CN105807300A - 一种用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法，本发明利用双频高采样频率北斗数据，只需一台北斗双频接收机，无需在已知点架设基站或者CORS系统等其他辅助设备，采用下列算法消除或减弱各项误差来源，最终通过迭代最小二乘消元方法，提出使用基于单差模糊度和对流层延迟参数的卡尔曼滤波器进行参数解算，可以得到准确的绝对坐标位置，工作实施简便，定位精度高，便于锁定卫星的位置，适用于较大工作范围的应用。

Description

一种用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，具体是一种用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法。

背景技术

GNSS定位中，一般依赖差分处理来消除对流层延迟，电离层延迟，星历误差以及钟差等影响。但受限于测区附件必须有已知点或CORS站覆盖，不然无法得到准确的绝对位置坐标，而只能止步与流动站与基站间的相对位置信息。

单点定位相对于差分定位而言，有其自身的优势，特别是工作实施的简便和定位精度的相对均衡。随着IGS轨道产品和钟差产品精度的不断提高，精密单点定位(PrecisePointPositioning，简称PPP)越来越受到人们的重视，其为大范围GNSS动态高精度定位提供了新的途径。目前PPP的数学模型，基本为采用非差伪距和载波相位无电离层组合观测量，通过序贯平差迭代解算模糊度、天顶对流层延迟和接收机钟差参数，最后使用解得的参数结合载波相位观测量进行高精度定位。有研究结果表明，在良好的观测条件下，静态定位精度可以达到厘米级，动态定位已经达到分米级。非差模型中一个重要的问题是接收机钟差与载波相位偏差线性相关，模型的精度会直接影响到最终的定位结果，而不同接收机的钟差漂移水平和重置模式各不相同，此为一个工作难点。同时，对于较大工作范围的应用，对流层湿分量变化较大，使得随机模型精度下降，也会影响PPP的定位精度。更为重要的是，在实际动态应用中，由于动态应用的观测环境相对恶劣，会频繁出现周跳和卫星失锁的情况，而由于迭代解算需要一定的时间以收敛参数，周跳和卫星失锁问题使得PPP的数据处理难度骤然增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法，具体步骤如下：

步骤1，采用北斗双频接收机获取北斗双频观测值，计算卫星位置，其伪距和载波相位定位方程为：

${\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_{IF}^j={\mathrm{\ρ}}^j+dt-{\mathrm{dt}}^j+M^j{T}^Z+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\ρ}}_{IF}}---\left(1\right)$

其中：和分别为无电离层组合伪距观测值、载波相位观测值和载波相位初始未知数(浮点模糊度，内含接收机相位偏差和卫星钟相位偏差)，ρ^j为卫星至接收机的几何距离，dt^j为卫星钟差等效距离，dt为接收机钟差等效距离，M^j为对流层延迟投影函数，T^Z为天顶对流层延迟，和分别为组合观测量噪声；

步骤2，构建星间单差方程，并线性化，写成矩阵形式为：

其中：X＝[dx]，ΔL_ρ和分别为经过改化后的无电离层组合单差伪距和载波相位观测矢量，Δb为(n－1)×3维星间单差定位系数阵，ΔM为(n－1)×1维星间单差对流层投影函数矩阵，I为单位阵，dx为坐标改正数，dT^Z为对流层延迟改正数，Δγ_IF为单差无电离层组合模糊度，其已经消除了接收机相位偏差，但是卫星相位偏差仍然存在，D为单差观测矢量方差阵；

步骤3，探测和修复周跳；

步骤4，使用迭代最小二乘法，建立只含有模糊度和对流层延迟参数的定位方程，

$L=\stackrel{\‾}{A}Y,D---\left(4\right)$

其中I为单位阵，N₁₁＝B^TD^-1B；

步骤5，使用广义卡尔曼滤波器进行卡尔曼滤波，

步骤6，滤波器状态参数收敛后，再带入方程(2)解算出每个历元的空间位置

作为本发明进一步的方案：卡尔曼滤波器的方程式为

${\stackrel{\‾}{P}}_t={\mathrm{\ΦP}}_{t-1}{\mathrm{\Φ}}^T+Q_t---\left(5\right)$

$K_t={\stackrel{\‾}{P}}_t{\stackrel{\‾}{A}}^T{(\stackrel{\‾}{A}{\stackrel{\‾}{P}}_t{\stackrel{\‾}{A}}^T+R)}^{-1}---\left(6\right)$

$d\hat{Y}=K_{t}L---\left(7\right)$

$P_t=(I-K_t\stackrel{\‾}{A}){\stackrel{\‾}{P}}_t{(I-K_t\stackrel{\‾}{A})}^T+K_t{\mathrm{RK}}_t^T---\left(8\right)$

其中t表示历元标志，为预报方差，Φ为状态转移矩阵，Q为系统过程噪声，K为增益矩阵，R为观测噪声，P为量测更新后系统方差；

作为本发明进一步的方案：北斗双频接收机不需要在已知点架设基站或者CORS系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用双频高采样频率北斗数据，只需一台北斗双频接收机，无需在已知点架设基站或者CORS系统等其他辅助设备，采用下列算法消除或减弱各项误差来源，最终通过迭代最小二乘消元方法，提出使用基于单差模糊度和对流层延迟参数的卡尔曼滤波器进行参数解算，可以得到准确的绝对坐标位置，工作实施简便，定位精度高，便于锁定卫星的位置，适用于较大工作范围的应用。

附图说明

图1为用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

具体实施例1，请参阅图1，一种用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法，具体步骤如下：

步骤1，采用北斗双频接收机获取北斗双频观测值，计算卫星位置，其伪距和载波相位定位方程为：

${\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_{IF}^j={\mathrm{\ρ}}^j+dt-{\mathrm{dt}}^j+M^j{T}^Z+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\ρ}}_{IF}}---\left(1\right)$

其中：和分别为无电离层组合伪距观测值、载波相位观测值和载波相位初始未知数(浮点模糊度，内含接收机相位偏差和卫星钟相位偏差)，ρ^j为卫星至接收机的几何距离，dt^j为卫星钟差等效距离，dt为接收机钟差等效距离，M^j为对流层延迟投影函数，T^Z为天顶对流层延迟，和分别为组合观测量噪声；在动态PPP中，常使用迭代最小二乘方法将定位方程中的参数进行分类，消除依赖于运动状态空间位置参数和依赖于接收机晶振质量的钟差参数，保留历元间保持常数的模糊度和缓慢变化的对流层延迟参数，并使用多个历元的信息解算后两个参数。迭代最小二乘方法有效地消除了方程(1)、(2)中的空间位置和接收机钟差参数，避免了对两者的建模。但需要认识的是，其消元方法并未改善方程的性能，它只是使多个历元观测统一解算更为便利。考察(2)式可知，在非差模型的一个历元观测方程中，接收机钟差dt和模糊度完全线性相关，在定位中如果忽略伪距观测信息，只使用载波相位观测定位，接收机钟差和模糊度将不能分离，即使在迭代最小二乘处理后定位方程中不再含有接收机钟差参数，其法方程也将秩亏，多历元解算时参数将发散。基于非差观测量的精密单点定位，其模糊度的解算依赖于伪距观测量，当使用伪距信息时，其实质是通过伪距解算出接收机钟差后反算出模糊度，即载波相位辅助伪距平滑。为此本方法使用基于星间单差的载波相位观测量，在原始定位方程中直接消除掉接收机钟差未知数，而不是在迭代最小二乘中通过消元来约化，然后使用迭代最小二乘方法，建立只含有模糊度和对流层延迟参数的定位方程，既可以避免对接收机钟差建模，也可以避免载波相位观测方程中接收机钟差和模糊度相关的问题。单差模型另一个潜在优势是，如果卫星的初始相位偏差能够得知，即可能寻求合适的双频线性组合，形成无电离层单差整数模糊度。根据研究，卫星的初始相位偏差相当稳定，若能得到卫星的初始相位偏差，PPP可能达到与差分定位相同的精度

步骤2，构建星间单差方程，并线性化，写成矩阵形式为：

其中：X＝[dx]，ΔL_ρ和分别为经过改化后的无电离层组合单差伪距和载波相位观测矢量，Δb为(n－1)×3维星间单差定位系数阵，ΔM为(n－1)×1维星间单差对流层投影函数矩阵，I为单位阵，dx为坐标改正数，dT^Z为对流层延迟改正数，Δγ_IF为单差无电离层组合模糊度，其已经消除了接收机相位偏差，但是卫星相位偏差仍然存在，D为单差观测矢量方差阵；

步骤3，探测和修复周跳；

步骤4，使用迭代最小二乘法，建立只含有模糊度和对流层延迟参数的定位方程，

$L=\stackrel{\‾}{A}Y,D---\left(4\right)$

其中I为单位阵，N₁₁＝B^TD^-1B；

步骤5，使用广义卡尔曼滤波器进行卡尔曼滤波，卡尔曼滤波器的方程式为

${\stackrel{\‾}{P}}_t={\mathrm{\ΦP}}_{t-1}{\mathrm{\Φ}}^T+Q_t---\left(5\right)$

$K_t={\stackrel{\‾}{P}}_t{\stackrel{\‾}{A}}^T{(\stackrel{\‾}{A}{\stackrel{\‾}{P}}_t{\stackrel{\‾}{A}}^T+R)}^{-1}---\left(6\right)$

$d\hat{Y}=K_{t}L---\left(7\right)$

$P_t=(I-K_t\stackrel{\‾}{A}){\stackrel{\‾}{P}}_t{(I-K_t\stackrel{\‾}{A})}^T+K_t{\mathrm{RK}}_t^T---\left(8\right)$

其中t表示历元标志，为预报方差，Φ为状态转移矩阵，Q为系统过程噪声，K为增益矩阵，R为观测噪声，P为量测更新后系统方差。

步骤6，滤波器状态参数收敛后，再带入方程(2)解算出每个历元的空间位置。在滤波过程中，既可以不使用伪距观测量，也可以使用伪距观测量。实际解算证实，在不使用伪距信息时，由于不受到伪距观测噪音和多路径的影响，定位精度比使用伪距时明显提高。但是需要说明的是，在不使用伪距信息时，参数的收敛依赖于卫星分布的变化，收敛时间明显长于使用伪距的情况。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，采用北斗双频接收机获取北斗双频观测值，计算卫星位置，其伪距

和载波相位定位方程为：

其中：和分别为无电离层组合伪距观测值、载波相位观测值和载波相位初始未知数(浮点模糊度，内含接收机相位偏差和卫星钟相位偏差)，ρ^j为卫星至接收机的几何距离，dt^j为卫星钟差等效距离，dt为接收机钟差等效距离，M^j为对流层延迟投影函数，T^Z为天顶对流层延迟，ε_ρIF和分别为组合观测量噪声；

步骤2，构建星间单差方程，并线性化，写成矩阵形式为：D(3)

其中：ΔL_ρ和分别为经过改化后的无电离层组合单差伪距和载波相位观测矢量，Δb为(n－1)×3维星间单差定位系数阵，ΔM为(n－1)×1维星间单差对流层投影函数矩阵，I为单位阵，dx为坐标改正数，dT^Z为对流层延迟改正数，Δγ_IF为单差无电离层组合模糊度，其已经消除了接收机相位偏差，但是卫星相位偏差仍然存在，D为单差观测矢量方差阵；

步骤3，探测和修复周跳；

步骤4，使用迭代最小二乘法，建立只含有模糊度和对流层延迟参数的定位方程，

其中I为单位阵，N₁₁＝B^TD^-1B；

步骤5，使用广义卡尔曼滤波器进行卡尔曼滤波，

步骤6，滤波器状态参数收敛后，再带入方程(2)解算出每个历元的空间位置。

2.根据权利要求1所述的用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波器的方程式为

其中t表示历元标志，为预报方差，Φ为状态转移矩阵，Q为系统过程噪声，K为增益矩阵，R为观测噪声，P为量测更新后系统方差。

3.根据权利要求1或2所述的用北斗双频接收机进行高精度动态单点定位的方法，其特征在于，所述北斗双频接收机不需要在已知点架设基站或者CORS系统。