CN104133231B - 一种基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法。步骤如下：根据GNSS各通道跟踪环路实时提供的多普勒频移观测值，基于α‑β滤波方法平滑多普勒频移消除电离层延时误差；采用积分多普勒频移平滑伪距，并对平滑伪距初始值进行均值处理，提高平滑伪距的精度；确定GNSS接收机各通道状态，结合观测时间、卫星星历等信息实时计算观测时刻GNSS各通道卫星的位置信息，基于伪距定位方法完成GNSS接收机的导航定位。本发明方法消除了电离层延时和相位跳变对平滑伪距的影响，提高了平滑伪距的精度和平滑度，改善了GNSS接收机的动态适应性和导航稳定性，应用前景广阔。

Description

一种基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别是一种基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法。

背景技术

全球导航定位系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)可在全球范围内为多用户全天候、全天时连续地提供高精度导航信息，在航天航空、测绘、交通等军民用领域已取得巨大成功，但极易受到载体高机动、障碍遮挡、信号干扰等因素影响，在很大程度上限制了其应用范围，随着众多军民用导航产品对其导航性能需求的不断提升，如何在复杂环境下实现高精度定位导航已成为研究焦点。

载体处于高动态机动、障碍遮挡、信号干扰、多路径等复杂环境时，GNSS接收机载波跟踪环路容易产生信号失锁和相位失周等现象，导致载波相位观测值发生较大变化，采用载波相位平滑伪距将严重影响导航精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法，消除电离层延时和相位跳变对平滑伪距的影响，提高平滑伪距的精度和平滑度，改善GNSS接收机的动态适应性和导航稳定性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法，包括以下步骤：

步骤1，根据GNSS各通道跟踪环路实时提供的多普勒频移观测值，基于α-β滤波方法平滑多普勒频移观测值；

步骤2，将步骤1中基于α-β滤波方法所得到的多普勒频移滤波值积分，基于Hatch滤波方法采用积分多普勒频移平滑伪距，并取多项平滑伪距初始值进行均值处理；

步骤3，确定GNSS接收机各通道状态，根据观测时间、卫星星历，实时确定GNSS接收机各通道卫星的位置信息；

步骤4，根据步骤2所得的平滑伪距，结合步骤3所得的GNSS接收机各通道卫星的位置信息，基于伪距定位方法确定GNSS接收机的位置信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)针对载波相位平滑伪距现存缺点，基于α-β滤波方法实时平滑多普勒频移，消除电离层延时误差；(2)针对跟踪环路信号失锁和相位失周等现象，采用积分多普勒频移平滑伪距，提高平滑伪距的精度和平滑度；(3)对平滑伪距初始值进行均值处理，满足快速高精度定位的导航需求。

附图说明

图1是本发明电离层延时误差校正曲线图。

图2是本发明基于积分多普勒平滑伪距导航定位的流程图。

图3是本发明基于载波相位平滑伪距导航定位静态位置误差图。

图4是本发明基于积分多普勒平滑伪距导航定位静态位置误差图。

图5是本发明基于载波相位平滑伪距导航定位动态位置误差图。

图6是本发明基于积分多普勒平滑伪距导航定位动态位置误差图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。

电离层离地表高度为50～1000km，在太阳光的强烈辐射下，存在大量的正离子和自由电子，不仅会造成卫星信号传播路径的弯曲，而且会引起卫星信号传播速度的变化，导致卫星信号产生延时，伪距和载波相位的电离层延时误差主要由观测时间、测点位置、卫星高度角、季节变化等众多复杂因素决定。

单频GNSS接收机无法准确测定电离层延时误差，一般采用Klobuchar模型估算电离层延时误差予以校正和补偿，卫星信号电离层刺穿点的天顶电离层延时I_z：

$I_z=\left\{\begin{array}{cc}5\&times;{10}^{-9}+A\cos \left(\frac{t-50400}{T}2\mathrm{\&pi;}\right)& |t-50400|<\frac{T}{4}\\ 5\&times;{10}^{-9}& |t-50400|>\frac{T}{4}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，t为观测时间，A为余弦函数振幅且T为余弦函数周期且φ_m为传播路径与中心电离层交点的地磁纬度，α_n和β_n可由GNSS卫星导航电文获取；

卫星倾斜率F：

$F=1+16.0\&times;{(0.53-\frac{\mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&pi;}})}^3---\left(2\right)$

式(2)中，θ为卫星高度角；

因此，卫星信号电离层延时校正值Δρ_iono：

${\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_{\mathrm{iono}}=\frac{I_z}{\cos \mathrm{\&zeta;}}={\mathrm{FI}}_z---\left(3\right)$

式(3)中，ζ为卫星在电离层刺穿点的天顶角。

图1为电离层延时误差校正曲线图，图示表明：观测时间、卫星高度角对电离层延时误差校正有显著影响，白天(8～18h)延时误差校正值较大，晚间较小；卫星高度角越低，延时误差校正值越大，采用Klobuchar模型校正电离层延时的模型误差大约为1～3m，可校正真实电离层延时误差的50％～60％。

结合图2，本发明基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法，包括以下步骤：

步骤1，根据GNSS各通道跟踪环路实时提供的多普勒频移观测值基于α-β滤波方法平滑多普勒频移观测值，具体如下：

根据GNSS各通道跟踪环路在k时刻实时提供的多普勒频移观测值有：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_k^i\\ {\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_k^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& T\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{f}}_{k-1}^i\\ {\widehat{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_{k-1}^i\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{\hat{f}}_k^i\\ {\widehat{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_k^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_k^i\\ {\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_k^i\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\\ \mathrm{\&beta;}\\ \stackrel{\&OverBar;}{T}\end{array}\right]({\tilde{f}}_k^i-\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_k^i\\ {\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_k^i\end{array}\right])\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中，i是GNSS接收机通道编号且i＝1,2,…N且12≤N≤16，T为跟踪环路积分时间且1≤T≤20ms，分别为k-1时刻多普勒频移滤波值、多普勒频移变化率滤波值，α、β是α-β滤波器参数且α＝0.005、β＝10α²/(2-α)，为k时刻多普勒频移先验估计值、为k时刻多普勒频移变化率先验估计值，为k时刻多普勒频移滤波值、为k时刻多普勒频移变化率滤波值。

步骤2，将步骤1中基于α-β滤波方法所得到的多普勒频移滤波值积分，基于Hatch滤波方法采用积分多普勒频移平滑伪距，并取多项平滑伪距初始值进行均值处理，具体如下：

(2.1)将步骤1中基于α-β滤波方法所得到的多普勒频移滤波值进行积分计算，确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的积分多普勒频移

$f_{\mathrm{dopp}}^i={\&Integral;}_{t_0}^{t_0+\mathrm{KT}}{\hat{f}}_k^i\mathrm{dt}=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left({\hat{f}}_k^{i}T\right)---\left(5\right)$

式(5)中，i是GNSS接收机通道编号且i＝1,2,…N且12≤N≤16，t₀为积分多普勒起始时刻，K为导航解算周期内跟踪环路更新次数且100≤K≤1000，T为跟踪环路积分时间且1≤T≤20ms；

(2.2)基于Hatch滤波方法计算在k时刻GNSS接收机各通道卫星信号的积分多普勒平滑伪距

${\mathrm{\&rho;}}_{s,k}^i=\frac{1}{M}{\mathrm{\&rho;}}_k^i+\frac{M-1}{M}[{\mathrm{\&rho;}}_{s,k-1}^i-\mathrm{\&lambda;}{f}_{\mathrm{dopp}}^i]---\left(6\right)$

式(6)中，为GNSS接收机i通道卫星信号在k时刻的伪距观测值，为在k-1时刻积分多普勒平滑伪距，λ为卫星信号波长，M为Hatch滤波平滑时间常数且10≤M≤20；

(2.3)为实现快速高精度定位，提高平滑伪距初始值的精度，可取多项平滑伪距初始值进行均值处理，平滑伪距初始平均值

${\mathrm{\&rho;}}_{s,1}^i=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}_{s,1,n}^i---\left(7\right)$

式(7)中，为第n次积分多普勒平滑伪距初始值，N为均值处理常数且10≤N≤20；

步骤3，确定GNSS接收机各通道状态，根据观测时间、卫星星历等信息，实时解算GNSS接收机各通道卫星的位置信息(xⁱ,yⁱ,zⁱ)；

步骤4，根据步骤2所得的平滑伪距结合步骤3所得的GNSS接收机各通道卫星的位置信息(xⁱ,yⁱ,zⁱ)，基于伪距定位方法确定GNSS接收机的位置信息：

(4.1)根据积分多普勒平滑伪距卫星钟差校正值和对流层延时校正值计算平滑伪距校正值

${\mathrm{\&rho;}}_{c,k}^i={\mathrm{\&rho;}}_{s,k}^i+\mathrm{\&delta;}{t}_k^i+T_k^i---\left(8\right)$

(4.2)根据步骤3所得GNSS接收机各通道卫星的位置信息(xⁱ,yⁱ,zⁱ)，前一时刻成功导航定位的位置信息和钟差信息作为GNSS接收机观测时刻初始概略位置(x₀,y₀,z₀)和初始概略钟差δt_u,0，有：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_i=\frac{-(x^i-x_0)}{\sqrt{{(x^i-x_0)}^2+{(y^i-y_0)}^2+{(z^i-z_0)}^2}}\\ m_i=\frac{-(y^i-y_0)}{\sqrt{{(x^i-x_0)}^2+{(y^i-y_0)}^2+{(z^i-z_0)}^2}}\\ n_i=\frac{-(z^i-z_0)}{\sqrt{{(x^i-x_0)}^2+{(y^i-y_0)}^2+{(z^i-z_0)}^2}}\end{array}\right.$

式(9)中，l_i、m_i、n_i为GNSS接收机i通道卫星的伪距定位矩阵参数；

$G=\left[\begin{array}{cccc}{l}_1& m_1& n_1& 1\\ l_2& m_2& n_2& 1\\ ...& ...& ...& ...\\ l_n& m_n& n_n& 1\end{array}\right]---\left(10\right)$

$b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&rho;}}_{c,k}^1-\sqrt{{(x^1-x_0)}^2+{(y^1-y_0)}^2+{(z^1-z_0)}^2}-\mathrm{\&delta;}{t}_u\\ {\mathrm{\&rho;}}_{c,k}^2-\sqrt{{(x^2-x_0)}^2+{(y^2-y_0)}^2+{(z^2-z_0)}^2}-\mathrm{\&delta;}{t}_u\\ ...\\ {\mathrm{\&rho;}}_{c,k}^n-\sqrt{{(x^n-x_0)}^2+{(y^n-y_0)}^2+{(z^n-z_0)}^2}-\mathrm{\&delta;}{t}_u\end{array}\right]---\left(11\right)$

式(10)和(11)中，n为可视卫星数且4≤n≤12；

(4.3)GNSS接收机的位置信息和钟差信息由概略位置、概略钟差和校正量组成，根据几何矩阵G和误差矩阵b得：

$\left[\begin{array}{c}{x}_u\\ y_u\\ z_u\\ \mathrm{\&delta;}{t}_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\\ \mathrm{\&delta;}{t}_{u,0}\end{array}\right]+{\left(G^{T}G\right)}^{-1}{G}^{T}b---\left(12\right)$

式(12)中，(x_u,y_u,z_u)为观测时刻GNSS接收机的位置信息，δt_u为观测时刻GNSS接收机的钟差信息。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

为了对本发明方法进行说明，充分展现出该方法具有较好的动态适应性和导航稳定性，完成了基于积分多普勒平滑伪距的导航定位静态、动态测试实验，具体如下：

(1)静态实验初始条件及参数设置

实验地点选择南京理工大学自动化学院主楼，楼顶坐标为北纬32.02615°、东经118.85785°、高程为75m。载体坐标：北纬：32.02613°、东经：118.85780°、高程：73m，采集100s数字中频信号完成基于积分多普勒平滑伪距的导航定位静态测试实验；

(2)动态实验初始条件及参数设置

载体飞行轨迹起始点：北纬：32.028950°、东经：119.10990°、高程：1118.2m，终止点：北纬：32.81444°、东经：119.61815°、高程：3872.9m，飞行速度为340m/s，整个飞行过程耗时240s，采集100s数字中频信号完成基于积分多普勒平滑伪距的导航定位动态测试实验；

(3)实验结果分析

根据导航定位静态测试实验，由图3可知基于载波相位平滑伪距的导航定位静态水平误差≤10m，高程误差≤15m，导航定位稳定性较差；根据图4可知基于积分多普勒平滑伪距的导航定位静态水平误差≤5m，高程误差≤10m，导航定位稳定性优良；

根据导航定位动态测试实验，根据图5可知基于载波相位平滑伪距的导航定位静态水平误差≤15m，高程误差≤20m，导航定位稳定性较差；根据图6可知基于积分多普勒平滑伪距的导航定位静态水平误差≤5m，高程误差≤10m，导航定位稳定性优良；因此，GNSS接收机采用基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法可明显提高定位精度，显著改善导航稳定性。

Claims (3)

1.一种基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据GNSS各通道跟踪环路实时提供的多普勒频移观测值，基于α-β滤波方法平滑多普勒频移观测值；

步骤2，将步骤1中基于α-β滤波方法所得到的多普勒频移滤波值积分，基于Hatch滤波方法采用积分多普勒频移平滑伪距，并取多项平滑伪距初始值进行均值处理；

步骤3，确定GNSS接收机各通道状态，根据观测时间、卫星星历，实时确定GNSS接收机各通道卫星的位置信息；

步骤4，根据步骤2所得的平滑伪距，结合步骤3所得的GNSS接收机各通道卫星的位置信息，基于伪距定位方法确定GNSS接收机的位置信息，具体步骤如下：

(4.1)根据积分多普勒平滑伪距卫星钟差校正值和对流层延时校正值计算平滑伪距校正值

${\mathrm{\&rho;}}_{c,k}^i={\mathrm{\&rho;}}_{s,k}^i+{\mathrm{\&delta;t}}_k^i+T_k^i$

(4.2)根据步骤3所得GNSS接收机各通道卫星的位置信息(xⁱ,yⁱ,zⁱ)，前一时刻成功导航定位的位置信息和钟差信息作为GNSS接收机观测时刻初始概略位置(x₀,y₀,z₀)和初始概略钟差δt_u,0，有：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_i=\frac{-(x^i-x_0)}{\sqrt{{(x^i-x_0)}^2+{(y^i-y_0)}^2+{(z^i-z_0)}^2}}\\ m_i=\frac{-(y^i-y_0)}{\sqrt{{(x^i-x_0)}^2+{(y^i-y_0)}^2+{(z^i-z_0)}^2}}\\ n_i=\frac{-(z^i-z_0)}{\sqrt{{(x^i-x_0)}^2+{(y^i-y_0)}^2+{(z^i-z_0)}^2}}\end{array}\right.$

式中，l_i、m_i、n_i为GNSS接收机i通道卫星的伪距定位矩阵参数；

$G=\left[\begin{array}{cccc}{l}_1& m_1& n_1& 1\\ l_2& m_2& n_2& 1\\ ...& ...& ...& ...\\ l_n& m_n& n_n& 1\end{array}\right]$

$b=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&rho;}}_{c,k}^1-\sqrt{{(x^1-x_0)}^2+{(y^1-y_0)}^2+{(z^1-z_0)}^2}-{\mathrm{\&delta;t}}_u\\ {\mathrm{\&rho;}}_{c,k}^2-\sqrt{{(x^2-x_0)}^2+{(y^2-y_0)}^2+{(z^2-z_0)}^2}-{\mathrm{\&delta;t}}_u\\ \mathrm{...}\\ {\mathrm{\&rho;}}_{c,k}^n-\sqrt{{(x^n-x_0)}^2+{(y^n-y_0)}^2+{(z^n-z_0)}^2}-{\mathrm{\&delta;t}}_u\end{array}\right]$

式中，n为可视卫星数且4≤n≤12；

(4.3)GNSS接收机的位置信息和钟差信息由概略位置、概略钟差和校正量组成，根据几何矩阵G和误差矩阵b得：

$\left[\begin{array}{c}{x}_u\\ y_u\\ z_u\\ {\mathrm{\&delta;t}}_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\\ {\mathrm{\&delta;t}}_{u,0}\end{array}\right]+{\left(G^{T}G\right)}^{-1}{G}^{T}b$

式中，(x_u,y_u,z_u)为观测时刻GNSS接收机的位置信息，δt_u为观测时刻GNSS接收机的钟差信息。

2.根据权利要求1所述的基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法，其特征在于，步骤1中所述根据GNSS各通道跟踪环路实时提供的多普勒频移观测值基于α-β滤波方法平滑多普勒频移观测值，具体如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_k^i\\ {\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_k^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& T\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{f}}_{k-1}^i\\ {\widehat{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_{k-1}^i\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}{\hat{f}}_k^i\\ {\widehat{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_k^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_k^i\\ {\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_k^i\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\\ \frac{\mathrm{\&beta;}}{T}\end{array}\right]({\tilde{f}}_k^i-\&lsqb;\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\&rsqb;\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_k^i\\ {\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&CenterDot;}{f}}}_k^i\end{array}\right])\end{array}\right.$

式中，i是GNSS接收机通道编号且i＝1,2,…N且12≤N≤16，T为跟踪环路积分时间且1≤T≤20ms，为k-1时刻多普勒频移滤波值、为k-1时刻多普勒频移变化率滤波值，α、β是α-β滤波器参数且α＝0.005、β＝10α²/(2-α)，为k时刻多普勒频移先验估计值、为k时刻多普勒频移变化率先验估计值，为k时刻多普勒频移滤波值、为k时刻多普勒频移变化率滤波值。

3.根据权利要求1所述的基于积分多普勒平滑伪距的导航定位方法，其特征在于，步骤2中所述基于α-β滤波方法所得到的多普勒频移滤波值积分，基于Hatch滤波方法采用积分多普勒频移平滑伪距，并取多项平滑伪距初始值进行均值处理，具体步骤如下：

(2.1)将步骤1中基于α-β滤波方法所得到的多普勒频移滤波值进行积分计算，确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的积分多普勒频移

$f_{dopp}^i={\&Integral;}_{t_0}^{t_0+KT}{\hat{f}}_k^{i}dt=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\&Sigma;}}\left({\hat{f}}_k^{i}T\right)$

式中，i是GNSS接收机通道编号且i＝1,2,…N且12≤N≤16，t₀为积分多普勒起始时刻，K为导航解算周期内跟踪环路更新次数且100≤K≤1000，T为跟踪环路积分时间且1≤T≤20ms；

(2.2)基于Hatch滤波方法计算在k时刻GNSS接收机各通道卫星信号的积分多普勒平滑伪距

${\mathrm{\&rho;}}_{s,k}^i=\frac{1}{M}{\mathrm{\&rho;}}_k^i+\frac{M-1}{M}\&lsqb;{\mathrm{\&rho;}}_{s,k-1}^i-{\mathrm{\&lambda;f}}_{dopp}^i\&rsqb;$

式中，为GNSS接收机i通道卫星信号在k时刻的伪距观测值，为在k-1时刻积分多普勒平滑伪距，λ为卫星信号波长，M为Hatch滤波平滑时间常数且10≤M≤20；

(2.3)取多项平滑伪距初始值进行均值处理，平滑伪距初始平均值

${\mathrm{\&rho;}}_{s,1}^i=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&rho;}}_{s,1,n}^i$

上式中，为第n次积分多普勒平滑伪距初始值，N为均值处理常数且10≤N≤20。