CN106772478B - 一种基于历元-星间差分约束的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星导航定位技术领域,具体涉及了一种增强卫星导航系统模型强度与提升系统收敛速度的基于历元‑星间差分约束的定位方法。本发明包括：(1)利用接收机所获取的观测量进行精密单点定位，获得用户位置的初始解；(2)用相邻两历元间观测量进行一次差分得到单差观测量；(3)选取卫星作为基准卫星，对步骤(2)中所获得的单差观测量做星间二次差分得到双差观测量。本发明所提出的方法通过对接收机原始观测量进行历元‑星间差分恢复了双差模糊度的整周特性，获取了精确的历元间位置增量。

Description

一种基于历元-星间差分约束的定位方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域,具体涉及了一种增强卫星导航系统模型强度与提升系统收敛速度的基于历元-星间差分约束的定位方法。

背景技术

在高精度的卫星动态导航与定位技术中，通常采用最优估计算法来满足系统模型与观测数据驱动的一致性，从而实现最佳的导航性能。然而，多数最优估计算法如卡尔曼滤波算法，通常需要建立准确的系统模型，才能发挥估计算法的最优性。在卫星导航定位技术中，常速模型与常加速模型被广泛应用，而且为了更精细化的描述载体运动状态，马尔科夫模型通常被采用。但是，对于复杂的运行轨迹而言，以上两类系统模型均难以准确描述系统的运行状态，获得系统状态的准确预测。因此，由系统模型误差所带来的影响，将会制约最优估计算法的估计性能，从而导致导航定位精度难以保证。

考虑到实际载体运行轨迹的复杂性，建立准确的系统动态模型是十分困难的。对于卫星导航与定位技术，如果能够准确获取历元间的运动增量信息，实现系统状态的准确预测，将会有效弥补系统动态模型误差所带来的不足。在卫星导航系统中有一类高精度的载波相位观测量，其精度可达毫米级。但是，由于载波相位观测量中包含有未知的整周模糊度量，使得其观测量的高精度特性无法得以使用。因此，如何恢复未知的整周模糊度值，从而利用载波相位观测量的优势，获取厘米级甚至毫米级的历元间运动增量信息，是提升算法估计性能与导航精度的关键问题所在。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于历元-星间差分约束的定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)利用接收机所获取的观测量进行精密单点定位，获得用户位置的初始解；

(2)用相邻两历元间观测量进行一次差分得到单差观测量；

(3)选取卫星作为基准卫星，对步骤(2)中所获得的单差观测量做星间二次差分得到双差观测量；

(4)用最小二乘法估计步骤(3)所获得的双差观测量的载波相位模糊度浮点解及其方差协方差矩阵；并用整数搜索算法和所获取的方差协方差矩阵和双差模糊度浮点解完成模糊度的固定，并获得模糊度固定解的方差协方差矩阵；

(5)若模糊度固定，则利用步骤(4)中固定的模糊度解算出两个差分历元间的位移增量，转至步骤(6)；否则用其浮点解解算出基线向量，解算出用户位置，并转至步骤(7)；

(6)利用初始位置和步骤(5)所得的历元间位置增量信息作为约束信息增强系统模型强度；

(7)更新系统状态，解算用户位置，转至步骤(2)进行下一历元位置解算。

本发明的有益效果在于：

本发明所提出的方法通过对接收机原始观测量进行历元-星间差分恢复了双差模糊度的整周特性，获取了精确的历元间位置增量。从而有效弥补了载体动态模型不准的问题，实现了动态定位算法定位精度和收敛速度的提高。另外，由于该算法对双差观测量实施了模糊度固定，也能够通过对模糊度固定值进行监测从而实现周跳探测的功能。

附图说明

图1为基于历元-星间差分约束的精密动态定位技术的流程图。

具体实施方式

为了充分利用载波相位观测量的高精度特性来获取厘米级甚至毫米级的历元间运动增量信息，实现系统动态模型状态的准确预测，本发明提供了一种历元-星间差分约束的精密动态定位算法。该算法通过历元-星间两次差分，消除了观测量间的接收机钟差、卫星钟差、电离层、对流层以及硬件电路偏差等误差，并通过整数最优搜索算法解算载波相位未知的整周模糊度值，恢复载波相位的高精度特性。利用恢复整周模糊度的载波相位观测量所提供的高精度历元间运动增量信息，可以为现有的系统动态模型提供一种约束信息，有效提升系统动态模型的准确性，从而实现高精度导航的目的。

本发明所提出的基于历元-星间差分约束的精密动态定位技术的详细执行步骤包括：

步骤1，利用接收机所获取的观测量进行精密单点定位，获得用户位置的初始解。

步骤2，用相邻两历元间观测量进行一次差分，由于历元间隔很短，可以认为对流层、电离层以及硬件电路偏差等慢变误差被消除。

步骤3，选取适当卫星作为基准卫星，对步骤2中所获得的单差观测量做星间二次差分，消除接收机端钟差，以恢复模糊度的整周特性。为获取历元间精确位置增量打下基础。

步骤4，用最小二乘法估计步骤3所获得的双差观测量的载波相位模糊度浮点解及其方差协方差矩阵。并用所获取的方差协方差矩阵和双差模糊度浮点解通过整数最优搜索算法完成模糊度的固定，并获得模糊度固定解的方差协方差矩阵。

步骤5，若模糊度固定，则利用步骤4中固定的模糊度解算出两个差分历元间的位移增量，转至步骤6。否则用其浮点解解算出基线向量，解算出用户位置，并转至步骤7。

步骤6，用步骤5中所获取的精确位置增量作为约束条件，利用步骤1解得用户初始位置以及步骤5所获取的权阵解算用户位置。

步骤7，更新系统状态，求解用户精确坐标。转至步骤2，进行下一历元的定位解算。

本发明的基于历元-星间差分的精密动态定位算法，其包括：

步骤1，用户根据接收机获取的非差观测量对当前历元进行定位，获得位置初始解(x₀,y₀,z₀)。

步骤2，首先可以获得下一历元非差原始观测数据。

其中，p、φ分别为伪距和载波相位观测值；s、f、k分别表示卫星、频率和历元；ρ表示卫星和接收机间的几何距离；μ表示不同频率的电离层系数；t_k、分别表示接收机端和卫星端钟差；b，δ分别表示伪距与载波相位的硬件偏差；λ、N表示载波相位波长和模糊度；ε_p、ε_φ为伪距和载波相位的观测噪声与未模型化误差。

之后进行历元间差分，以消除电离层、对流程和硬件偏差等慢变误差。

历元间差分后，获得单差伪距和载波相位观测量：

步骤3，选取合适高度角卫星作为参考卫星，根据步骤2所得单差观测量进行星间差分。以选取卫星1作为参考卫星为例，所得双差伪距和载波相位可以表示为：

步骤4，用步骤3所获得的双差观测量解算出双差模糊度的浮点解和方差协方差矩阵Q_N，用整数最优搜索算法固定双差模糊度及计算其方差协方差矩阵Q_b。

步骤5，若模糊度固定，解算出两历元间位置增量(Δx,Δy,Δz)及其方差协方差矩阵Q，转至步骤6。若模糊度固定失败，以浮点解给出用户位置定位结果，转至步骤7。

步骤6，用步骤4中所获取的方差协方差矩阵Q_b描述系统噪声，用步骤2中获取的非差原始观测数据作为量测值，并用其权矩阵描述量测噪声，以步骤1所解的用户位置作为初始解，以步骤5所获取的精确历元间增量作为约束条件，增强系统模型。

步骤7，更新系统状态，解算用户坐标，转至步骤2。

步骤2中通过相邻历元差分消除了对流层、电离层以及硬件电路偏差；

步骤3中星间差分消除了接收机端钟差，经过双差后模糊度恢复了其整周特性；

步骤5中利用整数搜索算法确定模糊度，从而获取精确历元间增量作为后续解算程序约束信息；

步骤6中根据所获取的历元间增量作为约束信息以增强系统动态模型强度，从而解算出精确用户位置。

本发明公开一种基于历元-星间差分约束的精密动态定位方法。本发明考虑到相邻历元间观测量误差项具有强相关性，通过执行历元-星间差分操作，能够恢复模糊度整周特性，从而获得精确的历元间增量作为约束信息，以弥补卫星导航算法中由于系统动态模型不准所带来的定位精度和收敛速度难以提升的问题。本发明方法是：利用单点定位技术确定系统模型初始状态；通过执行历元-星间差分操作，能够恢复模糊度整周特性，进而获得精确的历元间增量作为约束信息。利用此约束信息可以增强系统动态模型的强度，间差分固定模糊度的方式获取历元间精确的运动增量信息，能够有效补偿系统动态模型对载体实际运动情况描述不准的缺陷，在提升卫星动态导航与定位领域具有重要的实用价值。

Claims (1)

1.一种基于历元-星间差分约束的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用接收机所获取的观测量进行精密单点定位，获得用户位置的初始解；

(2)用相邻两历元间观测量进行一次差分得到单差观测量；

(3)选取卫星作为基准卫星，对步骤(2)中所获得的单差观测量做星间二次差分得到双差观测量；

(4)用最小二乘法估计步骤(3)所获得的双差观测量的载波相位模糊度浮点解及其方差协方差矩阵；并用整数搜索算法和所获取的方差协方差矩阵和双差模糊度浮点解完成模糊度的固定，并获得模糊度固定解的方差协方差矩阵；

(5)若模糊度固定，则利用步骤(4)中固定的模糊度解算出两个差分历元间的位置增量，转至步骤(6)；否则用其浮点解解算出基线向量，解算出用户位置，并转至步骤(7)；

(6)利用初始位置和步骤(5)所得的历元间位置增量信息作为约束信息增强系统模型强度；

(7)更新系统状态，解算用户位置，转至步骤(2)进行下一历元位置解算。