CN105182379A - 一种区域定位导航增强信息提取算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及导航信号增强信息提取算法，具体为一种区域定位导航增强信息提取算法，包括以下步骤：多系统历史中频数据经过卫星信号接收机处理，由卫星信号接收机输出各路卫星信号的伪距和导航电文；通过高度角先验定权确定初始权矩阵；初始权矩阵通过基于M残差的方差分量估计验后定权法来确定最佳权矩阵；各路卫星信号的伪距和导航电文与最佳权矩阵进行加权融合，得到定位导航增强信息；定位导航增强信息与三维坐标进行对应，完成区域定位导航增强信息的提取。本发明有效的提高卫星系统定位的精度和实时性，特别是在遮挡严重、多径效应严重、可见卫星数目不足的恶劣环境中，在本算法提取出来的区域增强信息的辅助下，可以实现伪距精密单点定位。

Description

一种区域定位导航增强信息提取算法

技术领域

本发明涉及导航信号增强信息提取算法，具体为一种区域定位导航增强信息提取算法，广泛适用于精密定位导航场景中。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS，GlobalNavigationSatelliteSystem)快速发展的近20年间，各个系统发射卫星数量不断增加，合理利用这些资源有助于提高GNSS的定位精度。同时，需要实时精密定位的用户数量快速增长，且动态环境导致的多普勒频偏、城市建筑物密集带来的多径效应和峡谷森林等复杂环境造成的遮挡作用大大影响了接收机定位导航的精度和实时性，单纯依赖卫星信号已无法满足定位导航需求，因此为用户提供辅助信息来增强定位导航性能具有重要的研究意义。

目前，国内外提供的GNSS定位导航增强信息主要是从静态观测站获取数据，尚未从动态用户接收机出发去研究，而动态用户却是GNSS提供服务的主要对象，也是拥有各类原始信息的主要来源。基于海量动态历史GNSS数据的区域定位导航增强信息提取算法可以解决静态数据分析的局限性。

发明内容

本发明为了解决基于静态数据分析的定位导航增强信息提取算法具有局限性的问题，提供了一种区域定位导航增强信息提取算法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种区域定位导航增强信息提取算法，包括以下步骤：

四个卫星系统历史中频数据经过卫星信号接收机捕获、跟踪、位同步和帧同步处理，由卫星信号接收机输出各路卫星信号的伪距测量值和导航电文；

四个卫星系统各自的权矩阵分别为 $P_i=\left[\begin{array}{cccc}\frac{{\mathrm{sin\θ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{{\mathrm{sin\θ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}& 0& 0\\ 0& 0& \mathrm{...}& 0\\ 0& 0& 0& \frac{{\mathrm{sin\θ}}_j}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}\end{array}\right],$ i＝1，2，3，4，分别代表GPS、BDS、GLOANSS、Galileo卫星系统，θ_j为第j颗卫星的高度角；为单点定位时观测卫星在天顶时的伪距观测单位权方差，则初始权矩阵P＝(P₁,P₂,P₃,P₄)；

不同系统n颗卫星的伪距测量值观测方程组化矩阵△ρ＝A△x+ε；式中△x为位置偏差，A表示系统矩阵，ε表示系统噪声；

对n颗卫星的伪距测量值观测方程组化矩阵利用初始权矩阵P进行加权，得到P△ρ＝PA△x+Pε，利用序贯最小二乘原理求解得到位置偏差△x＝(A^TPA)^-1A^TP△ρ，并结合伪距测量值观测方程组化矩阵得到误差V＝A△x-△ρ；

选择基于M残差的方差分量估计验后定权法来对误差进行迭代，使得误差V最小并得到最佳权矩阵P₀：基于M残差的方差分量估计验后定权法的公式为：式中 $\widehat{\mathrm{\θ}}={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\σ}}_{0_1}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_2}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_3}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_4}^2\end{array}\right]}^T,$

$W={\left[\begin{array}{cccc}{V}_1^T{P}_1{V}_1& V_2^T{P}_2{V}_2& V_3^T{P}_3{V}_3& V_4^T{P}_4{V}_4\end{array}\right]}^T,$

S_ii＝k₁tr(N^(-1)N_iN^(-1)N_i)-2k₂tr(N^(-1)N_i)+n_i,i＝1,2,3,4,

S_ij＝k₁tr(N^(-1)N_iN^(-1)N_i),i＝1,2,3,4,j＝1,2,3,4,其中A_i表示第i个卫星系统单独定位时的系统矩阵，n_i表示第i个卫星系统的可见卫星数目，N＝N₁+N₂+N₃+N₄，其中：第i个系统的第K次更新后的权矩阵式中c为任一常数，迭代计算至时，误差V最小，此时得到的权矩阵P₁ ^(k)就是最佳权矩阵P₀；

卫星信号的伪距测量值和导航电文通过最佳权矩阵P₀进行加权融合，得到定位导航增强信息；

定位导航增强信息与相应的三维位置坐标进行对应，得到区域定位导航增强信息，完成区域定位导航增强信息的提取。

本发明在普通的方差分量估计法中加入了精密调控估计性能的M估计，提高了方差分量估计法的精确度和抗粗差性能，从而可以有效的解决多系统组合定位时，对多系统伪距进行有效加权的问题；同时，通过将定位导航增强信息与位置信息进行对应，为增强信息增加区域属性，从而提高增强信息的精度。通过使用该种区域定位导航增强信息提取算法，可以有效的提高卫星系统定位的精度和实时性，特别是在遮挡严重、多径效应严重、可见卫星数目不足的恶劣环境中，在本算法提取出来的区域增强信息的辅助下，可以实现伪距精密单点定位。

附图说明

图1为卫星信号处理流程图。

图2为区域定位导航增强信息提取流程图。

具体实施方式

一种区域定位导航增强信息提取算法，包括以下步骤：

四个卫星系统历史中频数据经过卫星信号接收机捕获、跟踪、位同步和帧同步处理，由卫星信号接收机输出各路卫星信号的伪距测量值和导航电文；

四个卫星系统各自的权矩阵分别为 $P_i=\left[\begin{array}{cccc}\frac{{\mathrm{sin\θ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{{\mathrm{sin\θ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}& 0& 0\\ 0& 0& \mathrm{...}& 0\\ 0& 0& 0& \frac{{\mathrm{sin\θ}}_j}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}\end{array}\right],$ i＝1，2，3，4，分别代表GPS、BDS、GLOANSS、Galileo卫星系统，θ_j为第j颗卫星的高度角；为单点定位时观测卫星在天顶时的伪距观测单位权方差，则初始权矩阵P＝(P₁,P₂,P₃,P₄)；

不同系统n颗卫星的伪距测量值观测方程组化矩阵△ρ＝A△x+ε；式中△x为位置偏差，A表示系统矩阵，ε表示系统噪声；

对n颗卫星的伪距测量值观测方程组化矩阵利用初始权矩阵P进行加权，得到P△ρ＝PA△x+Pε，利用序贯最小二乘原理求解得到位置偏差△x＝(A^TPA)^-1A^TP△ρ，并结合伪距测量值观测方程组化矩阵得到误差V＝A△x-△ρ；

选择基于M残差的方差分量估计验后定权法来对误差进行迭代，使得误差V最小并得到最佳权矩阵P₀：基于M残差的方差分量估计验后定权法的公式为：式中 $\widehat{\mathrm{\θ}}={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\σ}}_{0_1}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_2}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_3}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_4}^2\end{array}\right]}^T,$

$W={\left[\begin{array}{cccc}{V}_1^T{P}_1{V}_1& V_2^T{P}_2{V}_2& V_3^T{P}_3{V}_3& V_4^T{P}_4{V}_4\end{array}\right]}^T,$

S_ii＝k₁tr(N^(-1)N_iN^(-1)N_i)-2k₂tr(N^(-1)N_i)+n_i,i＝1,2,3,4,

S_ij＝k₁tr(N^(-1)N_iN^(-1)N_i),i＝1,2,3,4,j＝1,2,3,4,其中A_i表示第i个卫星系统单独定位时的系统矩阵，n_i表示第i个卫星系统的可见卫星数目，N＝N₁+N₂+N₃+N₄，其中：第i个系统的第K次更新后的权矩阵式中c为任一常数，迭代计算至时，误差V最小，此时得到的权矩阵P₁ ^(k)就是最佳权矩阵P₀；

卫星信号的伪距测量值和导航电文通过最佳权矩阵P₀进行加权融合，得到定位导航增强信息；

定位导航增强信息与相应的三维位置坐标进行对应，得到区域定位导航增强信息，完成区域定位导航增强信息的提取。

具体实施时，基于M残差的方差分量估计验后定权法中的参数现对k₁与k₂中的参数λ_1j，λ_2j，λ_3j做如下推导：在使用基于M残差的方差分量估计时，设有m类彼此独立的观测，第i类观测的个数为n_i，相应的单位权方差为权矩阵为P_i，函数模型与随机模型分别为：V_i＝A_i△x-L_i(i＝1,2,...m)， $D_{\mathrm{\Δ}i\mathrm{\Δ}j}=D_{L_i{L}_j}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{0j}^2{P}_i^{-1},i=j\\ 0,i\≠j\end{array}\right.,$ 记V_i＝(V_i1,V_i2,...,V_ini)^T， $A_i={(a_{i1}^T,a_{i2}^T,...,a_{{\mathrm{in}}_i}^T)}^T,$ $L_i={(L_{i1},L_{i2},...,L_{{\mathrm{in}}_i})}^T,P_i=diag(P_{i1},P_{i2},...,P_{{\mathrm{in}}_i}),$ i＝1,2,...,m，根据Huber给出的关于M估计的定义，不同类观测的解方程为：根据M估计理论，可引入前文中的三个参数： 分别是第i类观测的第一、二、三多余参数。

多系统历史中频数据需经历捕获、跟踪、位同步和帧同步四个处理过程才能得到各路卫星信号的伪距和导航电文，这是由GNSS软件接收机完成的，在捕获阶段，接收机分别从数字中频数据中搜索、捕获各颗可见卫星信号，并且从中获得当前这个卫星信号的载波频率和C/A码相位的粗略估计值，在跟踪阶段，跟踪环路将通过码环和载波环来逐步精细估计这两个信号参量，再经过位同步和帧同步之后输出各路卫星信号伪距和导航电文数据比特。

因为每一颗卫星对应着不相同的信号的多普勒频移、C/A码序列及其相位等一些信号参量，所以必须对每颗卫星的信号分别进行独立的跟踪与处理。在典型接收机的基带数字信号处理部分，常有N个图1所示的处理通道，中频数据需要从全部N个接收机信号通道的入口输入到处理通道，然后各个通道各自输出其所跟踪的那颗卫星的伪距和导航电文。

得到海量伪距测量值和导航电文后，需要对海量历史GNSS伪距和导航电文进行加权融合，再将加权融合后的定位导航增强信息与相应的三维位置坐标进行对应，来完成区域定位导航增强信息的提取，因此海量历史GNSS伪距和导航电文的最佳权矩阵的确定是区域定位导航增强信息提取的关键。本发明使用高度角先验定权和基于M残差的方差分量估计验后定权法来确定最佳权矩阵，区域定位导航增强信息提取算法流程图如图2所示。

由于导航电文中包含了钟差、轨道误差等重要信息，加权后的导航电文即为精度较高的钟差、轨道误差校正值等等，也即本发明中所指的增强信息。在导航电文加权的过程中，已经根据伪距观测方程对其进行了定位解算，也即得到了各个定位点的位置坐标，因此将各个加权后的导航电文与相应的位置坐标对应起来，形成一个数值对(locationID，ANSI)，完成区域定位导航增强信息的提取。

Claims (1)

1.一种区域定位导航增强信息提取算法，其特征在于包括以下步骤：

四个卫星系统历史中频数据经过卫星信号接收机捕获、跟踪、位同步和帧同步处理，由卫星信号接收机输出各路卫星信号的伪距测量值和导航电文；

四个卫星系统各自的权矩阵分别为 $P_i=\left[\begin{array}{cccc}\frac{{\mathrm{sin\θ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{{\mathrm{sin\θ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}& 0& 0\\ 0& 0& \mathrm{...}& 0\\ 0& 0& 0& \frac{{\mathrm{sin\θ}}_j}{{\mathrm{\σ}}_{0_i}^2}\end{array}\right],$ i＝1，2，3，4，分别代表GPS、BDS、GLOANSS、Galileo卫星系统，θ_j为第j颗卫星的高度角；为单点定位时观测卫星在天顶时的伪距观测单位权方差，则初始权矩阵P＝(P₁,P₂,P₃,P₄)；

不同系统n颗卫星的伪距测量值观测方程组化矩阵△ρ＝A△x+ε；式中△x为位置偏差，A表示系统矩阵，ε表示系统噪声；

对n颗卫星的伪距测量值观测方程组化矩阵利用初始权矩阵P进行加权，得到P△ρ＝PA△x+Pε，利用序贯最小二乘原理求解得到位置偏差△x＝(A^TPA)^-1A^TP△ρ，并结合伪距测量值观测方程组化矩阵得到误差V＝A△x-△ρ；

选择基于M残差的方差分量估计验后定权法来对误差进行迭代，使得误差V最小并得到最佳权矩阵P₀：基于M残差的方差分量估计验后定权法的公式为： $S\widehat{\mathrm{\θ}}=W,$ 式中 $\widehat{\mathrm{\θ}}={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\σ}}_{0_1}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_2}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_3}^2& {\mathrm{\σ}}_{0_4}^2\end{array}\right]}^T,$ $W{\left[\begin{array}{cccc}{V}_1^T{P}_1{V}_1& V_2^T{P}_2{V}_2& V_3^T{P}_3{V}_3& V_4^T{P}_4{V}_4\end{array}\right]}^T,$

S_ii＝k₁tr(N^(-1)N_iN^(-1)N_i)-2k₂tr(N^(-1)N_i)+n_i,i＝1,2,3,4,

S_ij＝k₁tr(N^(-1)N_iN^(-1)N_i),i＝1,2,3,4,j＝1,2,3,4,其中A_i表示第i个卫星系统单独定位时的系统矩阵，n_i表示第i个卫星系统的可见卫星数目，N＝N₁+N₂+N₃+N₄，其中： 第i个系统的第K次更新后的权矩阵式中c为任一常数，迭代计算至时，误差V最小，此时得到的权矩阵P₁ ^(k)就是最佳权矩阵P₀；

卫星信号的伪距测量值和导航电文通过最佳权矩阵P₀进行加权融合，得到定位导航增强信息；

定位导航增强信息与相应的三维位置坐标进行对应，得到区域定位导航增强信息，完成区域定位导航增强信息的提取。