一种单点相差定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线电定位技术，具体设及一种基于相差测量的单点定位方法。
【背景技术】
[0002] 基于位置的服务和位置感知计算在实际应用中已变得越来越重要，与此类应用相 关的智能机器人、智能家居、W及智能无线传感网等产业的发展已进入爆发期。尽管基于导 航卫星的定位技术很成熟，但因微波信号很容易被建筑物等物体吸收和反射，故不能用于 室内环境。然而目前有许多基于位置的服务和位置感知计算的需求是在非室外区域，无法 利用卫星定位功能，例如室内移动机器人自主行驶时，必须连续、实时的获得可靠、精确的 定位信息。
[0003] 现有的单点近距离无线定位主要是采用检测接收信号强度的方式予W实现的，此 种方法易受环境等因素的影响，定位精度不高。
[0004] 事实上，因种种原因，许多场合也难W利用多节点融合技术达到高精度定位的目 的。
【发明内容】
[0005] 针对位置服务和位置感知计算的应用需求，本发明的目的是利用相差变化率的多 通道相差测量法和相差变化率的无模糊检测法，将基于相差变化率的定位测距方程转化为 相差测向和无模糊程差差分的组合函数，一方面借助一维等距双基阵所测得的相差值解算 无模糊程差差分值，另一方面利用一维阵列的相差测向给定目标的方位值，由此给出了一 种能实现较高定位精度的单点相差定位方法。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的。
[0007] 对单基相差测向解进行微分导出相差变化率测距式。然后综合利用相差变化率的 多通道相差测量法和相差变化率的无模糊检测法，将基于相差变化率的测距方程转化为相 差测向和无模糊程差差分的组合函数。在此基础上，一方面借助一维等距双基阵所测得的 相差值解算无模糊程差差分值，另一方面利用一维阵列进行相差测向，给出目标的方位值， 由此实现了一种无需求解相位模糊和波长整周数差值的单点相差定位方法。
[0008] 误差分析证明由此设计方法所得到的测距精度接近于无波长整周数差值的测量 误差时的相对测距误差理论值，由分析所得到的结果是，总基线长度仅为20个波长即可对 50米W内的目标实现小于5%R的测量要求。
[0009] 具体包括W下步骤：
[0010] 步骤1、对单基相差测向式：
[0011]
(1)
[0012] 做微分处理可得到基于相差变化率的测距式：
[0013]
口）
[0014] 式中：θ为单基线中点处的目标到达角；d为基线长度；Δγ为程差；An是程差所 包含的波长整周数差值；AΦ为两阵元之间的相位差；λ为波长；r为目标距离；V为探测 平台的移动速度。
[0015] 步骤2、由相差变化率的多通道相差检测法：
[0016]
0)
[0017] W及相差变化率的无模糊检测法：
[0018]
(4)
[0019] 可将基于相差变化率的测距式（2)转换为与波长整周数差值无关，仅与方位角度 和相差测量有关的测距式：
[0020]
(5)
[0021] 其中，单位长度上程差差分项是一个仅与相差测量相关的分段等值函数：
[0022]
(6)
[0023] 步骤3、将测距式（5)视为相差测向和无模糊程差差分的组合函数，一方面通过由 一维等距双基阵测量得到的相差值解算无模糊程差差分值；另一方面利用一维阵列进行相 差测向，给出目标的方位值。
[0024] 本发明的特性：
[00巧]1.采用数十个波长的基线长度即可实现近距离实时单点定位。
[0026] 2.通过采用测向和无模糊程差差分的组合测量，避免了解相位模糊和对波长整周 数差值的检测问题，事实上对于较长基线，一般情况下解模糊是比较复杂的，甚至是难W实 现的，而波长整周数差值更是一个未知的参量。
[0027] 3.基于单基测向解所导出的相差变化率测距式，在数学表达形式上是更为严谨 的，更适用于较长基线的应用。
【附图说明】
[0028] 图1:一维双基阵
[0029] 图2:程差差分的分段等值函数曲线
[0030] 图3:两点间纵向位置偏差
[0031] 图4:不同目标距离时的相对测距误差
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图1-图4进一步说明本发明是如何实现的。
[003引 实施例
[0034] 一种可实现较高测量精度的单点相差定位方法。附图1是一维双基阵；附图2给 出了程差差分的分段等值函数曲线；附图3描述了两点间纵向位置偏差；附图4给出了不 同目标距离时的相对测距误差。
[0035] 由于单节点所能获取的信息量相对少于多个观测节点，故单点定位要实现较好的 测量精度具有较大的难度。
[0036] 最近的理论分析已表明相差测量技术可W采用较短的基线长度实现高精度测距 定位，但要在工程应用上予W实现还必须解决波长整周数差值的测量误差对定位精度的影 响问题。事实上，波长整周数差值是一个难W解算的未知参量，在现有的基于相差测量的定 位分析中，都是将波长整周数看成是常值，并认为在经过微分处理后，相差变化率就已经与 波长整周数无关，即相位差的差分函数是不模糊的。但最近的分析表明，不论是基于相频 关系所导出的、还是直接通过对相差进行差分所得到的相差变化率，不仅与相差的差分项 相关，而且还与波长整周数差值的差分项相关，且在相差的差分与波长整周数差值的差分 之间存有互为跳变现象。
[0037] 本发明通过利用相差变化率的多通道相差测量法和相差变化率的无模糊检测法， 将基于相差变化率的定位测距方程转化为相差测向和无模糊程差差分的组合函数，由此给 出了一种既能实现较高测量精度，又无需求解波长整周数差值的单点定位方法。
[0038] 尽管在推导的初始阶段借助了基于运动平台的相频函数关系，其中包含有平台的 移动速度，但最终所给出的结果是与探测平台的速度无关的，运意味着新方法是适用于处 于任何运动状态的探测平台的。
[0039] -、相移变化率的相差检测
[0040] 1、相差定位方程
[0041] 设有一个运动探测平台使用一个单基阵对目标进行探测，如对应于每个径向距离 ri，鉴相单元所测得的相移是Φι，则有基于相移测量的距离公式：
[0042]
(1)
[004引式中：λ为波长；为波长整周数。
[0044] 根据相移-距离关系（1)，在单基线两阵元径向距离间的程差可W由相差测量所 确定，且即能得到在形式上与时差定位方程完全相类似的相差定位方程：
[004引
02)
[004引式中：ΔΓι为程差；An1=ηi-nw是程差所包含的波长整周数；AΦ1=Φ1-ΦW为两阵元之间的相位差。
[0047] 2、单基测向式
[0048] 通过对一维双基测向解的简化处理可得到准确度较好的单基测向式：
[0049]
(3)
[0050] 式中：Θ1为单基线中点处的目标到达角；di为单基线长度。
[0051] 与现有的短基线近似测向式不同，单基测向式的测量基准是在基线的中点，不仅 适用于几个波长的短基线，更适用于几十米至几十公里的长基线。
[0052] 3、相移与相差变化率的相差检测
[0053] 如在相移-距离表示式（1)两边基于时间变化对相移变量微分，则有：
[0054]
(4)
[00巧]因径向距离变化率即为径向速度：
[0056]
(5)
[0057] 式中：V为探测平台的移动速度，V。为径向速度。
[0058] 利用单基测向式即可证得基于相差测量的相移变化率公式为：
[0059]
(6)
[0060] 如在相位差-距离差的关系式（2)两边对相差做关于时间的微分，则有：
[0061]
(7)
[0062] 在此基础上，由差分方式直接利用式（6)可得到： (8)
[0063] 、,
[0064] 对于附图1所示的一维双基直线阵列，当：d=di=dw时，有：
[0065]
(9)
[0066] 上式中各参量的下标已改用对应于基线左端标号的数字表示。显然，为获得相差 变化率需要同时检测Ξ个相移值，即从测量的实现方法上需要采用如附图1所示的一维双 基直线阵列。
[0067] 二、相差变化率的无模糊测量
[0068] 1、单位长度上的程差差分函数
[0069] 基于多通道相差检测的相差变化率表示式（9)可被分成如下两项之积：
[0070]
(10)
[0071] 前面的第一项实际上表示的是W速度V运动的探测平台在经历基线长度d之后的 单位时间上的圆周角：
[007引
[0073] 后面的第二项被称之为单位长度上的程差差分函数：
[0074]
(口）
[00巧]单位长度上的程差差分函数Δ2Γλ又可被分为两项之和，前一项为对应于两相邻 基线的整周数差值的差分：
[0076] Δ=ΔηΔΠ2(13)
[0077] 后一项是相邻两基线相差值的差分：
[007引
（；14)
[0079] 即有：
[0080] Δ^Γλ=a+ ,(巧）
[00引]2、相位跳变的校正
[0082] 若将表示为随到达角Θ1变化的函数，则模拟计算表