程中起到的作用就越大。由此可见，为降低对单GPS系统的依赖，提升整个定位系统的安全性和定位精度，研究基于北斗和GPS的船舶双模融合定位，并利用卫星的双频伪距进行电离层延时修正，同时建立多权重模型，赋予每颗卫星一个特定的权重值，通过加权最小二乘法进行定位解算，可以进一步提升船舶导航定位的精度、实时性和可靠性，对于国内船舶导航定位领域乃至船舶交通管理系统的进一步发展都具有至关重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法，该适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法能融合北斗和GPS两个系统，显著增加可视卫星数目，并利用卫星的双频伪距进行电离层延时修正，有效消除电离层延时误差，同时建立多权重模型，运用加权最小二乘法进行定位解算，定位精度高、算法复杂度小、系统安全性强，从而实现对船舶的精确、实时、可靠定位。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法，包括如下步骤。步骤1、建立卫星双频伪距误差修正模型：对编号为s的卫星，建立如下所示的双频伪距误差修正模型：式(5)中，表示卫星s经双频修正后的伪距测量值。f1和f2分别表示卫星信号的两个不同载波频率。和分别表示船载接收终端u在同一时刻对卫星s所发射的两个不同载波频率信号f1和f2上接收的伪距测量值。步骤2、修正卫星的伪距测量值：假设船载接收终端u所能接收的所有可见卫星包括m颗北斗卫星和n颗GPS卫星。则在当前观测历元t时刻下，通过船载接收终端，根据步骤1中建立的卫星双频伪距误差修正模型，对每颗卫星均进行伪距测量值的修正。步骤3、北斗卫星和GPS卫星的空间位置解算及时空转换：接收m颗北斗卫星和n颗GPS卫星的星历数据，根据星历中的开普勒参数对卫星位置进行解算，得到每颗卫星的空间位置坐标，然后将n颗GPS卫星的空间位置坐标转换到北斗坐标系下，同时将GPS时间系统转换到北斗时间系统下，从而实现北斗系统和GPS的时空转换与统一。步骤4、初步求解船舶位置：针对m颗北斗卫星和n颗GPS卫星，建立双模伪距定位观测方程组，并对其进行线性化，通过最小二乘法初步解算出在当前观测历元t时刻下船舶在北斗坐标系中的空间位置坐标(xt，yt，zt)。步骤5、计算每颗卫星相对于船舶的高度角：根据步骤3得到的卫星空间位置坐标和步骤4初步得到的船舶空间位置坐标，计算m颗北斗卫星和n颗GPS卫星相对于船舶的高度角，得到m颗北斗卫星的高度角为n颗GPS卫星的高度角为步骤6、建立多权重模型：根据卫星的系统类别、信噪比和高度角，建立如下所示的多权重模型：W·A·△X＝W·B(21)W＝W1·W2·W3(20)其中，A为观测系数矩阵。△X为关于船舶从t-1时刻至t时刻的修正量矩阵。B为过程矩阵；W为综合权重矩阵；W1为(m+n)颗卫星基于系统类别的权重矩阵。W2为(m+n)颗卫星基于信噪比的权重矩阵。W3为(m+n)颗卫星基于高度角的权重矩阵。步骤7、二次精确求解船舶位置：采用加权最小二乘法求解线性化后的公式(21)，得到修正量矩阵△X，从而获得在当前观测历元t时刻下船舶在北斗坐标系中的精确空间位置坐标。其中，获得的修正量矩阵△X为：△X＝-(AT·WT·W·A)-1·AT·WT·W·B(22)式(22)中，AT表示矩阵A的转置，WT表示矩阵W的转置，(AT·WT·W·A)-1表示矩阵(AT·WT·W·A)的逆。步骤8，在下一历元时刻，重复步骤1到步骤7，获得船舶的空间位置坐标。步骤6中，(m+n)颗卫星基于系统类别的权重矩阵W1如下所示：其中，WB表示m颗北斗卫星构成的基于系统类别的权重矩阵。WG表示n颗GPS卫星构成的基于系统类别的权重矩阵。(m+n)颗卫星本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1、建立卫星双频伪距误差修正模型：对编号为s的卫星，建立如下所示的双频伪距误差修正模型：/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、建立卫星双频伪距误差修正模型：对编号为s的卫星，建立如下所示的双频伪距误差修正模型：



式(5)中，表示卫星s经双频修正后的伪距测量值；f1和f2分别表示卫星信号的两个不同载波频率；和分别表示船载接收终端u在同一时刻对卫星s所发射的两个不同载波频率信号f1和f2上接收的伪距测量值；
步骤2、修正卫星的伪距测量值：假设船载接收终端u所能接收的所有可见卫星包括m颗北斗卫星和n颗GPS卫星；则在当前观测历元t时刻下，通过船载接收终端，根据步骤1中建立的卫星双频伪距误差修正模型，对每颗卫星均进行伪距测量值的修正；
步骤3、北斗卫星和GPS卫星的空间位置解算及时空转换：接收m颗北斗卫星和n颗GPS卫星的星历数据，根据星历中的开普勒参数对卫星位置进行解算，得到每颗卫星的空间位置坐标，然后将n颗GPS卫星的空间位置坐标转换到北斗坐标系下，同时将GPS时间系统转换到北斗时间系统下，从而实现北斗系统和GPS的时空转换与统一；
步骤4、初步求解船舶位置：针对m颗北斗卫星和n颗GPS卫星，建立双模伪距定位观测方程组，并对其进行线性化，通过最小二乘法初步解算出在当前观测历元t时刻下船舶在北斗坐标系中的空间位置坐标(xt，yt，zt)；
步骤5、计算每颗卫星相对于船舶的高度角：根据步骤3得到的卫星空间位置坐标和步骤4初步得到的船舶空间位置坐标，计算m颗北斗卫星和n颗GPS卫星相对于船舶的高度角，得到m颗北斗卫星的高度角为n颗GPS卫星的高度角为
步骤6、建立多权重模型：根据卫星的系统类别、信噪比和高度角，建立如下所示的多权重模型：
W·A·△X＝W·B(21)
W＝W1·W2·W3(20)
其中，A为观测系数矩阵；△X为关于船舶从t-1时刻至t时刻的修正量矩阵；B为过程矩阵；W为综合权重矩阵；W1为(m+n)颗卫星基于系统类别的权重矩阵；W2为(m+n)颗卫星基于信噪比的权重矩阵；W3为(m+n)颗卫星基于高度角的权重矩阵；
步骤7、二次精确求解船舶位置：采用加权最小二乘法求解线性化后的公式(21)，得到修正量矩阵△X，从而获得在当前观测历元t时刻下船舶在北斗坐标系中的精确空间位置坐标；其中，获得的修正量矩阵△X为：
△X＝-(AT·WT·W·A)-1·AT·WT·W·B(22)
式(22)中，AT表示矩阵A的转置，WT表示矩阵W的转置，(AT·WT·W·A)-1表示矩阵(AT·WT·W·A)的逆；
步骤8，在下一历元时刻，重复步骤1到步骤7，获得船舶的空间位置坐标。


2.根据权利要求1所述的适用于船舶交通管理系统的双模卫星融合定位方法，其特征在于：步骤6中，(m+n)颗卫星基于系统类别的权重矩阵W1如下所示：






其中，WB表示m颗北斗卫星构成的基于系统类别的权重矩阵；W...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏亮，夏金峰，金家龙，王子骏，周晓安，盛开，
申请(专利权)人：中船重工鹏力南京大气海洋信息系统有限公司，中国船舶重工集团南京鹏力科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32