基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法，具体步骤为：首先根据信噪比值进行三系统卫星的初步筛选，并利用误差模型修正筛选后的每颗卫星的伪距测量值；接着根据三系统的星历数据分别解算每颗卫星的位置，并进行三系统卫星的时空转换与统一；然后进行北斗、GPS和GLONASS三模伪距定位解算，初步求解船舶的大概位置；接着计算卫星相对于船舶的方位角和高度角，并采用快速选星策略对三系统卫星再次进行筛选；然后使用筛选后的三系统卫星再次对船舶进行定位解算，最终确定船舶在当前时刻的精确位置。本发明专利技术与传统的单模、双模船舶导航定位方法相比，定位精度更高、定位速度更快、系统容错能力更强。

【技术实现步骤摘要】
基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法
本专利技术涉及船舶导航定位领域，特别是一种基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法。
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。与此同时，这也导致了船舶交通压力凸显、船舶通航效率降低、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。为了有效解决上述问题，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，数据通信技术以及人工智能等科学技术来改善交通状况，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卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)。随着我国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)的建成与运行，美国全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)的现代化以及俄罗斯的全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GLONASS)的全面恢复，BDS、GPS以及GLONASS三大全球卫星导航系统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高。相较于单一模式的GNSS，多模GNSS融合将显著增加可视卫星数目，改善卫星几何分布，进而提升导航定位的精度、实时性和可靠性。因此，多模GNSS融合定位已然成为GNSS导航定位的发展趋势之一。近年来，世界各国学者开展的多模GNSS融合研究主要以BDS-GPS双模融合和GPS-GLONASS双模融合为主，对BDS-GPS-GLONASS三模融合的研究相对较少。BDS-GPS-GLONASS三模融合定位将降低对单一系统的依赖程度，提升整个定位系统的安全性和容错性。同时，在三系统下可视卫星数目成倍增加，在此基础之上，采用合适的选星策略，能够极大地改善卫星几何分布，降低精度衰减因子，有效提升船舶定位的精度。然而传统选星方法的研究大多针对单一模式的GNSS以及少数针对BDS-GPS和GPS-GLONASS双模定位系统，当可视卫星数目过多时，这些传统选星方法的计算效率将明显下降，从而影响定位的实时性。由此可见，为降低对单模GNSS的依赖以及克服传统选星方法的不足，研究基于北斗、GPS和GLONASS的船舶三模融合定位，尤其是三系统下的快速选星方法，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，而提供一种基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法，该基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法融合北斗、GPS和GLONASS三个系统，显著增加可视卫星数目，并在此基础之上，采用快速选星策略，极大地改善了卫星几何分布，降低了精度衰减因子，提升了计算效率，定位精度更高、定位速度更快、系统容错能力更强。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法，包括如下步骤。步骤1、所有可见卫星的初步筛选：在当前观测历元t时刻下，通过船载北斗、GPS和GLONASS三模接收终端，采集所有可见卫星信号的信噪比值，并剔除信噪比值小于45dB的卫星，完成初步选星，得到k颗北斗卫星、m颗GPS卫星和n颗GLONASS卫星，且k+m+n＞9。步骤2、修正卫星的伪距测量值：针对步骤1初步选星后得到的(k+m+n)颗卫星，接收对应的伪距测量值，并根据伪距误差模型，对接收的每颗卫星的伪距测量值进行修正。步骤3、三系统卫星的时空转换与统一，包括如下步骤：步骤31、空间坐标的转换与统一：接收(k+m+n)颗卫星的星历数据，根据星历中的参数，对卫星位置进行计算，得到当前观测历元t时刻下(k+m+n)颗卫星的空间位置坐标。然后，将得到的北斗和GLONASS卫星的空间位置坐标统一转换到GPS坐标系下。步骤32、时间系统的转换与统一：将北斗和GLONASS的时间系统均转换到GPS时间系统。步骤4、船舶空间位置坐标的初步解算：针对时空转换与统一后的(k+m+n)颗卫星，采用三模伪距定位解算的方法，进行船舶空间位置坐标的初步解算。具体解算方法为：建立北斗、GPS和GLONASS三模伪距定位观测方程组，并对其进行线性化，再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GPS坐标系中的空间位置坐标(xt，yt，zt)。步骤5、计算每颗卫星的方位角和高度角：根据步骤4初步解算得到的船舶空间位置坐标，计算k颗北斗卫星、m颗GPS卫星和n颗GLONASS卫星相对于船舶的方位角和高度角。步骤6、快速选星：将步骤5计算得到的(k+m+n)颗卫星的方位角和高度角，首先剔除高度角小于15°的卫星，然后依据卫星的方位角α将空间平均分为三个扇形区域，接着采用快速选星策略对三系统卫星进行筛选，在每个扇形区域选出3颗卫星，从而快速选择出9颗三系统卫星。步骤7、船舶空间位置坐标的二次精确定位解算：针对步骤6快速选择出的9颗三系统卫星，采用三模伪距定位解算的方法，进行船舶空间位置坐标的二次精确定位解算，从而确定船舶在当前观测历元t时刻下的精确空间位置坐标。步骤8，在下一历元时刻，重复步骤1至步骤7，获得船舶的精确空间位置坐标。步骤2中，对接收的每颗卫星的伪距测量值ρ(s)，采用如下公式进行修正：ρ＝ρ(s)+δt(s)-I-T(1)式(1)中，ρ为每颗卫星经过误差修正后的伪距测量值。ρ(s)为每颗卫星在当前观测历元t时刻下的伪距测量值。δt(s)为每颗卫星伪距测量值中的卫星钟差。I为信号在大气传播过程中的电离层延时误差。T为对流层延时误差。步骤31中，空间坐标的转换与统一的具体方法为：针对初步选星后得到的k颗北斗卫星和m颗GPS卫星，接收对应卫星的星历数据，根据星历数据中的开普勒参数对卫星位置进行计算，得到当前观测历元t时刻下k颗北斗卫星和m颗GPS卫星的空间位置坐标。针对初步选星后得到的n颗GLONASS卫星，接收对应卫星的星历数据，根据星历数据中的相关参数通过四阶龙格-库塔数值积分法，对GLONASS卫星运动方程进行计算，得到当前观测历元t时刻下n颗GLONASS卫星的空间位置坐标。然后，将得到的k颗北斗卫星、m颗GPS卫星和n颗GLONASS卫星的坐标均转换到GPS坐标系下。步骤3中，GPS坐标系为WGS-84坐标系，步骤4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1、所有可见卫星的初步筛选：在当前观测历元t时刻下，通过船载北斗、GPS和GLONASS三模接收终端，采集所有可见卫星信号的信噪比值，并剔除信噪比值小于45dB的卫星，完成初步选星，得到k颗北斗卫星、m颗GPS卫星和n颗GLONASS卫星，且k+m+n＞9；/n步骤2、修正卫星的伪距测量值：针对步骤1初步选星后得到的(k+m+n)颗卫星，接收对应的伪距测量值，并根据伪距误差模型，对接收的每颗卫星的伪距测量值进行修正；/n步骤3、三系统卫星的时空转换与统一，包括如下步骤：/n步骤31、空间坐标的转换与统一：接收(k+m+n)颗卫星的星历数据，根据星历中的参数，对卫星位置进行计算，得到当前观测历元t时刻下(k+m+n)颗卫星的空间位置坐标；然后，将得到的北斗和GLONASS卫星的空间位置坐标统一转换到GPS坐标系下；/n步骤32、时间系统的转换与统一：将北斗和GLONASS的时间系统均转换到GPS时间系统；/n步骤4、船舶空间位置坐标的初步解算：针对时空转换与统一后的(k+m+n)颗卫星，采用三模伪距定位解算的方法，进行船舶空间位置坐标的初步解算；具体解算方法为：建立北斗、GPS和GLONASS三模伪距定位观测方程组，并对其进行线性化，再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GPS坐标系中的空间位置坐标(x...

【技术特征摘要】
1.基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、所有可见卫星的初步筛选：在当前观测历元t时刻下，通过船载北斗、GPS和GLONASS三模接收终端，采集所有可见卫星信号的信噪比值，并剔除信噪比值小于45dB的卫星，完成初步选星，得到k颗北斗卫星、m颗GPS卫星和n颗GLONASS卫星，且k+m+n＞9；
步骤2、修正卫星的伪距测量值：针对步骤1初步选星后得到的(k+m+n)颗卫星，接收对应的伪距测量值，并根据伪距误差模型，对接收的每颗卫星的伪距测量值进行修正；
步骤3、三系统卫星的时空转换与统一，包括如下步骤：
步骤31、空间坐标的转换与统一：接收(k+m+n)颗卫星的星历数据，根据星历中的参数，对卫星位置进行计算，得到当前观测历元t时刻下(k+m+n)颗卫星的空间位置坐标；然后，将得到的北斗和GLONASS卫星的空间位置坐标统一转换到GPS坐标系下；
步骤32、时间系统的转换与统一：将北斗和GLONASS的时间系统均转换到GPS时间系统；
步骤4、船舶空间位置坐标的初步解算：针对时空转换与统一后的(k+m+n)颗卫星，采用三模伪距定位解算的方法，进行船舶空间位置坐标的初步解算；具体解算方法为：建立北斗、GPS和GLONASS三模伪距定位观测方程组，并对其进行线性化，再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GPS坐标系中的空间位置坐标(xt，yt，zt)；
步骤5、计算每颗卫星的方位角和高度角：根据步骤4初步解算得到的船舶空间位置坐标，计算k颗北斗卫星、m颗GPS卫星和n颗GLONASS卫星相对于船舶的方位角和高度角；
步骤6、快速选星：将步骤5计算得到的(k+m+n)颗卫星的方位角和高度角，首先剔除高度角小于15°的卫星，然后依据卫星的方位角α将空间平均分为三个扇形区域，接着采用快速选星策略对三系统卫星进行筛选，在每个扇形区域选出3颗卫星，从而快速选择出9颗三系统卫星；
步骤7、船舶空间位置坐标的二次精确定位解算：针对步骤6快速选择出的9颗三系统卫星，采用三模伪距定位解算的方法，进行船舶空间位置坐标的二次精确定位解算，从而确定船舶在当前观测历元t时刻下的精确空间位置坐标；
步骤8，在下一历元时刻，重复步骤1至步骤7，获得船舶的精确空间位置坐标。


2.根据权利要求1所述的基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法，其特征在于：步骤2中，对接收的每颗卫星的伪距测量值ρ(s)，采用如下公式进行修正：
ρ＝ρ(s)+δt(s)-I-T(1)
式(1)中，ρ为每颗卫星经过误差修正后的伪距测量值；ρ(s)为每颗卫星在当前观测历元t时刻下的伪距测量值；δt(s)为每颗卫星伪距测量值中的卫星钟差；I为信号在大气传播过程中的电离层延时误差；T为对流层延时误差。


3.根据权利要求1所述的基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法，其特征在于：步骤31中，空间坐标的转换与统一的具体方法为：针对初步选星后得到的k颗北斗卫星和m颗GPS卫星，接收对应卫星的星历数据，根据星历数据中的开普勒参数对卫星位置进行计算，得到当前观测历元t时刻下k颗北斗卫星和m颗GPS卫星的空间位置坐标；针对初步选星后得到的n颗GLONASS卫星，接收对应卫星的星历数据，根据星历数据中的相关参数通过四阶龙格-库塔数值积分法，对GLONASS卫星运动方程进行计算，得到当前观测历元t时刻下n颗GLONASS卫星的空间位置坐标；然后，将得到的k颗北斗卫星、m颗GPS卫星和n颗GLONASS卫星的坐标均转换到GPS坐标系下。


4.根据权利要求1所述的基于北斗、GPS和GLONASS三系统的船舶精确定位方法，其特征在于：步骤3中，GPS坐标系为WGS-84坐标系，步骤4中建立的三模伪距定位观测方程组具体如下：



式(3)中，和分别表示在当前观测历元t时刻下k颗北斗卫星、m颗GPS卫星和n颗GLONASS卫星经步骤2误差修正后的伪距测量值；

表示在当前观测历元t时刻下k颗北斗卫星经步骤31计算得到的在WGS-84坐标系中的空间位置坐标；

表示在当前观测历元t时刻下m颗GPS卫星经步骤31计算得到的在WGS-84坐标系中的空间位置坐标；

表示在当前观测历元t时刻下n颗GLONASS卫星经步骤31...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏亮，周晓安，夏金峰，王子骏，金家龙，宗成明，刘淑，
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，中国船舶重工集团公司第七二四研究所，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