CN102323603A - 一种提高卫星精密单点定位精度和收敛速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高卫星精密单点定位精度和收敛速度的方法，即用卫星高度角结合载噪比的组合定权法确定相位观测值的随机模型。针对GPS精密单点定位观测值之间的相关性，在高度角定权的指数函数模型基础上附加一个比例因子，该比例因子的取值反映了观测信号载噪比信息。本发明提出的方法既可提高卫星精密单点定位的精度，又可实现精密单点定位的快速稳定解算，且易于工程实现。试验表明，使用该随机模型可显著提高GPS精密单点定位初始收敛速度(收敛到dm级定位精度的速度)，收敛到cm级定位精度的速度也略有提高。

Description

一种提高卫星精密单点定位精度和收敛速度的方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位领域，特别涉及一种提高卫星精密单点定位精度和收敛速度的方法。

背景技术

1997年，JPL的Zumberge等人首先提出了精密单点定位的思想，即所谓的PPP(Precise Point Positioning)。精密单点定位技术从根本上改变了用“差分GPS”实现高精度动态定位的理念，真正实现了利用单台接收机进行全球范围内高精度无缝观测的梦想，并且能直接得到高精度的ITRF(国际地面参考框架)坐标。因此，该技术一经提出，就吸引了大批国内外学者研究，目前已成为GPS领域的研究热点。

GPS精密单点定位需要考虑的误差改正项很多。有些误差能够用函数模型实现改正，如卫星天线相位中心改正、相对论效应改正等可以直接精确模型化，电离层延迟可以通过双频观测值的组合消除；也有些误差是函数模型无法改正的，如多路径效应影响、载波相位观测值噪声影响等。要提高精密单点定位的精度，只研究函数模型还不够，必须确定合适的随机模型。

函数模型用于描述观测值与未知参数之间关系，而随机模型描述观测值本身统计特性，主要通过一个适当的协方差矩阵来进行定义。目前，国内针对GPS精密单点定位的随机模型的研究还不多，有必要研究建立能准确反映观测值相关性和质量特征的随机模型，进一步提高精密单点定位的精度和收敛速度。

在GPS数据处理中，选择不同的随机模型，就是选择了不同的权阵，不同的定权直接影响GPS精密单点定位的结果。结合目前国内外研究文献以及关于GPS精密单点定位的软件，常用的随机模型主要有三种：等权随机模型、基于卫星高度角的随机模型和基于载噪比的随机模型。

等权随机模型是假定原始的各类观测值之间互不相关，同时假定同类不同卫星间的原始观测值之间不相关，然后通过协方差传播定律导出基于星间单差函数模型观测值的方差-协方差阵。

由于GPS观测量的误差大多与卫星高度角有关，为了克服这些误差的影响，建立基于卫星高度角的定权随机模型。基于卫星高度角的随机模型主要有三角函数模型和指数函数模型。

载噪比同样对观测值的精度有影响，基于载噪比的随机模型能够有效地削弱大气残余误差的影响。

但是，等权随机模型应用范围不广，很多工程情况下等权随机模型不能满足精度需求；而单一的以高度角或载噪比为参数的随机模型也不能有效反映观测值之间的相关性。因此，需要一个稳定的随机模型来提高GPS精密单点定位的精度与定位速度。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种提高卫星精密单点定位精度和收敛速度的方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种提高卫星精密单点定位精度和收敛速度的方法，在基于高度角定权的指数函数模型的基础上加一个比例因子：

${\mathrm{\σ}}_i^s=\frac{9}{S}(a_0+a_1\·\exp \left(\frac{-E_i^s}{E_i^0}\right))$

式中，

代表GPS观测值的中误差，代表卫星的高度角，a₀、a₁、

为常数，由经验数值确定，S为比例因子，由下式确定：

$S=\left\{\begin{array}{cc}9,& \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right)\&GreaterEqual;9\\ \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right),& \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right)<9\end{array}\right.$

式中，C/N₀为接收机得到的载噪比。

有益效果：①本发明可以用于精密单点定位技术中的随机模型选择，能够快速的得到解算结果。试验表明，使用新的随机模型可显著提高GPS精密单点定位收敛到dm级定位精度的速度，收敛到cm级定位精度的速度也略有提高。

②本发明用于精密单点定位，滤波收敛稳定，同一时刻相比其他随机模型，定位精度高。

③本发明的应用不局限于精密单点定位，也可以作为其他卫星导航应用解算的随机模型。

附图说明

图1为不同的随机模型解算X方向真误差收敛曲线；

图2为不同的随机模型解算Y方向真误差收敛曲线；

图3为不同的随机模型解算Z方向真误差收敛曲线；

图4为不同的随机模型解算点位真误差收敛曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明构建基于卫星高度角结合载噪比的定权随机模型，同时考虑了卫星高度角和卫星载噪比对观测值精度的影响。在基于卫星高度角定权的指数函数模型的基础上，附加一个比例因子，该比例因子的取值大小取决于卫星载噪比信息。

其具体实现如下：

GPS观测量中存在的误差主要包括对流层折射误差、电离层折射误差及多路径效应等误差，这些误差都与卫星的高度角有关。由于不同卫星的高度角是不同的，则对于不同的卫星，这些误差的影响也是不同的，即来自不同卫星的GPS观测量的精度是不同的。因此可以建立基于卫星高度角的随机模型。1997年，Han提出了基于指数函数的随机高度角函数模型，其形式如公式(1)所示。

${\mathrm{\&sigma;}}_i^s=a_0+a_1\&CenterDot;\exp \left(\frac{-E_i^s}{E_i^0}\right)---\left(1\right)$

式中，

代表GPS观测值的中误差，代表卫星的高度角。a₀，a₁，为常数，由经验数值确定。Han给出了关于伪距与载波相位数据的a₀，a₁，

的参考取值，如表1所示。

表1基于卫星高度角定权的指数函数模型的系数的参考取值

仅凭借卫星高度角信息不足以建立精确随机模型，因为接收卫星信号的质量对观测值的精度也有影响。常用卫星载噪比值来反映接受卫星信号的质量。

载噪比(carrier-to-noise-power density ratio，简称C/N₀)由接收机得到，是载波信号能量与噪声能量在1Hz带宽上的比值，C/N₀值通常在45dB-Hz左右，载噪比值越高，相应的信号质量越好、观测精度越高。

综合卫星高度角和载噪比两个参数，对基于卫星高度角的随机模型进行改进，提出一种新的GPS精密单点定位模型，即在基于高度角定权的指数函数模型的基础上加一个比例因子S，该比例因子的取值大小取决于载噪比信息。其具体形式如公式(2)所示。

${\mathrm{\&sigma;}}_i^s=\frac{9}{S}(a_0+a_1\&CenterDot;\exp \left(\frac{-E_i^s}{E_i^0}\right))---\left(2\right)$

其中，比例因子S如公式(3)所示，由于C/N₀值通常在45dB-Hz左右，当载波信号比较好时，不改变其中误差，当载噪比值比较小时，通过改变其中误差来减小该观测信息的影响。

$S=\left\{\begin{array}{cc}9,& \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right)\&GreaterEqual;9\\ \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right),& \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right)<9\end{array}\right.---\left(3\right)$

由上述不同相位观测值的中误差即可确定相位观测值权阵，然后按常规卫星精密单点定位的算法对测站坐标未知参数进行自适应卡尔曼滤波估计，最后得到精确的三维定位结果。

实施例(本实施例采用载波相位数据的参考取值计算)：

算例数据采用江苏连续运行参考站系统(JSCORS)的2007年3月6日在JSCORS扬州站(BFYZ)上的观测数据(历元采样间隔为15s)，以CORS基准站BFYZ的坐标作为准确坐标，分析了包括等权随机模型、基于卫星高度角的随机模型、基于卫星载噪比的随机模型和组合新模型等四种随机模型对GPS定位质量的影响。结果如图1～图4所示。

由图1～图4可以看出：相对于等权随机模型，基于卫星高度角的随机模型在Y方向上对误差有所改善，而X和Z方向误差变大，导致点位误差反而比较大；基于载噪比的随机模型的三向误差都大于等权随机模型，效果较差。而卫星高度角结合载噪比的组合随机模型是四种模型中收敛较快，效果较好。

为了更好的比较这四种随机模型，统计了这四种随机模型的误差和收敛效果，结果如表2所示。

表2不同随机模型的GPS精密单点定位质量

由表2可以看出：

卫星高度角结合载噪比的组合随机模型的平均点位误差相对于等权随机模型提高了27.6％，相对于基于高度角随机模型提高了56.2％，相对于基于载噪比随机模型提高了83.7％，且控制住了误差绝对值的最大偏差，提高了精密单点定位的精度。

在收敛速度方面，卫星高度角结合载噪比的组合随机模型收敛到dm级的速度相对于等权随机模型提高了22.2％，相对于基于高度角随机模型提高了36.4％，相对于基于载噪比随机模型提高了84.8％。因此组合随机模型相对其他模型在收敛到dm级的速度上有显著提高。

基于载噪比的随机模型未能收敛到cm级，卫星高度角结合载噪比的组合随机模型相对等权随机模型和基于高度角的随机模型收敛到cm级的速度提高了1.3％。因此组合随机模型相对其他模型在收敛到cm级的速度上略有提高。

将组合随机模型应用到不同观测站的数据，以测试该模型的稳定性。采集JSCORS两个观测站(BFYZ站和BTJR站)的多个观测数据，试验组合随机模型的精密单点定位。待滤波收敛以后，对定位误差进行统计分析，结果如表3所示。

表3在不同观测站上采用组合随机模型的坐标分量误差统计(单位：米)

从表3可以看出，该模型是稳定的，可以用作卫星精密单点定位的随机模型。

Claims (1)

1.一种提高卫星精密单点定位精度和收敛速度的方法，在基于高度角定权的指数函数模型的基础上加一个比例因子：

${\mathrm{\&sigma;}}_i^s=\frac{9}{S}(a_0+a_1\&CenterDot;\exp \left(\frac{-E_i^s}{E_i^0}\right))$

式中，

代表GPS观测值的中误差，代表卫星的高度角，a₀、a₁、

为常数，由经验数值确定，S为比例因子，由下式确定：

$S=\left\{\begin{array}{cc}9,& \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right)\&GreaterEqual;9\\ \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right),& \mathrm{int}\left(\frac{C/N_0}{5}\right)<9\end{array}\right.$

式中，C/N₀为接收机得到的载噪比。

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