[发明专利]一种虚拟稳定基线卫星定向方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及卫星定向技术领域，尤其涉及一种在形变条件下的卫星定向及数据处理方法和装置。

背景技术

以GPS(Global Positioning System,全球定位系统)为代表的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)可以提供全天时、全天候的高精度导航、定位和授时服务，在国防和经济建设中产生了巨大效益，是重要的空间和时间基础设施。我国独立自主的“北斗二号”区域卫星导航系统已于2012年底投入正式运营，该系统为我国及周边区域提供与GPS系统类似的服务功能，计划在2020年前后拓展为全球覆盖的卫星导航系统。

传统的卫星导航接收机通过测量接收机天线与至少四颗卫星的距离，可计算出接收机天线的三维位置。随着数据处理技术的发展，人们发现更为精确的接收机载波相位测量信息在完成载波整周模糊解算后，可用于精确的双天线相对定位，从而将单天线的定位功能拓展至多天线的定向定姿功能。早期的GPS系统仅提供单频点的民用服务信号，实现多天线定向的核心是实现快速、稳定的载波相位模糊度解算。随着GPS现代化计划、北斗卫星导航系统计划以及欧洲伽利略(GALILEO)卫星导航系统计划的兴起，未来的GNSS系统将提供双频甚至三频的民用服务信号，极大地加快载波相位解模糊算法的效率，推动基于高精度载波相位测量的卫星定向系统在工程测量、自动控制、航空航天等领域的进一步发展。

传统的卫星定向系统将两个GNSS天线固定在待测量基线两端，卫星定向系统计算出两个天线相位中心连线的方位角，从而确定待测量基线的方位。这种方法适用于GNSS天线易于安装，与待测量基线不发生相对形变的应用场合，但在某些振动、扭转等载体发生形变的应用场合中，GNSS天线的位置随着环境发生变化，与待测量基线之间的关系并不固定，导致卫星定向系统给出的定向结果并不是待测量基线的实时方位，从而限制了卫星定向系统在形变环境的应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的问题是在形变环境中利用卫星定向技术实现稳定的待测量基线的方位测量。为解决上述问题，本发明提出一种虚拟稳定基线卫星定向方法及其定向装置，该技术将光学成像测量技术应用于卫星定向系统，利用光学成像测量技术修正因形变导致的卫星定向系统基线与待测量基线偏差的定向方法，从而形成一个不受影响的虚拟稳定基线。

一种虚拟稳定基线卫星定向方法，其步骤如下：

S1.双天线卫星信号前端处理

两个GNSS天线的信号分别经过低噪声放大、自动增益控制、混频、滤波转化为中频模拟信号，再由A/D转换将模拟信号采样为数字信号；

S2.卫星信号基带处理和原始测量值生成

对数字信号进行捕获、跟踪和解调，在本地恢复出多颗卫星的实时载波相位和扩频码，获取对应的伪距、载波相位和电文原始观测数据；

S3.卫星定位定向解算

采用最小二乘或卡尔曼滤波方法进行定位解算得到两个天线的定位结果；采用Lamda算法完成所述的载波相位模糊度求解，若有两个天线基线长度的先验信息，也可采用快速降维法进行求解；根据单差或双差观测方程模型，利用解模糊后的载波相位计算两个卫星天线的相对定向结果；将相对定向结果转换到定位结果表征的当地东北天坐标系，得到卫星基线的定向测量值；

S4.光学成像系统形变测量

与其中一个GNSS天线固连的目标光源发出光束，与另一个GNSS天线固连的成像模块接收光束并对目标光源进行实时成像，根据图像中目标光源的位置变化，计算与光源和成像模块固连的两个天线的相对形变量；

S5.卫星定向结果修正输出

光学成像系统测得的相对形变量除以天线基线长度，得到以弧度表示的GNSS天线方位校正量，用GNSS天线的定向结果减去方位校正量，得到虚拟的稳定基线的定向结果。

一种虚拟稳定基线卫星定向装置，包括：

GNSS天线，用于安装在待测基线两端，若待测基线有多条可利用多个GNSS天线；

卫星定向接收模块，用于接收GNSS天线的导航信号，完成基于载波相位的GNSS天线基线的相对定位定向，输出至综合处理模块；

目标光源模块，该模块与其中一个GNSS天线固定连接，用于发出光束供光学成像模块接收；

光学成像模块，该模块与另一个GNSS天线固定连接，用于接收目标光源发出的光束并成像，获得目标光源的像在图像上的位移变化，作为形变量输出至综合处理模块；