一種單星定位裝置與方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于導航定位領域，尤其設及一種包括微型傳感測量器件的單星定位導航 裝置與方法。
【背景技術】
[0002] WGPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng)）為代表的各種GNSS(Global 化vigation Satellite System,全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）作為現(xiàn)代科學與技術的結晶，為人們 的生活與工作帶來了巨大的便利和變革。然而，GPS類衛(wèi)星定位系統(tǒng)也并非盡善盡美，其本 身仍存在著一些明顯的不足。從測量學原理講，GNSS采用基于偽距測量的距離交會原理，需 要觀測4顆W上的衛(wèi)星才能順利進行=維定位和導航，所WGNSS依賴于完整和可靠的衛(wèi)星 星座。運使得GNSS的建設與維護需要花費大量的人力與物力，建設周期較長，系統(tǒng)復雜度較 高。而實際上，系統(tǒng)本身又比較脆弱，信號容易受到干擾。在諸如城市、高樓和山區(qū)等遮擋物 較多的環(huán)境下，觀測衛(wèi)星數(shù)目容易少于4顆，此時傳統(tǒng)的導航定位模型將無法進行實時定 位。若在戰(zhàn)時等特殊時期，其可用性更會大大降低。一份來自美國海軍研究GI^衛(wèi)星系統(tǒng)未 來發(fā)展的研究報告曾明確指出：如果不對GI^系統(tǒng)進行大規(guī)模的建設與改造，那么由于其脆 弱性與易干擾性，衛(wèi)星星座與信號將很容易受到干擾或破壞，因此也將無法適用于未來戰(zhàn) 爭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提出一種包括微傳感器件的單星或 單基站或單信號源定位裝置與方法，在僅有一顆測距衛(wèi)星或單基站時也能實現(xiàn)具有一定精 度水平的連續(xù)=維定位。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0005] -種單星定位裝置，包括用戶終端和一顆具有測距功能的衛(wèi)星或單基站或單信號 源，用戶終端安裝了氣壓測高忍片、測角部件、計步器、囚禁原子鐘CPT(Coherent Popul曰tion Tr曰ppin邑）。其中，
[0006] 所述單衛(wèi)星、單基站或單信號源為導航定位提供基準點，測量與用戶終端的偽距 值。
[0007] 所述氣壓測高忍片用W測量用戶終端所處位置的氣壓值，將所述氣壓值轉換后得 到大地高程值。
[000引所述測角部件利用慣性或磁場測量用戶終端運動的方位角度及方位角度的變化 量。
[0009] 所述囚禁原子鐘CPT用于提供時間和頻率值。
[0010] 所述計步器用于測量用戶終端行進的步距值。
[0011] 進一步地，所述測角部件為一指北計。
[0012] 進一步地，所述測角部件包括巧螺儀和加速度計。
[0013] 進一步地，所述囚禁原子鐘CPT提供的時間和頻率值的時頻穩(wěn)定度優(yōu)于1(TW。
[0014] -種應用所述單星定位裝置進行定位的方法，包括W下步驟：
[0015] 步驟1，用戶終端接收來自具有所述測距功能的衛(wèi)星或單基站或單信號源的導航 信號，解調后得到導航電文和一個偽距測量值，消除偽距測量值中包括接收終端鐘差的誤 差，得到用戶終端與所述衛(wèi)星或單基站之間的偽距測量值P1。用戶終端位于W所述衛(wèi)星或 基站或信號源為球屯、、Wpi為半徑的球面上。
[0016] 步驟2,由所述氣壓測高忍片測得用戶終端所處位置的大地高程值h，得到高程值 為h的等高程約束曲面，用戶終端位于所述等高程約束曲面上。
[0017] 步驟3,步驟1所述的球面與步驟2所述的等高程約束曲面交會得到一個圓S，用戶 終端位于所述圓S上。
[0018] 步驟4,由測角部件測得用戶終端運動的方位角及變化量，所述方位角為用戶終端 運動方向與正北的夾角。若上一觀測歷元用戶終端位于化(xo，yo，zo)處，上一觀測歷元測得 的方位角為〇1，過點Uo、方向與用戶終端運動方向相同的直線與步驟3所述圓S的交點即為當 前觀測歷元的用戶終端位置化(X，y，Z)。
[0019] 步驟5,由所述計步器獲得步距，采用廣義融合方法修正終端位置化(x，y，z)。
[0020] 進一步地，步驟1所述的球面方程為：
[0021] ^('r-.v,)]+(.r-.v.|):!+(z-Z|r =巧
[0022] 其中，（xi，yi，zi)為衛(wèi)星或基站的坐標。
[0023] 進一步地，步驟2所述的等高程約束曲面的方程為：
[0025]其中，a、b分別為地球楠圓的長軸和短軸的長度。
[00%]進一步地，步驟4所述的直線的方程為：
[0027] 廠y〇 = tanai X (X-X0)
[0028] 進一步地，用戶終端處于海洋環(huán)境時，所述等高程約束曲面為海平面。
[0029] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0030] 本發(fā)明所述的定位裝置采用氣壓測高忍片、巧螺儀、計步器等傳感器器件，實現(xiàn)了 一類基于單顆衛(wèi)星測距的導航定位方法。本發(fā)明所述方法的定位原理不同于傳統(tǒng)的GPS類 衛(wèi)星系統(tǒng)，擺脫了四星定位的限制，方法簡單易行，既能用作衛(wèi)星數(shù)目較少時傳統(tǒng)GPS類衛(wèi) 星定位系統(tǒng)的補充和輔助，亦可作為一種獨立的定位方法，能夠廣泛適用于手機定位、LBS 化ocation Based Service,基于位置的服務）、海洋浮標和輪船的定位與監(jiān)測等領域。
【附圖說明】
[0031] 圖1為曲面交會示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明單星定位示意圖；
[0033] 圖3為定位累積誤差消除示意圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0035] 近年來，隨著導航定位、電子信息、LBS產(chǎn)業(yè)等技術領域的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多嶄 新的定位設備、技術與方法。例如，目前廉價且微型的氣壓測高忍片、微巧螺儀忍片、計步器 等傳感器，已經(jīng)可W測量得到較高精度的高程值、角度和步距等信息，并已被集成到手機等 定位終端之中，參與導航與定位功能。CPT(Coherent Population Trapping,囚禁原子鐘或 高精度晶振）已經(jīng)可W達到優(yōu)于的時頻穩(wěn)定度，且價格可W控制在千元量級。因此，在 某些定位終端設備中已經(jīng)可W配備CPT原子鐘，W便直接獲得接收機時鐘與衛(wèi)星(或基站或 單信號源)時鐘之間的差值。
[0036] 本發(fā)明所述的單星定位裝置，包括用戶終端和一顆具有測距功能的衛(wèi)星或單基站 或單信號源(任意一個可利用的信號福射源）。用戶終端至少包括氣壓測高忍片、測角部件、 計步器、囚禁原子鐘CPT。其中，
[0037] 氣壓測高忍片用W測量用戶終端所處位置的氣壓值。氣壓值與大地高程相關聯(lián)， 將測量得到的氣壓值轉換成大地高程值，解決大地高程的度量問題。
[0038] 測角部件利用慣性原理或磁場測量得到方位角度及方位角度的變化量，解決行進 時的方向問題。測角部件可W采用指北計，也可W由巧螺儀和加速度計完成測角。
[0039] 計步器利用加速度計獲得用戶終端的速度和步距。根據(jù)速度和步距信息，采用廣 義融合方法修正終端位置化(X，y，Z)。
[0040] 用戶終端可W是一部普通的手機，因此氣壓測高忍片、測角部件和測速部件均采 用微型忍片，它們的尺寸小到足W使它們能夠安裝到手機的線路板上。
[0041] 囚禁原子鐘CPT用W提供高穩(wěn)定性的時間和頻率值，能夠提供穩(wěn)定度優(yōu)于IO-W的 時頻信號。高穩(wěn)定度的時頻信號能夠為用戶終端提供高精度的偽距測量值。也可W采用高 精度晶振代替囚禁原子鐘CPT。
[0042] 單衛(wèi)星或單基站或單信號源為導航定位提供基準點，同時還用W