CN105738927B - 顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，步骤为：卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差的标定；系统间偏差应用时的实时检验；构建系统间偏差的误差方程或者约束条件，构建顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型，并对结果进行检验，可实现北斗卫星导航系统与其他卫星导航系统的高精度融合定位授时，得到统一的导航定位结果、唯一的接收机钟差和相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差，特别是在可见卫星数有限的特殊环境下，达到提高导航定位精度和可靠性的计算效果，可操作性更强，易于推广实现，有很广阔的工业应用前景。

Description

顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建 方法
技术领域
本发明涉及卫星测绘导航定位技术领域，尤其涉及一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法。
背景技术
目前，世界上主要有GPS、GLONASS、Galileo、北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System，简称BDS)与其他卫星导航系统(Global NavigationSatellite System，简称GNSS)系统，以及印度和日本的增强系统。
由于多卫星导航系统显著增加了用户可见卫星观测量，极大地提高了导航定位的连续性、可靠性和精确性。多GNSS的组合导航定位已成为GNSS应用的主要趋势。
然而，由于各导航卫星系统是由不同国家和地区主导的，各系统兼容性与互操作性仍然存在问题，不同的卫星导航系统采用了不同的坐标系统、时间系统、载波频率、信号体制以及不同星座等，造成同一用户接收机所接收的不同导航卫星系统观测量存在系统间偏差(ISB，Inter-System Bias)。这种系统间偏差如果不合理控制，势必会影响GNSS组合导航定位的性能，系统间偏差已成为多卫星导航系统融合定位所必须要考虑的最主要因素，也是GNSS互操作必须要考虑的问题。
为了克服多卫星导航系统观测的系统间偏差影响，必然需要构建合适的融合算法。在当前的现有技术中，利用多卫星导航系统观测数据进行融合定位常采用如下算法：一是基于各导航系统导航定位结果的融合算法；二是基于各导航系统的原始观测量的紧组合算法。
基于各导航系统导航定位结果的融合算法相对简单，其特点是：(1)由于要求单系统能进行计算，需要每个系统观测到的卫星数至少4颗；(2)由于单系统计算参数，计算并不考虑系统间偏差对结果的影响。其解算通常分两步，第一步为各导航系统单独计算得到导航定位结果，这结果通常是有差异的；第二步为对单系统结果进行融合，由于不同卫星系统观测量得到的接收机钟差相对不同卫星系统的时间基准，且包含了硬件延迟偏差，这种接收钟差的差异可能会非常大，在融合时仅对位置参数进行融合，得到新的位置参数。
而基于各导航系统原始观测量的紧组合算法相对复杂，其特点是：(1)由于多系统观测方程整体解算，比基于结果的融合算法要求的卫星数要少，如BDS/GPS融合，需要卫星数至少5颗；(2)由于同时估计了不同卫星系统的接收机钟差，系统间偏差被接收机钟差所接收，所估计的接收机钟差往往是不同的，这在卫星授时应用中，使用不同的接收机钟差有不同的授时结果。其解算特点是：在建立误差方程时，考虑不同卫星导航系统观测量存在不同接收机钟差，从而建立不同估计参数的误差方程，如此估计的参数包括位置参数和不同卫星系统的接收机钟差，然后对建立的误差方程进行统一解算。
上述两种方式都有各自明显的缺点，基于各导航系统导航定位结果的融合算法虽然相对简单，但是并不考虑系统间偏差对结果的影响；而基于各导航系统原始观测量的紧组合算法在理论上更严密，结果更可靠，但是获得接收机钟差有多个，使用了几个卫星系统的观测量就有几个钟差，这几个钟差往往是不同的，这对用户造成混乱，而且精度也在实际使用时还是有所欠缺。
发明内容
针对现有技术中的上述缺陷和问题，本发明实施例的目的是提供一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，准确率高，效果较好，利用多卫星导航观测间的系统间偏差的先验信息和所使用的估计模型，融合导航授时结果有明显的精度改善，提高了系统可靠性和质量。
为了达到上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，其特征在于，步骤如下：
Q1：其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差的标定：
Q11：选择具有高精度坐标的基准点，构建基准点坐标值约束条件，其观测权设定为无穷大，即与观测量的权比为1000000∶1；
Q12：对观测数据量，构建误差方程；
Q13：采用估计器即滤波器处理具有高精度坐标的观测数据，得到其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差及其方差，该系统间偏差可能达到上千纳秒量级；
Q2：系统间偏差应用时的实时检验：
Q21：利用当前观测量构建误差方程，通过不考虑系统间偏差先验信息的多系统估计器，根据步骤Q12的误差方程得到另外一个的其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差及其方差；
Q22：对Q21标定的系统间偏差与Q1中标定的系统间偏差进行差异性检验，计算Q13步骤中标定的系统间偏差与Q21步骤中计算的系统间偏差的差值，再除以他们方差和的平方根，即得到差异性检验统计量；
Q23：对Q22步骤中得到的差异性检验统计量，如差异性检验统计量小于临界值，则标定的系统间偏差值是正常的，反之则修正系统间偏差；
Q3：构建系统间偏差的误差方程或者约束条件，构建顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型，并对结果进行检验，进行验后残差、协方差计算；其误差方程或者约束条件为：按照Q13步骤中得到的系统间偏差及其方差大小定其贡献，或按照与Q12步骤中对实测的观测数据得到的误差方程。作为上述技术方案的优选，所述Q11步骤中的构建基准点坐标值约束条件，具体为当测站有高精度坐标的基准点时，赋予其点位坐标强约束，构造点位坐标的虚拟观测方程，其观测权设定为无穷大，即与观测量的权比为1000000∶1；
所述Q12、Q21和Q3步骤中构造误差方程，具体为对北斗卫星导航系统的观测数据量构造误差方程，该方程包含接收机位置、接收机北斗卫星导航系统钟差，构建其他卫星导航系统的观测量的误差方程，包含接收机位置、接收机BDS钟差和系统间偏差参数；
所述Q1-3步骤中采用的滤波器为抗差最小二乘估计器；处理得到高精度坐标的结果数据，结果数据包括由估计器估计出的测站位置、北斗卫星导航系统钟差、其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差。
作为上述技术方案的优选，所述Q23步骤中，对Q22步骤中得到的检验统计量，采用双尾差异性检验，取概率密度αp＝0.01时其临界值为2.57，如差异性检验统计量小于指定的临界值值2.57，则标定的系统间偏差值是正常的；如差异性检验统计量大于指定的临界值值2.57，则修正系统间偏差，即系统间偏差标定值与实时估计量按其方差大小进行加权平均。
一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，其特征在于，步骤如下：
第一步为采集观测数据，把GNSS兼容接收机放置在静止的测站采集30S的BDS/GPS数据；
第二步为系统间偏差参数解算标定；
第21步：如观测站有高精度坐标，赋予其点位坐标强约束，构造点位坐标虚拟观测方程，其观测权为无穷大(如点位坐标虚拟观测方程于观测量的权比为1000000∶1)；
第22步：利用该测站BDS/GPS观测数据经过大气误差改正、卫星钟差改正后构造误差方程，BDS观测方程的估计参数为测站位置和接收机的BDS钟差，GPS观测方程的估计参数为测站位置，接收机的BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差，BDS与GPS观测量的权比为1∶2；
第23步：利用抗差最小二乘估计器估计测站位置、BDS钟差、GPS相对于BDS的系统间偏差参数；
第24步：如果测站没有高精度的测站坐标，则不构造虚拟观测方程，直接进行第22、23步；把计算的GPS相对于BDS的系统间偏差参数及其方差保存，以供后续使用；
第三步是GPS相对于BDS系统间偏差实际应用中的实时检验，其步骤包括
第31步：利用当前观测量构造误差方程，BDS观测方程的估计参数为测站位置和接收机的BDS钟差，GPS观测方程的估计参数为测站位置、接收机的BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差，BDS与GPS观测量的权比为1∶2；
第32步：利用考虑系统间偏差的估计器估计测站位置、BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差等参数，在这过程中要进行异常误差探测与剔除；
第33步：把当前估计的GPS相对于BDS的系统间偏差与以前标定的系统间偏差进行差异性检验统计，如差异性检验显著则把当前估计的系统间偏差保存，如无差异则保留原系统间偏差。
第四步：GPS相对于BDS系统间偏差的实际应用，多系统估计器的步骤包括：
第41步：系统间偏差参数先验信息赋予适当的方差，构造GPS相对于BDS系统间偏差虚拟观测方程，其方差取前面标定的方差观测方程；
第42步：利用测站当前观测数据构造误差方程，同前第22步处理；
第43步：利用考虑系统间偏差的估计器估计测站位置、BDS钟差以及GPS相对于BDS的系统间偏差等参数；
第44步：进行验后残差、协方差计算，系统间偏差进行差异性检验统计。
本发明实施例提供的一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，在原有技术的基础上进行创新，与现有技术相比，可实现北斗卫星导航系统与其他卫星导航系统的高精度融合定位授时，得到统一的导航定位结果、唯一的接收机钟差以及其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差，可用于多系统兼容接收机的其他卫星导航系统观测量的系统间偏差标定，同时实现北斗卫星导航系统与其他卫星导航系统的高精度融合导航定位与时间同步，特别是在可见卫星数有限的特殊环境下，达到提高导航定位精度和可靠性的计算效果，可操作性更强，易于推广实现，有很广阔的工业应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法的步骤流程的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
首先，对同一类型GNSS兼容接收机的GPS相对于BDS的系统间偏差进行标定。
第一步为采集观测数据，把GNSS兼容接收机放置在坐标具有几厘米精度的、静止的测站采集30S的BDS/GPS数据，包括GNSS观测原始数据和GNSS星历；
第二步为计算O-C观测量，利用该测站BDS/GPS观测原始数据，利用观测历元和观测数据中距离观测量内插出卫星信号发射时刻的卫星位置，经过各大气改正、卫星钟差改正等误差改正，计算O-C观测量
第三步为系统间偏差参数解算，
①该观测站有高精度坐标，赋予其点位坐标强约束，构造点位坐标虚拟观测方程，其观测权为无穷大(如点位坐标虚拟观测方程于观测量的权比为1000000∶1)；
②利用该测站BDS/GPS观测原始数据，利用观测历元和观测数据中距离观测量内插出卫星信号发射时刻的卫星位置，经过各大气改正、卫星钟差改正等误差改正，计算O-C观测量，从而建立起误差方程，BDS观测方程的估计参数为测站位置和接收机的BDS钟差，GPS观测方程的估计参数为测站位置，接收机的BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差，BDS于GPS观测量的权比为1∶2；
③利用抗差最小二乘估计器估计测站位置、BDS钟差、GPS相对于BDS的系统间偏差参数。
④如果测站没有高精度的测站坐标，则不构造虚拟观测方程，直接进行第②、③步。把计算的GPS相对于BDS的系统间偏差参数及其方差保存，以供后续使用。
需要说明的是，这里的参数估计器是以抗差最小二乘估计器为例，并不局限于该估计器，可以是最小二乘估计器、KALMAN滤波估计器等。
然后是GPS相对于BDS系统间偏差实际应用。
第一步为GNSS兼容接收机采集数据，接收机可以是静止也可以是动态，采集30S的BDS/GPS数据，包括GNSS观测原始数据和GNSS星历；
第二步为计算O-C观测量，利用该测站BDS/GPS观测原始数据，利用观测历元和观测数据中距离观测量内插出卫星信号发射时刻的卫星位置，经过大气误差改正、卫星钟差改正等误差改正，计算O-C观测量；
第三步是GPS相对于BDS系统间偏差实际应用中的实时检验，按其步骤包括：
①利用当前观测量构造误差方程，BDS观测方程的估计参数为测站位置和接收机的BDS钟差，GPS观测方程的估计参数为测站位置，接收机的BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差，BDS于GPS观测量的权比为1∶2；
②利用考虑系统间偏差的估计器估计测站位置、BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差等参数，在这过程中要进行异常误差探测与剔除；
③把当前估计的GPS相对于BDS的系统间偏差与以前标定的系统间偏差进行差异性检验统计，如差异性检验显著则把当前估计的系统间偏差保存，如无差异则保留原系统间偏差。
第四步为GPS相对于BDS系统间偏差的实际应用，多系统估计器的步骤包括：
①系统间偏差参数先验信息赋予适当的方差，构造GPS相对于BDS系统间偏差虚拟观测方程，其方差取前面标定的方差观测方程；
②利用测站当前观测数据构造误差方程，BDS观测方程的估计参数为测站位置和接收机的BDS钟差，GPS观测方程的估计参数为测站位置，接收机的BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差，BDS于GPS观测量的权比为1∶2；
③利用考虑系统间偏差的估计器估计测站位置、BDS钟差以及GPS相对于BDS的系统间偏差等参数；
④进行验后残差、协方差计算，系统间偏差进行差异性检验统计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，其特征在于，步骤如下：
Q1：其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差的标定：
Q11：选择具有高精度坐标的基准点，构建基准点坐标值约束条件，其观测权设定为无穷大，即与观测量的权比为1000000∶1；
Q12：对观测数据量，构建误差方程；
Q13：采用估计器即滤波器处理具有高精度坐标的观测数据，得到其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差及其方差，该系统间偏差可能达到上千纳秒量级；
Q2：系统间偏差应用时的实时检验：
Q21：利用当前观测量构建误差方程，通过不考虑系统间偏差先验信息的多系统估计器，根据步骤Q12的误差方程得到另外一个的其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差及其方差；
Q22：对Q21标定的系统间偏差与Q1中标定的系统间偏差进行差异性检验，计算Q13步骤中标定的系统间偏差与Q21步骤中计算的系统间偏差的差值，再除以他们方差和的平方根，即得到差异性检验统计量；
Q23：对Q22步骤中得到的差异性检验统计量，如差异性检验统计量小于临界值，则标定的系统间偏差值是正常的，反之则修正系统间偏差；
Q3：构建系统间偏差的误差方程或者约束条件，构建顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型，并对结果进行检验，进行验后残差、协方差计算；其误差方程或者约束条件为：按照Q13步骤中得到的系统间偏差及其方差大小定其贡献，或按照与Q12步骤中对实测的观测数据得到的误差方程。
2.根据权利要求1所述的一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，其特征在于，所述Q11步骤中的构建基准点坐标值约束条件，具体为当测站有高精度坐标的基准点时，赋予其点位坐标强约束，构造点位坐标的虚拟观测方程，其观测权设定为无穷大，即与观测量的权比为1000000∶1；
所述Q12、Q21和Q3步骤中构造误差方程，具体为对北斗卫星导航系统的观测数据量构造误差方程，该方程包含接收机位置、接收机北斗卫星导航系统钟差，构建其他卫星导航系统的观测量的误差方程，包含接收机位置、接收机BDS钟差和系统间偏差参数；
所述Q1-3步骤中采用的滤波器为抗差最小二乘估计器；处理得到高精度坐标的结果数据，结果数据包括由估计器估计出的测站位置、北斗卫星导航系统钟差、其他卫星导航系统相对于北斗卫星导航系统的系统间偏差。
3.根据权利要求1所述的一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，其特征在于，所述Q23步骤中，对Q22步骤中得到的检验统计量，采用双尾差异性检验，取概率密度αp＝0.01时其临界值为2.57，如差异性检验统计量小于指定的临界值值2.57，则标定的系统间偏差值是正常的；如差异性检验统计量大于指定的临界值值2.57，则修正系统间偏差，即系统间偏差标定值与实时估计量按其方差大小进行加权平均。
4.根据权利要求1所述的一种顾及卫星导航系统间偏差的融合定位导航授时计算模型构建方法，其特征在于，步骤如下：
第一步为采集观测数据，把GNSS兼容接收机放置在静止的测站采集30S的BDS/GPS数据；
第二步为系统间偏差参数解算标定；
第21步：如观测站有高精度坐标，赋予其点位坐标强约束，构造点位坐标虚拟观测方程，其观测权为无穷大(如点位坐标虚拟观测方程于观测量的权比为1000000∶1)；
第22步：利用该测站BDS/GPS观测数据经过大气误差改正、卫星钟差改正后构造误差方程，BDS观测方程的估计参数为测站位置和接收机的BDS钟差，GPS观测方程的估计参数为测站位置，接收机的BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差，BDS与GPS观测量的权比为1∶2；
第23步：利用抗差最小二乘估计器估计测站位置、BDS钟差、GPS相对于BDS的系统间偏差参数；
第24步：如果测站没有高精度的测站坐标，则不构造虚拟观测方程，直接进行第22、23步；把计算的GPS相对于BDS的系统间偏差参数及其方差保存，以供后续使用；
第三步是GPS相对于BDS系统间偏差实际应用中的实时检验，其步骤包括第31步：利用当前观测量构造误差方程，BDS观测方程的估计参数为测站位置和接收机的BDS钟差，GPS观测方程的估计参数为测站位置、接收机的BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差，BDS与GPS观测量的权比为1∶2；
第32步：利用考虑系统间偏差的估计器估计测站位置、BDS钟差和GPS相对于BDS的系统间偏差等参数，在这过程中要进行异常误差探测与剔除；
第33步：把当前估计的GPS相对于BDS的系统间偏差与以前标定的系统间偏差进行差异性检验统计，如差异性检验显著则把当前估计的系统间偏差保存，如无差异则保留原系统间偏差；
第四步：GPS相对于BDS系统间偏差的实际应用，多系统估计器的步骤包括：
第41步：系统间偏差参数先验信息赋予适当的方差，构造GPS相对于BDS系统间偏差虚拟观测方程，其方差取前面标定的方差观测方程；
第42步：利用测站当前观测数据构造误差方程，同前第22步处理；
第43步：利用考虑系统间偏差的估计器估计测站位置、BDS钟差以及GPS相对于BDS的系统间偏差等参数；
第44步：进行验后残差、协方差计算，系统间偏差进行差异性检验统计。
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