CN103529459A - 一种采用单频gps和glonass组合精准定位的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法及其装置。方法包括：建立基准站和移动站，其中定位模块包括单频GPS芯片和单频GLONASS芯片；基准站和移动站分别读取各自的定位模块输出的广播星历；基准站和移动站分别将对GLONASS系统与GPS系统进行时间同步；基准站和移动站根据各自定位模块的广播星历，分别计算出GPS和GLONASS的卫星位置；移动站和基准站分别读取原始伪距数据；基准站根据其位置、获得的GPS和GLONASS的卫星位置、以及读取的GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距数据，计算出基准站的伪距差分改正数；移动站根据获得的卫星位置、读取的GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距相位数据、及从基准站得到的伪距差分改正数，采用卡尔曼滤波方法计算出定位结果。解算稳定，定位精确。

Description

一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种定位方法，尤其涉及一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法及其系统。

背景技术

GPS是美国的全球定位系统，GLONASS是由俄罗斯研发的卫星导航系统，虽然都是全球卫星导航系统。但在技术方面，GLONASS与GPS有以下几点不同之处：

1、卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。而GLONASS采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。基于这个原因，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。

2、坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PZ-90）。

3、时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。

4、此外，由于GLONASS没有施加S.A.干扰(Selective Availability)，所以它的民用精度优于施加S.A.干扰的GPS系统。

目前所开发的所有的伪距差分技术，基本采取的是GPS单系统定位解算模式，不能够安全可靠地实现亚米级的定位精度，所以很大程度上限制了GPS在大比例GIS上的应用。

近年来，随着俄罗斯的GLONASS卫星导航系统的不断完善，所以结合GPS系统和GLONASS系统,有望提高定位的精度。但是现有的技术还不能实现GPS和GLONASS的组合精准定位。

发明内容

本发明是为了解决现有技术存在的上述问题，而提供的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法及其系统，该方法和系统中采取了相位辅助扩展卡尔曼滤波(EKF)的新技术，实现亚米级伪距差分定位精度，并且增加了系统的稳定性和可靠性。

本发明采取的技术方案是：一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法,其特征在于，包括：

建立基准站和移动站的步骤，所述的基准站和移动站的定位模块包括单频GPS芯片和单频GLONASS芯片；

基准站和移动站分别读取各自的GPS芯片和GLONASS芯片输出的广播星历的步骤；

基准站和移动站分别将对GLONASS系统与GPS系统进行时间同步的步骤；

基准站和移动站根据各自的GPS和GLONASS芯片的广播星历，分别计算出GPS和GLONASS的卫星位置的步骤；

移动站读取其GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距相位数据的步骤；

基准站读取其GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距数据的步骤；

基准站根据该基准站的位置、获得的GPS和GLONASS的卫星位置、以及读取的GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距数据，计算出基准站的伪距差分改正数的步骤；

将基准站计算的伪距差分改正数送到移动站的步骤；

根据移动站获得的GPS和GLONASS的卫星位置、读取的GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距相位数据、以及基准站得到的伪距差分改正数，移动站采用卡尔曼滤波方法计算出定位结果的步骤。

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其中，所述的定位模块选取的要求是：可以分别接收1575.42MHz GPSL1的信号和GLONASS信号,并且能输出原始伪距数据和原始伪距相位数据,单点定位精度为2m，输出频率为1Hz。

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其中，所述的将GLONASS的时间与GPS时间同步的步骤具体采用如下的运算公式：

GPST=GLONASST-14s，其中s是秒。

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其中，所述的计算出GLONASS的卫星位置的步骤中，还包括将所述的GLONASS系统坐标系转换成GPS坐标系的过程；该坐标系转换公式为：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}-84}=\left[\begin{array}{ccc}1.0& -1.9\×{10}^{-6}& 0.0\\ 1.9\×{10}^{-6}& 1.0& 0.0\\ 0.0& 0.0& 1.0\end{array}\right]={\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{PZ}-90}+\left[\begin{array}{c}0.0\\ 2.5\\ 0.0\end{array}\right]$

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其中，所述的采用卡尔曼滤波方法计算出定位结果的步骤包括：

建立移动站的观测方程、对伪距进行平滑计算的步骤；

建立移动站过程动态模型和量测模型的步骤；

扩展卡尔曼滤波增益计算的步骤。

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其中，所述的观测方程包括：

GPS伪距观测方程

ρ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(GPS)

GPS相位观测方程

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_L1(GPS)N_i

GLONASS伪距观测方程

ρ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(Glonass)

GLONASS相位观测方程

φ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_Li(Glonass)N_i

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其中，所述量测模型是：

z_k=[ρ_post+Δρ]=h(x)_k+var_k    k≥1

式中：

Z_k是观测量，这里是平滑后的伪距ρ_post和差分修正量Δρ的和；

h(x)_k是观测模型；

var_k是k时刻的观测误差

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其中，所述的扩展卡尔曼滤波增益计算的步骤包括：

观测更新：

K_k=P_k(-)H_k ^T(H_kP_k(-)H_k ^T+R_k)^-1

${\hat{x}}_k(+)={\hat{x}}_k(-)+K_k(z_k-h\left({\hat{x}}_k(-)\right))$

P_k(+)=(I-K_kH_k)P_k(-)

式中：

K_k是卡尔曼滤波器增益，P_k是协方差矩阵，H_k是观测矢量矩阵，R_k是观测误差协方差矩阵，

是估值。

该过程是通过k时刻的观测量z_k，观测矢量矩阵H_k，和观测误差协方差矩阵R_k来实现观测量更新，(+)和(-)是指协方差矩阵P_k的更新前后的标志。

时间更新：

${\hat{x}}_{k+1}(-)={\hat{x}}_k(+)+{\∫}_{t_k}^{t_{k+1}}f({\hat{x}}_k(+),\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

P_k+1(-)=Φ(t_k+1,t_k)P_k(+)Φ(t_k+1,t_k)^T+Q_k

式中：

Φ(t_k+1,t_k)是状态动态模型，Q_k是状态动态误差矩阵。

是估计值

的时间微分函数；

该过程实现了时刻t_k到t_k+1的时间更新；

以上过程迭代逐步推算后，可以推算出每一个时刻的最佳估算值，就是移动站的坐标。

一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其特点是，包括：

基准站和移动站，所述的基准站和移动站之间采用通讯模块通讯；

所述的基准站包括：由单频GPS芯片和单频GLONASS芯片构成的定位模块、GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GLONASS/GPS时间同步模块、GPS卫星位置坐标计算模块、GLONASS卫星位置坐标计算模块、GPS伪距数据读取模块、GLONASS伪距数据读取模块、伪距差分改正数据计算模块；所述的定位模块的输出端分别与GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GPS伪距数据读取模块、以及GLONASS伪距数据读取模块的输入端电连接；所述的GPS星历读取模块的输出端与GPS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GLONASS星历读取模块的输出端与GLONASS/GPS时间同步模块的输入端电连接，GLONASS/GPS时间同步模块的输出端与GLONASS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距数据读取模块的输出端、GLONASS伪距数据读取模块的输出端、以及该基准站输出的位置信息，分别与伪距差分改正数据计算模块的输入端电连接；所述的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据；

所述的移动站包括：由单频GPS芯片和单频GLONASS芯片构成的定位模块、GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GLONASS/GPS时间同步模块、GPS卫星位置坐标计算模块、GLONASS卫星位置坐标计算模块、GPS伪距相位数据读取模块、GLONASS伪距相位数据读取模块、GLONASS/GPS组合坐标计算模块；所述的定位模块的输出端分别与GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GPS伪距数据读取模块、以及GLONASS伪距数据读取模块的输入端电连接；所述的GPS星历读取模块的输出端与GPS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GLONASS星历读取模块的输出端与GLONASS/GPS时间同步模块的输入端电连接，GLONASS/GPS时间同步模块的输出端与GLONASS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距相位数据读取模块的输出端、GLONASS伪距相位数据读取模块的输出端、以及基准站的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据，分别与GLONASS/GPS组合坐标计算模块的输入端电连接；所述GLONASS/GPS组合坐标计算模块输出组合坐标定位结果。

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其中，所述的基准站和移动站的GLONASS卫星位置坐标计算模块中还包括将所述的GLONASS系统坐标系转换成GPS坐标系的过程；该坐标系转换公式为：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}-84}=\left[\begin{array}{ccc}1.0& -1.9\×{10}^{-6}& 0.0\\ 1.9\×{10}^{-6}& 1.0& 0.0\\ 0.0& 0.0& 1.0\end{array}\right]={\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{PZ}-90}+\left[\begin{array}{c}0.0\\ 2.5\\ 0.0\end{array}\right]$

上述一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其中，移动站所述的GLONASS/GPS组合坐标计算模块包括：顺序电连接的观测方程建立模块、伪距平滑计算模块、过程动态模型和量测模型建立模块、扩展卡尔曼滤波增益计算模块；所述的观测方程建立模块的输入端分别与该移动站所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距相位数据读取模块的输出端、GLONASS伪距相位数据读取模块的输出端电连接；所述的基准站的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据与所述的该移动站的过程动态模型和量测模型建立模块的输入端电连接；

其中：所述的观测方程建立模块包括：

建立GPS伪距观测方程

ρ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(GPS)

建立GPS相位观测方程

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_L1(GPS)N_i

建立GLONASS伪距观测方程

ρ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(Glonass)

建立GLONASS相位观测方程

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_Li(Glonass)N_i；

所述的伪距平滑计算模块包括采用如下格式：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{post}}=\mathrm{\φ}-\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\φ}-\mathrm{\ρ});$

K=20s

所述的扩展卡尔曼滤波增益计算模块包括：

观测更新：

K_k=P_k(-)H_k ^T(H_kP_k(-)H_k ^T+R_k)^-1

${\hat{x}}_k(+)={\hat{x}}_k(-)+K_k(z_k-h\left({\hat{x}}_k(-)\right))$

P_k(+)=(I-K_kH_k)P_k(-)

式中：

K_k是卡尔曼滤波器增益，P_k是协方差矩阵，H_k是观测矢量矩阵，R_k是观测误差协方差矩阵，

是估值。

该过程是通过k时刻的观测量z_k，观测矢量矩阵H_k，和观测误差协方差矩阵R_k来实现观测量更新，(+)和(-)是指协方差矩阵P_k的更新前后的标志。

时间更新：

${\hat{x}}_{k+1}(-)={\hat{x}}_k(+)+{\∫}_{t_k}^{t_{k+1}}f({\hat{x}}_k(+),\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

P_k+1(-)=Φ(t_k+1,t_k)P_k(+)Φ(t_k+1,t_k)T+Q_k

式中：

Φ(t_k+1，t_k)是状态动态模型，Q_k是状态动态误差矩阵。是估计值

的时间微分函数。

该过程实现了时刻t_k到t_k+1的时间更新。

以上过程迭代逐步推算后，可以推算出每一个时刻的最佳估算值，就是移动站的坐标。

本发明由于采用了以上的技术方案，其产生的技术效果是明显的：

1、采取了GPS和GLONASS组合定位方法，可以增加可见卫星数增加定位的稳定性，改善精度衰减因子DOP精度增加定位精度。

2、系统中选取低价格的单频GPS和GLONASS芯片模块（1000元以下），既可以增加系统的实用性，又大大地降低了系统的成本，扩大本发明成果的应用范围。

3、在GPS/GLONASS组合定位结算中，采取了相位辅助扩展卡尔曼滤波(EKF)的新技术，实现亚米级伪距差分定位精度，提高了定位解算的稳定性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明卡尔曼滤波器流程图。

图3是本发明系统的整体结构电方框图。

图4是本发明基准站的电方框图。

图5是本发明移动站的电方框图。

图6本发明移动站中GLONASS/GPS组合坐标计算模块的电方框图。

具体实施方式

请参阅图1，图1为本发明方法的流程图。本发明一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，包括以下步骤：

建立基准站和移动站的步骤S1，所述的基准站和移动站的定位模块包括单频GPS芯片和单频GLONASS芯片；

基准站和移动站分别读取各自的GPS芯片和GLONASS芯片输出的广播星历的步骤S2；

基准站和移动站分别将GLONASS系统与GPS系统进行时间同步的步骤S3；

基准站和移动站根据各自的GPS和GLONASS芯片的广播星历，分别计算出GPS和GLONASS的卫星位置的步骤S4；

基准站读取其GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距数据的步骤S5；

移动站读取其GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距相位数据的步骤S6；

基准站根据该基准站的位置、获得的GPS和GLONASS的卫星位置、以及读取的GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距数据，计算出基准站的伪距差分改正数的步骤S7；

将基准站计算的伪距差分改正数送到移动站的步骤S8；

移动站根据获得的GPS和GLONASS的卫星位置、读取的GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距相位数据、以及从基准站得到的伪距差分改正数，移动站采用卡尔曼滤波方法计算出定位结果的步骤S9。

下面以一个具体的实施例来进一步详细说明：

本发明基准站和移动站选取的定位模块均为单频GPS芯片和GLONASS芯片模块，采用的型号例如为GPS/GLONASS Module MGGS2217,该模块可以接收GPSL1(1575.42MHz)和GLONASS信号,并且输出原始伪距信息和相位信息,单点定位精度为2m，输出频率为1Hz。

基准站和移动站分别读取各自的GPS芯片和GLONASS芯片输出的广播星历

移动站对GLONASS系统与GPS系统进行时间同步，具体运算公式为：

GPST=GLONASST-14s

根据GPS/GLONASS（说明：本申请中凡涉及“GPS/GLONASS”都是“GPS和GLONASS”的意思）的广播星历，计算出GPS/GLONASS的卫星位置。由于GLONASS系统采用PZ-90坐标系,而GPS采用WGS-84坐标系，因此在进行组合解算时，须把PZ-90坐标系转换WGS-84坐标系。该坐标系转换公式为：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}-84}=\left[\begin{array}{ccc}1.0& -1.9\×{10}^{-6}& 0.0\\ 1.9\×{10}^{-6}& 1.0& 0.0\\ 0.0& 0.0& 1.0\end{array}\right]={\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{PZ}-90}+\left[\begin{array}{c}0.0\\ 2.5\\ 0.0\end{array}\right]$

基准站读取GPS/GLONASS定位模块输出的原始伪距数据

依据基准站的位置，并且根据计算出的GPS/GLONASS的卫星位置，计算基准站的伪距差分改正数Δρ_i。

移动站读取的GPS/GLONASS模块输出原始数据（包括伪距ρ_i(GPS)ρ_i(Glonass)和相位信息φ_i(GPS)φ_i(Glonass)）、以及基准站输出的伪距差分改正数Δρ_i，对该移动站的位置进行精确计算。包括：

建立移动站的观测方程。观测方程包括：

GPS伪距观测方程

ρ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(GPS)

GPS相位观测方程

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_L1(GPS)N_i

GLONASS伪距观测方程

ρ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(Glonass)

GLONASS相位观测方程

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_Li(Glonass)N_i

式中：d_trop是对流层误差，d_ion是电离层误差。

观测方程式中忽略轨道误差和残留的卫星钟误差。经过差分改正以后，可以减小对流层误差d_trop和电离层误差d_ion的影响。

在初始化时间（例如20秒）内，利用相位信息φ_i对伪距ρ_i进行平滑计算出ρ_post，提高伪距的精度：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{post}}=\mathrm{\φ}-\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\φ}-\mathrm{\ρ})$

K=20s

待估参数包括三维位置坐标、接收机相对于GPS系统钟差d_T(GPS)和接收机相对于GLONASS系统时间钟差d_T(Glonass)，建立状态适量：

量测模型为：

z_k=[ρ_post+Δρ]=h(x)_k+var_k    k≥1

其中：var_k是伪距观测噪声。该伪距观测噪声计算方法是：

${\mathrm{var}}_{\mathrm{GPS}}=({100}^2\×({0.003}^2+\frac{{0.003}^2}{\sin \left(\mathrm{el}\right)}))\×{\mathrm{fact}}_{\mathrm{GPS}}$

${\mathrm{var}}_{\mathrm{Glonass}}=({100}^2\×({0.003}^2+\frac{{0.003}^2}{\sin \left(\mathrm{el}\right)}))\×{\mathrm{fact}}_{\mathrm{Glonass}}$

fact_GPS=1.0

fact_Glonass=1.5

式中：var_GPS是GPS系统伪距观测噪声模型，var_Glonnass是Glonass系统伪距观测噪声模型，el是卫星仰角。

本发明可利用GLONASS广播星历的误差大于GPS广播星历的误差，GLONASS的伪距噪声大于GPS的伪距噪声的特点，利用卫星仰角来估算各个卫星的伪距观测噪声。每一个时刻至少需要5颗以上的卫星去解算每一时刻的位置。

请参阅图2，图2为本发明卡尔曼滤波器流程图。观测数据中包括伪距数据和计算得到GPS和Glonass的卫星位置。经过卡尔曼滤波的观测更新和时间更新（详见以下卡尔曼滤波的公式），得出估算值就是移动站的坐标。

本发明扩展卡尔曼滤波中包括：

观测更新：

K_k=P_k(-)H_k ^T(H_kP_k(-)H_k ^T+R_k)^-1

${\hat{x}}_k(+)={\hat{x}}_k(-)+K_k(z_k-h\left({\hat{x}}_k(-)\right))$

P_k(+)=(I-K_kH_k)P_k(-)

式中：

K_k是卡尔曼滤波器增益，P_k是协方差矩阵，H_k是观测矢量矩阵，R_k是观测误差协方差矩阵，

是估值。

该过程是通过k时刻的观测量z_k，观测矢量矩阵H_k，和观测误差协方差矩阵R_k来实现观测量更新，(+)和(-)是指协方差矩阵P_k的更新前后的标志。

时间更新：

${\hat{x}}_{k+1}(-)={\hat{x}}_k(+)+{\∫}_{t_k}^{t_{k+1}}f({\hat{x}}_k(+),\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

P_k+1(-)=Φ(t_k+1,t_k)P_k(+)Φ(t_k+1,t_k)^T+Q_k

式中：

Φ(t_k+1，t_k)是状态动态模型，Q_k是状态动态误差矩阵。

是估计值

的时间微分函数。该过程实现了时刻t_k到t_k+1的时间更新。

以上过程迭代逐步推算后，可以推算出每一个时刻的最佳估算值，然后在卡尔曼滤波器收敛后，输出结果最佳估算值

就是移动站的坐标[X,Y,H]。

请参阅图3。本发明一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，包括：基准站1和移动站2，所述的基准站和移动站之间采用通讯模块3通讯。

请参阅图4。本发明所述的基准站1包括：由单频GPS芯片和单频GLONASS芯片构成的定位模块10、GPS星历读取模块11、GLONASS星历读取模块13、GLONASS/GPS时间同步模块14、GPS卫星位置坐标计算模块12、GLONASS卫星位置坐标计算模块15、GPS伪距数据读取模块16、GLONASS伪距数据读取模块17、基准站准确位置输出模块18、伪距差分改正数据计算模块19；所述的定位模块的输出端分别与GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GPS伪距数据读取模块、以及GLONASS伪距数据读取模块的输入端电连接；所述的GPS星历读取模块的输出端与GPS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GLONASS星历读取模块的输出端与GLONASS/GPS时间同步模块的输入端电连接，GLONASS/GPS时间同步模块的输出端与GLONASS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距数据读取模块的输出端、GLONASS伪距数据读取模块的输出端、以及该基准站准确位置输出模块输出的位置信息，分别与伪距差分改正数据计算模块的输入端电连接；所述的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据；

请参阅图5。所述的移动站2包括：由单频GPS芯片和单频GLONASS芯片构成的定位模块20、GPS星历读取模块21、GLONASS星历读取模块23、GLONASS/GPS时间同步模块24、GPS卫星位置坐标计算模块22、GLONASS卫星位置坐标计算模块25、GPS伪距相位数据读取模块26、GLONASS伪距相位数据读取模块27、GLONASS/GPS组合坐标计算模块28；所述的定位模块的输出端分别与GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GPS伪距数据读取模块、以及GLONASS伪距数据读取模块的输入端电连接；所述的GPS星历读取模块的输出端与GPS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GLONASS星历读取模块的输出端与GLONASS/GPS时间同步模块的输入端电连接，GLONASS/GPS时间同步模块的输出端与GLONASS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距相位数据读取模块的输出端、GLONASS伪距相位数据读取模块的输出端、以及基准站的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据，分别与GLONASS/GPS组合坐标计算模块的输入端电连接；所述GLONASS/GPS组合坐标计算模块输出组合坐标定位结果。

由于GLONASS系统采用PZ-90坐标系,而GPS采用WGS-84坐标系，因此在进行组合解算时，须把PZ-90坐标系转换WGS-84坐标系。因此，所述的基准站和移动站的GLONASS卫星位置坐标计算模块15、25中还各包括一GLONASS卫星坐标转换模块151、251，以将所述的GLONASS系统坐标系转换成GPS坐标系的过程；该坐标系转换公式为：

${\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{WGS}-84}=\left[\begin{array}{ccc}1.0& -1.9\×{10}^{-6}& 0.0\\ 1.9\×{10}^{-6}& 1.0& 0.0\\ 0.0& 0.0& 1.0\end{array}\right]={\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]}_{\mathrm{PZ}-90}+\left[\begin{array}{c}0.0\\ 2.5\\ 0.0\end{array}\right]$

请参阅图6。本发明的移动站2中所述的GLONASS/GPS组合坐标计算模块28包括：顺序电连接的观测方程建立模块281、伪距平滑计算模块282、过程动态模型和量测模型建立模块283、扩展卡尔曼滤波增益计算模块284、以及结果坐标输出模块285；所述的观测方程建立模块的输入端分别与该移动站所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距相位数据读取模块的输出端、GLONASS伪距相位数据读取模块的输出端电连接；所述的基准站的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据与所述的该移动站的过程动态模型和量测模型建立模块的输入端电连接；

其中：所述的观测方程建立模块281包括：

建立GPS伪距观测方程2811

ρ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(GPS)

建立GPS相位观测方程2812

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_L1(GPS)N_i

建立GLONASS伪距观测方程2813

ρ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(Glonass)

建立GLONASS相位观测方程2814

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_Li(Glonass)N_i；

所述的伪距平滑计算模块包括采用如下格式：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{post}}=\mathrm{\φ}-\frac{1}{K}\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\φ}-\mathrm{\ρ});$

K=20s

上述式中：

ρ_post是平滑后的伪距

φ是原始相位数据

ρ是原始伪距数据

K是移动平滑时间，这里是20秒。

所述的扩展卡尔曼滤波增益计算模块包括：

观测更新：

K_k=P_k(-)H_k ^T(H_kP_k(-)H_k ^T+R_k)^-1

${\hat{x}}_k(+)={\hat{x}}_k(-)+K_k(z_k-h\left({\hat{x}}_k(-)\right))$

P_k(+)=(I-K_kH_k)P_k(-)

式中：

K_k是卡尔曼滤波器增益，P_k是协方差矩阵，H_k是观测矢量矩阵，R_k是观测误差协方差矩阵，

是估值。

该过程是通过k时刻的观测量z_k，观测矢量矩阵H_k，和观测误差协方差矩阵R_k来实现观测量更新，(+)和(-)是指协方差矩阵P_k的更新前后的标志。

时间更新：

${\hat{x}}_{k+1}(-)={\hat{x}}_k(+)+{\∫}_{t_k}^{t_{k+1}}f({\hat{x}}_k(+),\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}$

P_k+1(-)=Φ(t_k+1,t_k)P_k(+)Φ(t_k+1,t_k)^T+Q_k

式中：

Φ(t_k+1，t_k)是状态动态模型，Q_k是状态动态误差矩阵。

是估计值

的时间微分函数。该过程实现了时刻t_k到t_k+1的时间更新。以上过程迭代逐步推算后，最后得到该移动站的位置结果[X,Y,H]。

下表为表示单点定位和差分定位后的误差比较表。从表中的结果，可明显看出本发明定位精确：

本发明具有解算稳定、定位精确、节约成本和实用性强的优点。

Claims (14)

1.一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法,其特征在于，包括：

建立基准站和移动站的步骤，所述的基准站和移动站的定位模块包括单频GPS芯片和单频GLONASS芯片；

基准站和移动站分别读取各自的GPS芯片和GLONASS芯片输出的广播星历的步骤；

基准站和移动站分别将对GLONASS系统与GPS系统进行时间同步的步骤；

基准站和移动站根据各自的GPS和GLONASS芯片的广播星历，分别计算出GPS和GLONASS的卫星位置的步骤；

移动站读取其GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距相位数据的步骤；

基准站读取其GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距数据的步骤；

基准站根据该基准站的位置、获得的GPS和GLONASS的卫星位置、以及读取的GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距数据，计算出基准站的伪距差分改正数的步骤；

将基准站计算的伪距差分改正数送到移动站的步骤；

移动站根据获得的GPS和GLONASS的卫星位置、读取的GPS和GLONASS芯片输出的原始伪距相位数据、以及从基准站得到的伪距差分改正数，移动站采用卡尔曼滤波方法计算出定位结果的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其特征在于，所述的定位模块选取的要求是：可以分别接收1575.42MHzGPSL1的信号和GLONASS信号,并且能输出原始伪距数据和原始伪距相位数据,单点定位精度为2m，输出频率为1Hz。

3.根据权利要求1所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其特征在于，所述的将GLONASS的时间与GPS时间同步的步骤具体采用如下的运算公式：

GPST=GLONASST-14S，式中s是秒。

4.根据权利要求1所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其特征在于，所述的计算出GLONASS的卫星位置的步骤中，还包括将所述的GLONASS系统坐标系转换成GPS坐标系的过程；该坐标系转换公式为： 

。

5.根据权利要求1所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其特征在于，所述的采用卡尔曼滤波方法计算出定位结果的步骤包括：

建立移动站的观测方程、对伪距进行平滑计算的步骤；

建立移动站过程动态模型和量测模型的步骤；

扩展卡尔曼滤波增益计算的步骤。

6.根据权利要求5所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其特征在于，所述的观测方程包括：

GPS伪距观测方程

ρ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(GPS)

GPS相位观测方程

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_L1(GPS)N_i

GLONASS伪距观测方程

ρ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(Glonass)

GLONASS相位观测方程

φ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λL_i(Glonass)N_i

式中：ρ_i(GPS)是第i颗GPS卫星的原始观测伪距数据；

P_i是第i颗GPS卫星到接收机的实际距离；

d_ion是电离层误差；

d_trop是对流层误差；

cd_T(GPS)是相对于GPS系统的钟差产生的距离误差（c是光速）；

φ_i(GPS)是第i颗GPS卫星的原始观测相位数据；

λ_L1(GPS)是GPS的L1频率信号的波长；

N_i是第i颗GPS卫星的相位整周模糊度；

ρ_i(Glonass)是第i颗Glonass卫星的原始观测伪距数据；

cd_T(GPS)是相对于Glonass系统的钟差产生的距离误差（c是光速）；

φ_i(Glonass)是第i颗Glonass卫星的原始观测相位数据；

λ_Li(Glonass)是第i颗Glonass卫星的信号的波长； 

N_i是第i颗Glonass卫星的相位整周模糊度。

7.根据权利要求5所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其特征在于，所述的量测模型是：

z_k=[ρ_post+Δρ]=h(x)_k+var_kk≥1

式中：

z_k是观测量，这里是平滑后的伪距P_post和差分修正量Δρ的和；

h(x)_k是观测模型；

var_k是k时刻的观测误差。

8.根据权利要求5所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的方法，其特征在于，所述的扩展卡尔曼滤波增益计算的步骤包括：

观测更新：

K_k=P_k(-)H_k ^T(H_kP_k(-)H_k ^T+R_k)^-1

P_k(+)=(I-K_kH_k)P_k(-)

式中：

K_k是卡尔曼滤波器增益，P_k是协方差矩阵，H_k是观测矢量矩阵，R_k是观测误差协方差矩阵， 

是估值；

该过程是通过k时刻的观测量z_k，观测矢量矩阵H_k，和观测误差协方差矩阵R_k来实现观测量更新，(+)和(-)是指协方差矩阵P_k的更新前后的标志；

时间更新：

P_k+1(-)=Φ(t_k+1,t_k)P_k(+)Φ(t_k+1,t_k)^T+Q_k

式中：

Φ(t_k+1,t_k)是状态动态模型，Q_k是状态动态误差矩阵。 

是估计值 

的时间微分函数；

该过程实现了时刻t_k到t_k+1的时间更新；

以上过程迭代逐步推算后，可以推算出每一个时刻的最佳估算值，就是移动站的坐标。

9.一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其特征在于，包 括：

基准站和移动站，所述的基准站和移动站之间采用通讯模块通讯；

所述的基准站包括：由单频GPS芯片和单频GLONASS芯片构成的定位模块、GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GLONASS/GPS时间同步模块、GPS卫星位置坐标计算模块、GLONASS卫星位置坐标计算模块、GPS伪距数据读取模块、GLONASS伪距数据读取模块、伪距差分改正数据计算模块；所述的定位模块的输出端分别与GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GPS伪距数据读取模块、以及GLONASS伪距数据读取模块的输入端电连接；所述的GPS星历读取模块的输出端与GPS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GLONASS星历读取模块的输出端与GLONASS/GPS时间同步模块的输入端电连接，GLONASS/GPS时间同步模块的输出端与GLONASS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距数据读取模块的输出端、GLONASS伪距数据读取模块的输出端、以及该基准站输出的位置信息，分别与伪距差分改正数据计算模块的输入端电连接；所述的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据；

所述的移动站包括：由单频GPS芯片和单频GLONASS芯片构成的定位模块、GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GLONASS/GPS时间同步模块、GPS卫星位置坐标计算模块、GLONASS卫星位置坐标计算模块、GPS伪距相位数据读取模块、GLONASS伪距相位数据读取模块、GLONASS/GPS组合坐标计算模块；所述的定位模块的输出端分别与GPS星历读取模块、GLONASS星历读取模块、GPS伪距数据读取模块、以及GLONASS伪距数据读取模块的输入端电连接；所述的GPS星历读取模块的输出端与GPS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GLONASS星历读取模块的输出端与GLONASS/GPS时间同步模块的输入端电连接，GLONASS/GPS时间同步模块的输出端与GLONASS卫星位置坐标计算模块的输入端电连接；所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距相位数据读取模块的输出端、GLONASS伪距相位数据读取模块的输出端、以及基准站的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据，分别与GLONASS/GPS组合坐标计算模块的输入 端电连接；所述GLONASS/GPS组合坐标计算模块输出组合坐标定位结果。

10.根据权利要求9所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其特征在于，所述的基准站和移动站的GLONASS卫星位置坐标计算模块中还包括将所述的GLONASS系统坐标系转换成GPS坐标系的过程；该坐标系转换公式为：

。

11.根据权利要求9所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其特征在于，移动站所述的GLONASS/GPS组合坐标计算模块包括：顺序电连接的观测方程建立模块、伪距平滑计算模块、过程动态模型和量测模型建立模块、扩展卡尔曼滤波增益计算模块；所述的观测方程建立模块的输入端分别与该移动站所述的GPS卫星位置坐标计算模块的输出端、GLONASS卫星位置坐标计算模块的输出端、GPS伪距相位数据读取模块的输出端、GLONASS伪距相位数据读取模块的输出端电连接；所述的基准站的伪距差分改正数据计算模块输出伪距差分改正数据与所述的该移动站的过程动态模型和量测模型建立模块的输入端电连接。

12.根据权利要求11所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其特征在于，所述的观测方程建立模块包括：

建立GPS伪距观测方程

ρ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(GPS)

建立GPS相位观测方程

φ_i(GPS)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_L1(GS)N_i

建立GLONASS伪距观测方程

ρ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_T(Glonass)

建立GLONASS相位观测方程

φ_i(Glonass)=P_i+d_ion+d_trop+cd_Ti+λ_Li(Glonass)N_i；

式中：ρ_i(GPS)是第i颗GPS卫星的原始观测伪距数据；

P_i是第i颗GPS卫星到接收机的实际距离；

d_ion是电离层误差； 

d_trop是对流层误差；

cd_T(GPS)是相对于GPS系统的钟差产生的距离误差（c是光速）；

φ_i(GPS)是第i颗GPS卫星的原始观测相位数据；

λ_L1(GPS)是GPS的L1频率信号的波长；

N_i是第i颗GPS卫星的相位整周模糊度；

ρ_i(Glonass)是第i颗Glonass卫星的原始观测伪距数据；

cd_T(GPS)是相对于Glonass系统的钟差产生的距离误差（c是光速）；

φ_i(Glonass)是第i颗Glonas s卫星的原始观测相位数据；

λ_Li(Glonass)是第i颗Glonass卫星的信号的波长；

N_i是第i颗Glonass卫星的相位整周模糊度。

13.根据权利要求11所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其特征在于，所述的伪距平滑计算模块包括采用如下公式：

K=20s

式中：ρ_post是平滑后的伪距

φ是原始相位数据

ρ是原始伪距数据

K是移动平滑时间。

14.根据权利要求11所述的一种采用单频GPS和GLONASS组合精准定位的系统，其特征在于，所述的扩展卡尔曼滤波增益计算模块包括：

观测更新：

K_k=P_k(-)H_k ^T(H_kP_k(-)H_k ^T+R_k)^-1

P_k(+)=(I-K_kH_k)P_k(-)

式中：

K_k是卡尔曼滤波器增益，P_k是协方差矩阵，H_k是观测矢量矩阵，R_k是观测误差协方差矩阵， 

是估值。该过程是通过k时刻的观测量z_k，观测矢量矩阵H_k，和观测误差协方差矩阵R_k来实现观测量更新，(+)和()是指协方差矩阵P_k的更新前后的标志；

时间更新：

P_k+1(-)=Φ(t_k+1,t_k)P_k(+)Φ(t_k+1,t_k)^T+Q_k

式中：

Φ(t_k+1,t_k)是状态动态模型，Q_k是状态动态误差矩阵。 

是估计值 

的时间微分函数；该过程实现了时刻t_k到t_k+1的时间更新；

以上过程迭代逐步推算后，可以推算出每一个时刻的最佳估算值，就是移动站的坐标[X,Y,H]。 

Images