CN106707311A - 基于gps增强的glonass rtk定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPS增强的GLONASS RTK定位方法，建立GLONASS+GPS RTK观测方程，基于观测方程进行定位，包括设定N个数值点的初值和初始权，更新数值点的权，对每个数值点分别判断权是否大于1/N，大于则复制，否则删除；判断所有数值点的加权中误差是否小于预设的收敛阈值，若是则将所有数值点的加权平均数作为所估计的IFB rate，当已估计的多个IFB rate通过校验时，将最终的IFB rate代入观测方程，通过LAMBDA算法进行GLONASS和GPS模糊度固定，进行RTK定位。本发明实现了基于GLONASS模糊度固定的GLONASS+GPS单频RTK定位。

Description

基于GPS增强的GLONASS RTK定位方法

技术领域

本发明属于全球导航系统和定位测量技术领域，具体的说，涉及一种在利用GLONASS+GPS相位和伪距观测值计算GLONASS频间偏差(Inter-frequency phase bias,IFB),从而固定GLONASS和GPS整周模糊度，进而进行实时动态定位(Real-time KinematicPositioning)确定流动站精确位置信息的定位技术。

背景技术

随着俄罗斯GLONASS(格洛纳斯)卫星导航系统于2012年再次完成24颗卫星满星座运行，欧洲GALILEO卫星导航系统加快组网速度以及我国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System,BDS)开始进行全球范围组网，传统的RTK(实时动态差分定位)定位技术正在向多系统RTK定位技术发展。现今已用许多公司和学者实现GPS+BDS、GPS+GALILEO、GPS+BDS+GALILEO RTK定位技术，但是GLONASS导航系统却从未出现在RTK定位领域尤其是成本较低的单频RTK领域。造成这一现象的主要原因是GLONASS卫星导航系统使用了频分多址技术(Frequency division multiple access,FDMA)。由于GLONASS采用FDMA技术，造成了GLONASS每颗卫星信号的波长和频率都是不同的，进而导致GLONASS的IFB不能通过卫星间差分进行消除。而只有当RTK作业时所使用的两台GNSS接收机的GLONASS IFB相同时，才能通过站间差分进行消除。大量的研究表明当两台GNSS接收机是同一厂家生产的统一型号接收机，其IFB误差基本相等。但是随着GNSS行业的发展，大量的接收机厂商不断出现，要求在RTK作业所用的两台接收机型号一致是有一定难度且在某些情况下是不现实的。一般情况下，RTK作业采用的是两台不同厂商的接收机，这时IFB无法通过差分进行消除，故GLONASS的模糊度不能进行固定，进而无法通过GLONASS信号获得准确的流动站坐标，所以导致GLONASS信号无法用于RTK定位中。

发明内容

为了实现GLONASS+GPS RTK定位，本发明提供了一种GPS增强GLONASS RTK定位的方法，通过利用GLONASS+GPS的相位和伪距观测值实时估计GLONASS的IFB rate，进而改正GLONASS单频观测值中包含的频间偏差，这时再进行GLONASS和GPS模糊度的固定，进而利用已固定的GLONASS+GPS的整周模糊度确定流动站的准确位置信息。

本发明所采用的技术方案是一种基于GPS增强的GLONASS RTK定位方法，建立GLONASS+GPS RTK观测方程，所述GLONASS+GPS RTK观测方程为GLONASS联合GPS事实动态定位的观测方程，基于观测方程执行以下步骤，

步骤1，根据预设的数值点个数N，针对当前历元设定数值点初值和初始权，包括在频间偏差斜率值的范围内，从当前历元均匀选取N个数值点并将每个数值点的权的初值均设为1/N，i表示数值点标号，取值为1,2,…,N；

步骤2，更新数值点的权，包括根据步骤1所选的数值点依次作为IFB rate代入GLONASS+GPS RTK观测方程，进而解算模糊度并通过LAMBDA算法固定模糊度，获得相应的RATIO值，更新每个数值点的权如下式，

其中，为第i个数值点更新前的权，为第i个数值点更新后的权，为第i个数值点的RATIO值；

步骤3，对每个数值点分别判断该点的权是否大于1/N，如果大于则复制该数值点，否则删除该数值点；

步骤4，判断所有数值点的加权中误差是否小于预设的收敛阈值，若是则将所有数值点的加权平均数作为所估计的IFB rate，进入步骤5，若否则返回步骤2；

步骤5，当已估计的IFB rate个数大于等于预设的数值m时，对最新的连续m个IFBrate进行检验，包括求解这m个IFB rate的平均值Ave，当这m个IFB rate与Ave之差均小于3倍收敛阈值，则全部通过检验；

全部通过检验时，取平均值Ave作为最终的IFB rate，进入步骤6；否则，返回步骤1基于下一历元继续处理；

步骤6，将步骤5所得最终的IFB rate代入GLONASS+GPS RTK观测方程，通过LAMBDA算法进行GLONASS和GPS模糊度固定，进行当前历元的RTK定位；

步骤7，判断是否有新历元数据输入，如果有则返回步骤6继续进行改正误差及定位，如果无，则结束RTK计算。

而且，所述GLONASS+GPS RTK观测方程如下，

式中，和分别代表在导航系统SYS中卫星i,j和接收机r,m间的伪距和相位双差观测值，SYS＝GPS,GLO，GLO表示GLONASS；代表为卫星i，j和接收机r,m之间的双差距离，λⁱ为卫星i的信号波长，λ^j为卫星j的信号波长，为双差整周模糊度，为卫星j在接收机r,m间的单差模糊度，γ_rm表示IFB rate，kⁱ代表卫星i的信号频率，k^j代表卫星j的信号频率数，和分别为伪距和载波观测值的噪声。

而且，所述IFB rate只包括相位IFB rate。

而且，m＝3。

与RTK技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明针对现有RTK技术不能使用GLONASS系统进行高精度定位的现状，提出了一种利用GPS增强GLONASS RTK的定位方法。该方法通过利用GLONASS+GPS观测值估计GLONASS IFB rate，并依此改正GLONASS观测值中包含的频间偏差，使得GLONASS模糊度可以通过LAMBDA方法进行固定，进而实现基于GLONASS模糊度固定的GLONASS+GPS单频RTK定位。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种GPS辅助GLONASS单频RTK定位方法，利用GLONASS+GPS观测值实时估计GLONASS IFB rate，并利用IFB rate改正GLONASS观测值中包含的频间偏差，进而利用LAMBDA算法固定GLONASS+GPS整周模糊度，最后实现基于GLONASS模糊度固定的RTK定位作业。

本发明实施例的总流程图如图1所示。利用HERT站HERS站2015年1月1日的数据进行详细描述。

实施例提供的一种GPS增强GLONASS RTK定位的方法，利用GLONASS+GPS的相位和伪距观测值实时估计GLONASS的IFB rate，进而改正GLONASS观测值中包含的频间偏差，这时再通过LAMBDA法进行GLONASS和GPS模糊度的搜索和固定，进而利用已固定的GLONASS+GPS的整周模糊度确定流动站的准确位置信息。

GLONASS+GPS单频RTK的非差观测方程为：

式中，SYS代表导航卫星系统，和分别代表卫星i和接收机r间的伪距和相位非差观测值。和分别代表为卫星i和接收机r之间的距离，电离层延迟和对流层映射函数。c代表光速，dtⁱ和dT_r分别为卫星钟差和接收机钟差。T_r为天顶对流层延迟，λⁱ为卫星i的信号波长，为整周模糊度，和代表伪距IFB和相位IFB，和分别为伪距和载波观测值的噪声。

其中，伪距IFB对定位结果影响较小，故在本文忽略不做考虑。相关研究表明相位IFB是与频率相关的线性函数，故双差相位IFB可表示为：

式中，kⁱ代表卫星i的信号频率，k^j代表卫星j的信号频率数，Δγ_rm为接收机r和m间的频间偏差斜率值IFB rate。

又因为GLONASS每颗卫星的信号波长不同，导致在以长度为单位的观测方程中，双差模糊度失去了整数性质，需要转换成为一个具有整数性质的双差模糊度和一个单差模糊度故GLONASS+GPS RTK的观测方程(GLONASS联合GPS事实动态定位的观测方程)如下式：

式中，和分别代表在导航系统SYS(SYS＝GPS/GLO，GLO表示GLONASS)卫星i,j和接收机r,m间的伪距和相位双差观测值。代表为卫星i，j和接收机r,m之间的双差距离。λⁱ为卫星i的信号波长，λ^j为卫星j的信号波长，为双差整周模糊度，为卫星j在接收机r,m间的单差模糊度。γ_rm表示IFB rate，本发明只考虑(相位IFB rate)，kⁱ代表卫星i的信号频率，k^j代表卫星j的信号频率数，和分别为伪距和载波观测值的噪声。

实施例中，在在启动GLONASS/GPS RTK之后，执行具体包括以下步骤：

1)根据预设的IFB rate数值点个数N，针对当前历元设定数值点初值和初始权(即初始权)：由相关研究得知频间偏差斜率值(IFB rate)的范围为0.1m/FN至-0.1m/FN，故在该范围内均匀选取N个数值点并将每个点的权初值均设为1/N，具体实施时本领域技术人员可预设N的取值，实施例在该范围内均匀选取N＝200个数值点并将每个点的权初值均设为1/200，i表示数值点标号，取值为1,2,…,N。

2)更新数值点的权：

实施例将步骤1)所选的这些点依次作为IFB rate(γ_rm)代入GLONASS+GPS RTK的观测方程如式(3)，进而解算模糊度并通过LAMBDA算法固定模糊度并获得相应的RATIO值(例如1.013，1.037，1.062……1.147，1.054，1.000)，RATIO值为整周模糊度固定后次最小RMS与最小RMS的比值，RMS为均方根误差。更新每个数值点的权如下式：

其中，为第i个数值点更新前的权，为第i个数值点更新后的权，为第i个数值点的RATIO值。

LAMBDA方法为模糊度最小二乘去相关平差法，通过LAMBDA方法固定模糊度为已有技术，可参见文献Teunissen PJG(1995)The least squares ambiguity decorrelationadjustment:a method for fast GPS integer estimation.J Geod 70:65-82

3)对每个数值点做以下操作：判断该点的权是否大于1/N(实施例为1/200)，如果大于则复制该点，若小于或等于则删除该数值点。复制该点时，只需增加一个新的数值点，新增点的数值和权都和原来的数值点是一样的，这样可以增加正确点所占比例。

4)判断所有数值点的加权中误差是否小于预设的收敛阈值，若是则进入5)，若否则返回2)，循环以上两步骤。具体实施时本领域技术人员可预设收敛阈值的取值。实施例中，当所有数值点的加权中误差小于预设的收敛阈值0.001m时，跳出循环。此时所有数值点的加权平均数即为所估计的IFB rate＝0.0280m。

5)为了对所估计的IFB rate进行检验，本方法提出需要连续估计IFB rate，当已估计的IFB rate个数大于等于预设的数值m时，对最新的连续m个IFB rate进行检验，包括求解这m个IFB rate的平均值Ave，当这m个IFB rate与Ave之差均小于3倍收敛阈值，则全部通过检验。具体实施时本领域技术人员可预设m的取值，建议取值为3到5。实施例中m＝3，当估计的IFB rate个数大于等于3时，对最新的连续3个IFB rate进行检验。首先求解这3个IFB rate的平均值Ave，当这3个IFB rate与Ave之差均小于3倍收敛阈值(实施例中为3×0.001m)，则全部通过检验。取平均值Ave作为最终的IFB rate＝0.0296m，进入步骤6)。否则，返回步骤1)基于下一历元继续处理。

6)将5)所得最终的IFB rate代入式(3)，即可通过LAMBDA算法进行GLONASS和GPS模糊度固定，进而进行当前历元的RTK定位。

7)判断是否有新历元数据输入，如果有则返回步骤6)继续进行改正误差及定位，如果无，则结束RTK计算。

具体实施时，以上流程可采用计算机软件技术实现自动运行流程。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于GPS增强的GLONASS RTK定位方法，其特征在于：建立GLONASS+GPS RTK观测方程，所述GLONASS+GPS RTK观测方程为GLONASS联合GPS事实动态定位的观测方程，基于观测方程执行以下步骤，

步骤1，根据预设的数值点个数N，针对当前历元设定数值点初值和初始权，包括在频间偏差斜率值的范围内，从当前历元均匀选取N个数值点并将每个数值点的权的初值均设为1/N，i表示数值点标号，取值为1,2,…,N；

步骤2，更新数值点的权，包括根据步骤1所选的数值点依次作为IFB rate代入GLONASS+GPS RTK观测方程，进而解算模糊度并通过LAMBDA算法固定模糊度，获得相应的RATIO值，更新每个数值点的权如下式，

$w_{k+1}^i=\frac{{\mathrm{Ratio}}_k^i}{{\Σ}_i^{200}{\mathrm{Ratio}}_k^i}{w}_k^i$

其中，为第i个数值点更新前的权，为第i个数值点更新后的权，为第i个数值点的RATIO值；

步骤3，对每个数值点分别判断该点的权是否大于1/N，如果大于则复制该数值点，否则删除该数值点；

步骤4，判断所有数值点的加权中误差是否小于预设的收敛阈值，若是则将所有数值点的加权平均数作为所估计的IFB rate，进入步骤5，若否则返回步骤2；

步骤5，当已估计的IFB rate个数大于等于预设的数值m时，对最新的连续m个IFB rate进行检验，包括求解这m个IFB rate的平均值Ave，当这m个IFB rate与Ave之差均小于3倍收敛阈值，则全部通过检验；

全部通过检验时，取平均值Ave作为最终的IFB rate，进入步骤6；否则，返回步骤1基于下一历元继续处理；

步骤6，将步骤5所得最终的IFB rate代入GLONASS+GPS RTK观测方程，通过LAMBDA算法进行GLONASS和GPS模糊度固定，进行当前历元的RTK定位；

步骤7，判断是否有新历元数据输入，如果有则返回步骤6继续进行改正误差及定位，如果无，则结束RTK计算。

2.根据权利要求1所述基于GPS增强的GLONASS RTK定位方法，其特征在于：所述GLONASS+GPS RTK观测方程如下，

$P_{rm}^{GPS,ij}={\mathrm{\ρ}}_{rm}^{ij}+\mathrm{\ϵ}\left(P_{rm}^{GPS,ij}\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{rm}^{GPS,ij}={\mathrm{\ρ}}_{rm}^{ij}+{\mathrm{\λ}}^i{N}_{rm}^{ij}+\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\Φ}}_{rm}^{GPS,ij}\right)$

$P_{rm}^{GLO,ij}={\mathrm{\ρ}}_{rm}^{ij}+\mathrm{\ϵ}\left(P_{rm}^{GLO,ij}\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{rm}^{GLO,ij}={\mathrm{\ρ}}_{rm}^{ij}+{\mathrm{\λ}}^i{N}_{rm}^{ij}+({\mathrm{\λ}}^j-{\mathrm{\λ}}^j)N_{rm}^j+(k^i-k^j){\mathrm{\γ}}_{rm}+\mathrm{\ϵ}\left({\mathrm{\Φ}}_{rm}^{GLO,ij}\right)$

式中，和分别代表在导航系统SYS中卫星i,j和接收机r,m间的伪距和相位双差观测值，SYS＝GPS,GLO，GLO表示GLONASS；代表为卫星i，j和接收机r,m之间的双差距离，λⁱ为卫星i的信号波长，λ^j为卫星j的信号波长，为双差整周模糊度，为卫星j在接收机r,m间的单差模糊度，γ_rm表示IFB rate，kⁱ代表卫星i的信号频率，k^j代表卫星j的信号频率数，和分别为伪距和载波观测值的噪声。

3.根据权利要求1或2所述基于GPS增强的GLONASS RTK定位方法，其特征在于：所述IFBrate只包括相位IFB rate。

4.根据权利要求1或2所述基于GPS增强的GLONASS RTK定位方法，其特征在于：m＝3。

5.根据权利要求3所述基于GPS增强的GLONASS RTK定位方法，其特征在于：m＝3。