CN105842720B - 一种基于载波相位的广域精密实时定位方法 - Google Patents

一种基于载波相位的广域精密实时定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于卫星导航定位领域，尤其涉及一种基于载波相位的广域精密实时定位方法。本发明包括：(1)接收广播星历电文、SBAS电文和导航电文并解析；(2)根据SBAS实时广播的改正量和主要误差的模型化修正，提高观测量的测距精度；(3)基于最小二乘的方式完成状态信息的初始化；(4)周跳监测，如果没有周跳，则保持模糊度不变；否则需重新进行模糊度固定等。本发明通过对构成星间单差无电离层模糊度的宽巷模糊度和窄巷模糊度的固定，相对于传统的基于伪距的广域差分定位技术而言大大提升了定位精度。最终实现了基于广域实时的高精度定位。

Description

一种基于载波相位的广域精密实时定位方法
技术领域
本发明属于卫星导航定位领域，尤其涉及一种基于载波相位的广域精密实时定位方法。
背景技术
随着全球卫星导航系统(Global Navigation Satel lite System，GNSS)现代化的发展，面对全球实时精密定位(分米级)服务的需求，如海上动力定位测量以及生命安全相关等需求，如何基于卫星导航实现广域的实时高精度定位已成为迫切需要解决的问题。传统基于伪距的高精度定位技术，包括局域伪距差分定位技术与星基广域差分定位技术，都无法满足分米级的定位需求，因此有必要借助高精度的载波相位观测量实现精密定位。虽然局域载波相位差分技术(Real-time Kinematic,RTK)可以提供高精度的定位结果(分米级甚至厘米级)，但是无法摆脱基准站有效作用距离的限制，这也意味着无法支撑全球实时定位的需求。
目前，常用的广域定位技术手段包括：(1)星基广域差分定位技术。该技术虽然可以满足全球性实时定位的要求，但是由于采用的低精度伪距观测值，因此定位精度收到极大限制，一般只能达到1-3m(1σ)。(2)精密单点定位技术。该技术借助高精度的载波相位观测量，通过对原始观测量中主要误差的修正，并进行模糊度的固定可以实现全球性高精度的定位需求，但是各种误差修正源都是事后获取，导致定位实时性较差。综上所述，设计一种新型可面向全球实时精密定位(分米级)服务的需求的定位技术具有相当的迫切性。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种提升用户端导航定位的精度基于载波相位的广域精密实时定位方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明包括如下步骤：
(1)接收广播星历电文、SBAS电文和导航电文并解析；
(2)根据SBAS实时广播的改正量和主要误差的模型化修正，提高观测量的测距精度；
(3)基于最小二乘的方式完成状态信息的初始化；
(4)周跳监测，如果没有周跳，则保持模糊度不变；否则需重新进行模糊度固定；
(5)采用星间单差的无电离层组合进一步提高观测量的测距精度，并根据Kalman滤波的方法完成定位解算，进而更新状态输出和协方差矩阵；
(6)根据星间单差无电离层观测量的残差平方和的大小来判断是否进行模糊度固定；
(7)将星间单差的无电离层模糊度分解成宽巷模糊度和窄巷模糊度组合的形式；
(8)先由多历元的多频原始观测量构建成的MW观测值求出宽巷模糊度及其方差，再进行宽巷模糊度的固定；
(9)根据无电离层模糊度与宽巷和窄巷模糊度的线性关系，由Kalman输出的协方差矩阵和窄巷模糊度的浮点解，通过LAMBDA算法进行窄巷模糊度的固定；
(10)根据固定后的模糊度进行用户位置和方差的更新。
所述步骤(2)中原始观测量中的实时的星钟、星轨和电离层的修正量来源于SBAS。
所述步骤(5)中采用无电离层构建的检测统计量来判别组合观测量的残差的大小，通过与根据卡方分布计算出的监测门限进行比较，确定是否进行模糊度的固定。
所述步骤(6)中的单差无电离层模糊度固定的具体方法。
本发明的有益效果在于：
针对传统的精密单点定位所需的各类型修正参数只能事后获取导致精密定位实时性较差的问题，本发明所选择的SBAS修正参数可以实时的获取，即满足了导航定位实时性的要求；进一步采用高精度的载波相位星间单差无电离层组合的形式，通过对构成星间单差无电离层模糊度的宽巷模糊度和窄巷模糊度的固定，相对于传统的基于伪距的广域差分定位技术而言大大提升了定位精度。最终实现了基于广域实时的高精度定位。
附图说明
图1是本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供了一种基于载波相位的广域精密实时定位技术。该技术同时采用星基增强信息辅助以及模型修正两种方法对原始伪距和载波观测量中所包含的主要误差进行修正，并将修正后的多频观测量构建成基于单差的无电离层观测值，进而由卡尔曼滤波得到精确浮点解。根据无电离层模糊度与宽巷和窄巷模糊度的线性关系，基于成功率最大准则，分别对宽巷和窄巷模糊度进行固定，最终得到高精度的实时位置解。本发明同时解决了基于伪距的广域差分定位精度较低以及精密单点定位在动态定位中实时性较差的问题，提升了基于广域实时动态卫星导航的定位精度，适应了导航的实际运行要求。
本技术同时采用星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)实时广播的星钟和星轨修正信息以及模型化修正的方法对原始伪距和载波观测量中的主要误差进行修正，保证了用户端导航定位的实时性和精确性。在此基础上将修正后的双频原始观测量构建成星间单差无电离层观测量，完成由宽巷和窄巷模糊度组成的无电离层模糊度的固定，进而通过无电离层模糊度与宽巷和窄巷模糊度的线性关系，完成最终窄巷模糊度的固定，大大提升了用户端导航定位的精度。
本发明的基于载波相位的广域精密实时定位技术包括：
步骤1，实时接收广播星历电文、SBAS电文和导航电文并解析；
步骤2，根据SBAS实时广播的改正量和主要误差的模型化修正，提高观测量的测距精度；
步骤3，基于最小二乘的方式完成状态信息的初始化；
步骤4，周跳监测。如果没有周跳，则保持模糊度不变；否则需重新进行模糊度固定；
步骤5，采用星间单差的无电离层组合进一步提高观测量的测距精度，并根据Kalman滤波的方法完成定位解算，进而更新状态输出和协方差矩阵；
步骤6，根据星间单差无电离层观测量的残差平方和的大小来判断是否进行模糊度固定；
步骤7，将星间单差的无电离层模糊度分解成宽巷模糊度和窄巷模糊度组合的形式；
步骤8，先由多历元的多频原始观测量构建成的MW观测值求出宽巷模糊度及其方差，再通过公式6进行宽巷模糊度的固定；
步骤9，根据无电离层模糊度与宽巷和窄巷模糊度的线性关系，由Kalman输出的协方差矩阵和窄巷模糊度的浮点解，通过LAMBDA(The Least-squares AMBiguityDecorrelation Adjustment)算法进行窄巷模糊度的固定；
步骤10，根据固定后的模糊度进行用户位置和方差的更新；
下面通过实施例，并结合附图1，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一种基于载波相位的广域精密实时定位技术，具体步骤为：
步骤1，实时接收SBAS电文、广播星历电文、和导航电文并解析；
实时接收SBAS电文并解析。SBAS电文大小为250比特，播发间隔为1秒。SBAS电文包括若干不同的种类，对于本发明主要需要利用SBAS播发的信息校正星钟、星轨与电离层延迟，与这些校正量相关的SBAS信息有：伪距校正量、用户差分距离误差(User DifferentialRange Error,UDRE)、星轨校正位置、星轨校正速度、星钟慢变参数、播发电离层网格点信息、垂直网格点电离层延迟信息等。
上述信息应该实时接收处理并保存，以便对原始观测量进行校正。
步骤2，误差修正；
a.修正卫星钟差；由于SBAS对星轨与星钟的校正是基于广播星历的，因而需要先利用广播星历解算出卫星位置和卫星钟差，然后根据SBAS广播的卫星钟差改正量对卫星钟差进行校正。
b.修正卫星轨道误差
卫星轨道误差属于SBAS慢变参数，其中主要播发卫星位置改正、卫星位置改正变化校正量。校正时只需将卫星误差改正量与根据广播星历计算出的卫星位置相加即可。
c.修正电离层；SBAS会播发指定IGP点上的垂直电离层延迟估计值，修正电离层延迟误差时，只需要根据用户位置与卫星连线与大气球壳相交的穿刺点位置，根据其周围三或四个IGP点的电离层延迟值进行二维插值即可得到。
d.对流层改正；SBAS本身并不播发对流层相关校正参数，不过其推荐了相关模型可以对对流层延迟进行补偿。
步骤3，状态变量初始化；
启动状态，其中位置、速度信息以及钟差与钟漂可以直接利用最小二乘求解出的值作为初始化变量，天顶湿分量需要估计并初始化。
步骤4，星间单差无电离层组合的构建；
a.采用双频的无电离层组合进一步消除电离层的一阶项的误差，提高观测量的精度。其中无电离层组合可以表示为：
其中，L1，P1和L2，P2分别对应L1和L2频率上的载波相位和伪距观测值，f1和f2分别对应L1和L2的频率，Lif，Pif分别对应载波相位和伪距的无电离层组合观测值。
b.采用星间单差的方式进一步消除用户接收机的误差，进一步提高观测量的精度。其中卫星基准选择高度角最大的卫星。
步骤5，周跳监测；
在求取Kalman量测矩阵之前，需要对整周模糊度进行周跳监测，如果有周跳产生，则需要对构成星间单差的无电离层模糊度的宽巷和窄巷模糊度进行重新的固定，否则保持星间单差的无电离层模糊度不变。
本发明采用构造几何无关组合对周跳进行检测。其检测统计量可以表示为：
Testk＝(λ1L1,k-λ2L2,k)-(λ1L1,k-1-λ2L2,k-1) (3)
其中，k表示第k个历元，λ1和λ2分别表示L1和L2波段的波长，Test表示周跳检测的检测统计量。
步骤6，基于卡尔曼滤波的位置解算过程；
在求取Kalman量测矩阵时依然需要对星钟、星轨、电离层延迟以及模糊度进行校正，如果上一时刻由无电离层模糊度分解成的宽巷模糊度和窄巷模糊度分别被固定，并且没有周跳发生，则基于星间单差的无电离层组合的模糊度保持不变；否则，需要对基于星间单差的无电离层组合的模糊度进行初始化设置。其中状态信息为：X＝(x,y,z,vx,vy,vz,df,dtrop,N1,N2…Nn)，其中(x,y,z)为接收机位置，(vx,vy,vz)为接收机速度，df为接收机钟漂，dtrop为星间单差的天顶对流层延迟，(N1m,N2m,…,Nnm)为双频组合的星间单差模糊度浮点解，更新状态矩阵和协方差矩阵；
其中步骤6中Kalman的量测方程包括伪距测距方程(双频组合)、载波相位测距方程(双频组合)以及多普勒测速方程(双频)。
步骤7，如果基于星间单差无电离层的残差平方和小于监测门限时，则进行模糊度的固定。否则直接输出位置信息。
步骤8，对构成单差无电离层组合模糊度的宽巷模糊度和窄巷模糊度进行固定；
a.把单差无电离层组合的整周模糊度分解成宽巷模糊度和窄巷模糊度组合的形式。
其中，f1,f2分别是L1频点和L2频点的频率，N1m,N2m,Nwm,Ncm分别为L1单差模糊度、L2单差模糊度、宽巷单差模糊度以及无电离层单差模糊度。然后对观想单差模糊度和L1单差模糊度进行分别固定。
b.通过M-W组合结合LAMBDA实现宽巷模糊度的固定。由M-W组合得到宽巷模糊度为：
其中，Φwm＝Φ1m-Φ2m为宽巷载波相位观测值，单位为周；为窄巷伪距观测值，单位为米；P1m,P2m分别为载波L1、L2的P码伪距观测量；λw＝c/(f1-f2)为宽巷载波相位观测值的波长，c为光速。通过多历元平滑的方式求得宽巷模糊度及其方差。其具体的固定方式如下：
其中，erfc表示高斯误差函数，Nwm表示宽巷的模糊度估计值，σ表示相对应的方差，表示离Nwm最近的整数。如果P0大于99.9％，则表示宽巷模糊度固定成功，否则直接输出位置信息。
c.若宽巷模糊度固定成功，根据无电离层组合的整周模糊度、宽巷模糊度以及窄巷模糊度的线性关系，确定窄巷模糊度浮点解。
d.根据c得到的L1的初始值并结合Kalman输出的协方差矩阵，采用LAMBDA的方法进行固定，采用比率检验(ratio-test)的方法检验最优解，检验次优解与最优解之间比率的门限值设为3。如固定不成功，则采用定位浮点解。
f.若宽巷模糊度和窄巷模糊度均固定成功，则进行最终无电离层的单差模糊度的求解。
步骤8，根据更新的星间单差无电离层的模糊度进行最终的用户位置和方差的更新。
整体执行流程图如图1所示。

Claims (3)

1.一种基于载波相位的广域精密实时定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)接收广播星历电文、SBAS电文和导航电文并解析；
(2)根据SBAS实时广播的改正量和主要误差的模型化修正，提高观测量的测距精度；
(3)基于最小二乘的方式完成状态信息的初始化；
(4)周跳监测，如果没有周跳，则保持模糊度不变；否则需重新进行模糊度固定；
(5)采用星间单差的无电离层组合进一步提高观测量的测距精度，并根据Kalman滤波的方法完成定位解算，进而更新状态输出协方差矩阵；
(6)根据星间单差无电离层观测量的残差平方和的大小来判断是否进行模糊度固定；
(7)将星间单差的无电离层模糊度分解成宽巷模糊度和窄巷模糊度组合的形式；
(8)先由多历元的多频原始观测量构建成的MW观测值求出宽巷模糊度及其方差，再进行宽巷模糊度的固定；
(9)根据无电离层模糊度与宽巷和窄巷模糊度的线性关系，由Kalman输出的协方差矩阵和窄巷模糊度的浮点解，通过LAMBDA算法进行窄巷模糊度的固定；
(10)根据固定后的模糊度进行用户位置和方差的更新。
2.根据权利要求1所述的一种基于载波相位的广域精密实时定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中原始观测量中的实时的星钟、星轨和电离层的修正量来源于SBAS。
3.根据权利要求1所述的一种基于载波相位的广域精密实时定位方法，其特征在于：所述步骤(6)中采用无电离层构建的检测统计量来判别组合观测量的残差的大小，通过与根据卡方分布计算出的监测门限进行比较，确定是否进行模糊度的固定。
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