CN108490459B - 精度与风险均衡应用于gnss位置服务的方法及系统 - Google Patents

Abstract

目前GNSS终端只能给出用户位置、速度以及相应的方差估值等信息，根据概率论的相关理论，可推算出位置真值所在区间以及相应的概率，但在实际应用中，由于此方差估值的可靠性通常无法保障，所以真值不在推算出的区间的风险无法预估，本发明提出了一种集星基/地基增强系统方案设计、终端配套实现的策略，可向用户提供位置信息，保护区间以及相应的风险，供用户进行决策。此外，保护区间的大小和风险的高低本质上存在关联，本发明提供多套不同的保护区间大小及其风险，以期满足用户在精度和风险均衡上的需求。

Description

精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法及系统

技术领域

本发明涉及高精度GNSS卫星定位技术领域，具体涉及一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法及系统。

背景技术

1、GNSS定位技术

全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellie System)，包括中国北斗、美国GPS、俄罗斯的GLOANASS和欧洲的GALILEO可为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息。终端通过解析由卫星端发射的电磁波信号，可得到卫星位置、终端与卫星的距离等信息，当同时观测到4颗及以上的卫星时，即可通过简单的几何关系，实现单点定位。

GNSS终端解译出的观测值会受到各种误差源的影响，主要包括：卫星钟差、卫星轨道误差、电离层误差、对流层误差、接收机钟差、多路径效应等。

2、星基增强系统

星基增强系统是通过全球的地面基准站网对GNSS信号进行连续跟踪观测，处理并形成相应的广域及局域差分改正信息以及完好性信息，通过地球同步轨道卫星播发链路向用户广播。其中改正信息包含但不局限于：轨道改正数、钟差改正数、码偏差、相位偏差、电离层等信息。终端在接收到上述改正数的信息后可用于矫正相应误差源对于终端观测值的影响，从而提升终端定位精度，而且可利用完好性信息进行故障排除。目前星基增强系统主要有：WAAS、EGNOS、TERRASTAR、VERIPOS等。

3、地基增强系统

两个距离较近的终端同时收到的观测值受到的大气延迟以及卫星钟差、轨道误差等具有时空相关性，可通过两者相减，来削弱甚至消除上述部分误差，从而提高终端定位精度。

地基增强系统就是基于连续运行的永久参考站网(CORS)，生成用户附近的虚拟观测数据并通过互联网的方式发送给用户进行差分解算，辅助用户终端提升定位精度。

目前GNSS终端只能给出用户位置、速度以及相应的方差估值等信息，根据概率论的相关理论，可推算出位置真值所在区间以及相应的概率，但在实际应用中，由于此方差估值的可靠性通常无法保障，所以真值不在推算出的区间的风险无法预估，因此存在以下问题：

1、现有终端算法引擎中参与定位解算的所有参数的方差是根据经验模型设定的，其可靠性并没有经过外部基准进行检核。

2、方差的估值的方差与样本量有关，而每次参与定位解算的观测量数量有限，方差的估值的精度有限。

发明内容

本发明提出了一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法及系统，可向用户提供位置信息，保护区间以及相应的风险，供用户进行决策。此外，保护区间的大小和风险的高低本质上存在关联，本发明提供多套不同的保护区间大小及其风险，以期满足用户在精度和风险均衡上的需求。

基于此，本发明采用的技术方案如下：

一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，包括：

步骤一，地面参考站网对卫星导航系统进行连续跟踪观测，并将数据实时上传至星基/地基增强服务系统数据处理中心；

步骤二，星基/地基增强服务系统数据处理中心对地面参考站网上传的数据进行处理分析，对GNSS终端观测值受到的误差项进行建模解算，并向地面监测站网提供位置增强信息；

步骤三，地面监测站网对实时收到的星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息进行监测，判定位置增强信息的可靠性，并实时回传给星基/地基增强服务系统数据处理中心；

步骤四，用户终端根据误差传播定律，结合星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息及位置增强信息的可靠性，得到GNSS终端位置估值的方差及保护区间，并估算GNSS终端位置真值不在保护区间内的风险值。

进一步地，所述位置增强信息包括解算参数的方差、改正数和差分数据，所述位置增强信息的可靠性包括方差可靠性、改正数可靠性和差分数据可靠性。

进一步地，星基/地基增强服务系统数据处理中心通过卫星广播或者互联网播发的方式向地面监测站网提供位置增强信息。

进一步地，所述步骤三具体包括以下步骤：

各地面监测站实时解算收到的GNSS终端观测值受到的误差项，即计算值；

通过与增强值及其方差进行对比分析，根据准则和阈值判定位置增强信息的可靠性，所述增强值即位置增强信息内插或者转换得到的校正值；

实时回传给星基/地基增强服务系统数据处理中心。

进一步地，所述准则和阈值包括以下任意一种及以上：

计算值与增强值的差值的绝对值大于3倍的增强值的标准差，则认定增强值不可用，即位置增强信息的可靠性为零；

根据高斯标准正太分位数表，查找对应计算值与增强值的差值的绝对值除以增强值的标准差的比值作为分位值的置信度，即为位置增强信息的可靠性；

计算值与增强值的差值的绝对值与增强值的标准差之差大于给定的阈值，则认定增强值不可用，即位置增强信息的可靠性为零。

进一步地，地面监测站网同步采用星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息进行进行定位解算，并实时监测故障率，用户终端结合应用场景判断故障率是否可以接受。

进一步地，所述步骤四中用户终端通过星基/地基增强服务系统数据处理中心得到GNSS终端位置的最优估值。

进一步地，所述步骤四中根据用户终端预先设定的可接受风险值，实时给出相应的保护区间，或者根据用户预先设定的保护区间，实时给出相应的风险值。

进一步地，所述步骤四中还包括错误探测与排除和接收机自主完好性检测：

对于任一改正数，预先设定其有效范围，若所述改正数超出该有效范围直接进行剔除；

在终端算法引擎中利用GNSS终端观测值以及其它所有改正数求解所述改正数及其方差，将其与星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息及位置增强信息的可靠性进行一致性统计假设检验。

一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的系统，包括地面参考站网、星基/地基增强服务系统数据处理中心、地面监测站网和用户终端：

地面参考站网对卫星导航系统进行连续跟踪观测，并将数据实时上传至星基/地基增强服务系统数据处理中心；

星基/地基增强服务系统数据处理中心对地面参考站网上传的数据进行处理分析，对GNSS终端观测值受到的误差项进行建模解算，并向地面监测站网提供位置增强信息；

地面监测站网对实时收到的星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息进行监测，判定位置增强信息的可靠性，并实时回传给星基/地基增强服务系统数据处理中心；

用户终端根据误差传播定律，结合星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息及位置增强信息的可靠性，得到GNSS终端位置估值的方差及保护区间，并估算GNSS终端位置真值不在保护区间内的风险值。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过服务端大量的跟踪站数据，得到较高精度、高可靠性的各种改正数的方差，终端通过误差传播定律，可得到当前位置信息的方差，从而得到高可靠的位置保护区间。

2、本发明的方案设计中针对播发系统播发内容的可靠性设立独立的监测系统，实时对各种改正数及其方差的可靠性进行监测，确保播发服务的可靠性和安全性，而且其可靠性通过一系列指标进行量化，辅助终端进行有效使用。

3、本发明中涉及到的保护区间是经过海量数据大样本得到的结果，具有最优性。

附图说明

图1是本发明精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的原理图。

具体实施方式

本发明提出了多种表征增强内容可靠程度的策略和一整套终端用户接收到的改正数错误信息排除的策略。下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明包括：

1、地面参考站网，亦即连续运行参考站系统(Continuously OperatingReference Stations，CORS)，是指，均匀分布在服务覆盖范围内的地面GNSS跟踪站系统，需要7*24h对各卫星导航系统进行连续跟踪观测，并将数据实时上传至星基/地基增强服务系统数据处理中心。

2、星基/地基增强服务系统数据处理中心。对地面参考站网实时上传的数据进行处理分析，对GNSS终端观测值受到的各种误差项进行建模解算，并估计解算参数的方差(标准差)，以改正数(State Space Representation，SSR)及其方差或差分数据(ObservationSpace Representation，OSR)及其方差的方式通过卫星广播、或互联网播发的方式提供位置增强服务。

3、地面监测站网。类似于地面参考站网，亦是指，均匀分布在服务覆盖范围内的地面GNSS跟踪站网，但是其观测数据不应用于星基/地基增强服务系统数据处理中心，其价值在于模拟终端用户，对实时收到的星基/地基增强服务系统播发的增强信息进行监测，具体实现方案如下：各监测站实时解算接收到的GNSS观测值受到的各种误差项(以下简称“计算值”)，比如对流层延迟、电离层延迟等，并与通过增强信息内插、转换等方式得到的校正值(以下简称“增强值”)及其方差进行对比分析，根据一定的阈值和准则判定增强信息的可靠程度，并实时回传给星基/地基增强服务系统数据处理中心。这些准则及阈值包括但不局限于：

为方便下文描述，首先引入概率论中的分位值、置信度(或置信水平)等概念：对于任一服从标准正太分布的随机变量x，如果有下列关系成立：

P{-μ_α/2≤x≤μ_α/2}＝1-α

则称μ_α/2为置信度为1-α的分位值。(学生分布的相关概念与此类似，不再赘述。)

(1)“计算值”与“增强值”的差值的绝对值大于3倍的“增强值”的标准差，则认定该“增强值”不可用(可靠程度为零)；

(2)根据高斯标准正太分位数表，查找对应“计算值”(E)与“增强值”(M)的差值的绝对值除以“增强值”的标准差(σ_M)的比值

作为分位值的置信度(α_u)，即为该“增强值”的可靠程度，可取所有监测站同一改正数的置信度的中位数或均值或加权平均值作为该改正数的可靠程度

终端可根据此可靠性指标对该“增强值”的方差借助于高斯分布进行放大使用，即

其中α_1σ＝0.6827。

(3)“计算值”与“增强值”的差值的绝对值与“增强值”的标准差之差大于给定的阈值，则认定该“增强值”不可用(可靠程度为零)。

另外，监测站在进行上述功能的同时，也会同步采用播发内容进行定位解算，并实时监控整个系统的故障率，该故障率作为整个系统的指标，终端用户需要结合应用场景判断该故障率是否可以接受。该故障率是指，监测站按照下述“终端用户位置服务解决方案”得到的位置保护区间和风险值与监测站坐标不相符的比例。

4、用户终端。用户终端在采用星基/地基增强服务内容得到终端位置的最优估值的同时，根据误差传播定律结合星基/地基增强播发内容中的改正数方差值及其可靠性指标，得到终端位置估值的方差及保护区间，并估算位置真值不在保护区间内的风险值，本发明中的保护区间是经过海量数据大样本得到的结果，具有最优性。具体实施方案如下：

(1)终端位置方差的获取(误差传播定律)。终端位置(y)与GNSS终端观测值(x_obs)及其改正数(x_{obs_corr})，以及收到的卫星轨道误差改正数(x_{orb_corr})、钟差改正数(x_{clk_corr})、电离层延迟改正数(x_{ion_corr})、对流层延迟改正数(x_{tro_corr})等误差改正项的关系可表示为：

y＝a₁x_obs+a₂x_{obs_corr}+a₃x_{orb_corr}+a₄x_{clk_corr}+a₅x_{tro_corr}+a₆x_{ion_corr}+...

其中，a_i分别代表上述各种改正数对于GNSS终端位置的影响程度。

那么相应的终端位置的方差则可通过误差传播定律得到：

(2)终端位置保护区间及风险评估(区间估计)。终端位置y服从正太分布

其估值为

则有以下关系成立：

特别地，

在本发明中，由于各种改正数的方差是通过海量地面参考站数据计算得到，而且经过监测站的有效性检验，所以可近似等同于母体方差。故而根据标准正太分布的分布表，可得到不同置信区间的置信度，或者不同置信度代表的置信区间，亦即本方案中提及的保护区间和风险值。为了满足高精度优先或者低风险优先的不同场景的位置服务的需求，本方案既可根据用户预先设定的可接受风险值，实时给出相应的保护区间，亦可根据用户预先设定的保护区间，实时给出相应的风险，供用户进行决策。优选地，本发明给出10cm、50cm、1m半径的风险值。

(3)错误探测与排除(Fault Detection and Exclusion，FDE)和接收机自主完好性检测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)：

对于任一改正数，根据其物理含义以及大量的测试，可预先设定其有效范围，若该改正数超出该有效范围直接进行剔除，另外，亦可在终端算法引擎中利用GNSS终端观测值以及其它所有改正数求解该改正数及其方差

将其与增强系统播发内容

进行一致性统计假设检验。具体方案如下：构造标准正太分布

可预先设定置信度(1-α)，查找相应的分位数(μ_α/2)，若μ＞μ_α/2，则该改正数不可用，进行剔除。

对于任一观测值残差

及其精度

构造学生分布

服从自由度为(n-d+1)的学生分布(t分布)，其中，n代表参与解算的信息量，d代表需要求解的非相关的信息量，可预先设定置信度(1-α)，查找相应的分位数(t_α/2)，若t＞t_α/2，则观测值为粗差，进行剔除。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，包括：

步骤一，地面参考站网对卫星导航系统进行连续跟踪观测，并将数据实时上传至星基/地基增强服务系统数据处理中心；

步骤二，星基/地基增强服务系统数据处理中心对地面参考站网上传的数据进行处理分析，对GNSS终端观测值受到的误差项进行建模解算，并向地面监测站网提供位置增强信息；

步骤三，地面监测站网对实时收到的星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息进行监测，判定位置增强信息的可靠性，并实时回传给星基/地基增强服务系统数据处理中心；

步骤四，用户终端根据误差传播定律，结合星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息及位置增强信息的可靠性，得到GNSS终端位置估值的方差及保护区间，并估算GNSS终端位置真值不在保护区间内的风险值；

所述位置增强信息包括解算参数的方差和改正数，所述用户终端根据所述位置增强信息的可靠性对所述解算参数的方差借助于高斯分布进行放大使用；

所述用户终端根据所述位置增强信息的可靠性对所述解算参数的方差借助于高斯分布进行放大使用，具体通过如下公式实现：

其中，σ_M为所述解算参数的标准差，

为所述解算参数的方差，

为借助于高斯分布放大后的所述解算参数的方差，

为所有监测站同一改正数的置信度的中位数或均值或加权平均值，所述位置增强信息的可靠性包括

α_1σ＝0.6827。

2.如权利要求1所述的一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，所述位置增强信息包括解算参数的改正数和差分数据，所述位置增强信息的可靠性包括方差可靠性、改正数可靠性和差分数据可靠性。

3.如权利要求1所述的一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，星基/地基增强服务系统数据处理中心通过卫星广播或者互联网播发的方式向地面监测站网提供位置增强信息。

4.如权利要求1所述的一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，所述步骤三中具体包括以下步骤：

各地面监测站实时解算收到的GNSS终端观测值受到的误差项，即计算值；

通过与增强值及其方差进行对比分析，根据准则和阈值判定位置增强信息的可靠性，所述增强值即位置增强信息内插或者转换得到的校正值；

实时回传给星基/地基增强服务系统数据处理中心。

5.如权利要求4所述的一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，所述准则和阈值包括以下任意一种及以上：

计算值与增强值的差值的绝对值大于3倍的增强值的标准差，则认定增强值不可用，即位置增强信息的可靠性为零；

根据高斯标准正太分位数表，查找对应计算值与增强值的差值的绝对值除以增强值的标准差的比值作为分位值的置信度，即为位置增强信息的可靠性；

计算值与增强值的差值的绝对值与增强值的标准差之差大于给定的阈值，则认定增强值不可用，即位置增强信息的可靠性为零。

6.如权利要求4所述的一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，地面监测站网同步采用星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息进行进行定位解算，并实时监测故障率，用户终端结合应用场景判断故障率是否可以接受。

7.如权利要求6所述的一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，所述步骤四中用户终端通过星基/地基增强服务系统数据处理中心得到GNSS终端位置的最优估值。

8.如权利要求6所述的一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，所述步骤四中根据用户终端预先设定的可接受风险值，实时给出相应的保护区间，或者根据用户预先设定的保护区间，实时给出相应的风险值。

9.如权利要求6所述的一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的方法，其特征在于，所述步骤四中还包括错误探测与排除和接收机自主完好性检测：

对于任一改正数，预先设定其有效范围，若所述改正数超出该有效范围直接进行剔除；

在终端算法引擎中利用GNSS终端观测值以及其它所有改正数求解所述改正数及其方差，将其与星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息及位置增强信息的可靠性进行一致性统计假设检验。

10.一种精度与风险均衡应用于GNSS位置服务的系统，其特征在于，包括地面参考站网、星基/地基增强服务系统数据处理中心、地面监测站网和用户终端：

地面参考站网对卫星导航系统进行连续跟踪观测，并将数据实时上传至星基/地基增强服务系统数据处理中心；

星基/地基增强服务系统数据处理中心对地面参考站网上传的数据进行处理分析，对GNSS终端观测值受到的误差项进行建模解算，并向地面监测站网提供位置增强信息；

地面监测站网对实时收到的星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息进行监测，判定位置增强信息的可靠性，并实时回传给星基/地基增强服务系统数据处理中心；

用户终端根据误差传播定律，结合星基/地基增强服务系统数据处理中心播发的位置增强信息及位置增强信息的可靠性，得到GNSS终端位置估值的方差及保护区间，并估算GNSS终端位置真值不在保护区间内的风险值；

所述位置增强信息包括解算参数的方差和改正数，所述用户终端根据所述位置增强信息的可靠性对所述解算参数的方差借助于高斯分布进行放大使用；

所述用户终端根据所述位置增强信息的可靠性对所述解算参数的方差借助于高斯分布进行放大使用，具体通过如下公式实现：

其中，σM为所述解算参数的标准差，

为所述解算参数的方差，

为借助于高斯分布放大后的所述解算参数的方差，

为所有监测站同一改正数的置信度的中位数或均值或加权平均值，所述位置增强信息的可靠性包括

α_1σ＝0.6827。

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