一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统的制作方法
本发明涉及卫星导航定位，具体而言，为一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统。
背景技术：
1、北斗导航天线作为接收北斗卫星信号的关键设备，其主要功能是将来自北斗卫星的微弱电磁信号转换为可供导航设备处理的电信号。它在北斗卫星导航系统中起着至关重要的作用，直接影响着导航定位的精度和可靠性。在实际应用中，由于各种因素的影响，北斗导航天线可能会出现性能下降、精度降低等问题，因此使用时需要进行校准。
2、如公告号为cn101180551b的专利公开了天线阵列校准系统及方法。各个天线具有校准耦合器，用于提供表示经过与之关联的收发器的信号的监视信号，以及处理单元，该处理单元包括至少一个信号分割器和组合器阵列，所述信号分割器分割至少一个监视信号，并且所述组合器阵列包括一个或者多个组合器，用于组合来自第一天线和第二天线的至少两个分割监视信号，从而产生表示同相叠加的第一组合信号和表示正交叠加的第二组合信号。功率检测器与所述处理单元进行通信，配置为估计通过第一天线和第二天线的每一个的信号的功率水平和所述同相叠加和正交叠加的同相功率和正交功率，从而确定天线上信号的相位差。然而，在动态环境下，天线的位置和姿态不断变化，现有的校准系统难以实时准确地适应这些变化，导致校准精度下降。
3、因此，推出一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，旨在解决上述背景技术中，在动态环境下天线的位置和姿态变换时，现有的校准系统难以实时准确的适应天线变化而影响校准精度的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，包括用于通过传感器采集卫星导航信息、天线信号信息和天线实时环境信息的数据采集单元，对采集的不同方面的天线校准原始数据进行融合处理和计算分析的融合处理单元，以及根据分析结果对天线进行校准补偿和监测的执行反馈单元，所述融合处理单元具体包括：数据处理模块，用于对传感器实时采集的天线传感器数据进行滤波除杂处理，并对北斗信号强度数据进行平滑处理；历史数据管理模块，用于存储天线在不同位置和时间的历史校准数据，校准数据包括校准参数和信号质量信息，并从历史数据中挖掘特征信息，自动分析天线性能与位置、环境因素的关系；环境模型构建模块，用于建立温度和湿度在内的环境参数与天线性能的数学模型，并根据环境参数对天线性能的影响程度进行预测评估；知识融合算法模块，用于采用多知识体融合算法融合传感器数据、历史数据和环境数据给出综合融合结果，为天线校准决策提供依据；校准参数计算模块，用于根据综合融合结果，计算出适合当前天线位置和环境的校准参数，并根据天线类型和信号频率因素，对校准参数的进行计算优化。
3、进一步地，所述数据采集单元包括，传感器模块，用于通过加速度传感器检测天线的加速度和运动状态，提供天线位置变化的实时信息，并根据陀螺仪测量天线的角速度，辅助确定天线的姿态变化；信号收发模块，用于实时接收北斗卫星信号，为导航天线的校准提供原始数据，并利用信号强度监测器实时监测北斗信号强度，反映天线接收信号的质量；环境监测模块，用于实时测量导航天线所处周围环境温度和湿度，为天线校准时环境影响的干扰分析提供依据。
4、进一步地，所述执行反馈单元包括，校准执行模块，用于将校准参数发送到天线校准设备，使其按校准参数对导航天线执行校准操作，并实时监控导航天线的校准过程；监测反馈模块，用于实时监测导航天线校准后的天线性能，包括信号强度和定位精度，将反馈信息发送回主控计算机；系统状态监测模块，用于在进行导航天线校准后，实时监测包括硬件设备状态和软件运行情况在内的整个校准系统的运行状态，及时发现并处理系统故障。
5、进一步地，所述知识融合算法模块采用多知识体融合算法融合传感器数据、历史数据和环境数据给出综合融合结果的步骤如下：
6、令传感器知识体为s，历史数据知识体为h，环境知识体为e，天线信号质量指标为q，天线旋转角度为θ，确定综合知识体变量k，k=ω1s+ω2h+ω3e，其中ω1、ω2和ω3分别为传感器知识体、历史数据知识体和环境知识体的权重系数，且满足ω1+ω2+ω3=1；计算天线信号质量指标q：q=f（k），其中函数f是一个基于机器学习的回归模型，通过对综合知识体数据和对应的信号质量数据进行训练得到；确定目标函数用于优化天线旋转角度θ：目标函数g（θ）=q（θ）+αr（θ），其中r（θ）表示系统稳定性和可靠性的指标函数，α是权重系数且为一常数；优化天线旋转角度θ：通过梯度下降的优化算法来求解目标函数g（θ）最大或者最小的天线旋转角度θ*，即或；计算最终融合结果，并根据融合结果对天线旋转角度进一步进行调整。
7、进一步地，所述函数f的具体公式为：，其中，表示综合知识体变量k对应的信号强度，表示综合知识体变量k对应的信噪比，表示综合知识体变量k对应的误码率，a、b和c为正的权重系数，均为一常数。
8、进一步地，所述指标函数r（θ）的计算公式为：天线旋转角度为θ时，接受信号强度在一段时间内的测量值，则信号强度的均值为，信号强度的方差表示为，r（θ）为与信号强度方差成反比例的函数，即，其中m为常数。
9、进一步地，所述融合结果的计算方式如下：令天线状态变量为xt，状态转移矩阵为a，系统噪声协方差矩阵为p，观测矩阵为t，观测噪声协方差矩阵为z；计算加权平均的初始估计值，其中st为传感器数据在t时刻的值，ht为历史数据在t时刻的值，et为环境数据在t时刻的值；预测步骤：，其中为上一时刻的最优估计值，，其中，为上一时刻的估计误差协方差矩阵；更新步骤：其中，最终融合了传感器数据、历史数据和环境数据的最优估计值，ot为综合知识体变量在t时刻的观测值，i表示单位矩阵，即主对角线上的元素都是1，其余元素都是0的方阵。
10、进一步地，所述状态转移矩阵a是根据天线的位置和信号强度状态参数的实际变化特性构建的，系统状态包括天线位置（x，y，z）和信号强度s，状态转移矩阵的形式为
11、，其中，δtx、δty和δtz分别表示在x、y和z方向上位置随时间的变化率；系统噪声在位置和信号强度上相互独立，且具有标准差σx、σy、σz和σs，则系统噪声协方差矩阵的形式为：,其中，σx、σy、σz和σs通过对系统噪声的统计分析或基于系统硬件特性的估计确定。
12、进一步地，所述观测矩阵为t为，而传感器数据、历史数据、环境数据和加权平均中间结果的观测噪声相互独立，且具有标准差σs、σh、σe和σwa，则观测噪声协方差矩阵的形式为：，其中，σs、σh、σe和σwa通过对观测数据噪声的统计分析或基于传感器精度因素的估计确定。
13、进一步地，所述执行反馈单元对于导航天线的校准流程如下：
14、步骤一、数据采集：收集传感器数据、历史数据和环境数据，为后续校准提供全面的信息基础；步骤二、融合计算：通过定义综合知识体变量、计算信号质量指标、确定目标函数、求解最优旋转角度和进行旋转角度优化更新，综合多方面信息以确定最佳校准参数；步骤三、校准执行：调整天线旋转角度，验证校准结果，确保校准效果达到预期，同时记录校准过程形成报告。
15、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
16、本发明提出的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，数据采集单元全面采集卫星导航信息、天线信号信息和实时环境信息，融合处理单元中的各个模块能够对数据进行有效处理和分析，历史数据管理模块挖掘历史数据特征，环境模型构建模块建立环境与天线性能的关系模型，知识融合算法模块融合多方面数据为校准决策提供可靠依据，校准参数计算模块则根据融合结果计算并优化校准参数，执行反馈单元确保校准参数准确发送至天线校准设备，实时监控校准过程，监测天线性能并反馈信息，同时监测整个系统的运行状态，及时发现并处理故障，通过这些功能的协同作用，该系统能够提高北斗导航天线的校准精度和可靠性，使其在不同环境下都能准确接收卫星信号，为导航定位提供精确的数据支持，为用户带来更好的导航体验。
技术特征：
1.一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于，包括用于通过传感器采集卫星导航信息、天线信号信息和天线实时环境信息的数据采集单元，对采集的不同方面的天线校准原始数据进行融合处理和计算分析的融合处理单元，以及根据分析结果对天线进行校准补偿和监测的执行反馈单元，所述融合处理单元具体包括：数据处理模块，用于对传感器实时采集的天线传感器数据进行滤波除杂处理，并对北斗信号强度数据进行平滑处理；历史数据管理模块，用于存储天线在不同位置和时间的历史校准数据，校准数据包括校准参数和信号质量信息，并从历史数据中挖掘特征信息，自动分析天线性能与位置、环境因素的关系；环境模型构建模块，用于建立温度和湿度在内的环境参数与天线性能的数学模型，并根据环境参数对天线性能的影响程度进行预测评估；知识融合算法模块，用于采用多知识体融合算法融合传感器数据、历史数据和环境数据给出综合融合结果，为天线校准决策提供依据；校准参数计算模块，用于根据综合融合结果，计算出适合当前天线位置和环境的校准参数，并根据天线类型和信号频率因素，对校准参数的进行计算优化。
2.如权利要求1所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述数据采集单元包括，传感器模块，用于通过加速度传感器检测天线的加速度和运动状态，提供天线位置变化的实时信息，并根据陀螺仪测量天线的角速度，辅助确定天线的姿态变化；信号收发模块，用于实时接收北斗卫星信号，为导航天线的校准提供原始数据，并利用信号强度监测器实时监测北斗信号强度，反映天线接收信号的质量；环境监测模块，用于实时测量导航天线所处周围环境温度和湿度，为天线校准时环境影响的干扰分析提供依据。
3.如权利要求1所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述执行反馈单元包括，校准执行模块，用于将校准参数发送到天线校准设备，使其按校准参数对导航天线执行校准操作，并实时监控导航天线的校准过程；监测反馈模块，用于实时监测导航天线校准后的天线性能，包括信号强度和定位精度，将反馈信息发送回主控计算机；系统状态监测模块，用于在进行导航天线校准后，实时监测包括硬件设备状态和软件运行情况在内的整个校准系统的运行状态，及时发现并处理系统故障。
4.如权利要求1所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述知识融合算法模块采用多知识体融合算法融合传感器数据、历史数据和环境数据给出综合融合结果的步骤如下：令传感器知识体为s，历史数据知识体为h，环境知识体为e，天线信号质量指标为q，天线旋转角度为θ，确定综合知识体变量k，k=ω1s+ω2h+ω3e，其中ω1、ω2和ω3分别为传感器知识体、历史数据知识体和环境知识体的权重系数，且满足ω1+ω2+ω3=1；计算天线信号质量指标q：q=f（k），其中函数f是一个基于机器学习的回归模型，通过对综合知识体数据和对应的信号质量数据进行训练得到；确定目标函数用于优化天线旋转角度θ：目标函数g（θ）=q（θ）+αr（θ），其中r（θ）表示系统稳定性和可靠性的指标函数，α是权重系数且为一常数；优化天线旋转角度θ：通过梯度下降的优化算法来求解目标函数g（θ）最大或者最小的天线旋转角度θ*，即或；计算最终融合结果，并根据融合结果对天线旋转角度进一步进行调整。
5.如权利要求4所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述函数f的具体公式为：其中，表示综合知识体变量k对应的信号强度，表示综合知识体变量k对应的信噪比，表示综合知识体变量k对应的误码率，a、b和c为正的权重系数，均为一常数。
6.如权利要求4所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述指标函数r（θ）的计算公式为：天线旋转角度为θ时，接受信号强度在一段时间内的测量值，则信号强度的均值为，信号强度的方差表示为，r（θ）为与信号强度方差成反比例的函数，即，其中m为常数。
7.如权利要求4所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述融合结果的计算方式如下：
8.如权利要求7所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述状态转移矩阵a是根据天线的位置和信号强度状态参数的实际变化特性构建的，系统状态包括天线位置（x，y，z）和信号强度s，状态转移矩阵的形式为，其中，δtx、δty和δtz分别表示在x、y和z方向上位置随时间的变化率；系统噪声在位置和信号强度上相互独立，且具有标准差σx、σy、σz和σs，则系统噪声协方差矩阵的形式为：，其中，σx、σy、σz和σs通过对系统噪声的统计分析或基于系统硬件特性的估计确定。
9.如权利要求7所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述观测矩阵为t为，而传感器数据、历史数据、环境数据和加权平均中间结果的观测噪声相互独立，且具有标准差σs、σh、σe和σwa，则观测噪声协方差矩阵的形式为：，其中，σs、σh、σe和σwa通过对观测数据噪声的统计分析或基于传感器精度因素的估计确定。
10.如权利要求1所述的一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，其特征在于：所述执行反馈单元对于导航天线的校准流程如下：
技术总结
本发明提供了一种基于多知识体的北斗导航天线校准系统，属于卫星导航定位技术领域，为了解决在动态环境下天线的位置和姿态变换时，现有的校准系统难以实时准确的适应天线变化而影响校准精度的问题；该系统由数据采集单元、融合处理单元和执行反馈单元三个单元组成，数据采集单元获取卫星导航、天线信号和实时环境信息；融合处理单元对这些数据进行融合处理和分析，包括数据处理、历史数据管理、环境模型构建、知识融合算法和校准参数计算等模块；执行反馈单元则根据分析结果对天线进行校准补偿和监测；该系统通过多知识体融合算法提高校准精度和可靠性，提升北斗卫星导航系统性能。
技术研发人员：钟少忠,张永利,张健,周克军,艾艳军,杨子江,刘挺政,张聪,尹怀勇
受保护的技术使用者：广东省测绘产品质量监督检验中心
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5