一种多间基于定位信号转发的位置解算方法
1.本发明属于地基导航定位技术领域，具体涉及一种多间基于定位信号转发的位置解算方法。
背景技术：
2.地基导航系统定位技术是地面区域高精度定位的关键技术之一，既能够与gnss系统协同工作，又可以完全独立进行组网，在高精度单点定位、复杂城市环境定位等领域具有广泛应用。
3.目前，已经在各领域应用的地基导航系统有塔康系统、罗兰—c系统以及locata等。塔康系统是一种二次雷达系统，可以测得载体相对导航台的方位和斜距，主要应用于飞机导航领域，其主要原理是通过地面塔台与被测载体之间发射与接收雷达信号的方式实现斜距和方位计算。罗兰—c系统是脉冲—相位测距差双曲线导航系统，在我国主要应用于航海船只定位，通过主台与副台形成发射台链，且至少需要三个发射台组成一个双曲线台链。主要原理是在工作区内某点接收同一台链主副台信号到达的时间差，利用电波传播速度稳定的原理，时间差转换为距离差，具有相同距离差的点的轨迹是以发射台为焦点的一条双曲线，如果能获取两条相交的曲线，则其交点就是载体定位位置。locata系统是澳大利亚locata公司开发的一种基于严格时间同步的地基导航定位系统，主要应用于小区域内高精度定位，其主要原理是通过地面四个及以上多个间实现纳秒级时间同步，减小用户接收机接收定位信号的时延，从而实现精确空间定位。
4.但是，塔康系统与罗兰—c系统均是固定塔台及台链后，然后对工作区域内载体进行位置捕捉，由于塔台及台链建设完成很难移动，因此极大的影响了定位系统的灵活性。locata系统虽然地面架设比较灵活，但是其高精度定位指标的实现主要依赖于间严格时间同步技术，无论对时钟硬件还是定位算法均具有较高要求，极大的提高了定位系统的成本，增加了定位算法的复杂度。
5.现有地基导航系统的低自由度和复杂性，极大的限制了地基导航系统的广泛应用。
技术实现要素：
6.为解决上述技术问题，本发明提出了一种多间基于定位信号转发的位置解算方法，提高地基导航系统的灵活性，降低整个系统的搭建成本，拓宽地基导航系统的应用价值。
7.本发明采用的技术方案为：一种多间基于定位信号转发的位置解算方法，具体步骤如下：
8.步骤1：主站b0首先向外广播定位信号s0(t)，定位信号中调制有主站自身的定位信息d0；
9.步骤2：从站b1接收到s0(t)之后，将主站位置信息替换为自身位置信息d1，并发送
定位信号s1(t)，由主站发送s0(t)到从站发送s1(t)所需的时间记为t
b1
；
10.步骤3：从站b2接收到s0(t)之后，将主站位置信息替换为自身位置信息d2，并发送定位信号s2(t)，由主站发送s0(t)到从站发送s2(t)所需的时间记为t
b2
；
11.步骤4：从站b3接收到s0(t)之后，将主站位置信息替换为自身位置信息d3，并发送定位信号s3(t)，由主站发送s0(t)到从站发送s3(t)所需的时间记为t
b3
；
12.步骤5：用户接收机分别在自身时钟的时刻接收到s0(t)、s1(t)、s2(t)、s3(t)；
13.步骤6：主站与从站间进行收发测量，即主站发送时延测量信号到从站，主站发送信号时刻在主站时钟内记为从站接收到时延测量信号后，重新发送给主站，主站接受到从站回传的信号时刻在主站时钟内记为
14.步骤7：基于以上过程标定的时间信息，根据测得时延与前面步骤中推导出的主站、从站分别与待捕捉物体之间的距离关系，构造方程组，利用矩阵形式的牛顿法进行迭代求解。
15.进一步地，所述步骤7中，具体步骤如下：
16.构造方程组如下：
[0017][0018]
其中，根据定位信号中四个的位置信息，将四个站的坐标分别记为b0(x0,y0,z0)、b1(x1,y1,z1)、b2(x2,y2,z2)、b3(x3,y3,z3)，待捕捉物体的位置坐标记为r(x,y,z)，c表示光速。
[0019]
在以上方程组的解析解较难求得的情况下，利用矩阵形式的牛顿法进行迭代求解：令φ＝[x,y,z]
t
，t表示矩阵的转置，待求目标f(φ)＝[f1(φ),f2(φ),f3(φ)]
t
，和三阶jacobi矩阵牛顿法对于单一方程的计算迭代方法如下：
[0020][0021]
其中，x
(k)
和x
(k+1)
分别代表在第k和k+1次迭代时的目标位置信息；
[0022]
将上式改写为矩阵形式如下：
[0023][0024]
对上式进行迭代，直至数值收敛，得到待捕捉物体坐标的数值解(x,y,z)。
[0025]
本发明的有益效果：本发明的方法，通过信号转发方式实现位置解算，将被测载体作为接收机，在地面搭建多协同通信网络，采用信号转发实现位置解算。本发明的方法消除了对严格时间同步的要求，同时降低了硬件设计与信号处理算法的难度，消除了locata等地基导航系统对严格时间同步的要求，同时降低了硬件设计与信号处理算法的难度，极大的提高了地基导航系统的灵活性，可扩展性，低成本可配置与灵活性，同时，该系统具有良好的可扩展性，将系统工作区域内被测载体都作为独立接收机，每个载体的位置都可以单独计算捕捉，定位载体不需要与进行直接通信，因此区域内多物体的定位解算很容易通过该方法实现。
附图说明
[0026]
图1为本发明一种多间基于定位信号转发的位置解算方法的流程图。
[0027]
图2为本发明实施例中的单物体位置捕捉示意图。
[0028]
图3为本发明实施例中通信网络扩展示意图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图对本发明的方法作进一步的说明。
[0030]
如图1所示，本发明一种多间基于定位信号转发的位置解算方法流程图，下面以单载体在某一时刻位置捕捉为例说明整个系统对被测载体位置解算的具体捕捉流程，具体步骤如下：
[0031]
如图2所示，本实施例中的单物体轨迹捕捉示意图，整个系统包括四个地面和一个待捕捉物体组成，待捕捉物体应携带接收机。
[0032]
步骤1：由信号转发流程可知，四个定位信号中携带的信息分别为：
[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，由主站发送si(t)到从站发送si(t)所需的时间记为t
bi
(i＝0,1,2,3)，主站发送信号对自身无时延，故t
b0
＝0。
[0038]
步骤2：主站信号到达待捕捉物体与从站定位信号到达接收机的时间差分别记为：
[0039]
[0040][0041][0042]
其中，为用户接收到信息si(t)时的本地时间。
[0043]
根据距离时间公式，可以计算出从站到待捕捉物体的距离与主站到待捕捉物体的距离差为：
[0044]
δρ1＝c
×
δt1[0045]
δρ2＝c
×
δt2[0046]
δρ3＝c
×
δt3[0047]
其中，c＝3
×
108m/s为光速。
[0048]
步骤3：根据定位信号中四个的位置信息，将四个站的坐标分别记为b0(x0,y0,z0)、b1(x1,y1,z1)、b2(x2,y2,z2)、b3(x3,y3,z3)，待捕捉物体的位置坐标记为r(x,y,z)，设主站到待捕捉物体的距离为l0，从站到待捕捉物体的距离分别记为l1、l2、l3。则根据距离坐标公式与上步推导出的距离差可以得到：
[0049]
l1＝l0+δρ1[0050]
l2＝l0+δρ2[0051]
l3＝l0+δρ3[0052]
其中：
[0053][0054][0055][0056]
步骤4：考虑主站与从站硬件结构相似，初步假设主站信号处理时间与从站信号处理所用时间相同，均记为t0,以主站和从站为例，设主站与从站间距离分别为l1、l2、l3，则有：
[0057][0058]
则主站发送定位信号到从站发送定位信号的延迟分别为：
[0059][0060][0061][0062]
其中，分别为主站b0向从站b2发送载波与接收到从站反馈的载波时主站时钟所记时刻，分别为主站b0向从站b3发送载波与接收到从站反馈的载波时主站时钟所记时刻。
[0063]
步骤5：根据测得时延与前面步骤中推导出的主站、从站分别与待捕捉物体之间的距离关系可得：
[0064][0065]
作为一个非齐次非线性三元高次方程组，该方程组构成极其复杂，尽管可以通过计算机符号方程计算的方式得到解析解，但即便是求出解析解，其解集组成也非常复杂，解析解将包含大量的交叉项，具体实现将非常困难。
[0066]
综上，本实施例尝试利用数值解的求解方法进行计算，对于非线性方程组的求解，其可以视为一组非线性系统在三个约束条件下的求解。这里给出一种解法，考虑牛顿法的扩展，令φ＝[x,y,z]
t
，t表示矩阵的转置，待求目标f(φ)＝[f1(φ),f2(φ),f3(φ)]
t
，和三阶jacobi矩阵牛顿法对于单一方程的计算迭代方法如下：
[0067][0068]
其中，x
(k)
和x
(k+1)
分别代表在第k和k+1次迭代时的目标位置信息。
[0069]
将上式改写为矩阵形式如下：
[0070][0071]
对上式进行迭代，直至数值收敛。
[0072]
如图3所示，本发明方法的多通信网络多载体扩展示意图，可以简单的通过给工作区域内被测载体安装接收机的方式，使系统扩展为多目标位置解算系统。
[0073]
通过本发明的具体实施例可以看出，在地基导航系统中，本发明提供的位置解算方法更加适合于系统迁移性要求高、被测载体数量灵活可变等场景，特别是当卫星信号差、临时定位网络要求迅速搭建、被测载体数量灵活时，本发明提供的位置解算方法大大提高了系统的灵活性与可靠性，位置解算不受被测载体数量限制，同时不依赖严格时间同步技术，组网灵活迅速，不依赖卫星信号进行系统同步。
[0074]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内，本发明未详细说明部分，为本领域内人员公知常识。
技术特征：
1.一种多间基于定位信号转发的位置解算方法，具体步骤如下：步骤1：主站b0首先向外广播定位信号s0(t)，定位信号中调制有主站自身的定位信息d0；步骤2：从站b1接收到s0(t)之后，将主站位置信息替换为自身位置信息d1，并发送定位信号s1(t)，由主站发送s0(t)到从站发送s1(t)所需的时间记为t
b1
；步骤3：从站b2接收到s0(t)之后，将主站位置信息替换为自身位置信息d2，并发送定位信号s2(t)，由主站发送s0(t)到从站发送s2(t)所需的时间记为t
b2
；步骤4：从站b3接收到s0(t)之后，将主站位置信息替换为自身位置信息d3，并发送定位信号s3(t)，由主站发送s0(t)到从站发送s3(t)所需的时间记为t
b3
；步骤5：用户接收机分别在自身时钟的时刻接收到s0(t)、s1(t)、s2(t)、s3(t)；步骤6：主站与从站间进行收发测量，即主站发送时延测量信号到从站，主站发送信号时刻在主站时钟内记为从站接收到时延测量信号后，重新发送给主站，主站接受到从站回传的信号时刻在主站时钟内记为步骤7：基于以上过程标定的时间信息，根据测得时延与前面步骤中推导出的主站、从站分别与待捕捉物体之间的距离关系，构造方程组，利用矩阵形式的牛顿法进行迭代求解。2.根据权利要求1所述的一种多间基于定位信号转发的位置解算方法，其特征在于，所述步骤7中，具体步骤如下：构造方程组如下：其中，根据定位信号中四个的位置信息，将四个站的坐标分别记为b0(x0,y0,z0)、b1(x1,y1,z1)、b2(x2,y2,z2)、b3(x3,y3,z3)，待捕捉物体的位置坐标记为r(x,y,z)，c表示光速；利用矩阵形式的牛顿法进行迭代求解：令φ＝[x,y,z]
t
，t表示矩阵的转置，待求目标f(φ)＝[f1(φ),f2(φ),f3(φ)]
t
，和三阶jacobi矩阵牛顿法对于单一方程的计算迭代方法如下：其中，x
(k)
和x
(k+1)
分别代表在第k和k+1次迭代时的目标位置信息；将上式改写为矩阵形式如下：
对上式进行迭代，直至数值收敛，得到待捕捉物体坐标的数值解(x,y,z)。
技术总结
本发明公开了一种多间基于定位信号转发的位置解算方法，通过信号转发方式实现位置解算，将被测载体作为接收机，在地面搭建多协同通信网络，采用信号转发实现位置解算。本发明的方法消除了对严格时间同步的要求，同时降低了硬件设计与信号处理算法的难度，消除了Locata等地基导航系统对严格时间同步的要求，同时降低了硬件设计与信号处理算法的难度极大的提高了地基导航系统的灵活性，可扩展性，低成本可配置与灵活性，同时，该系统具有良好的可扩展性，将系统工作区域内被测载体都作为独立接收机，每个载体的位置都可以单独计算捕捉，定位载体不需要与进行直接通信，因此区域内多物体的定位解算很容易通过该方法实现。方法实现。方法实现。
