一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法
1.本發明屬于地基導航定位技術領域，具體涉及一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法。
背景技術：
2.地基導航系統定位技術是地面區域高精度定位的關鍵技術之一，既能夠與gnss系統協同工作，又可以完全獨立進行組網，在高精度單點定位、復雜城市環境定位等領域具有廣泛應用。
3.目前，已經在各領域應用的地基導航系統有塔康系統、羅蘭—c系統以及locata等。塔康系統是一種二次雷達系統，可以測得載體相對導航臺的方位和斜距，主要應用于飛機導航領域，其主要原理是通過地面塔臺與被測載體之間發射與接收雷達信號的方式實現斜距和方位計算。羅蘭—c系統是脈沖—相位測距差雙曲線導航系統，在我國主要應用于航海船只定位，通過主臺與副臺形成發射臺鏈，且至少需要三個發射臺組成一個雙曲線臺鏈。主要原理是在工作區內某點接收同一臺鏈主副臺信號到達的時間差，利用電波傳播速度穩定的原理，時間差轉換為距離差，具有相同距離差的點的軌跡是以發射臺為焦點的一條雙曲線，如果能獲取兩條相交的曲線，則其交點就是載體定位位置。locata系統是澳大利亞locata公司開發的一種基于嚴格時間同步的地基導航定位系統，主要應用于小區域內高精度定位，其主要原理是通過地面四個及以上多個間實現納秒級時間同步，減小用戶接收機接收定位信號的時延，從而實現精確空間定位。
4.但是，塔康系統與羅蘭—c系統均是固定塔臺及臺鏈后，然后對工作區域內載體進行位置捕捉，由于塔臺及臺鏈建設完成很難移動，因此極大的影響了定位系統的靈活性。locata系統雖然地面架設比較靈活，但是其高精度定位指標的實現主要依賴于間嚴格時間同步技術，無論對時鐘硬件還是定位算法均具有較高要求，極大的提高了定位系統的成本，增加了定位算法的復雜度。
5.現有地基導航系統的低自由度和復雜性，極大的限制了地基導航系統的廣泛應用。
技術實現要素：
6.為解決上述技術問題，本發明提出了一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法，提高地基導航系統的靈活性，降低整個系統的搭建成本，拓寬地基導航系統的應用價值。
7.本發明采用的技術方案為：一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法，具體步驟如下：
8.步驟1：主站b0首先向外廣播定位信號s0(t)，定位信號中調制有主站自身的定位信息d0；
9.步驟2：從站b1接收到s0(t)之后，將主站位置信息替換為自身位置信息d1，并發送
定位信號s1(t)，由主站發送s0(t)到從站發送s1(t)所需的時間記為t
b1
；
10.步驟3：從站b2接收到s0(t)之后，將主站位置信息替換為自身位置信息d2，并發送定位信號s2(t)，由主站發送s0(t)到從站發送s2(t)所需的時間記為t
b2
；
11.步驟4：從站b3接收到s0(t)之后，將主站位置信息替換為自身位置信息d3，并發送定位信號s3(t)，由主站發送s0(t)到從站發送s3(t)所需的時間記為t
b3
；
12.步驟5：用戶接收機分別在自身時鐘的時刻接收到s0(t)、s1(t)、s2(t)、s3(t)；
13.步驟6：主站與從站間進行收發測量，即主站發送時延測量信號到從站，主站發送信號時刻在主站時鐘內記為從站接收到時延測量信號后，重新發送給主站，主站接受到從站回傳的信號時刻在主站時鐘內記為
14.步驟7：基于以上過程標定的時間信息，根據測得時延與前面步驟中推導出的主站、從站分別與待捕捉物體之間的距離關系，構造方程組，利用矩陣形式的牛頓法進行迭代求解。
15.進一步地，所述步驟7中，具體步驟如下：
16.構造方程組如下：
[0017][0018]
其中，根據定位信號中四個的位置信息，將四個站的坐標分別記為b0(x0,y0,z0)、b1(x1,y1,z1)、b2(x2,y2,z2)、b3(x3,y3,z3)，待捕捉物體的位置坐標記為r(x,y,z)，c表示光速。
[0019]
在以上方程組的解析解較難求得的情況下，利用矩陣形式的牛頓法進行迭代求解：令φ＝[x,y,z]
t
，t表示矩陣的轉置，待求目標f(φ)＝[f1(φ),f2(φ),f3(φ)]
t
，和三階jacobi矩陣牛頓法對于單一方程的計算迭代方法如下：
[0020][0021]
其中，x
(k)
和x
(k+1)
分別代表在第k和k+1次迭代時的目標位置信息；
[0022]
將上式改寫為矩陣形式如下：
[0023][0024]
對上式進行迭代，直至數值收斂，得到待捕捉物體坐標的數值解(x,y,z)。
[0025]
本發明的有益效果：本發明的方法，通過信號轉發方式實現位置解算，將被測載體作為接收機，在地面搭建多協同通信網絡，采用信號轉發實現位置解算。本發明的方法消除了對嚴格時間同步的要求，同時降低了硬件設計與信號處理算法的難度，消除了locata等地基導航系統對嚴格時間同步的要求，同時降低了硬件設計與信號處理算法的難度，極大的提高了地基導航系統的靈活性，可擴展性，低成本可配置與靈活性，同時，該系統具有良好的可擴展性，將系統工作區域內被測載體都作為獨立接收機，每個載體的位置都可以單獨計算捕捉，定位載體不需要與進行直接通信，因此區域內多物體的定位解算很容易通過該方法實現。
附圖說明
[0026]
圖1為本發明一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法的流程圖。
[0027]
圖2為本發明實施例中的單物體位置捕捉示意圖。
[0028]
圖3為本發明實施例中通信網絡擴展示意圖。
具體實施方式
[0029]
下面結合附圖對本發明的方法作進一步的說明。
[0030]
如圖1所示，本發明一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法流程圖，下面以單載體在某一時刻位置捕捉為例說明整個系統對被測載體位置解算的具體捕捉流程，具體步驟如下：
[0031]
如圖2所示，本實施例中的單物體軌跡捕捉示意圖，整個系統包括四個地面和一個待捕捉物體組成，待捕捉物體應攜帶接收機。
[0032]
步驟1：由信號轉發流程可知，四個定位信號中攜帶的信息分別為：
[0033]
s0(t):d0、t
0r
、t
b0
[0034]
s1(t):d1、t
1r
、t
b1
[0035]
s2(t):d2、t
2r
、t
b2
[0036]
s3(t):d3、t
3r
、t
b3
[0037]
其中，由主站發送si(t)到從站發送si(t)所需的時間記為t
bi
(i＝0,1,2,3)，主站發送信號對自身無時延，故t
b0
＝0。
[0038]
步驟2：主站信號到達待捕捉物體與從站定位信號到達接收機的時間差分別記為：
[0039]
[0040][0041][0042]
其中，為用戶接收到信息si(t)時的本地時間。
[0043]
根據距離時間公式，可以計算出從站到待捕捉物體的距離與主站到待捕捉物體的距離差為：
[0044]
δρ1＝c
×
δt1[0045]
δρ2＝c
×
δt2[0046]
δρ3＝c
×
δt3[0047]
其中，c＝3
×
108m/s為光速。
[0048]
步驟3：根據定位信號中四個的位置信息，將四個站的坐標分別記為b0(x0,y0,z0)、b1(x1,y1,z1)、b2(x2,y2,z2)、b3(x3,y3,z3)，待捕捉物體的位置坐標記為r(x,y,z)，設主站到待捕捉物體的距離為l0，從站到待捕捉物體的距離分別記為l1、l2、l3。則根據距離坐標公式與上步推導出的距離差可以得到：
[0049]
l1＝l0+δρ1[0050]
l2＝l0+δρ2[0051]
l3＝l0+δρ3[0052]
其中：
[0053][0054][0055][0056]
步驟4：考慮主站與從站硬件結構相似，初步假設主站信號處理時間與從站信號處理所用時間相同，均記為t0,以主站和從站為例，設主站與從站間距離分別為l1、l2、l3，則有：
[0057][0058]
則主站發送定位信號到從站發送定位信號的延遲分別為：
[0059][0060][0061][0062]
其中，分別為主站b0向從站b2發送載波與接收到從站反饋的載波時主站時鐘所記時刻，分別為主站b0向從站b3發送載波與接收到從站反饋的載波時主站時鐘所記時刻。
[0063]
步驟5：根據測得時延與前面步驟中推導出的主站、從站分別與待捕捉物體之間的距離關系可得：
[0064][0065]
作為一個非齊次非線性三元高次方程組，該方程組構成極其復雜，盡管可以通過計算機符號方程計算的方式得到解析解，但即便是求出解析解，其解集組成也非常復雜，解析解將包含大量的交叉項，具體實現將非常困難。
[0066]
綜上，本實施例嘗試利用數值解的求解方法進行計算，對于非線性方程組的求解，其可以視為一組非線性系統在三個約束條件下的求解。這里給出一種解法，考慮牛頓法的擴展，令φ＝[x,y,z]
t
，t表示矩陣的轉置，待求目標f(φ)＝[f1(φ),f2(φ),f3(φ)]
t
，和三階jacobi矩陣牛頓法對于單一方程的計算迭代方法如下：
[0067][0068]
其中，x
(k)
和x
(k+1)
分別代表在第k和k+1次迭代時的目標位置信息。
[0069]
將上式改寫為矩陣形式如下：
[0070][0071]
對上式進行迭代，直至數值收斂。
[0072]
如圖3所示，本發明方法的多通信網絡多載體擴展示意圖，可以簡單的通過給工作區域內被測載體安裝接收機的方式，使系統擴展為多目標位置解算系統。
[0073]
通過本發明的具體實施例可以看出，在地基導航系統中，本發明提供的位置解算方法更加適合于系統遷移性要求高、被測載體數量靈活可變等場景，特別是當衛星信號差、臨時定位網絡要求迅速搭建、被測載體數量靈活時，本發明提供的位置解算方法大大提高了系統的靈活性與可靠性，位置解算不受被測載體數量限制，同時不依賴嚴格時間同步技術，組網靈活迅速，不依賴衛星信號進行系統同步。
[0074]
本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內，本發明未詳細說明部分，為本領域內人員公知常識。
技術特征：
1.一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法，具體步驟如下：步驟1：主站b0首先向外廣播定位信號s0(t)，定位信號中調制有主站自身的定位信息d0；步驟2：從站b1接收到s0(t)之后，將主站位置信息替換為自身位置信息d1，并發送定位信號s1(t)，由主站發送s0(t)到從站發送s1(t)所需的時間記為t
b1
；步驟3：從站b2接收到s0(t)之后，將主站位置信息替換為自身位置信息d2，并發送定位信號s2(t)，由主站發送s0(t)到從站發送s2(t)所需的時間記為t
b2
；步驟4：從站b3接收到s0(t)之后，將主站位置信息替換為自身位置信息d3，并發送定位信號s3(t)，由主站發送s0(t)到從站發送s3(t)所需的時間記為t
b3
；步驟5：用戶接收機分別在自身時鐘的時刻接收到s0(t)、s1(t)、s2(t)、s3(t)；步驟6：主站與從站間進行收發測量，即主站發送時延測量信號到從站，主站發送信號時刻在主站時鐘內記為從站接收到時延測量信號后，重新發送給主站，主站接受到從站回傳的信號時刻在主站時鐘內記為步驟7：基于以上過程標定的時間信息，根據測得時延與前面步驟中推導出的主站、從站分別與待捕捉物體之間的距離關系，構造方程組，利用矩陣形式的牛頓法進行迭代求解。2.根據權利要求1所述的一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法，其特征在于，所述步驟7中，具體步驟如下：構造方程組如下：其中，根據定位信號中四個的位置信息，將四個站的坐標分別記為b0(x0,y0,z0)、b1(x1,y1,z1)、b2(x2,y2,z2)、b3(x3,y3,z3)，待捕捉物體的位置坐標記為r(x,y,z)，c表示光速；利用矩陣形式的牛頓法進行迭代求解：令φ＝[x,y,z]
t
，t表示矩陣的轉置，待求目標f(φ)＝[f1(φ),f2(φ),f3(φ)]
t
，和三階jacobi矩陣牛頓法對于單一方程的計算迭代方法如下：其中，x
(k)
和x
(k+1)
分別代表在第k和k+1次迭代時的目標位置信息；將上式改寫為矩陣形式如下：
對上式進行迭代，直至數值收斂，得到待捕捉物體坐標的數值解(x,y,z)。
技術總結
本發明公開了一種多間基于定位信號轉發的位置解算方法，通過信號轉發方式實現位置解算，將被測載體作為接收機，在地面搭建多協同通信網絡，采用信號轉發實現位置解算。本發明的方法消除了對嚴格時間同步的要求，同時降低了硬件設計與信號處理算法的難度，消除了Locata等地基導航系統對嚴格時間同步的要求，同時降低了硬件設計與信號處理算法的難度極大的提高了地基導航系統的靈活性，可擴展性，低成本可配置與靈活性，同時，該系統具有良好的可擴展性，將系統工作區域內被測載體都作為獨立接收機，每個載體的位置都可以單獨計算捕捉，定位載體不需要與進行直接通信，因此區域內多物體的定位解算很容易通過該方法實現。方法實現。方法實現。
