CN104502943B - 一种室内伪卫星差分相对定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种室内伪卫星差分相对定位方法，以基准站接收机为坐标原点在世界坐标系中建立本地坐标系，通过公式推算，算出用户实际位置。本发明的有益效果是无需进行迭代运算，降低了工程实现的风险，是切实可行的实用技术，提出了一种新的适合于室内伪卫星定位的差分相对定位方法，有效消除了室内伪卫星定位过程中伪卫星以及用户接收机钟差对定位精度的影响，大大提高了室内伪卫星定位的定位精度。此外，本发明与现有的传统差分相对定位方法相比，计算量增加不大，易于工程实现。

Description

一种室内伪卫星差分相对定位方法
技术领域
本发明涉及卫星定位领域，尤其是室内伪卫星的定位。
背景技术
随着全球卫星导航系统的发展，人们对室内定位的需求越来越多，对室内定位的精度要求也越来越高。然而，由于其环境的复杂性导致很少甚至没有GNSS信号可以直接进入到室内。伪卫星的使用可以为室内环境提供有效的GNSS卫星信号，使室内高精度定位成为了可能。在室内定位过程中，没有电离层延时和对流层延时对定位精度的影响，但是由于室内伪卫星相对于用户接收机的距离远远小于室外卫星相对于用户接收机的距离，因此伪卫星的钟差以及用户接收机的钟差会给定位精度带来非常大的误差，导致室内伪卫星定位精度远远不能满足人们的正常需求。室外传统的差分相对定位方法可以减小卫星钟差以及用户接收机钟差对定位精度的影响，但是由于室内环境的特殊性，传统的差分相对定位方法不能在室内应用。因此，一种新的适用于室内伪卫星差分相对定位方法亟待提出。
发明内容
为了克服现有技术的不足，提高室内伪卫星的定位精度，本发明提供了一种基于室内伪卫星的差分相对定位方法，通过该方法可以有效的消除伪卫星和用户接收机的钟差，从而提高室内定位的精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤是：
(1)以基准站接收机为坐标原点在世界坐标系O-XYZ中建立本地坐标系o-xyz，则基准站接收机位置R坐标为R＝(0,0,0)，给伪卫星用编号i来表示，i为1到n，n≥4，并精确测量每一颗伪卫星的位置，记其坐标为上标“i”为伪卫星编号，下标“s”代表伪卫星；
(2)利用单点定位算法，计算得到用户接收机的粗略位置M，记其坐标为M＝(xu,f,yu,f,zu,f)，下标“u，f”代表用户接收机粗略坐标；
(3)计算基准站接收机位置R到用户接收机粗略位置M的向量称向量为粗略基线，下标“f”表示粗略的意思；
(4)假设用户接收机的精确位置为U，坐标为U＝(xu,yu,zu)，下标“u”代表用户接收机，计算用户接收机粗略位置M到用户接收机精确位置U的向量
(5)计算用户接收机和基准站接收机对编号为i的伪卫星的载波相位单插测量值：
式(1)中，λ＝0.19米，c＝3×108米；表示用户接收机和基准站接收机对编号为i的伪卫星的载波相位单差测量值，上标“i”表示伪卫星的编号；为用户接收机到编号为i的伪卫星的几何距离；为用户接收机粗略位置M到编号为i的伪卫星的几何距离，且 为基准站接收机到编号为i的伪卫星的几何距离，且δtR为基准站接收机钟差，为未知数；δtU为用户接收机钟差，为未知数；为单差周整模糊度；
(6)将在用户接收机粗略位置M处进行泰勒展开，取一次项得：
因此有其中，向量是编号为i的伪卫星到用户接收机粗略位置M的单位向量
(7)用户接收机和基准站接收机对所有伪卫星的载波相位单差测量值，用矩阵表示得：
由式(3)可以得到载波相位双差方程组：
其中，为编号为i的伪卫星的载波相位单差测量值，i＝1，2，…，n，为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的载波相位双差测量值，j＝2，3，…，n，和的值可由基准站接收机和用户接收机直接测量得到，为已知数； 为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的单位向量，为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的双差周整模糊度，上标“j1”均表示参数是编号为“j”的伪卫星相对于编号为“1”的伪卫星；
(8)用户接收机和基准站接收机对所有伪卫星的伪距双差测量值，用矩阵表示为：
式(5)中，为伪距双差测量值，的值可由基准站接收机和用户接收机直接测量得到，为已知数；
(9)将式(4)和式(5)联立，得：
式(6)中， 0n-1,n-1表示(n-1)×(n-1)的零矩阵，En-1,n-1表示(n-1)×(n-1)的单位矩阵，上标“T”表示向量的转置；
(10)令计算精确基线的浮点解以及双差整周的浮点解得：
式(7)中，上标“T”代表矩阵的转置矩阵，上标“-1”代表矩阵的逆矩阵；
计算双差整周的协方差矩阵Q＝(Hp,f T·Hp,f)-1，令经计算其中Q矩阵是一个(n+2)×(n+2)的已知矩阵，Qp,3×3、Qp,3×(n-1)、Qp,(n-1)×3以及Qp,(n-1)×(n-1)分别为Q矩阵相应的分块矩阵；
(11)由步骤(10)得到双差整周的浮点解以及双差整周的协方差矩阵Q后，使用LAMBDA算法计算解得双差整周的精确解
(12)计算精确基线的实际值：
(13)计算实际基线
(14)计算得出用户实际位置U：
U为用户最终的实际位置坐标，即定位结果。
本发明的有益效果是无需进行迭代运算，降低了工程实现的风险，是切实可行的实用技术，提出了一种新的适合于室内伪卫星定位的差分相对定位方法，有效消除了室内伪卫星定位过程中伪卫星以及用户接收机钟差对定位精度的影响，大大提高了室内伪卫星定位的定位精度。此外，本发明与现有的传统差分相对定位方法相比，计算量增加不大，易于工程实现。
附图说明
图1是本发明差分相对定位示意图，其中，Si表示编号为i的伪卫星，i＝1，2，…，n，R表示基准站接收机位置，U表示用户接收机位置，M表示用户接收机的粗略位置，为用户接收机到编号为i的伪卫星的几何距离；为用户接收机粗略位置M 到编号为i的伪卫星的几何距离，为基准站接收机到编号为i的伪卫星的几何距离， 为实际基线，为精确基线，为粗略基线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以下为具体步骤：
(1)以基准站接收机为坐标原点在世界坐标系O-XYZ中建立本地坐标系o-xyz，则基准站接收机位置R坐标为R＝(0,0,0)。给伪卫星编号，分别为1到n(n≥4)，编号用i来表示，并精确测量每一颗伪卫星的位置，记其坐标为上标“i”为伪卫星编号，下标“s”代表伪卫星。
(2)利用单点定位算法，计算得到用户接收机的粗略位置M，记其坐标为M＝(xu,f,yu,f,zu,f)，下标“u，f”代表用户接收机粗略坐标。
(3)计算基准站接收机位置R到用户接收机粗略位置M的向量 称向量为粗略基线，下标“f”表示粗略的意思；
(4)假设用户接收机的精确位置为U，坐标为U＝(xu,yu,zu)，下标“u”代表用户接收机，计算用户接收机粗略位置M到用户接收机精确位置U的向量
(5)计算用户接收机和基准站接收机对编号为i的伪卫星的载波相位单插测量值：
式(1)中，λ＝0.19米，c＝3×108米；表示用户接收机和基准站接收机对编号为i的伪卫星的载波相位单差测量值，上标“i”表示伪卫星的编号；为用户接收机到编号为i的伪卫星的几何距离；为用户接收机粗略位置M到编号为i的伪卫星的几何距离，且 为基准站接收机到编号为i的伪卫星的几何距离，且δtR为基准站接收机钟差，为未知数；δtU为用户接收机钟差，为未知数；为单差周整模糊度。
(6)将在用户接收机粗略位置M处进行泰勒展开，取一次项得：
因此有其中，向量是编号为i的伪卫星到用户接收机粗略位置M的单位向量
(7)用户接收机和基准站接收机对所有伪卫星的载波相位单差测量值，用矩阵表示得：
由式(3)可以得到载波相位双差方程组：
其中，为编号为i的伪卫星的载波相位单差测量值，i＝1，2，…，n，为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的载波相位双差测量值，j＝2，3，…，n，和的值可由基准站接收机和用户接收机直接测量得到，为已知数； 为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的单位向量，为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的双差周整模糊度，上标“j1”均表示参数是编号为“j”的伪卫星相对于编号为“1”的伪卫星。
(8)用户接收机和基准站接收机对所有伪卫星的伪距双差测量值，用矩阵表示为：
式(5)中，为伪距双差测量值，的值可由基准站接收机和用户接收机直接测量得到，为已知数。
(9)将式(4)和式(5)联立，得：
式(6)中， 0n-1,n-1表示(n-1)×(n-1)的零矩阵，En-1,n-1表示(n-1)×(n-1)的单位矩阵，上标“T”表示向量的转置；
(10)令计算精确基线的浮点解以及双差整周的浮点解得：
式(7)中，上标“T”代表矩阵的转置矩阵，上标“-1”代表矩阵的逆矩阵；
计算双差整周的协方差矩阵Q＝(Hp,f T·Hp,f)-1，令经计算其中Q矩阵是一个(n+2)×(n+2)的已知矩阵，Qp,3×3、Qp,3×(n-1)、Qp,(n-1)×3以及Qp,(n-1)×(n-1)分别为Q矩阵相应的分块矩阵；
(11)由步骤(10)得到双差整周的浮点解以及双差整周的协方差矩阵Q后，使用LAMBDA算法计算解得双差整周的精确解
(12)计算精确基线的实际值：
(13)计算实际基线
(14)计算得出用户实际位置U：
U为用户最终的实际位置坐标，即定位结果。

Claims (1)

1.一种室内伪卫星差分相对定位方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)以基准站接收机为坐标原点在世界坐标系O-XYZ中建立本地坐标系o-xyz，则基准站接收机位置R坐标为R＝(0,0,0)，给伪卫星用编号i来表示，i为1到n，n≥4，并精确测量每一颗伪卫星的位置，记其坐标为上标“i”为伪卫星编号，下标“s”代表伪卫星；
(2)利用单点定位算法，计算得到用户接收机的粗略位置M，记其坐标为M＝(xu,f,yu,f,zu,f)，下标“u，f”代表用户接收机粗略坐标；
(3)计算基准站接收机位置R到用户接收机粗略位置M的向量 称向量为粗略基线，下标“f”表示粗略的意思；
(4)假设用户接收机的精确位置为U，坐标为U＝(xu,yu,zu)，下标“u”代表用户接收机，计算用户接收机粗略位置M到用户接收机精确位置U的向量
(5)计算用户接收机和基准站接收机对编号为i的伪卫星的载波相位单插测量值：
式(1)中，λ＝0.19米，c＝3×108米；表示用户接收机和基准站接收机对编号为i的伪卫星的载波相位单差测量值，上标“i”表示伪卫星的编号；为用户接收机到编号为i的伪卫星的几何距离；为用户接收机粗略位置M到编号为i的伪卫星的几何距离，且 为基准站接收机到编号为i的伪卫星的几何距离，且δtR为基准站接收机钟差，为未知数；δtU为用户接收机钟差，为未知数；为单差周整模糊度；
(6)将在用户接收机粗略位置M处进行泰勒展开，取一次项得：
因此有其中，向量是编号为i的伪卫星到用户接收机粗略位 置M的单位向量
(7)用户接收机和基准站接收机对所有伪卫星的载波相位单差测量值，用矩阵表示得：
由式(3)可以得到载波相位双差方程组：
其中，为编号为i的伪卫星的载波相位单差测量值，i＝1，2，…，n，为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的载波相位双差测量值，j＝2，3，…，n，和的值可由基准站接收机和用户接收机直接测量得到，为已知数； 为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的单位向量，为编号为j的伪卫星相对于编号为1的伪卫星的双差周整模糊度，上标“j1”均表示参数是编号为“j”的伪卫星相对于编号为“1”的伪卫星；
(8)用户接收机和基准站接收机对所有伪卫星的伪距双差测量值，用矩阵表示为：
式(5)中，为伪距双差测量值，的值可由基准站接收机和用户接收机直接测量得到，为已知数；
(9)将式(4)和式(5)联立，得：
式(6)中， 0n-1,n-1表示(n-1)×(n-1)的零矩阵，En-1,n-1表示(n-1)×(n-1)的单位矩阵，上标“T”表示向量的转置；
(10)令计算精确基线的浮点解以及双差整周的浮点解得：
式(7)中，上标“T”代表矩阵的转置矩阵，上标“-1”代表矩阵的逆矩阵；
计算双差整周的协方差矩阵Q＝(Hp,f T·Hp,f)-1，令经计算其中Q矩阵是一个(n+2)×(n+2)的已知矩阵，Qp,3×3、Qp,3×(n-1)、Qp,(n-1)×3以及Qp,(n-1)×(n-1)分别为Q矩阵相应的分块矩阵；
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(12)计算精确基线的实际值：
(13)计算实际基线
(14)计算得出用户实际位置U：
U为用户最终的实际位置坐标，即定位结果。
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