CN108828640B - 一种卫星导航定位观测值定权方法及装置 - Google Patents

一种卫星导航定位观测值定权方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种卫星导航定位观测值定权方法及装置，获取BDS卫星观测值和预平差后的观测量残差，确定BDS不同轨道类型观测值权比；根据原始观测值实时求解当前历元每颗卫星的伪距观测值噪声；利用观测值权比和伪距观测值方差实时分类求解观测值方差阵。考虑了电离层扰动、多路径效应和观测噪声，选择质量更好的观测值参与解算，求解了当前历元每颗卫星的伪距观测量噪声，可以加快收敛，得到实时可靠的定位结果，提高了解算精度。考虑了实时数据的有效信息，明确了不同类型观测量在定位解算中的贡献，提高了定位的稳定性，本发明的方法易于扩展，为GNSS实时导航定位和大气反演的应用提供了更优的位置基准。

Description

一种卫星导航定位观测值定权方法及装置
技术领域
本发明属于全球卫星导航系统定位技术领域，特别涉及一种卫星导航定位观测值定权方法及装置。
背景技术
BDS观测值定权是指在采用组合观测值进行BDS高精度导航定位解算时，需要采用一定策略给出不同星座构型和不同观测值的精度信息，从而为数据质量不一的观测值赋予不同的权重，并确定观测值的方差阵。极地GNSS数据质量受观测环境影响较大，数据可用性存在较大差异。考虑观测量质量的定权方法可以更合理确定极地提高极地卫星导航定位的稳定性和可靠性。对于伪距和载波相位两类观测值，载波相位的噪声量级更小，在此仅考虑伪距的噪声特性。
常用的观测值定权方法有高度角模型、载噪比模型、验后残差法等。在参数求解过程中，观测值一般被认为服从高斯白噪声，高度角模型、载噪比模型在本质上仍是将观测噪声当作白噪声。观测值的随机噪声包括有测量噪声和多路径效应等，与接收机类型、观测值类型、观测环境等紧密相连。极地的观测条件更为复杂，存在电离层扰动、降雪等不定因素的影响，导致很难使用某个固定模型表征不同观测量的精度信息。验后残差统计法估计观测值权重的方法虽然可以提高解算精度，但是数据计算量大，难以用于实时解算。另外，如果该方法使用的先验方差矩阵不合理，经过平差后的残差将会重新分布，观测量的统计信息很有可能被歪曲。
公开号为“CN106814382A”，名称为“联合高度角和用户测距误差的GNSS卫星观测值定权方法”的中国专利，该专利考虑了卫星轨道和钟差产品精度的高度角定权方法，顾及了卫星轨道和钟差的精度差异，可以解决多轨道类型的观测值定权问题，但是该专利的方案无法实时估计观测环境对于观测量的影响，不适用于极地多变的观测条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星导航定位观测值定权方法及装置，用于解决现有技术中的GNSS导航定位方案不适宜极地多变的观测条件的问题。
为实现上述目的，本发明提供了、一种卫星导航定位观测值定权方法，包括如下步骤：
1)获取卫星观测量，根据观测量误差方程得到观测量残差矩阵，进一步根据观测量残差矩阵确定的观测量权比的经验值；
2)实时采集卫星的伪距和载波的观测量，得到单历元非差伪距噪声方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差；
3)利用所述观测量权比的经验值和所述伪距噪声的方差实时分类求解观测量权阵。
进一步地，所述步骤1)包括以下子步骤：
(1)将卫星观测量按不同卫星轨道的伪距和载波相位观测量进行分类，确定观测量初始权矩阵；
(2)根据观测量初始权矩阵和观测量误差方程进行平差处理，将平差处理后的结果进行方差分量估计，得到各类观测量单位权方差估值，根据各类观测量单位权方差估值对观测量权矩阵进行定权；
(3)重复步骤(1)和步骤(2)对观测量权矩阵进行更新直到达到设定的更新截止条件；
(4)统计计算各类观测量中伪距和载波相位观测量的权比及不同卫星轨道的权阵比。
进一步地，所述更新截止条件为对各类观测量单位权方差估值进行迭代，直到每类观测量单位权方差估值相等。
进一步地，根据Helmert算法进行方差分量估计。
进一步地，所述步骤2)包括以下子步骤：
A、采集载波相位和伪距观测值的测量噪声，计算两者之间的测量噪声误差；
B、根据两者之间的测量噪声误差得到单历元非差伪距噪声的均值方程和方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差值，并转化为单历元观测量的权值。
进一步地，两者之间的测量噪声误差表示为：
Figure BDA0001716244060000021
其中，εp1表示测量噪声误差，P1表示伪距观测值，f1和f2分别表示GNSS信号不同频点的载波频率，λ1和λ2分别表示GNSS信号不同频点的载波波长，N1表示整周模糊度，
Figure BDA0001716244060000031
和
Figure BDA0001716244060000032
分别表示不同频点对应的载波相位观测值。
进一步地，所述单历元非差伪距噪声的均值和方差分别表示为：
Figure BDA0001716244060000033
Figure BDA0001716244060000034
其中，E(D)表示非差伪距噪声的均值，D(D)表示非差伪距噪声的方差，n表示历元的窗口大小，D为伪距和载波的观测量差值。
进一步地，所述观测量权比通过组网卫星变化或季节变化进行更新。
本发明还提供了一种卫星导航定位观测值定权装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行时的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)获取卫星观测量，根据观测量误差方程得到观测量残差矩阵，进一步根据观测量残差矩阵确定的观测量权比的经验值；
2)实时采集卫星的伪距和载波的观测量，得到单历元非差伪距噪声方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差；
3)利用所述观测量权比的经验值和所述伪距噪声的方差实时分类求解观测量权阵。
进一步地，所述步骤1)包括以下子步骤：
(1)将卫星观测量按不同卫星轨道的伪距和载波相位观测量进行分类，确定观测量初始权矩阵；
(2)根据观测量初始权矩阵和观测量残差矩阵进行平差处理，将平差处理后的结果进行方差分量估计，得到各类观测量单位权方差估值，根据各类观测量单位权方差估值对观测量权矩阵进行定权；
(3)重复步骤(1)和步骤(2)对观测量权矩阵进行更新直到达到设定的更新截止条件；
(4)统计计算各类观测量中伪距和载波相位观测量的权比及不同卫星轨道的权阵比。
进一步地，所述更新截止条件为对各类观测量单位权方差估值进行迭代，直到每类单位观测量权方差估值相等。
进一步地根据Helmert算法进行方差分量估计。
进一步地，所述步骤2)包括以下子步骤：
A、采集载波相位和伪距观测值的测量噪声，计算两者之间的测量噪声误差；
B、根据两者之间的测量噪声误差得到单历元非差伪距噪声的均值方程和方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差，并转化为单历元观测量的权值。
进一步地，两者之间的测量噪声误差表示为：
Figure BDA0001716244060000041
其中，εp1表示测量噪声误差，P1表示伪距观测值，f1和f2分别表示GNSS信号不同频点的载波频率，λ1和λ2分别表示GNSS信号不同频点的载波波长，N1表示整周模糊度，
Figure BDA0001716244060000042
和
Figure BDA0001716244060000043
分别表示不同频点对应的载波相位观测值。
进一步地，所述单历元非差伪距噪声的均值和方差分别表示为：
Figure BDA0001716244060000044
Figure BDA0001716244060000045
其中，E(D)表示非差伪距噪声的均值，D(D)表示非差伪距噪声的方差，n表示历元的窗口大小，D为伪距和载波的观测量差值。
进一步地，所述观测量权比通过组网卫星变化或季节变化进行更新。
本发明的有益效果是：
本发明既考虑了多路径效应和观测噪声影响因素，也考虑了电离层扰动等外部环境造成的不受高度角约束的误差，选择质量更好的观测值参与解算，并根据原始观测值实时求解当前历元每颗卫星的伪距观测量噪声，可以加快收敛，得到实时可靠的定位结果，提高了解算精度。考虑了实时数据的有效信息，明确了不同类型观测量在定位解算中的贡献，提高了定位的稳定性，本发明的方法易于扩展，为GNSS实时导航定位和大气反演的应用提供了更优的位置基准。
附图说明
图1为本发明的BDS观测值定权框图；
图2为本发明的观测值定权原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
本发明提供了一种卫星导航定位观测值定权方法，尤其适用于BDS卫星导航定位观测值的定权，如图1和图2所示，包括以下步骤：
(1)获取BDS卫星观测量，根据观测量误差方程得到观测量残差矩阵，进一步根据观测量残差矩阵确定的观测量权比的经验值；
(2)实时采集BDS卫星的伪距和载波的观测量，得到单历元非差伪距噪声方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差值，并转化为单历元观测量的权值；
(3)利用所述观测量权比和所述权值实时分类求解观测量权阵，观测量权矩阵表示为某一轨道类型观测量的权和该类观测量噪声方差的倒数的平方根的乘积。
其中，步骤(1)包括以下子步骤：
认为BDS定位解算过程中的观测量L含有六类相互独立的观测量
Figure BDA0001716244060000051
其权矩阵分别为
Figure BDA0001716244060000052
并且Pij＝0(i≠j)，误差方程分别为：
Figure BDA0001716244060000053
其中，n1至n6分别为六类观测量的个数，
Figure BDA0001716244060000054
为未知参数向量的最优估值，上述表达式中的设计矩阵A、观测量残差矩阵V和观测量权矩阵P可分别表示为：
Figure BDA0001716244060000061
Figure BDA0001716244060000062
Figure BDA0001716244060000063
其中，上标G、I、M分别表示BDS卫星的三种轨道类型，下标
Figure BDA0001716244060000064
P分别表示载波相位和伪距两种观测值类型。
由误差方程可得法方程为：
Figure BDA0001716244060000065
其中，N可以用不同i(i≤6)类观测值的设计矩阵和权矩阵来表示，即：
Figure BDA0001716244060000066
Figure BDA00017162440600000611
考虑到初始权一般都不能反映真实的观测值精度，六类观测量对应的单位权方差为
Figure BDA0001716244060000067
则观测值的Helmert方差分量估计公式可表示为：
Figure BDA0001716244060000068
式中，
Figure BDA0001716244060000069
Sii＝ni-2tr(N-1Ni)+tr(N-1Ni)2 (10)
Sij,i≠j＝tr(N-1NiN-1Nj) (11)
Figure BDA00017162440600000610
其解为：
Figure BDA0001716244060000071
Figure BDA0001716244060000072
1)将BDS观测量按GEO、IGSO、MEO卫星的伪距和载波相位观测量进行分类，设定伪距观测量初始标准差均为1m，载波观测量初始标准差均为0.01m，确定观测量的初始权矩阵P。
2)根据观测量初始权矩阵及观测量误差方程进行平差处理，得到Vi TPiVi；
3)对平差处理结果进行方差分量估计，求得各类观测量单位权方差估值
Figure BDA0001716244060000073
然后根据以下条件定权更新：
Figure BDA0001716244060000074
其中，k代表迭代的次数，若求得的
Figure BDA0001716244060000075
与
Figure BDA0001716244060000076
有较大差别，则定权策略不够合理。
4)反复进行步骤2)和步骤3)，对单位权方差进行更新直到达到设定的更新截止条件。
5)统计六类观测值中伪距和载波相位的观测量权比(约为1:120000)，GEO、IGSO和MEO三类轨道观测量的验后权阵比(约为0.69:1:1)，其中，观测量权比通过组网卫星变化或季节变化进行更新。
本实施例中的更新截止条件为对各类观测量单位权方差估值进行迭代，直到每类观测量单位权方差估值相等，即直到
Figure BDA0001716244060000077
为方便判断，减少多余迭代，设置当各类观测量单位权方差的估值互差值的最大值小于0.00001。
进一步地，本实施例的方差分量估计通过Helmert算法进行，即利用方程(8)进行方差分量估计。
其中，步骤(2)的具体实现过程说明如下：
利用载波相位和伪距组合观测值求解伪距多路径误差。伪距观测量和载波相位观测量间作差可得：
Figure BDA0001716244060000078
其中，在i频点处，Pi表示伪距观测值，
Figure BDA0001716244060000079
表示载波相位观测值，Ii表示电离层延迟，Ni表示整周模糊度，εpi表示测量噪声误差，
Figure BDA0001716244060000081
表示伪距测量噪声误差，接收机的伪距测量噪声一般为厘米级，载波相位的测量噪声一般为毫米级，在此忽略不计，则式(16)可简化为：
D＝2I1+εp1-λ1N1 (17)
上式中,仍然包括有测量噪声误差(即伪距观测噪声和多路径效应)、电离层延迟和整周模糊度的影响。
B1和B2频点对应的频率下的电离层延迟存在以下关系：
Figure BDA0001716244060000082
其中，f1和f2分别表示GNSS信号B1和B2频点的载波频率。
载波相位组合可得到电离层延迟的影响，故测量噪声误差可以表达为：
Figure BDA0001716244060000083
其中，εp1表示测量噪声误差，P1表示伪距观测值，f1和f2分别表示GNSS信号不同频点的载波频率，λ1和λ2分别表示GNSS信号不同频点的载波波长，N1表示整周模糊度，
Figure BDA0001716244060000084
和
Figure BDA0001716244060000085
分别表示不同频点对应的载波相位观测值。
没有发生周跳和钟跳时，整周模糊度可视为附加在多路径上的偏差，从而可以统计得到非差伪距噪声的方差。为了反映伪距噪声的逐历元变化，采用一段随时间推移的时间窗口，研究窗口内的伪距噪声系列，得到单历元非差伪距噪声的均值和方差，分别表示为：
Figure BDA0001716244060000086
其中，E(D)表示非差伪距噪声的均值，D(D)表示非差伪距噪声的方差，n为移动历元的窗口大小，D为伪距和载波的观测量差值方差结果表明了各历元的伪距噪声水平，故能确定伪距的协方差矩阵。由于伪距噪声中的多路径具有一定的周日重复性，移动窗口大小的选择需要谨慎。如果n值选择过小，均值E(D)会随多路径误差的变化而变化，致使伪距方差的结果不准确。如果n值选择过大，伪距方差精度跟踪的灵敏度会降低，从而影响伪距方差计算的精度。求解E(D)时，采用整段历元，提高伪距噪声的实时估计水平。求解D(D)时，可以采用相对较小的历元窗口长度。为了有效利用历元所在时段的有效信息，采用衰减记忆法更新历元窗口，且赋予邻近历元较大的权重，由于伪距和相位测量噪声均会随卫星位置和其他因素变化而变化，因而呈现出随时间变化的趋势，将移动窗口内所有历元的精度信息视为某个历元上观测量的精度信息，故认为单历元的邻近历元的精度信息更可靠，方差D(D)进一步表示为：
Figure BDA0001716244060000091
其中，β(0＜β≤1)为衰减因子，一般取0.99，由于对当前历元的伪距噪声信息运用多，历史的噪声信息会逐步更新，从而实现了对伪距噪声的实时准确跟踪。
本发明基于验后方差估计确定不同类型观测量的方差权比，考虑了实测数据的有效信息，明确了不同类型观测量在定位解算中的贡献，可以改善解算精度，加快收敛。该方法易于拓展，同样适用于多系统融合导航；根据原始观测值实时求解当前历元每颗卫星的伪距观测量噪声，既考虑了多路径效应、大气延迟，也顾及了电离层扰动等外部环境造成的不受高度角约束的误差，应用于极地使得定权更为合理。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种卫星导航定位观测值定权方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)获取卫星观测量，根据观测量误差方程得到观测量残差矩阵，进一步根据观测量残差矩阵确定的观测量权比的经验值；
2)实时采集伪距和载波的观测量，得到单历元非差伪距噪声方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差；
3)利用所述观测量权比的经验值和所述伪距噪声的方差实时分类求解观测量权阵，所述观测量权阵表示为某一轨道类型观测量的权和该类观测量噪声方差的倒数的平方根的乘积。
2.根据权利要求1所述的卫星导航定位观测值定权方法，其特征在于，所述步骤1)包括以下子步骤：
(1)将卫星观测量按不同卫星轨道的伪距和载波相位观测量进行分类，确定观测量初始权矩阵；
(2)根据观测量初始权矩阵和观测量误差方程进行平差处理，将平差处理后的结果进行方差分量估计，得到各类观测量单位权方差估值，根据各类观测量单位权方差估值对观测量权矩阵进行定权；
(3)重复步骤(1)和步骤(2)对观测量权矩阵进行更新直到达到设定的更新截止条件；
(4)统计计算各类观测量中伪距和载波相位观测量的权比及不同卫星轨道的权阵比。
3.根据权利要求2所述的卫星导航定位观测值定权方法，其特征在于，所述更新截止条件为对各类观测量单位权方差估值进行迭代，直到每类观测量单位权方差估值相等。
4.根据权利要求2所述的卫星导航定位观测值定权方法，其特征在于，根据Helmert算法进行方差分量估计。
5.根据权利要求1所述的卫星导航定位观测值定权方法，其特征在于，所述步骤2)包括以下子步骤：
A、采集载波相位和伪距观测值的测量噪声，计算两者之间的测量噪声误差；
B、根据两者之间的测量噪声误差得到单历元非差伪距噪声的均值方程和方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差，并转化为单历元观测量的权值。
6.根据权利要求5所述的卫星导航定位观测值定权方法，其特征在于，测量噪声误差表示为：
Figure FDA0002500593940000021
其中，εp1表示测量噪声误差，P1表示伪距观测值，f1和f2分别表示GNSS信号不同频点的载波频率，λ1和λ2分别表示GNSS信号不同频点的载波波长，N1表示整周模糊度，
Figure FDA0002500593940000024
和
Figure FDA0002500593940000025
分别表示不同频点对应的载波相位观测值。
7.根据权利要求6所述的卫星导航定位观测值定权方法，其特征在于，所述单历元非差伪距噪声的均值和方差分别表示为：
Figure FDA0002500593940000022
Figure FDA0002500593940000023
其中，E(D)表示非差伪距噪声的均值，D(D)表示非差伪距噪声的方差，n表示历元的窗口大小，D为伪距和载波的观测量差值。
8.根据权利要求1所述的卫星导航定位观测值定权方法，其特征在于，所述观测量权比通过组网卫星变化或季节变化进行更新。
9.一种卫星导航定位观测值定权装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行时的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
1)获取卫星观测量，根据观测量误差方程得到观测量残差矩阵，进一步根据观测量残差矩阵确定的观测量权比的经验值；
2)实时采集伪距和载波的观测量，得到单历元非差伪距噪声方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差；
3)利用所述观测量权比的经验值和所述伪距噪声的方差实时分类求解观测量权阵，所述观测量权阵表示为某一轨道类型观测量的权和该类观测量噪声方差的倒数的平方根的乘积。
10.根据权利要求9所述的卫星导航定位观测值定权装置，其特征在于，所述步骤1)包括以下子步骤：
(1)将卫星观测量按不同卫星轨道的伪距和载波相位观测量进行分类，确定观测量初始权矩阵；
(2)根据观测量初始权矩阵和观测量误差方程进行平差处理，将平差处理后的结果进行方差分量估计，得到各类观测量单位权方差估值，根据各类观测量单位权方差估值对观测量权矩阵进行更新；
(3)重复步骤(1)和步骤(2)对观测量权矩阵进行更新直到达到设定的更新截止条件；
(4)统计计算各类观测量中伪距和载波相位观测量的权比及不同卫星轨道的权阵比。
11.根据权利要求10所述的卫星导航定位观测值定权装置，其特征在于，所述更新截止条件为对各类观测量单位权方差估值进行迭代，直到每类观测量权方差估值相等。
12.根据权利要求10所述的卫星导航定位观测值定权装置，其特征在于，根据Helmert算法进行方差分量估计。
13.根据权利要求9所述的卫星导航定位观测值定权装置，其特征在于，所述步骤2)包括以下子步骤：
A、采集载波相位和伪距观测值的测量噪声，计算两者之间的测量噪声误差；
B、根据两者之间的测量噪声误差得到单历元非差伪距噪声的均值方程和方差方程，求解所述单历元非差伪距噪声方差方程得到伪距噪声的方差，并转化为单历元观测量的权值。
14.根据权利要求13所述的卫星导航定位观测值定权装置，其特征在于，测量噪声误差表示为：
Figure FDA0002500593940000031
其中，εp1表示测量噪声误差，P1表示伪距观测值，f1和f2分别表示GNSS信号不同频点的载波频率，λ1和λ2分别表示GNSS信号不同频点的载波波长，N1表示整周模糊度，
Figure FDA0002500593940000043
和
Figure FDA0002500593940000044
分别表示不同频点对应的载波相位观测值。
15.根据权利要求14所述的卫星导航定位观测值定权装置，其特征在于，所述单历元非差伪距噪声的均值和方差分别表示为：
Figure FDA0002500593940000041
Figure FDA0002500593940000042
其中，E(D)表示非差伪距噪声的均值，D(D)表示非差伪距噪声的方差，n表示历元的窗口大小，D为伪距和载波的观测量差值。
16.根据权利要求9所述的卫星导航定位观测值定权装置，其特征在于，所述观测量权比通过组网卫星变化或季节变化进行更新。
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