CN108459334A - 一种顾及系统间偏差的gps/bds双系统单钟差定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，首先，在卫星数足够时利用传统算法对GPS与BDS分别估计一个接收机钟差参数，然后，利用接收机钟差参数计算GPS/BDS系统间偏差信息，当卫星数过少时，将已获得的系统间偏差信息作为已知量，从而只估计一个钟差参数。本发明充分利用系统间偏差的时域稳定性，减少待估参数，提高数学模型强度，可以有效间减少现有导航设备在遮挡环境下因过度参数化而导致的定位结果不可靠的现象，并且能够减少计算量，减少功耗，提高定位精度与可靠性。

Description

一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法

技术领域

本发明涉及一种多系统融合导航定位技术，尤其涉及适用于遮挡环境的一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，属于GNSS定位与导航技术领域。

背景技术

随着GNSS(Global Navigation Satellite System)的完善与发展，多系统定位能够有效提高定位的精度与可靠性。但是，在多系统定位中，因各系统接收机端硬件延迟偏差不一致且难以分离，使得即使采用同一个接收机时钟，也需要对每个系统单独考虑接收机钟差项(本文称之为传统单点定位算法)，以吸收接收机端硬件延迟的影响，这使得在遮挡环境下即使采用多系统定位也存在因卫星数过少而参数过多导致定位结果不可靠的问题。

目前，GNSS位置服务已渗入到国民生活的方方面面，且民众对GNSS位置服务的需求日益增加，但是，目前的导航设备在利用多系统进行定位时，依然采用传统单点定位算法，这就导致在遮挡环境下因过度参数化而使得定位结果不可靠。

很多学者对接收机端硬件延迟及系统间偏差进行了研究，研究结果表明接收机端GPS硬件延迟与BDS硬件延迟及二者之间的偏差具有短期时域稳定特性，利用这种时域稳定特性，有望减少多系统定位中的钟差参数，提高遮挡环境下多系统定位的可靠性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位算法，在卫星数足够时利用传统单点定位算法估计三维位置参数及GPS与BDS各自的接收机钟差，计算系统间偏差，利用系统间偏差的时域稳定特性，在卫星数过少时，将已获得的系统间偏差作为已知信息，从而减少接收机钟差参数，提高数学模型强度，提高定位可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，包括以下步骤：

步骤1，进行标准单点定位并估计各系统含有接收机硬件延迟的接收机钟差参数，计算系统间偏差；

步骤2，将当前卫星数与设定阈值进行比较，若当前卫星数大于等于设定阈值则重复步骤1，输出定位结果并利用新计算得到的系统间偏差对前次计算得到的系统间偏差进行更新；否则将前次计算得到的系统间偏差作为已知量，利用单钟差定位算法进行定位，并输出定位结果。

作为本发明的进一步技术方案，步骤1具体为：

步骤11，假设接收机接收到GPS卫星与BDS卫星的观测信号，则GPS系统与BDS系统的伪距观测方程分别表示为：

P^G＝ρ^G+T^G+I^G+dt_r,G-dt^G+hd^G+ε^G

P^C＝ρ^C+T^C+I^C+dt_r,C-dt^C+hd^C+ε^C

其中，P^G表示GPS卫星的伪距观测值，ρ^G表示接收机到GPS卫星的站星距，T^G表示GPS卫星的对流层延迟，I^G表示GPS卫星的电离层延迟，dt_r,G表示吸收了接收机端GPS伪距硬件延迟的GPS接收机钟差，dt^G表示GPS卫星钟差，hd^G表示卫星端GPS伪距硬件延迟，ε^G表示GPS卫星观测噪声；P^C表示BDS卫星的伪距观测值，ρ^C表示接收机到BDS卫星的站星距，T^C表示BDS卫星的对流层延迟，I^C表示BDS卫星的电离层延迟，dt_r,C表示吸收了接收机端BDS伪距硬件延迟的BDS接收机钟差，dt^C表示BDS卫星钟差，hd^C表示卫星端BDS伪距硬件延迟，ε^C表示BDS卫星观测噪声；

根据GPS系统与BDS系统的伪距观测方程，估计出接收机三维坐标及吸收了接收机端GPS伪距硬件延迟的GPS接收机钟差与吸收了接收机端BDS伪距硬件延迟的BDS接收机钟差；

步骤12，计算系统间偏差：

ISB_G,C＝dt_r,C-dt_r,G

其中，ISB_G,C表示GPS与BDS系统间偏差。

作为本发明的进一步技术方案，所述步骤2中利用单钟差定位算法进行定位，包括以下步骤：

步骤21，建立单钟差定位模型：

P^G＝ρ^G+T^G+I^G+dt_r,G-dt^G+hd^G+ε^G

P^C＝ρ^C+T^C+I^C+dt_r,G+ISB_G,C-dt^C+hd^C+ε^C

步骤22，根据步骤21建立的单钟差定位模型，组成误差方程组，估计接收机坐标，具体为：

设共观测m颗GPS卫星与n颗BDS卫星，则待估参数向量设计矩阵观测向量分别表示为：

根据最小二乘间接平差原理得：

其中：表示观测值权矩阵，x,y,z分别为接收机近似坐标X⁰,Y⁰,Z⁰的改正量；i＝1,2…m，l^G,i,q^G,i,t^G,i均表示第i颗GPS卫星的余弦分量，f^G,i表示第i颗GPS卫星的观测信息，P^G,i表示第i颗GPS卫星的伪距观测值，表示利用接收机近似坐标获得的第i颗GPS卫星的近似站星距，T^G,i表示第i颗GPS卫星的对流层延迟，I^G,i表示第i颗GPS卫星的电离层延迟，dt^G,i表示第i颗GPS卫星的钟差，hd^G,i表示第i颗GPS卫星端的伪距硬件延迟；j＝1,2…n，l^C,j,q^C,j,t^C,j均表示第j颗BDS卫星的余弦分量，f^C,j表示第j颗BDS卫星的观测信息，P^C,j表示第j颗BDS卫星的伪距观测值，表示利用接收机近似坐标获得的第j颗BDS卫星的近似站星距，T^C,j表示第j颗BDS卫星的对流层延迟，I^C,j表示第j颗BDS卫星的电离层延迟，dt^C,j表示第j颗BDS卫星的钟差，hd^C,j表示第j颗BDS卫星端的伪距硬件延迟；

接收机位置参数估值为：

其中，代表接收机位置参数估值。至此，已通过单钟差定位算法获得接收机三维坐标估值。

作为本发明的进一步技术方案，dt_r,G＝dt_r+hd_r,G，dt_r表示接收机钟差，hd_r,G表示接收机端GPS伪距硬件延迟。

作为本发明的进一步技术方案，dt_r,C＝dt_r+hd_r,C，dt_r表示接收机钟差，hd_r,C表示接收机端BDS伪距硬件延迟。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明相比于现有技术，可以减少待估参数，提高数学模型强度，可在遮挡环境下提高定位可靠性，在多系统定位中效果更为明显；

(2)本发明相比于现有技术，可以减少待估参数，降低矩阵求逆维数，减少计算量，减少功耗。

附图说明

图1是本发明一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位算法的实施流程图。

图2是Trimble NetR9接收机和UBLOX M8T接收机的系统间偏差的时域变化图，其中，a表示Trimble NetR9系统间偏差时域变化图，c表示Trimble NetR9系统间偏差历元间差分时域变化图；b表示UBLOX M8T系统间偏差时域变化图，d表示UBLOX M8T系统间偏差历元间差分时域变化图。

图3是Trimble NetR9接收机分别利用传统单点定位算法与单钟差定位算法在不同截止高度角下的定位偏差对比图，其中，a、d和g分别表示利用传统单点定位算法在截止高度角10°、30°和50°下的定位偏差图，b、e和h分别表示利用单钟差定位算法在截止高度角10°、30°和50°下的定位偏差图，c、f和i分别表示在截止高度角10°、30°和50°下的卫星数。

图4是UBLOX M8T接收机分别利用传统单点定位算法与单钟差定位算法在不同截止高度角下的定位偏差对比图，其中，a、d和g分别表示利用传统单点定位算法在截止高度角10°、30°和50°下的定位偏差图，b、e和h分别表示利用单钟差定位算法在截止高度角10°、30°和50°下的定位偏差图，c、f和i分别表示在截止高度角10°、30°和50°下的卫星数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些说明仅用于阐述本发明而不限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，对本发明的等价形式及扩展形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，如图1所示包括以下步骤：

步骤1，利用传统算法进行标准单点定位并估计各系统含有接收机硬件延迟的接收机钟差参数，计算系统间偏差；

步骤2，将当前卫星数与设定阈值进行比较，若当前卫星数大于等于设定阈值则重复步骤1，输出定位结果并利用新计算得到的系统间偏差对前次计算得到的系统间偏差进行更新；否则将前次计算得到的系统间偏差作为已知量，利用单钟差定位算法进行定位，并输出定位结果。

所述步骤1中，系统间偏差计算包括以下步骤：

步骤11，利用传统算法估计各系统含有接收机硬件延迟的接收机钟差参数，假设接收机接收到GPS卫星与BDS卫星的观测信号，则GPS系统与BDS系统伪距观测方程分别表示为：

P^G＝ρ^G+T^G+I^G+dt_r+hd_r,G-dt^G+hd^G+ε^G (1)

P^C＝ρ^C+T^C+I^C+dt_r+hd_r,C-dt^C+hd^C+ε^C (2)

其中，P^G表示GPS卫星的伪距观测值；ρ^G表示接收机到GPS卫星的站星距；T^G表示GPS卫星的对流层延迟；I^G表示GPS卫星的电离层延迟；dt_r表示接收机钟差，hd_r,G表示接收机端GPS伪距硬件延迟；dt^G表示卫星端GPS卫星钟差；hd^G表示卫星端GPS伪距硬件延迟；ε^G表示GPS卫星观测噪声。P^C表示BDS卫星的伪距观测值；ρ^C表示接收机到BDS卫星的站星距；T^C表示BDS卫星的对流层延迟；I^C表示BDS卫星的电离层延迟；hd_r,C表示接收机端BDS伪距硬件延迟；dt^C表示BDS卫星钟差；hd^C表示卫星端BDS伪距硬件延迟；ε^C表示BDS卫星观测噪声。

因接收机钟差与硬件延迟线性相关，难以分离，则对式(1)与式(2)进行变形如式(3)与式(4)所示：

P^G＝ρ^G+T^G+I^G+dt_r,G-dt^G+hd^G+ε^G (3)

P^C＝ρ^C+T^C+I^C+dt_r,C-dt^C+hd^C+ε^C (4)

其中，dt_r,G＝dt_r+hd_r,G表示吸收了接收机端GPS伪距硬件延迟的GPS接收机钟差；dt_r,C＝dt_r+hd_r,C表示吸收了接收机端BDS伪距硬件延迟的BDS接收机钟差。

至此，根据式(3)与式(4)采用传统单点定位算法组成误差方程组即可估计出接收机三维坐标及吸收了接收机端GPS伪距硬件延迟的GPS接收机钟差与吸收了接收机端BDS伪距硬件延迟的BDS接收机钟差。

步骤12，使用步骤11所得吸收了接收机端GPS伪距硬件延迟的GPS接收机钟差与吸收了接收机端BDS伪距硬件延迟的BDS接收机钟差，计算系统间偏差，如式(5)所示：

ISB_G,C＝hd_r,C-hd_r,G＝dt_r,C-dt_r,G (5)

其中，ISB_G,C表示GPS与BDS系统间偏差。至此，可获得GPS与BDS系统间偏差参信息。

计算所得Trimble NetR9接收机与UBLOX M8T接收机的系统间偏差时域变化图如图2中的a至d所示。

所述步骤2中，利用单钟差算法定位包括以下步骤：

步骤21，根据步骤11、步骤12建立单钟差定位模型：

P^C＝ρ^C+T^C+I^C+dt_r,G+ISB_G,C-dt^C+hd^C+ε^C (6)

式(3)与式(6)联合即单钟差定位模型，至此，单钟差定位模型已建立。

步骤22，根据步骤21所建单钟差定位模型，组成误差方程组估计接收机坐标：

假设共观测m颗GPS卫星与n颗BDS卫星，则待估参数向量设计矩阵观测向量表示为：

根据最小二乘间接平差原理可得：

其中：表示观测值权矩阵，x,y,z分别为接收机近似坐标X⁰,Y⁰,Z⁰的改正量；i＝1,2…m，l^G,i,q^G,i,t^G,i均表示第i颗GPS卫星余弦分量；f^G,i表示第i颗GPS卫星观测信息，P^G,i表示第i颗GPS卫星伪距观测值，表示利用接收机近似坐标获得的第i颗GPS卫星近似站星距，T^G,i表示第i颗GPS卫星对流层延迟，I^G,i表示第i颗GPS卫星电离层延迟，dt^G,i表示第i颗GPS卫星钟差，hd^G,i表示第i颗GPS卫星端伪距硬件延迟。j＝1,2…n，l^C,j,q^C,j,t^C,j均表示第j颗BDS卫星余弦分量；f^C,j表示BDS卫星观测信息，P^C,j表示第j颗BDS卫星伪距观测值，表示利用接收机近似坐标获得的第j颗BDS卫星近似站星距，T^C,j表示第j颗BDS卫星对流层延迟，I^C,j表示第j颗BDS卫星电离层延迟，dt^C,j表示第j颗BDS卫星钟差，hd^C,j表示第j颗BDS卫星端伪距硬件延迟。

接收机位置参数估值为：

其中，代表接收机位置参数估值。至此，已通过单钟差定位算法获得接收机三维坐标估值。

计算所得Trimble NetR9接收机与UBLOX M8T接收机利传统单点定位算法与单钟差定位算法的定位偏差对比如图3与图4所示。

接收机端硬件延迟的存在是致使在多系统定位中接收机钟差参数增加的主要因素。本方法利用系统间偏差的时域特性，首先在卫星数足够时使用传统单点定位算法估计GPS与BDS接收机钟差并计算系统间偏差，当卫星数过少时将已获得的系统间偏差参数作为已知信息，以减少接收机钟差参数，提高定位可靠性，并减少计算量。本发明充分利用系统间偏差的时域稳定特性，提高数学模型强度，可以有效间减少现有导航设备在遮挡环境下因过度参数化而导致的定位结果不可靠的现象，有效提高遮挡环境下的GPS/BDS双系统定位效果，并减少计算量，减少功耗。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出：在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，进行标准单点定位并估计各系统含有接收机硬件延迟的接收机钟差参数，计算系统间偏差；

步骤2，将当前卫星数与设定阈值进行比较，若当前卫星数大于等于设定阈值则重复步骤1，输出定位结果并利用新计算得到的系统间偏差对前次计算得到的系统间偏差进行更新；否则将前次计算得到的系统间偏差作为已知量，利用单钟差定位算法进行定位，并输出定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，其特征在于，步骤1具体为：

步骤11，假设接收机接收到GPS卫星与BDS卫星的观测信号，则GPS系统与BDS系统的伪距观测方程分别表示为：

P^G＝ρ^G+T^G+I^G+dt_r,G-dt^G+hd^G+ε^G

P^C＝ρ^C+T^C+I^C+dt_r,C-dt^C+hd^C+ε^C

其中，P^G表示GPS卫星的伪距观测值，ρ^G表示接收机到GPS卫星的站星距，T^G表示GPS卫星的对流层延迟，I^G表示GPS卫星的电离层延迟，dt_r,G表示吸收了接收机端GPS伪距硬件延迟的GPS接收机钟差，dt^G表示GPS卫星钟差，hd^G表示卫星端GPS伪距硬件延迟，ε^G表示GPS卫星观测噪声；P^C表示BDS卫星的伪距观测值，ρ^C表示接收机到BDS卫星的站星距，T^C表示BDS卫星的对流层延迟，I^C表示BDS卫星的电离层延迟，dt_r,C表示吸收了接收机端BDS伪距硬件延迟的BDS接收机钟差，dt^C表示BDS卫星钟差，hd^C表示卫星端BDS伪距硬件延迟，ε^C表示BDS卫星观测噪声；

根据GPS系统与BDS系统的伪距观测方程，估计出接收机三维坐标及吸收了接收机端GPS伪距硬件延迟的GPS接收机钟差与吸收了接收机端BDS伪距硬件延迟的BDS接收机钟差；

步骤12，计算系统间偏差：

ISB_G,C＝dt_r,C-dt_r,G

其中，ISB_G,C表示GPS与BDS系统间偏差。

3.根据权利要求2所述的一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，其特征在于，所述步骤2中利用单钟差定位算法进行定位，包括以下步骤：

步骤21，建立单钟差定位模型：

P^G＝ρ^G+T^G+I^G+dt_r,G-dt^G+hd^G+ε^G

P^C＝ρ^C+T^C+I^C+dt_r,G+ISB_G,C-dt^C+hd^C+ε^C

步骤22，根据步骤21建立的单钟差定位模型，组成误差方程组，估计接收机坐标，具体为：

设共观测m颗GPS卫星与n颗BDS卫星，则待估参数向量设计矩阵观测向量分别表示为：

根据最小二乘间接平差原理得：

其中：表示观测值权矩阵，x,y,z分别为接收机近似坐标X⁰,Y⁰,Z⁰的改正量；i＝1,2…m，l^G,i,q^G,i,t^G,i均表示第i颗GPS卫星的余弦分量，f^G,i表示第i颗GPS卫星的观测信息，P^G,i表示第i颗GPS卫星的伪距观测值，表示利用接收机近似坐标获得的第i颗GPS卫星的近似站星距，T^G,i表示第i颗GPS卫星的对流层延迟，I^G,i表示第i颗GPS卫星的电离层延迟，dt^G,i表示第i颗GPS卫星的钟差，hd^G,i表示第i颗GPS卫星端的伪距硬件延迟；j＝1,2…n，l^C,j,q^C,j,t^C,j均表示第j颗BDS卫星的余弦分量，f^C,j表示第j颗BDS卫星的观测信息，P^C,j表示第j颗BDS卫星的伪距观测值，表示利用接收机近似坐标获得的第j颗BDS卫星的近似站星距，T^C,j表示第j颗BDS卫星的对流层延迟，I^C,j表示第j颗BDS卫星的电离层延迟，dt^C,j表示第j颗BDS卫星的钟差，hd^C,j表示第j颗BDS卫星端的伪距硬件延迟；

接收机位置参数估值为：

其中，代表接收机位置参数估值。

4.根据权利要求2所述的一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，其特征在于，dt_r,G＝dt_r+hd_r,G，dt_r表示接收机钟差，hd_r,G表示接收机端GPS伪距硬件延迟。

5.根据权利要求2所述的一种顾及系统间偏差的GPS/BDS双系统单钟差定位方法，其特征在于，dt_r,C＝dt_r+hd_r,C，dt_r表示接收机钟差，hd_r,C表示接收机端BDS伪距硬件延迟。