CN104076381B - 实时精密单点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时精密单点定位方法，包括步骤：步骤1，对GPS观测数据依次进行预处理、误差改正、Kalman滤波；步骤2，在Kalman滤波后的数据中选定窗口样本，并根据定位精度需要，采用时间序列分析法分析窗口样本，具体为：取窗口样本的收敛判定指标为样本数据，对样本数据的统计学特性进行相关性检验分析，获得可靠性概率；根据可靠性概率判断是否定位收敛。本发明实现了精密单点定位的实时收敛判定，可实时了解定位结果是否收敛到需求精度，并大大提高了作业效率。

Description

实时精密单点定位方法

技术领域

本发明属于全球导航技术领域，尤其涉及一种实时精密单点定位方法。

背景技术

目前实时精密单点定位技术日趋成熟，实时精密单点定位的应用需求也不断增加。实时动态非差精密单点定位完全收敛后，其外符合精度可以达到平面5cm、高程10cm。但是影响单点定位参数解算收敛时间的因素很多，如观测数据质量、采样间隔、误差估计模型、卫星空间几何构型以及用户所要求达到的精度等。在单点定位中，待估参数主要包括4类，即：位置参数、接收机钟差、对流层延迟和模糊度参数，对于不同待估参数的收敛时间和收敛稳定性有不同的改善措施。许多学者进行了一些卓有成效的研究工作，有学者研究了待估参数个数和数据质量对收敛时间和稳定性的影响，不同卫星高度角情况下对流层干延迟的估计精度，并将湿延迟部分作为待估参数，研究模糊度参数估计等对收敛时间的影响。

RTK(实时动态差分法)技术主要是通过双差模糊度是否固定来判定是否完成初始化过程，而PPP(精密单点定位)技术尚没有一种可靠的初始化判定标准，目前PPP的收敛时间是基于大量观测数据处理统计得到的一个经验值，实际定位所需要的收敛时间则会因具体的观测环境而有所不同。为了使用户获得可靠的高精度定位结果，往往需要用户等待更长的时间以确保定位结果达到要求的定位精度。另一方面，实时动态定位中，PPP与RTK技术实际上都没有给出定位精度，而是采用事后分析的方法，这显然是不合理的，因此研究实时PPP的质量评估方法也是实时PPP技术应用推广所亟待解决的关键问题。

自Zumberge等人利用IGS精密星历和GIPSY软件，成功地验证了精密单点定位技术的可行性以来，精密单点定位误差改正模型不断精化，精度显著提高，广泛应用于大气科学、导航定位及授时等领域。随着实时基准站的增加和实时通信水平的提高，实时精密单点定位技术的研究和应用逐渐成为热点。目前实时精密单点定位收敛后可以达到静态cm级、动态dm至cm级定位精度，固定模糊度后可进一步提高定位精度。但在精密单点定位应用技术中，用户不仅关心导航定位可以达到的精度，更关心精密单点定位是否已经收敛到所需要的定位精度，因此提出一种实时精密单点定位收敛判定方法对实时精密单点定位技术的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现实时收敛判定的实时精密单点定位方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

实时精密单点定位方法，为基于模糊度实数解的实时动态精密单点定位方法，包括步骤：

步骤1，对GPS观测数据依次进行预处理、误差改正、Kalman滤波；

步骤2，在Kalman滤波后的数据中选定窗口样本，并根据定位精度需要，采用时间序列分析法分析窗口样本，本步骤进一步包括子步骤：

2.1取窗口样本的收敛判定指标为样本数据，对样本数据的统计学特性进行相关性检验分析，获得可靠性概率f_i(x)分别表示样本数据的最大值、最小值、均值及均方根误差的相关系数；Ι_i为f_i(x)相应的权值，为经验值；

所述的收敛判定指标其中，GDOP为卫星空间几何构形；δ_P和δ_Φ分别为卫星的伪距验后残差和相位验后残差；n表示观测历元数，dt表示观测时长，v表示采样间隔，ADOP为整周模糊度几何构形，P_P、P_Φ分别表示伪距观测值和相位观测值的权，根据常用测量型接收机伪距观测值和相位观测值精度设定，即p和φ分别为接收机的伪距观测值精度和相位观测值精度；

所述的样本数据的统计学特性包括样本数据的最大值、最小值、均值和均方根误差STD；

2.2根据可靠性概率判断是否定位收敛，若可靠性概率大于设定阈值，则收敛，输出定位结果；否则，结束本历元数据处理，进行下一历元数据处理；所述的设定阈值可根据定位精度需求利用显著性检验公式获得。

子步骤2.1中所述的Ι_i设置为等权。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在实时精密单点定位应用技术中，用户不仅关心导航定位可达到精度，更关心精密单点定位是否已收敛到所需要的定位精度，本发明则解决了该问题，实现了精密单点定位的实时收敛判定。

2、目前实时动态达到分米级定位精度一般需要15～30分钟的收敛时间，当初始观测条件较差时收敛时间会更长；在实时PPP初始化阶段，由于其定位结果精度得不到保障，因此实时PPP用户需要额外等待较长初始化时间。在用户实时定位过程中，采用本发明可实时了解定位结果是否收敛到需求精度，若达到需求精度，即可按照设计作业流程完成作业，从而大大地提高作业效率。

附图说明

图1为本发明实时精密单点定位方法流程图；

图2为AJAC测站收敛判定因子与定位结果的对比效果图，其中，横坐标为观测时间，纵坐标为定位精度；

图3为JOZ2测站收敛判定因子与定位结果的对比效果图，其中，横坐标为观测时间，纵坐标为定位精度；

图4为PBRI测站收敛判定因子与定位结果的对比效果图，其中，横坐标为观测时间，纵坐标为定位精度；

图5为收敛判定效果图，其中，图(b)是定位误差时间序列图，横坐标为观测时间，纵坐标为定位精度；图(a)表示对图(b)应的收敛判定效果，横坐标为样本数，纵坐标表示各窗口样本的收敛可靠性。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步说明。

精密单点定位方法中由于采用高精度的载波相位观测值进行定位，因而可以获得高精度定位结果，但是利用载波相位观测值进行高精度定位需要考虑整周模糊度的问题。实际上，精密单点定位过程中的定位收敛主要是整周模糊度参数的收敛，整周模糊度参数收敛后，精密单点定位则主要依靠载波相位观测值进行定位。而整周模糊度参数的收敛主要受伪距观测值的精度及卫星几何构形及其变化的影响，因此本发明综合利用伪距相位权比、伪距验后残差、相位验后残差、DOP值、采样间隔等信息构造精密单点定位收敛判定指标α：

其中，n表示观测历元数，dt表示观测时长，v表示采样间隔；P_P、P_Φ分别表示伪距观测值和相位观测值的权，根据常用测量型接收机伪距观测值和相位观测值精度设定，即p和φ分别为接收机的伪距观测值精度和相位观测值精度，本具体实施中，接收机伪距观测值精度为3dm，伪距观测值精度为3mm，则伪距观测值和相位观测值的权满足

Kalman滤波后，设卫星i的伪距验后残差和相位验后残差分别为和利用伪距验后残差和相位验后残差分别计算伪距观测值精度δ_P和相位观测值精度δ_Φ：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_P=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{pow}({\mathrm{\δ}}_p^i,2)\·P_i]}{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i}}\\ {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Φ}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{pow}({\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Φ}}^i,2)\·P_i]}{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i}}\end{array}---\left(2\right)$

式(2)中，P_i为卫星i的权，根据卫星i的高度角确定，一般当卫星高度角大于30度时，该卫星的权P_i＝1；当高度角不大于30度时，该卫星的权P_i＝2*sin(EA)，EA为卫星高度角；k为卫星数。

kalman滤波后，得到方差-协方差矩阵N，方差-协方差矩阵N反映了平差后各待估计参数的精度信息及参数间的相关信息，根据方差-协方差矩阵N获得卫星空间几何构形GDOP为：

$\mathrm{GDOP}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{i,i}}---\left(3\right)$

式(3)中，N_i,i表示方差-协方差矩阵N中第i行第i列元素。

整周模糊度几何构形ADOP为：

$\mathrm{ADOP}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{i+4,i+4}}---\left(4\right)$

式(4)中，N_i+4,i+4表示方差-协方差矩阵N中第i+4行第i+4列元素。

本发明方法基于上述提出的收敛判定指标α实现精密单点定位，见图1，本发明实时精密单点定位方法包括步骤：

步骤1，对精密卫星轨道和卫星钟差进行预处理，根据实时服务系统提供的完好性检测方法，分析精密卫星轨道及钟差质量，如果精密卫星轨道和钟差质量较差，则弃用本该组观测数据。

步骤2，对GPS观测数据进行数据预处理，包括粗差及周跳探测，按照精密单点定位中常规方法，对预处理后的GPS观测数据进行误差改正及Kalman滤波处理。

步骤3，选定窗口样本，本具体实施中选择180秒时长宽度的数据作为一个窗口样本；

步骤4，根据定位精度需要，采用时间序列分析法分析窗口样本，具体包括：

4.1取各窗口样本的收敛判定指标为样本数据，对样本数据的统计学特性进行相关性检验分析，并获得可靠性概率；所述的样本数据的统计学特性包括样本数据的最大值、最小值、均值和均方根误差STD。

可靠性概率P公式如下：

$P=\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(I_i{f}_i\left(x\right)\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i}---\left(5\right)$

式(5)中，f_i(x)分别为各窗口样本的最大值、最小值、均值及STD的相关系数，相关系数可按照概率统计方法理论中相关系数计算公式获得；Ι_i为f_i(x)相应的权值，根据经验设定，一般可设置为等权。

4.2将定位精度需要代入显著性检验有关公式获得可靠性概率的设定阈值，若可靠性概率大于设定阈值，则判断收敛，输出定位结果；否则，结束本历元数据处理，进行下一历元数据处理。

表1本发明方法收敛判定成功率统计表

利用IGS跟踪站数据验证本发明方法的收敛效果，见图2～4，从图中可以看出，采用本发明方法和传统定位方法获得的定位结果较为符合，尤其是收敛后符合程度非常高；从图5中也可以看出收敛判定指标α收敛的概率与实际收敛过程也是较为符合的，概率P越大，定位结果N、E、U的收敛稳定性越高。而从表1可以看出，利用本发明提出的收敛判定指标收敛判定的成功率较高。

Claims (2)

1.实时精密单点定位方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，对GPS观测数据依次进行预处理、误差改正、Kalman滤波；

步骤2，在Kalman滤波后的数据中选定窗口样本，并根据定位精度需要，采用时间序列分析法分析窗口样本，本步骤进一步包括子步骤：

2.1取窗口样本的收敛判定指标为样本数据，对样本数据的统计学特性进行相关性检验分析，获得可靠性概率f_i(x)分别表示样本数据的最大值、最小值、均值及均方根误差的相关系数；I_i为f_i(x)相应的权值，为经验值；

所述的收敛判定指标其中，GDOP为卫星空间几何构形；δ_P和δ_Φ分别为卫星的伪距验后残差和相位验后残差；n表示观测历元数，dt表示观测时长，v表示采样间隔，ADOP为整周模糊度几何构形，P_P、P_Φ分别表示伪距观测值和相位观测值的权，根据常用测量型接收机伪距观测值和相位观测值精度设定，即p和φ分别为接收机的伪距观测值精度和相位观测值精度；

所述的样本数据的统计学特性包括样本数据的最大值、最小值、均值和均方根误差STD；

2.2根据可靠性概率判断是否定位收敛，若可靠性概率大于设定阈值，则收敛，输出定位结果；否则，结束本历元数据处理，进行下一历元数据处理；所述的设定阈值通过将定位精度需要代入概率统计理论公式获得。

2.如权利要求1所述的实时精密单点定位方法，其特征在于：

子步骤2.1中所述的I_i设置为等权。