CN108345018A - 一种自适应卫星导航多模式相对定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自适应卫星导航多模式相对定位方法，按照距离段将相对定位分为伪距差分、载波相位平滑码伪距差分和载波相位差分模式。根据三种定位模式自身的精度水平以及不同引导阶段的距离要求，将伪距差分定位模式作用距离划分为40km～20km，载波相位平滑码伪距差分定位模式作用距离划分为20～5km，载波相位差分定位模式作用距离划分为5～0km，在切换时对两种不同模式的定位结果进行平滑滤波处理，保证定位结果的稳定性。本发明不但减轻了算法运算压力，而且能够提升整个引导过程中相对定位结果的稳定性，具有较高的工程应用价值。

Description

一种自适应卫星导航多模式相对定位方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，是卫星导航相对定位系统中一种自适应多模式相对定位方法。

背景技术

卫星导航相对定位系统是一种基于卫星导航差分相对定位技术原理的系统，可用于精密着舰、飞船交会对接、空中自主加油等应用中，能够为这些应用提供用以引导的相对位置信息。

卫星导航相对定位系统按照技术分类可分为伪距差分、载波相位平滑伪距差分、载波相位差分技术。在三种相对定位技术中，伪距差分简单可靠，无需载波相位测量信息，不需求解整周模糊度，不受周跳的影响，精度稍低；载波相位平滑伪距差分不需求解整周模糊度，但是受周跳的影响，精度中等；载波相位差分需求解整周模糊度，运算复杂，其求解不稳定易受周跳的影响，但精度最高。

对于精密着舰、飞船交会对接、空中自主加油等应用，引导过程中的不同距离段对相对定位精度有着不同的要求，距离越近精度要求越高。因此，如果在引导全过程中选择伪距差分模式进行相对引导，由于其相对定位精度不高，在引导最后阶段不能够满足相对引导要求；如果选择载波相位差分模式进行相对引导，虽然相对定位精度最高，但增加了运算复杂性且全过程中定位求解不稳定。

目前，针对精密着舰、飞船交会对接、空中自主加油等应用所提出的相对定位精度指标仅为最后引导阶段的最高精度指标要求，对于从远距离引导到近距离的引导全过程中使用的定位模式没有统一的要求。因此，需要在满足相对定位精度要求的同时，根据距离远近合理选择相对定位模式。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自适应卫星导航多模式相对定位方法，根据引导距离的远近合理的选择相对定位方式，能够在满足相对定位精度要求的条件下，有效提升定位稳定性，减轻算法运算压力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一，进行伪距差分相对定位，将基准站的伪距观测信息发给移动站，然后建立双差伪距观测方程，通过最小二乘求得基准站与移动站的基线矢量；

步骤二，伪距差分与载波相位平滑伪距差分相对定位间切换，在模式切换前进行设定时长的滤波处理，在切换过程中以滤波处理后的定位结果作为相对定位结果值；

步骤三，进行载波平滑码伪距差分相对定位，依据前一时刻伪距双差平滑值，以及前一时刻和当前时刻的载波相位双差值，预估当前时刻伪距双差值；然后，由当前时刻伪距双差观测值和预估值，计算得到当前时刻伪距双差平滑值；最后，利用当前时刻伪距双差平滑值求解当前时刻动态站位置；

步骤四，载波平滑码伪距差分与载波相位差分相对定位间切换，在模式切换前进行设定时长的滤波处理，在切换过程中以滤波处理后的定位结果作为相对定位结果值；

步骤五，进行载波相位差分相对定位，基准站测量所有可见卫星的载波相位，并通过通信数据链实时将观测的载波相位发送给移动站；移动站同时测量可见卫星的载波相位，选定某一颗卫星作为参考卫星，并对同一颗卫星、相同观测历元的载波相位观测值进行站间星间求差，得到载波相位双差观测值；利用载波相位双差观测方程求得精密相对定位结果。

本发明的有益效果是：根据引导距离的远近选择差分定位方式，在为整个引导过程提供连续、满足精度要求的相对定位信息的同时，不但减轻了算法运算压力，而且能够提升整个引导过程中相对定位结果的稳定性，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1是自适应卫星导航多模式相对定位方法总体框图；

图2是载波相位平滑伪距差分相对定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的自适应卫星导航多模式相对定位方法按照距离段将相对定位分为伪距差分、载波相位平滑码伪距差分和载波相位差分模式。根据三种定位模式自身的精度水平以及不同引导阶段的距离要求，将伪距差分定位模式作用距离划分为40km～20km，载波相位平滑码伪距差分定位模式作用距离划分为20～5km，载波相位差分定位模式作用距离划分为5～0km，总体框图如图1所示。

由于精密着舰、飞船交会对接、空中自主加油等应用的引导都是由远至近的过程，因此自适应卫星导航多模式相对定位方法在应用过程中首先进入伪距差分模式，其次进入载波相位平滑伪距差分模式，最后进入载波相位差分模式。同时由于三种相对定位模式定位精度差别较大，其中伪距差分相对定位精度为米量级，载波相位平滑伪距差分相对定位精度为亚米量级，载波相位差分相对定位精度为厘米量级。为保证在不同模式切换时相对定位结果不发生大的跳变，须在切换时对两种不同模式的定位结果进行平滑滤波处理，保证定位结果的稳定性。自适应卫星导航多模式相对定位方法共分为5个步骤，分别为步骤1、伪距差分相对定位；步骤2、伪距差分与载波平滑码伪距差分相对定位间切换；步骤3、载波平滑码伪距差分相对定位；步骤4、载波平滑码伪距差分与载波相位差分相对定位间切换；步骤5、载波相位差分相对定位。

本发明是一种根据引导距离的远近合理的选择相对定位方式的自适应卫星导航多模式相对定位方法，具体步骤如下。

步骤一：伪距差分相对定位

将移动基准站的伪距观测信息发给移动站，然后建立双差伪距观测方程，通过最小二乘可求得基准站与移动站的基线矢量。伪距双差定位时需要基准站的单点定位坐标以及卫星坐标，必须先进行伪距单点定位。伪距单点定位模型为：

其中上标j为卫星编号；下标1为观测站编号；为观测站1至j卫星的伪距测量值；为j卫星的位置矢量，已知；为测站1的位置矢量，未知；c为真空中的光速；δt₁为观观测站1的钟差，未知；δt^j为j卫星钟差，已知；为电离层延迟误差；为对流层延迟误差；为测量误差。

观测n(n≥4)颗卫星可列n个观测方程，采用高斯-牛顿迭代最小二乘方法求得观测站的位置。

然后根据观测站的位置及卫星坐标，可建立伪距双差观测方程。移动基准站1跟踪参考星的编号为k，同时移动站2也跟踪到这颗卫星，在40Km基线内，双差处理后可以认为电离层延迟误差、对流层延迟误差和星历误差消除或削弱得很充分，伪距双差观测方程如下：

其中，为观测站1号、2号的j卫星和i卫星双差伪距观测信息，为伪距测量误差，其他符号同上。

将移动基准站1的伪距单点定位结果作为已知值，移动站2伪距单点定位结果作为初始值线性式，有

式中，Y_ρ为双差伪距与计算值的差值，dX为基线改正矢量；r₁₂₀为基线矢量初值；A为线性化的双差几何矩阵。

观测n颗卫星，可列(n-1)个伪距双差观测方程，根据最小二乘，可得基线矢量改正数为dX＝(A^TA)^-1A^TY，则伪距差分基线矢量为r₁₂＝r₁₂₀+dX。

步骤二：伪距差分与载波平滑码伪距差分相对定位间切换

由于伪距差分模式与载波平滑码伪距差分模式定位精度差别较大，直接由伪距差分模式切换至载波平滑码伪距模式会造成相对定位结果较大的跳变。因此在模式切换前进行一段时间的滤波处理，在切换过程中以滤波处理后的定位结果作为相对定位结果值。根据模式作用距离划分当步骤一r₁₂基线距离达到25km开始启动滤波处理，滤波处理计算公式如下：

式中，K(k)称为衰减记忆滤波增益因子；为本时刻平滑位置，为上一时刻的平滑位置；P_dρ(t_k)为当前时刻伪距差分定位结果；δP(t_k-1,t_k)为前后时刻载波平滑码伪距差分相对定位结果P_dcρ(t_k-1)、P_dcρ(t_k)的变化值。k为平滑的历元个数，初值取0。

步骤三：载波平滑码伪距差分相对定位

当载波跟踪连续，且前后历元移动基准站位置变化不大时，载波相位测量能给出两个测量历元之间精度很高的伪距变化量。可以用此伪距变化量来修正当前历元的伪距观测量，得到更加准确的当前历元的伪距观测量。站间星间伪距双差、载波相位双差可以很好地消除或削弱星历误差、卫星钟差、接收机钟差的影响。由于载波相位的测量噪声比伪距测量噪声小，同时，多路径效应对载波相位的影响要小于对伪距的影响，因此，载波相位差分平滑伪距差分相对定位方法有效地消除了多径效应和测量噪声对伪距的影响，提高了导航精度。

载波相位差分平滑伪距差分相对定位算法如图2所示。依据前一时刻伪距双差平滑值，以及前一时刻和当前时刻载波相位双差值，预估当前时刻伪距双差值。然后，由当前时刻伪距双差观测值和预估值，计算得到当前时刻伪距双差平滑值。最后，利用当前时刻伪距双差平滑值求解当前时刻动态站位置。平滑伪距计算公式如下：

式中，K(k)称为衰减记忆滤波增益因子；为上一时刻的平滑双差伪距；为当前时刻双差伪距；δφ(t_k-1,t_k)为前后时刻载波相位双差的变化；k为平滑的历元个数，初值取0。

步骤四：载波平滑码伪距差分与载波相位差分相对定位间切换

载波平滑码伪距差分模式与载波相位差分模式定位精度差别较大，直接由载波平滑码伪距差分模式切换至载波相位差分模式会造成相对定位结果较大的跳边。因此在模式切换前进行一段时间的滤波处理，在切换过程中以滤波处理后的定位结果作为相对定位结果值。根据模式作用距离划分当步骤三基线距离达到10km开始启动滤波处理，滤波处理计算公式如下：

式中，K(k)称为衰减记忆滤波增益因子；为本时刻平滑位置，为上一时刻的平滑位置；P_dcρ(t_k)为当前时刻载波平滑码伪距差分定位结果；δP(t_k-1,t_k)为前后时刻载波相位差分相对定位结果的变化值。k为平滑的历元个数，初值取0。

步骤五：载波相位差分相对定位

将移动基准站测量所有可见卫星的载波相位，并通过通信数据链实时将观测的载波相位发送给移动站。移动站同时测量可见卫星的载波相位，选定某一颗卫星作为参考卫星，并对同一颗卫星、相同观测历元的载波相位观测值进行站间星间求差，得到载波相位双差观测值。在实时正确得到整周模糊度的前提下，利用载波相位双差观测方程即可求得精密相对定位结果。载波相位双差观测方程如下：

其中，为移动基准站1，移动站2号的j卫星和i卫星双差载波相位观测信息，为载波噪声误差，其他符号同步骤一中定义。将移动基准站1的伪距单点定位结果作为已知值，移动站2伪距单点定位结果作为初始值线性式，有

式中，Y_φ为双差载波相位与计算值的差值，dX为基线改正矢量；r₁₂₀为基线矢量初值；A为线性化的双差几何矩阵。

观测n颗卫星，可列(n-1)个载波相位双差观测方程，根据最小二乘，可得基线矢量改正数为dX＝(A^TA)^-1A^TY，则载波相位差分基线矢量为r₁₂＝r₁₂₀+dX。

Claims (1)

1.一种自适应卫星导航多模式相对定位方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一，进行伪距差分相对定位，将基准站的伪距观测信息发给移动站，然后建立双差伪距观测方程，通过最小二乘求得基准站与移动站的基线矢量；

步骤二，伪距差分与载波相位平滑伪距差分相对定位间切换，在模式切换前进行设定时长的滤波处理，在切换过程中以滤波处理后的定位结果作为相对定位结果值；

步骤三，进行载波平滑码伪距差分相对定位，依据前一时刻伪距双差平滑值，以及前一时刻和当前时刻的载波相位双差值，预估当前时刻伪距双差值；然后，由当前时刻伪距双差观测值和预估值，计算得到当前时刻伪距双差平滑值；最后，利用当前时刻伪距双差平滑值求解当前时刻动态站位置；

步骤四，载波平滑码伪距差分与载波相位差分相对定位间切换，在模式切换前进行设定时长的滤波处理，在切换过程中以滤波处理后的定位结果作为相对定位结果值；

步骤五，进行载波相位差分相对定位，基准站测量所有可见卫星的载波相位，并通过通信数据链实时将观测的载波相位发送给移动站；移动站同时测量可见卫星的载波相位，选定某一颗卫星作为参考卫星，并对同一颗卫星、相同观测历元的载波相位观测值进行站间星间求差，得到载波相位双差观测值；利用载波相位双差观测方程求得精密相对定位结果。