CN111060942B - 一种附加航向约束的ppp/ahrs松组合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附加航向约束的PPP/AHRS松组合定位方法。本方法旨在运用数据处理的基本理论，对PPP的各项误差建立精确地修正模型，同时引入AHRS提供的航向信息作为航向约束，利用卡尔曼滤波进行位置解算。随后，与AHRS解算出的位置作差以获得位置偏差，作为组合导航融合滤波器的观测值，通过组合滤波算法得到相关误差状态，并将得到的误差再反馈给PPP，完成位置更新。本发明解决了PPP/MEMS松组合方法收敛时间长的问题，保证了定位的连续性，适应了导航的实际运行要求。

Description

一种附加航向约束的PPP/AHRS松组合定位方法

技术领域

本发明涉及一种组合导航定位技术，尤其涉及一种附加航向约束的PPP/AHRS松组合定位方法。

背景技术

精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)技术可以为全球用户提供高精度的位置服务，而被广泛应用于动力定位、水文测量以及智能交通等领域。然而，精密单点定位技术具有较长的初始化时间，且其定位连续性会受到隧道、城市峡谷以及电磁干扰等典型导航环境的影响，如何提升PPP的收敛时间并保障定位的连续性已成为迫切需要解决的问题。MEMS 辅助PPP的松组合定位方法可以免受隧道、城市峡谷以及电磁干扰等典型导航环境所导致的定位连续性下降问题，具有结构简单、易于工程实现等优点而受到广泛应用。

目前，常用的PPP/MEMS松组合定位方法是利用PPP和MEMS分别解算出的位置和速度信息作差以获得位置和速度偏差，作为组合导航融合滤波器的观测值，通过组合滤波算法得到相关误差状态，并将得到的误差再反馈给PPP或MEMS，但是PPP收敛时间长的问题在松组合中仍未能有效解决，这显然满足不了实时高精度导航定位的应用需求。此外，航姿参考系统(Attitude and Heading Reference System，AHRS)能够提供高精度自主航向信息，可以作为辅助PPP的约束条件，为PPP/MEMS松组合定位方法提供了新的思路。综上所述，设计一种新型可加快PPP收敛时间的PPP/AHRS松组合定位方法具有迫切性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种保障定位连续性的同时，改善 PPP收敛性能的附加航向约束的PPP/AHRS松组合定位方法。该方法旨在运用数据处理的基本理论，对PPP的各项误差建立精确地修正模型，同时引入AHRS提供的航向信息作为航向约束，利用卡尔曼滤波进行位置解算。随后，与AHRS解算出的位置作差以获得位置偏差，作为组合导航融合滤波器的观测值，通过组合滤波算法得到相关误差状态，并将得到的误差再反馈给PPP，完成位置更新。在保障定位连续性的同时，改善PPP收敛性能。

为解决上述技术问题，本发明的一种附加航向约束的PPP/AHRS松组合定位方法，包括以下步骤：

步骤1：基于GNSS接收机的PPS信号，使得GNSS接收机与ARHS的时间同步，获得GNSS广播星历电文和导航电文并解析，输出AHRS测量的位置及航向信息；

步骤2：利用实时精密卫星轨道及钟差产品以及精密的数学模型，完成GNSS伪距和载波相位原始观测量中误差项的修正，获得修正后的伪距和载波相位观测量；

步骤3：根据步骤2修正后的伪距和载波相位观测量进行最小二乘，在首次定位时，利用全部状态量作为当前时刻状态预测的一部分；反之，利用计算的三维位置及接收机钟差作为当前时刻状态预测的一部分，其余状态预测与上一时刻相同；

步骤4：采用步骤1中AHRS输出的航向信息以及步骤2中修正后伪距和载波相位观测量作为量测信息，其中，

为载体航向量测信息，航向约束表达式如下：

式中，v_e和v_n分别代表东向和北向的速度分量；

步骤5：根据步骤3构造状态预测方程和步骤4构造的构造量测方程，对PPP进行扩展 Kalman滤波，求出当前时刻的位置信息；

步骤6：基于步骤5的位置信息与AHRS解算出的位置作差以获得位置偏差，作为组合导航融合滤波器的观测值，通过组合滤波算法得到相关误差状态，并将得到的误差再反馈给 PPP，完成位置更新；

步骤7：更新状态矩阵和协方差矩阵，并重复步骤1至6，对下一时刻的状态信息进行估计。

本发明的有益效果：针对传统PPP/MEMS松组合定位方法仅考虑定位连续性而忽略较长初始化时间的问题，本采用AHRS惯性器件来获得用户的航向信息，作为航向约束，来提高量测信息的冗余量，增强函数模型强度，进而在保证定位连续性的同时，进一步改善PPP/MEMS的收敛性能。解决了PPP/MEMS松组合方法收敛时间长的问题，保证了定位的连续性，适应了导航的实际运行要求。

附图说明

图1是本发明具体实现的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

结合图1，本发明的一种附加航向约束的PPP/AHRS松组合定位方法包括：

步骤1，利用GNSS接收机接收广播星历电文和导航电文并解析，广播星历信息可用于解算卫星位置及卫星钟差，导航信息可提供解算用户位置所需的双频伪距和载波相位观测量。同时利用AHRS惯性器件测量得到位置和航姿信息，用于提供航向约束信息，利用AHRS航向信息作为约束条件。

步骤2，通过Ntrip实时接收并解析基于RTCM3.0格式的卫星轨道及钟差修正数据，通过线性插值法修正基于广播星历计算的卫星轨道及钟差。

步骤3，对GNSS接收机接收并解析的伪距观测量和和载波相位观测量进行模型化误差修正。

修正后的伪距和载波相位观测量如下所示：

P＝r+c·δt_u+I+T+ε(P) (1)

Φ＝r+c·δt_u-I+T+λN+ε(Φ) (2)

其中，P和Φ分别为伪距和载波相位观测量，r是卫星与接收机之间的几何距离，c是真空中的光速，δt_u是接收机钟差，I和T分别是电离层延时与对流层延时，λ是信号的波长，N是整周模糊度，ε(P)是伪距观测噪声，ε(Φ)是载波相位观测噪声。

其中接收机钟差和模糊度可通过参数估计得到，电离层修正量可根据无电离层组合 (Ionosphere Free，IF)模型进行修正，对流层干分量延迟等其他误差可通过相应模型来修正。

IF模型如下：

步骤4，对状态变量进行初始化。

1)在首次定位时，利用加权最小二乘计算初始三维位置、接收机钟差、天顶对流层延迟以及无电离层模糊度，作为当前时刻的状态预测。

2)在非首次定位时，利用加权最小二乘计算三维位置和接收机钟差以及上一时刻的天顶对流层延迟和无电离层模糊度，作为当前时刻的状态预测。

步骤5，根据修正后的伪距观测量和载波相位观测量以及AHRS惯性器件测得的航向信息Ψ作为量测方程，如下所示：

y_k＝f(x_k)+v_k (5)

式中，

根据步骤4的预测状态以及公式进行Kalman滤波运算求出当前时刻的状态信息。

步骤6，以GNSS接收机PPS为时间戳，同步接收机与AHRS时间，根据步骤5中的位置信息与AHRS解算出的位置作差以获得位置偏差，作为组合导航Kalman滤波器的观测值，通过组合滤波算法得到相关误差状态，并将得到的误差再反馈给PPP，完成位置更新。PPP 与AHRS松组合Kalman滤波解算以PPP观测量的更新频率为基准，且考虑二者基线形变对定位结果的影响。

步骤7，更新状态矩阵和协方差矩阵，进行位置输出，并重复步骤1至6，对下一时刻的状态信息进行估计。

Claims (1)

1.一种附加航向约束的PPP/AHRS松组合定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用GNSS接收机的PPS信号，使得GNSS接收机与ARHS的时间同步，获得GNSS广播星历电文和导航电文并解析，输出AHRS测量的位置及航向信息；

步骤2：利用实时精密卫星轨道及钟差产品以及数学模型，完成GNSS伪距和载波相位原始观测量中误差项的修正，获得修正后的伪距和载波相位观测量；

修正后的伪距和载波相位观测量如下所示：

P＝r+c·δt_u+T+ε(P)

Φ＝r+c·δt_u-I+T+λN_IF+ε(Φ)

其中，P和Φ分别为伪距和载波相位观测量，r是卫星与接收机之间的几何距离，c是真空中的光速，δt_u是接收机钟差，I和T分别是电离层延时与对流层延时，λ是信号的波长，N是整周模糊度，ε(P)是伪距观测噪声，ε(Φ)是载波相位观测噪声；

步骤3：在首次定位时，对步骤2修正后的伪距和载波相位观测量进行加权最小二乘计算以初始三维位置、接收机钟差、天顶对流层延迟以及无电离层模糊度，作为当前时刻的状态预测；在非首次定位时，对步骤2修正后的伪距和载波相位观测量进行加权最小二乘以计算三维位置和接收机钟差以及上一时刻的天顶对流层延迟和无电离层模糊度，作为当前时刻的状态预测；

步骤4：采用步骤1中AHRS输出的航向信息以及步骤2中修正后伪距和载波相位观测量作为量测信息，其中，

为载体航向量测信息，航向约束表达式如下：

式中，v_e和v_n分别代表东向和北向的速度分量；

步骤5：根据步骤3构造状态预测方程和步骤4构造的构造量测方程，对PPP进行扩展Kalman滤波，求出当前时刻的位置信息；

步骤6：基于步骤5的位置信息与AHRS解算出的位置作差以获得位置偏差，作为组合导航融合滤波器的观测值，通过组合滤波算法得到相关误差状态，并将得到的误差再反馈给PPP，完成位置更新；

步骤7：更新状态矩阵和协方差矩阵，并重复步骤1至6，对下一时刻的状态信息进行估计。

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