CN108226985B - 基于精密单点定位的列车组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于精密单点定位的列车组合导航方法。该方法首先通过由列车卫星接收机记录卫星原始观测数据文件，之后根据IGS数据处理中心计算发布的高精度卫星轨道和卫星钟差产品，对列车运行的位置坐标进行解算，并同时计算出整周模糊度和接收机钟差等改正参数。然后结合惯性导航系统测量的高更新率的列车三维姿态信息，不仅能提供高精度的列车定位信息，而且能提高定位的连续性，改善短时精度。该方法使用单台卫星接收机的双频相位、伪距观测值，能够克服差分参考站对卫星定位精度的距离限制的问题，并结合惯性导航系统，获得高精度、高更新率的列车位置信息，从而有较高的灵活性和更低的建设维护成本。

Description

基于精密单点定位的列车组合导航方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于精密单点定位的列车组合导航方法。

背景技术

在全球卫星导航系统与惯性导航系统(GNSS/INS)组合导航系统中，考虑到GNSS观测误差(星历误差、钟差误差等)的影响，因此，多数GNSS/INS组合系统一般采用差分全球定位系统(Differential Global Navigation Satellite System，DGNSS)与INS进行组合来提供较高的导航定位精度。但受到卫星定位参考站距离及观测成本的限制，特别是在一些无法架设基准站的区域，会使得DGNSS/INS组合受到许多限制，从而降低定位精度。

精密单点定位技术是利用已知的精密卫星轨道与精密卫星钟差，综合考虑各项误差的精确模型改正，利用非差载波相位观测值实现单机精密绝对定位的方法。根据国际地球动力学服务机构提供的精密星历数据、精密卫星钟差数据和单台双频GPS接收机采集的数据进行精密单点定位,能够实现全球范围的静态毫米级到厘米级、动态厘米级到分米级的绝对定位。和差分定位方式相比，精密单点定位技术只使用单台卫星接收机的双频相位和伪距观测值，具有较高的灵活性和更低的成本。近年来，精密单点定位技术得到了迅速发展，在地壳形变监测、低轨卫星定轨、精密测距授时等领域也得到了广泛应用。

随着GNSS接收机性能不断改善，载波相位不断提高，以及大气改正模型和改正方法研究不断深入，精密单点定位技术应用在GNSS/INS列车组合定位上得到了可能性，从而提高列车组合定位系统的导航性能，获得高精度、高更新率的列车位置信息。

目前，现有技术中还没有针对基于精密单点定位的列车组合导航方法进行深入研究。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于精密单点定位的列车组合导航方法，采用GNSS精密单点定位和INS的列车组合导航，不仅能提供高精度的列车定位信息，而且能提高定位的连续性，改善短时精度。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于精密单点定位的列车组合导航方法，包括：

获取卫星的原始观测数据，以及卫星轨道和卫星钟差的最终产品；

根据所述原始观测数据、卫星轨道和卫星钟差的最终产品利用基于精密单点定位方法解算出列车的位置坐标；

根据所述列车的位置坐标利用卫星/惯性系统对列车进行组合导航定位。

进一步地，所述的获取卫星的原始观测数据，以及卫星轨道和卫星钟差的最终产品，包括：

在列车运行过程中，通过卫星接收机实时记录卫星的原始观测数据，该原始观测数据包括卫星的伪距、载波相位和信号强度；

获取IGS数据处理中心发布的上一周的卫星轨道和卫星钟差的最终产品。

进一步地，所述的根据所述原始观测数据、卫星轨道和卫星钟差的最终产品利用基于精密单点定位方法解算出列车的位置坐标，包括：

根据所述原始观测数据、卫星轨道和卫星钟差的最终产品，建立在列车运行过程中的卫星信号的基本观测方程如下公式1所示：

其中：φⁱ表示卫星i的载波相位观测值，ρⁱ表示卫星i到列车接收机的几何距离，dsⁱ表示卫星i的轨道误差，

表示列车实际运行过程中电离层延迟，

表示列车实际运行过程中对流层延迟，c表示光速，dT表示接收机的时钟误差，dt表示卫星i的时钟误差，Nⁱ表示卫星_i的模糊度，λ表示载波相位的波长，

表示残差；

在以上公式1所示的观测方程基础上，根据单台接收机的双频信号，消除电离层误差，则观测方程如下公式2所示：

其中：f₁表示L1载波相位的频率，f₂表示L2载波相位的频率，

表示对应于卫星i已消除电离层延迟的模糊度；

建立基于精密单点定位技术的列车动态系统状态向量如下公式3所示：

其中：[X Y Z]表示每历元精密单点定位计算的列车位置，[V_x V_y V_z]表示每历元精密单点定位计算的列车速度，[a_x a_y a_z]表示每历元精密单点定位计算的列车加速度，

表示列车动态行驶过程中能观测到的卫星对应的模糊度信息，Δd_wet表示对流层延迟中的天顶湿延迟估计。

进一步地，所述的根据所述列车的位置坐标利用卫星/惯性系统对列车进行组合导航定位，包括：

根据所述每历元精密单点定位计算的列车位置[X Y Z]对卫星/惯性系统中的惯性器件加速度计和陀螺仪的误差进行修正；

建立的卫星/惯性系统的状态向量如下公式4所示：

X＝[δψ δP_n δV_n δb_g δb_a] 公式4

其中：δψ表示列车姿态误差，δP_n表示列车的位置误差，δV_n表示列车的速度误差，δb_g表示陀螺仪测量的角速度误差，δb_a表示加速度计测量的加速度误差；

建立的卫星/惯性系统的测量矩阵如下公式5所示：

H＝[0_3×3 I_3×3 0_3×3 0_3×3 0_3×3] 公式5

卫星/惯性系统的测量值Z_PPP-GNSS如下公式6所示：

Z_PPP-GNSS＝[P_INS-P_PPP-GNSS] 公式6

其中：P_INS表示惯性导航系统递推的位置，P_GNSS表示精密单点定位计算获取的列车车头位置信息；

建立的基于精密单点定位的卫星的测量噪声协方差如下公式7所示：

R_GNSS＝diag((0.5)² (0.5)² (1)²) 公式7。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过首先由列车卫星接收机记录卫星原始观测数据文件，之后根据IGS数据处理中心计算发布的高精度卫星轨道和卫星钟差产品，对列车运行的位置坐标进行解算，并同时计算出整周模糊度和接收机钟差等改正参数。然后结合惯性导航系统测量的高更新率的列车三维姿态信息，不仅能提供高精度的列车定位信息，而且能提高定位的连续性，改善短时精度。该方法使用单台卫星接收机的双频相位、伪距观测值，能够克服差分参考站对卫星定位精度的距离限制的问题，并结合惯性导航系统，获得高精度、高更新率的列车位置信息，从而有较高的灵活性和更低的建设维护成本。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于精密单点定位的列车组合导航方法的处理流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种基于精密单点定位的列车组合导航方法，该方法的具体处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤1：卫星接收机采集卫星的原始观测数据，以及从IGS获取高精度的卫星轨道和卫星钟差的最终产品。

在列车运行过程中，卫星接收机会实时记录卫星的原始观测数据，该原始观测数据包括卫星的伪距、载波相位和信号强度等，用于后续方案验证。而IGS数据处理中心能计算发布卫星轨道和卫星钟差的快速、超快速的最终产品，其中最终产品的精度最高，但由于IGS在每周五才会发布上一周的卫星轨道和卫星钟差的最终产品，所以采用最终产品计算的列车位置信息是一种后处理方式。只有采集到列车运行途中的原始观测数据，以及获取IGS发布的卫星轨道和卫星钟差的最终产品，后续才可以完成列车动态的精密单点定位解算。

步骤2：基于精密单点定位技术解算列车的动态位置；

由于精密单点定位采用的是非差观测值，所以需要考虑所有卫星导航系统存在的误差项，该误差项包括与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收机有关的误差等。

根据以上所述的误差项，建立如下的卫星信号的基本观测方程：

其中：φⁱ表示卫星i的载波相位观测值，ρⁱ表示卫星i到列车接收机的几何距离，dsⁱ表示卫星i的轨道误差，表示列车实际运行过程中电离层延迟，

表示列车实际运行过程中对流层延迟，c表示光速，dT表示接收机的时钟误差，dt表示卫星i的时钟误差，Nⁱ表示卫星i的模糊度，λ表示载波相位的波长，表示残差。

在以上观测方程基础上，根据单台接收机的双频信号，可以消除电离层误差，则观测方程可以改写为：

其中：f₁表示L1载波相位的频率，f₂表示L2载波相位的频率，

表示对应于卫星i已消除电离层延迟的模糊度。

根据列车运行系统对列车的位置精度要求，以及计算的简易程度，这里不对精密单点定位的模糊度进行固定，而采用模糊度估计的方法进行计算，则基于精密单点定位技术的列车动态系统状态向量如下所示：

其中：[X Y Z]表示每历元精密单点定位计算的列车位置，[V_x V_y V_z]表示每历元精密单点定位计算的列车速度，[a_x a_y a_z]表示每历元精密单点定位计算的列车加速度，

表示列车动态行驶过程中能观测到的卫星对应的模糊度信息，Δd_wet表示对流层延迟中的天顶湿延迟估计。

在步骤1中已经得到动态列车卫星原始观测数据信息和IGS提供的最终卫星轨道和钟差信息，通过求解上述列车动态系统状态向量X_k可以完成基于精密单点定位技术的列车动态位置解算。

步骤3：基于精密单点定位的卫星/惯性系统列车组合导航定位方法。

基于精密单点定位技术的列车动态位置获取频率和卫星接收机得到的历元时刻有关，根据列车的运行时速，为了获取更高频率的列车位置信息，可以组合惯性导航系统共同进行列车的位置解算，并提供列车的姿态和加速度信息，然而，低成本的惯性导航系统惯性器件的误差会随时间迅速增大，使得系统的输出信息不可靠，所以需要根据每历元基于精密单点定位技术获取得到的列车位置信息对惯性器件(加速度计和陀螺仪)的误差进行修正。

卫星系统的状态向量由十五维组成，包括姿态误差(横滚、俯仰和偏航角误差)，位置误差(纬度，经度和高度误差)，三维的速度误差、陀螺仪误差以及加速度计误差。

建立的卫星/惯性系统的状态向量如下公式4所示：

X＝[δψ δP_n δV_n δb_g δb_a] 公式4

其中：δψ表示列车姿态误差，δP_n表示列车的位置误差，δV_n表示列车的速度误差，δb_g表示陀螺仪测量的角速度误差，δb_a表示加速度计测量的加速度误差。

在满足精密单点定位要求的情况下，利用精密单点定位提供的列车位置信息来修正加速度计和陀螺仪系统的误差，卫星/惯性系统的测量矩阵为：

H＝[0_3×3 I_3×3 0_3×3 0_3×3 0_3×3] 公式5

H矩阵有X和Z共同确定。由于Z的量测是位置信息，因此，H中对应X的位置子矩阵为I，其余为0。

在基于精密单点定位技术的卫星/惯性导航组合系统中，系统需要比较卫星获取的列车位置信息和来自惯性导航系统递推的改历元时刻的列车位置信息，那么系统的测量值Z_PPP-GNSS表示为：

Z_PPP-GNSS＝[P_INS-P_PPP-GNSS] 公式6

其中：P_INS表示惯导系统递推的位置，P_GNSS表示精密单点定位技术计算获取的列车车头位置信息。

由于步骤2基于精密单点定位技术的列车动态位置解算误差在北向和东向为分米级，在垂直方向的误差为米级，系统的量测噪声协方差阵由采用的量测信息误差确定，所以基于精密单点定位的卫星的测量噪声协方差可以写为：

R_GNSS＝diag((0.5)² (0.5)² (1)²)。 公式7

根据上述各模型并通过本发明方法可以得出以下实验结果：

在列车运行途中，实时记录列车卫星接收机获得的卫星的原始观测信息和惯性导航系统获得的加速度和角速度测量数据，在IGS发布最终卫星轨道和卫星钟差产品之后，可以通过基于精密单点定位的卫星/惯性系统组合导航方法计算得到列车整段线路的位置信息，具有定位精度高、数据更新率高的特点。

本发明方法适用于铁路系统中的高精度列车运行定位系统，对列车动态运行的位置进行后处理研究。对于复杂条件下的交通，可以通过修改优化算法来实现。

综上所述，本发明实施例通过首先采集列车卫星接收机的原始观测数据文件，之后根据IGS数据处理中心计算发布的高精度卫星轨道和卫星钟差产品，对列车位置坐标进行解算，并同时计算出整周模糊度和接收机钟差等改正参数。然后结合惯性导航系统测量的高更新率的列车三维姿态信息，不仅能提供高精度的列车定位信息，而且能提高定位的连续性，改善系统短时精度。该方法采用单台卫星接收机的双频相位和伪距观测值，能够克服差分参考站对卫星定位精度的距离限制的问题，并结合惯性导航系统，获得高精度、高更新率的列车位置信息，从而有较高的灵活性和更低的建设维护成本。

本发明实施例提供了一种基于精密单点定位技术的列车组合定位方法，通过列车运行过程中对卫星原始数据和惯性导航系统测量数据的采集，并对IGS提供的最终卫星产品进行数据处理分析，由基于精密单点定位的卫星/惯性导航组合系统计算获得列车在线路上运行的动态位置，适用于后续列车运行轨迹分析研究，具有定位精度和更新率高的特点。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于精密单点定位的列车组合导航方法，其特征在于，包括：

获取卫星的原始观测数据，以及卫星轨道和卫星钟差的最终产品；

根据所述原始观测数据、卫星轨道和卫星钟差的最终产品利用基于精密单点定位方法解算出列车的位置坐标，包括：根据所述原始观测数据、卫星轨道和卫星钟差的最终产品，建立在列车运行过程中的卫星信号的基本观测方程如下公式1所示：

其中：φⁱ表示卫星i的载波相位观测值，ρⁱ表示卫星i到列车接收机的几何距离，dsⁱ表示卫星i的轨道误差，

表示列车实际运行过程中电离层延迟，

表示列车实际运行过程中对流层延迟，c表示光速，dT表示接收机的时钟误差，dt表示卫星i的时钟误差，Nⁱ表示卫星i的模糊度，λ表示载波相位的波长，

表示残差；

在以上公式1所示的观测方程基础上，根据单台接收机的双频信号，消除电离层误差，则观测方程如下公式2所示：

其中：f₁表示L1载波相位的频率，f₂表示L2载波相位的频率，表示对应于卫星i已消除电离层延迟的模糊度；

建立基于精密单点定位技术的列车动态系统状态向量如下公式3所示：

其中：[X Y Z]表示每历元精密单点定位计算的列车位置，[V_x V_y V_z]表示每历元精密单点定位计算的列车速度，[a_x a_y a_z]表示每历元精密单点定位计算的列车加速度，

表示列车动态行驶过程中能观测到的卫星对应的模糊度信息，Δd_wet表示对流层延迟中的天顶湿延迟估计；

根据所述列车的位置坐标利用卫星/惯性系统对列车进行组合导航定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的获取卫星的原始观测数据，以及卫星轨道和卫星钟差的最终产品，包括：

在列车运行过程中，通过卫星接收机实时记录卫星的原始观测数据，该原始观测数据包括卫星的伪距、载波相位和信号强度；

获取IGS数据处理中心发布的上一周的卫星轨道和卫星钟差的最终产品。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的根据所述列车的位置坐标利用卫星/惯性系统对列车进行组合导航定位，包括：

根据所述每历元精密单点定位计算的列车位置[X Y Z]对卫星/惯性系统中的惯性器件加速度计和陀螺仪的误差进行修正；

建立的卫星/惯性系统的状态向量如下公式4所示：

X＝[δψ δP_n δV_n δb_g δb_a] 公式4

其中：δψ表示列车姿态误差，δP_n表示列车的位置误差，δV_n表示列车的速度误差，δb_g表示陀螺仪测量的角速度误差，δb_a表示加速度计测量的加速度误差；

建立的卫星/惯性系统的测量矩阵如下公式5所示：

H＝[0_3×3 I_3×3 0_3×3 0_3×3 0_3×3]公式5

卫星/惯性系统的测量值Z_PPP-GNSS如下公式6所示：

Z_PPP-GNSS＝[P_INS-P_PPP-GNSS]公式6

其中：P_INS表示惯性导航系统递推的位置，P_GNSS表示精密单点定位计算获取的列车车头位置信息；

建立的基于精密单点定位的卫星的测量噪声协方差如下公式7所示：

R_GNSS＝diag((0.5)² (0.5)² (1)²)公式7。

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