CN106814376A - 一种快速精确厘米级单点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速精确厘米级单点定位方法。本发明解决了现有卫星定位系统定位精度差、定位时间长、受天气和位置因素影响大的问题，提供了一种快速精确单点定位方法，其技术方案可概括为：使用多频天线接收多系统导航电文和星际差分修正数据，接收机对导航电文和修正数据初步处理转换为WGS84坐标系坐标，控制系统对坐标数据进行联合解算获得精确定位数据。本发明的有益效果是：能够实现在周围无阻挡情况下在30分钟内完成精度10cm内的坐标测定，弥补了市场的不足。

Description

一种快速精确厘米级单点定位方法

技术领域

本发明涉及卫星定位和星际差分定位技术领域。

背景技术

传统的民用卫星单点定位设备定位精度一般在5～10米左右，军用定位设备定位精度最高可达到1米左右。如果需要获得更高的单点定位测量精度数据，可以通过在固定测量位置长时间接收定位测量数据，通过平均值算法收敛测量精度，实现更高精度的单点定位测量数据。但这样的方式收敛时间通常长达数天，定位时间过长导致天气、大气、卫星位置、地球潮汐等因素对数据精度的影响变大，这就局限了单点定位的测量精度，对测量精度的改善有限。测绘行业通常采用差分定位设备进行厘米级、毫米级高精度测量，差分定位系统相对距离测量精度很高，但是如果要精确测量位置坐标，就需要一个已知点的坐标差分出目标点的坐标，而已知点的坐标大多数由单点定位获得，所以差分定位系统获得的坐标相对于已知点是精确的而相对于地球坐标系参考原点则误差较大。

本说明书将详述一种快速精确单点卫星定位方法，以解决上述目前单点定位和差分定位设备地球坐标测量数据精度低、定位时间长等问题，实现对单点进行厘米级精确地球坐标测量。

发明内容

本发明专利需要解决的问题是克服技术背景提出的传统设备的不足，提供一种能够在较短时间内完成厘米级精确定位的方法。

为了实现上述目标本发明采用如下技术方案：

采用多频率集成的卫星接收天线及多定位系统融合的接收机，

同时接收GPS、GLONASS、北斗及Galileo多个卫星定位系统的导航电文，增加了单位时间的搜星数，也就获得了更多的位置坐标测量数据量，通过星际差分技术及平均值递归算法计算各个定位系统当前的近似系统误差，通过海量的测量值平均值法加快消除随机误差，逐步获得更精确的测量结果。

采用平均值滤波算法(可多种算法结合)分别计算各个系统定位坐标数据及多个定位系统合成的坐标数据，然后计算出各个定位系统的当前偏差值(比如采用星际差分方法可以更快获得某一个系统更准确的偏差值)，再把这些偏差值代入原始测量数据再进行平均值滤波计算，会得到一个更准确的测量偏差值，循环迭代递归运算，逐次逼近，逐步收敛测量数据，这样很快就能得到精确的单点测量坐标。

计算方法及计算公式如下：

在进行卫星定位测量时，某一个固定测定点的真实坐标可由公式(1)表示：

X＝X_C+ΔX (1)

式(1)中X表示真实坐标，X_C表示测量值，ΔX表示测量的误差，减小ΔX即可提高测量精度。

测量误差ΔX主要由系统误差和随机误差组成，ΔX可由公式(2)表示：

ΔX＝ρ+Δρ (2)

ρ＝α+β (3)

Δρ＝α+β+δ+ε+γ+η+λ (4)

式(2)中ρ表示系统误差，主要由卫星星历误差α、卫星钟差β组成；Δρ表示随机误差，主要由相对论效应δ、电离层延迟ε、对流层延迟γ、接收机钟差η、接收机天线相位中心偏差λ组成。

本发明使用多频集成天线，将多个定位系统的天线集成为一个整体，各个接收机使用同一电源和时钟源，使得各系统间的接收机钟差和接收机天线相位中心偏差近似相等，可得式(5)、(6)：

η_GPS≈η_GLN≈η_BD≈η_GLL (5)

λ_GPS≈λ_GLN≈λ_BD≈λ_GLL (6)

多频天线同时接收多个卫星定位系统的导航电文，在某一时刻对于某一个地面测量点及测量设备来说，该测量点与天空各个卫星定位系统的卫星之间的大气环境、地球环境、电离层环境等大致相同，因此各系统中相对论效应、电离层延迟、对流层延迟引起的随机误差近似相等，并且多系统融合使测量收敛时间较短，因环境变化而造成的误差变化几乎可忽略，于是有式(7)、(8)、(9)：

δ_GPS≈δ_GLN≈δ_BD≈δ_GLL (7)

ε_GPS≈ε_GLN≈ε_BD≈ε_GLL (8)

γ_GPS≈γ_GLN≈γ_BD≈γ_GLL (9)

由式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)可推导出式(10)：

Δρ_GPS≈Δρ_GLN≈Δρ_BD≈Δρ_GLL (10)

由此可见，本发明通过技术手段使得各个系统的随机误差近似。这样各个系统的测量数据偏差就只有星历误差α及卫星钟差β了，也就是系统误差ρ。

因为各个卫星定位系统在某一短时间内状态是相对稳定的，对于某一个时刻某一个测量点来说，各个卫星定位系统的系统误差是相对固定的，可以通过多种方法近似获得各个定位系统的系统误差。比如通过对已知点定位测量即可通过测量值与实际坐标值比较获取系统误差。本发明对各个定位系统的测量系统误差预设初值或通过差分技术获得一个初值如下所示(采用星际差分技术可以获取一个相对精确的测量系统误差初值)：

ρ_GPS＝0或测量差分值 (11)

ρ_GLN＝0或测量差分值 (12)

ρ_BD＝0或测量差分值 (13)

ρ_GLL＝0或测量差分值 (14)

这样就可以计算出各个定位系统的测量修正值如：

X_GPS＝X_CGPS+ρ_GPS (15)

X_GLN＝X_CGLN+ρ_GLN (16)

X_BD＝X_CBD+ρ_BD (17)

X_GLL＝X_CGLL+ρ_GLL (18)

然后直接对各个定位系统测量修正值进行算术平均值计算，算出的初步的测量修正值。

X_K＝∑(X_CGPS+X_CGLN+X_CBD+X_CGLL) (19)

再对测量修正值进行累计求算术平均值，采用加权平均值算法计算精确的坐标值，获得更精确的测量修正值。

X_KK＝∑X_K (20)

然后各定位系统测量值平均值与测量修正值平均值比较分别计算出近似的各个定位系统的近似系统误差ρ_GPS、ρ_GLN、ρ_BD、ρ_GLL。

ρ_GPS＝∑X_CGPS-∑X_KK (21)

ρ_GLN＝∑X_CGLN-∑X_KK (22)

ρ_BD＝∑X_CBD-∑X_KK (23)

ρ_GLL＝∑X_CGLL-∑X_KK (24)

再把较精确的各个近似系统误差ρ_GPS、ρ_GLN、ρ_BD、ρ_GLL代入(15)之后依次循环跌代递归运算，逐步获得更精确的测量修正值，直到测量精度逐步收敛到符合测量要求。

本方案减少了天气、大气、卫星位置、地球潮汐等对测量误差的影响。本发明搜星数是一般单点定位系统的数倍，可以在多个星座中选择几何分布好的卫星来进行定位，提高导航定位的精度、连续性和可靠性；其次，能够以较短的数据采集时间获得大量的测量数据，减少长时间测量地球环境变化对测量的影响，实现测量数据快速收敛，尽快获得较高的定位精度数据；最后，能够在复杂的地形、地貌环境下补偿被中断接收的卫星信号，还能在一个星座因故不能用的情况下，采用另一个星座，以此来确保测量定位正常进行，提高卫星定位的可靠性。放宽了对载体测量地点和测量条件的限制。冗余的数据增加了定位结果的可靠性，降低了卫星信号被遮挡的可能性，最重要的是削弱了一个国家对卫星系统控制的影响。

同时，使用星际差分技术，可以加快消除卫星定位中的接收机时钟误差，削弱电离层、对流层对误差的影响，加速定位数据测量精度的收敛。

附图说明

图1，本发明方法工作原理流程图。

图2，本发明系统组成结构图。

具体实施方式

本发明实施例的快速精确单点定位方法，具体步骤如下：

步骤1：系统上电后，测控主机对各个定位系统参数赋初值X_C＝0、ρ＝0、X_K＝0、X_KK＝0，并对数据接收单元初始化。

步骤2：确认多频天线工作正常后，数据接收单元接收多个系统的导航电文和星际差分修正数据并统一解析为WGS84坐标下的经纬度和高程数据X_C，并将数据传输给测控主机；

步骤3：测控主机收到数据接收单元上传的坐标数据X_C，将定位数据X_C和迭代累计的星际差分修正数据ρ带入式(15)计算获得修正后的定位数X；

步骤4：将各定位系统定位数据带入式(19)，算出的初步的测量修正值X_K；

步骤5：再将测量修正值进带入式(20)，采用加权平均值算法计算精确的坐标值，获得更精确的测量修正值X_KK；

步骤6：将本次测量修正值带入式(21)、(22)、(23)、(24)，计算出各个定位系统的近似系统误差ρ_GPS、ρ_GLN、ρ_BD、ρ_GLL。

步骤7：重复以上步骤直到定位精度达到要求，或者手动停止。

Claims (3)

1.一种快速精确单点卫星定位方法，其特征是，该方法主要由多频卫星接收天线、多卫星定位系统融合的数据接收单元及具备解算功能的测控主机组成，可以同时接收多个频段的多个卫星定位系统的信号及星际差分误差信号，接收天线的各个频段相位中心及相位差一致。

2.如权利要求1所述的数据接收单元，其特征是，可以同时接收处理多个卫星定位系统导航电文及星际差分误差数据，并把数据解算为统一格式发送给测控主机进一步处理。

3.如权利要求1所述的测控主机，其特征是，按如下步骤进行迭代解算：

步骤一：系统上电后，测控主机对各个定位系统参数赋初值，并对多频卫星接收天线和多卫星定位系统融合数据接收单元初始化；

步骤二：确认多频卫星接收天线工作正常后，数据接收单元一直接收多个系统的导航电文和星际差分修正数据直到定位结束，并对接收到的导航电文和星际差分修正数据经行解算统一数据格式，解算后的数据传输给测控主机；

步骤三：测控主机收到数据接收单元上传的坐标数据X_C，将定位数据X_C和迭代累计的星际差分修正数据ρ带入式X＝X_C+ρ计算获得修正后的定位数X；

步骤四：将各定位系统定位数据带入式X_K＝∑(X_CGPS+X_CGLN+X_CBD+X_CGLL)，算出各定位系统的初步测量修正值X_K；

步骤五：再将测量修正值进带入式X_KK＝∑X_K，采用加权平均值算法计算精确的坐标值，获得更精确的测量修正值X_KK；

步骤六：将本次测量修正值带入式ρ_GPS＝∑X_CGPS-∑X_KK、ρ_GLN＝∑X_CGLN-∑X_KK、ρ_BD＝∑X_CBD-∑X_KK、ρ_GLL＝∑X_CGLL-∑X_KK，计算出各个定位系统的近似系统误差ρ_GPS、ρ_GLN、ρ_BD、ρ_GLL；

步骤七：重复以上步骤三、步骤四、步骤五、步骤六直到定位精度达到要求，或者手动停止数据的接收和收敛。