CN105242293B - 一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法，包括：接收导航电文和观测数据；数据预处理，剔除异常卫星，并进行载波相位周跳检测与修复；计算卫星位置；获得卫星伪距测量误差方程的系数阵A阵和常数项L，根据最小二乘进行单点定位求解；判断GNSS是双频还是三频，计算三频宽巷整周模糊度；计算双频宽巷整周模糊度；计算单频实数模糊度；计算单频整周模糊度；隔离出故障卫星；修复、确认单频整周模糊度；计算单频、无电离层、组合载波相位；载波相位定位计算；输出高精度厘米级定位结果。本发明通过使用GNSS多频组合观测量，缩短了定位初始化所需的时间；使用多种方法组合进行故障检测和隔离，提高了模糊度求解的可靠性。

Description

一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite system，GNSS)，特别是涉及一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)是能自主提供全球范围内三维位置、速度的卫星导航系统的通用名称，GNSS包括中国的北斗(BDS)，俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)，美国的全球定位系统(GPS)，欧洲的伽利略(GALILEO)系统等。高精度厘米级定位中常使用载波相位观测量，高精度定位技术中的一个关键技术问题就是载波相位整周模糊度的求解和获得，在得到整周模糊度后，使用类似于差分伪距定位的方法进行定位，就可以获得高精度厘米级定位了。载波相位整周模糊度求解的方法有很多，目前常使用的方法有：快速模糊度求解方法(FARA)，快速模糊值寻优滤波(FASF)，模糊度函数法，以及最小二乘去相关调整(LAMBDA)算法等，GNSS卫星系统提供了多频信号，使用多频信号数据对于整周模糊度的求解很有帮助，会取得比单频整周模糊度的求解更好的结果，包括更短的首次定位时间，更高的固定解求解成功率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法，使用全球导航卫星系统多频组合观测数据，缩短定位初始化所需的时间；使用故障检测和隔离算法、模糊度修复和验证的方法提高定位结果的精度和可靠性；从原始数据入手，提供了高精度厘米级位置的定位解算方法，使RTK用户和精密定位用户得到更为可靠的定位结果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法，它包括以下步骤：

S1：接收导航电文和观测数据，作为全球导航卫星系统GNSS定位的原始数据；

S2：对原始数据进行预处理，剔除数据异常的卫星，并进行载波相位周跳检测与修复；

S3：对于数据正常的卫星，根据导航电文中的卫星星历数据计算卫星位置；

S4：获得卫星伪距测量误差方程的系数阵A阵和常数项L，根据最小二乘进行单点定位求解；

S5：判断GNSS是双频还是三频：

若是三频，使用三频GNSS观测数据(GNSS多频组合观测量，接收处理多频GNSS信号，提供双频或三频点以上观测数据，包括伪距、载波相位等)计算超宽巷整周模糊度，通过超宽巷整周模糊度波长的由大到小过渡计算双频宽巷整周模糊度；

根据载波相位观测量的计算公式，进行多频载波相位整周模糊度的求解：

其中，Φ_n(n＝1,2,3)为GNSS1，2，3频点载波相位，N_n(n＝1,2,3)为1，2，3频点载波相位整周模糊度，R_n为星地距离，T_n为对流层误差，I_n为电离层误差，e_n为其他误差。

计算超宽巷模糊度N_i,j,k＝iN₁+jN₂+kN₃，然后过渡计算双频整周模糊度组合N_i,j；

双频整周模糊度组合N_i,j＝iN_m+jN_n，双频载波相位组合Φ_i,j＝iΦ_m+jΦ_n；

若是双频，则直接计算双频宽巷整周模糊度；

S6：计算获得双频宽巷整周模糊度；

S7：计算获得单频实数模糊度；

S8：通过取整计算获得单频整周模糊度；

S9：使用故障星检测和隔离组合算法隔离出故障卫星；

S10：修复单频整周模糊度；

S11：确认单频整周模糊度；

S12：计算单频、无电离层、组合载波相位，该载波相位已扣除整周模糊度；

S13：载波相位定位计算；

S14：输出高精度厘米级定位结果。

所述的三频GNSS观测数据为GNSS多频组合观测量，包括伪距和载波相位。

对于双频GNSS卫星导航系统，计算双频宽巷整周模糊度的方法包括：

(1)通过LAMBDA算法计算双频宽巷整周模糊度；

(2)通过双频伪距和载波相位的组合，使用滤波的方法计算双频宽巷整周模糊度。

本发明的有益效果是：

1)本发明通过使用GNSS多频组合观测量(伪距、载波相位)，缩短了定位初始化所需的时间；

2)载波相位差分相对定位中，随着基线长度的增加，载波相位含的误差随之增大，直接使用双频宽巷模糊度定位误差过大，双频模糊度准确转化为单频模糊度为定位计算中关键步骤，本发明使用多种方法组合进行故障检测和隔离，使用故障检测和隔离算法发现错误模糊度卫星，并通过模糊度修复的方法增加了可用卫星数，使用多种方法进行模糊度验证，确保模糊度的正确修复，提高了模糊度求解的可靠性；

3)从原始数据入手，给出了一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法，使RTK用户和精密定位用户能得到更为可靠的定位结果；

4)本发明可以应用在GNSS单系统高精度定位上，也可以是多系统兼容高精度定位上；可以是载波相位差分定位上，也可以是载波相位精密绝对定位上。

附图说明

图1为本发明定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法，它包括以下步骤：

S1：接收导航电文和观测数据，作为全球导航卫星系统GNSS定位的原始数据；

S2：对原始数据进行预处理，如果卫星伪距、导航电文参数超过合理范围或该卫星被识别为不健康，则剔除数据异常的卫星，该卫星不参与定位计算；使用GNSS多频观测数据，使用电离层残差法、伪距载波相位组合法等方法进行载波相位周跳检测与修复；

S3：对于数据正常的卫星，根据导航电文中的卫星星历数据计算卫星位置；

S4：获得卫星伪距测量误差方程的系数阵A阵和常数项L，通过现有的权矩阵P设置方法或组合方法并给权矩阵P取一个初始值；

权矩阵P取值方法包括：P为对角阵diag{P_i},i＝1,2,...,n，n为卫星数；

(1)等权法，P_i等于1；

(2)仰角加权法，P_i等于仰角E_i的函数fun(E_i)；

(3)伪距估计误差的函数，P_i等于误差σ_i的函数fun(σ_i)；

(4)信号强度加权，P_i等于信号强度Snr_i的函数fun(Snr_i)；

以GPS全球定位系统为例：

其中，a_i＝(X_i-X₀)/R_i，b_i＝(Y_i-Y₀)/R_i，c_i＝(Z_i-Z₀)/R_i，X_i、Y_i、Z_i为卫星坐标，X₀、Y₀、Z₀为用户坐标；常数项L＝AδX+V，采用等权法设置权矩阵P；

根据最小二乘进行单点定位求解，δX＝(A^TPA)^-1A^TPL；

S5：判断GNSS是双频还是三频：

根据载波相位观测量的计算公式，进行多频载波相位整周模糊度的求解

其中，Φ_n(n＝1,2,3)为GNSS1，2，3频点载波相位，N_n(n＝1,2,3)为1，2，3频点载波相位整周模糊度，R_n为星地距离，T_n为对流层误差，I_n为电离层误差，e_n为其他误差。

如果使用三频GNSS卫星导航系统，则使用GNSS卫星系统多频点载波相位和伪距观测量计算超宽巷模糊度：

超宽巷模糊度N_0,1,-1＝N₂-N₃，ρ为单频伪距或多频伪距组合观测量，[]_round为四舍五入取整；

然后计算双频模糊度组合

如果使用双频GNSS卫星导航系统，通过求得浮点解，然后使用LAMBDA算法可求得N_1,-1的整数解；

S6：计算求得N_1,-1的整数解；

S7：计算获得单频实数模糊度：

双频模糊度组合N_1,-1＝N₁-N₂，双频载波相位组合Φ_1,-1＝Φ₁-Φ₂，N_1f为N₁取整前的值；

单频模糊度实数值

S8：通过取整计算获得单频整周模糊度，单频模糊度整数值N₁＝[N_1f]_round；

S9：使用故障星检测和隔离组合算法隔离出故障卫星：

故障检测和隔离组合方法包括：

(1)使用自主完好性算法RAIM隔离出的故障卫星，标识为不可靠；

(2)比较N_1f与N₁的大小，当两者的差值绝对值大于门限时，将这颗卫星标识为不可靠；

(3)低仰角卫星更易遭受多径的影响，于是将低仰角卫星标识为不可靠，低仰角卫星的角度可事先设定；

(4)将信号电平较低的几颗星，且信号强度低于某一值的卫星标识为不可靠；

S10：修复单频整周模糊度，由于故障卫星隔离后减少了可用卫星数，会影响定位精度，而模糊度取整常使得模糊度错误1周，于是本发明再进行模糊度的修复。

上述几种方法可以并行同时进行判断，或选取部分进行判断，将卫星分为两组，一组是可靠数据卫星，另一组是不可靠数据卫星，将不可靠数据的卫星权值设置为ε(ε远小于1)，其他可用卫星权值设置为1，进行单频或组合载波相位差分定位最小二乘求解，若发现不可靠卫星的残差绝对值大于门限，进行整周修复；

S11：确认单频整周模糊度，修复后使用新的模糊度，重新进行载波相位差分定位最小二乘求解，若残差平方和小于门限，整周修复正确，将模糊度保存起来，以便进行不同历元上的模糊度是否相同方法进行验证；

步骤S7～S11针对双频宽巷模糊度转换为单频模糊度容易错误的问题，提出了故障检测和隔离、模糊度修复和确认这些方法得到正确模糊度。

S12：计算单频、无电离层组合、或其他组合的载波相位，该载波相位已扣除整周模糊度；计算单频L1频点无整周模糊度载波相位：Φ₁-N₁；

S13：载波相位定位计算；

S14：输出高精度厘米级定位结果。

所述的三频GNSS观测数据为GNSS多频组合观测量，包括伪距和载波相位。

对于双频GNSS卫星导航系统，计算双频宽巷整周模糊度的方法包括：

(1)通过LAMBDA算法计算双频宽巷整周模糊度；

(2)通过双频伪距和载波相位的组合，使用滤波的方法计算双频宽巷整周模糊度。

作为本发明的进一步改进，步骤S12同样也可以计算出L2频点无整周模糊度载波相位：Φ₂-N₂；进一步可计算出无电离层组合无整周模糊度载波相位。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种全球导航卫星系统的高精度厘米级定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：接收导航电文和观测数据，作为全球导航卫星系统GNSS定位的原始数据；

S2：对原始数据进行预处理，剔除数据异常的卫星，并进行载波相位周跳检测与修复；

S3：对于数据正常的卫星，根据导航电文中的卫星星历数据计算卫星位置；

S4：获得卫星伪距测量误差方程的系数阵A阵和常数项L，根据最小二乘进行单点定位求解；

S5：判断GNSS是双频还是三频：

若是三频，使用三频GNSS观测数据计算超宽巷整周模糊度，通过超宽巷整周模糊度波长的由大到小过渡计算双频宽巷整周模糊度；

所述的三频GNSS观测数据为GNSS多频组合观测量，包括伪距和载波相位；

若是双频，则直接计算双频宽巷整周模糊度；

S6：计算获得双频宽巷整周模糊度；

S7：计算获得单频实数模糊度；

S8：通过取整计算获得单频整周模糊度；

S9：使用故障星检测和隔离组合算法隔离出故障卫星；

S10：修复单频整周模糊度；

S11：确认单频整周模糊度；

S12：计算单频、无电离层、组合载波相位，该载波相位已扣除整周模糊度；

S13：载波相位定位计算；

S14：输出高精度厘米级定位结果；

对于双频GNSS卫星导航系统，计算双频宽巷整周模糊度的方法包括：

（1）通过LAMBDA算法计算双频宽巷整周模糊度；

（2）通过双频伪距和载波相位的组合，使用滤波的方法计算双频宽巷整周模糊度。