一种基于相对位置约束的双星定位方法.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252017V01．38No．5SSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaa．edu．ca一种基于相对位置约束的双星定位方法李正，张海”，王伟扬北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083摘要：全球卫星定位系统(GNSS)需要至少4颗卫星才能提供持续、准确的定位结果。在有障碍物遮挡的城市街道、山谷或者存在压制式干扰的战场环境中，往往会出现可见星数量降

2、低至4颗以下的情况。针对只有2颗可见星的定位问题，提出了通过相对位置变化对绝对位置进行解算的定位模型，证明了该模型的可行性，并研究了该模型的数值计算方法和几何搜索方法。仿真实验和实际跑车试验表明，在只有2颗可见星条件下，该方法的定位精度明显优于传统的INs／GNss紧组合算法，并且对初始位置的精度不具有依赖性。关键词：全球卫星定位系统；两颗可见星；定位；相对位置约束；组合导航中图分类号：V241．62+5文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)05—320503—15全球卫星定位系统(GNSS)在

3、组合导航[1]、智能交通[2]、大地测量[3]、精密单点定位[4巧1等领域有广泛的应用。传统的GNSS定位算法需要4颗可见星才能有效定位邛]。但在城市街区、隧道、山谷以及压制式干扰等困难环境中，上述条件通常不易满足[7]。当只有3颗可见星时，通过接收机的海拔高度辅助，以及惯性导航系统(INS)与GNSS组合Kalman滤波的方法能够获得较好的定位结果[8]。但可见星只有2颗时，传统的组合导航滤波器观测信息不足，滤波结果将随惯导累积误差迅速发散[9。1⋯。针对2颗星定位问题，文献[11]提出了一种城市内移动车辆的

4、定位算法，该算法在前一时刻位置已知的前提下，通过测量两个时刻车辆的直线距离，对当前时刻的位置进行解算。该算法虽然精度较高，但由于是递推算法，所以对初始位置有较高的精度要求，且车辆在运动过程中不能有明显的高度变化口1

5、。文献[12]通过研究高精度铷原子钟的误差模型，在可见星不足的情况下对接收机钟差进行预测，同时结合高度信息解决2颗星的定位问题。文献[13-14]提出了在弱信号情况下，通过改进数值计算方法，实现只有2颗可见星的定位方法。但是该方法只能解决单点定位问题，对于运动载体，无法满足实时性要求。文献[15—1

6、6]等通过设计新的自适应滤波方法，降低只有2颗可见星时的定位误差，但是在定位原理上仍没有突破性进展。针对以上算法存在的不足，本文提出了根据相对位置变化对载体的绝对位置进行解算的方法。该方法对载体的运动模式没有约束，不依赖于初始位置精度，且定位误差没有累积效应。文章的主要内容包含4个方面：首先对基于相对位置约束的两颗星定位模型进行介绍；第二，对算法的可行性进行了理论分析；第三，给出了定位结果的两种数值解法；最后通过仿真实验，验证算法的有效性和定位精度。收稿日期：2016—06—07；退修El期：2016-11—0

7、9；录用日期：2017-01—08；网络出版时间：2017—02—1311：46网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V20170213．1146．002htmI*通讯作者．E—mail：zhanghai@buaaeducn}

8、帛格式：李正．张海，I伟扬一种基于相对位置约束的双星定位方法[J]．航空学报．2017。38(5)：320503LIZ。ZHANGH，WANGWY。Apositioningmethodwithtwosatellitesbyrelativepositi

9、onconstram蜓JjActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017．38(5)：320503320503—1航空学报1定位原理1．1基本思想卫星接收机获得的伪距信息在地心地固(ECEF)坐标系下一般表述为口7]p=~／(z—z。)2+(y—y。)2+(2一≮)2+&。(1)式中：[zYz]T为接收机的位置；[z。y。z，]T为卫星位置；6￡。为接收机的钟差。接收机位于以卫星为球心半径为P一艿f。的球面上。当有2颗可见星时，如图1所示，两球面相交于一空间圆，该圆为接收机位置

10、的可行解轨道。图1中，圆心C坐标为[孔Y。2。]7，半径为rc，轨道平面的法向量为n。，两星间距离为d，则fd—fs，一S。I,nc一学I————————．rc一2、／p(P—P·+8￡。)(p—P2+8￡。)(p--d)／d{P一(pl+p一2艿f。+d)／2I[zfyc幻]’一k[妇y。2％]’一(1一尼)[幻Y。lz。1]7lk一[(P1一&。)2一(肛一艿f。)2+d2]／2d