CN109061694B - 一种基于gnss钟差固定的低轨导航增强定位方法及系统 - Google Patents

一种基于gnss钟差固定的低轨导航增强定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法，包括步骤如下：步骤一、利用未知位置的接收机测量m颗GNSS卫星的伪距观测量，计算获得未知接收机钟差δtu；步骤二、设置未知接收机定位迭代求解初值；步骤三、利用LEO卫星的伪距观测值和GNSS卫星的伪距观测值构成GNSS与LEO联合伪距残差观测值y；步骤四、利用步骤一求解的未知接收机钟差，约束钟差δtu固定不变，实现未知接收机钟差与未知接收机三维位置的解耦，迭代求解未知接收机的三维位置迭代方程，获取未知接收机的三维位置。本发明的方法及系统可提高低轨导航增强定位的精度。

Description

一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星导航定位技术，特别涉及一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法及系统。
背景技术
导航信号传播距离比较远，非常容易受到遮挡和干扰、电离层和对流层折射延迟的影响还有垂直方向上定位精度不够等，这些原因使得卫星导航系统无法满足一些特殊高精度定位及微弱信号应用场合的要求。为了改善导航系统性能同时拓展应用场景，有必要采用低轨导航增强定位方法。
鸿雁星座中的每颗卫星的时钟同步在其被增强的GNSS系统上，通过向用户播发导航增强信号和自身的时空节点信息，通过增加额外来自新的时空节点的距离观测信息，改善DOP值分布，从而实现实时导航增强。
将增加低轨卫星后的卫星位置信息和距离观测值按照传统的GNSS伪码定位，存在位置解算与接收机钟差解算耦合在一起，用户位置与接收机钟差无法分离的问题。然而，单独利用GNSS系统本身，可以将接收机的钟差先解算出来，以此作为先验信息，在加入低轨卫星的测量值后无需再次估计钟差。利用现有伪码定位方法不能充分利用低轨卫星轨道低、功率强、测距精度高的优势，需要将用户钟差与用户位置协同解算。因此，只能将低轨卫星的观测信息一部分用来估计钟差，另外一部分信息估计用户位置，在定位过程中未能充分利用低轨卫星提供的信息。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明公开了一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法及系统，通过GNSS定位解算得到GNSS接收机的钟差，再加入低轨卫星观测值，定位解算过程中，加入接收机钟差固定的约束条件对接收机钟差进行固定，可提高低轨导航增强定位的精度。
本发明所采用的技术方案是：一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法，包括步骤如下：
步骤一、利用未知位置的接收机测量m颗GNSS卫星的伪距观测量，计算获得未知接收机钟差δtu；m为正整数；
步骤二、设置未知接收机定位迭代求解初值；
步骤三、利用LEO卫星的伪距观测值和GNSS卫星的伪距观测值构成GNSS与LEO联合伪距残差观测值y；
步骤四、利用步骤一求解的未知接收机钟差，约束钟差δtu固定不变，实现未知接收机钟差与未知接收机三维位置的解耦，迭代求解未知接收机的三维位置迭代方程，获取未知接收机的三维位置。
所述步骤一中，未知位置的接收机测量的GNSS卫星的伪距观测量的矢量为：
Figure GDA0002427154480000021
其中，未知接收机位置ru＝[ux,uy,uz]T和未知接收机钟差对应的距离cδtu组成未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T；
卫星i在地心地固坐标系下的位置坐标为xi＝(xi,yi,zi)T，
分量
Figure GDA0002427154480000022
Figure GDA0002427154480000023
是卫星i的伪距测量误差；n为正整数；c为光速。
所述步骤二中，未知接收机定位迭代求解初值为x＝[0,0,0,cδtu]T。
所述GNSS与LEO联合伪距残差观测值y为：
Figure GDA0002427154480000024
其中，低轨道卫星伪距观测矢量为
Figure GDA0002427154480000031
n为正整数。
所述步骤四中，未知接收机的三维位置迭代方程为：
Figure GDA0002427154480000032
s.t.x(4)＝cδtu
其中，矩阵
Figure GDA0002427154480000033
矩阵
Figure GDA0002427154480000034
迭代求解未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T；x(4)为x的第四个分量；未知接收机到卫星i的距离
Figure GDA0002427154480000035
设置迭代收敛条件为总迭代次数小于等于K次或
Figure GDA0002427154480000036
阈值η<6；K为设定的迭代次数，为正整数。
一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位系统，包括第一模块、第二模块、第三模块；
第一模块，用于接收未知位置的接收机测量的m颗GNSS卫星的伪距观测量，计算获得未知接收机钟差δtu；m为正整数；
第二模块，用于设置未知接收机定位迭代求解初值；利用LEO卫星的伪距观测值和GNSS卫星的伪距观测值构成GNSS与LEO联合伪距残差观测值y；
第三模块，用于利用第一模块求解的未知接收机钟差，约束钟差δtu固定不变，实现未知接收机钟差与未知接收机三维位置的解耦，迭代求解未知接收机的三维位置迭代方程，获取未知接收机的三维位置。
所述第一模块中，未知位置的接收机测量的GNSS卫星的伪距观测量的矢量为：
Figure GDA0002427154480000041
其中，未知接收机位置ru＝[ux,uy,uz]T和未知接收机钟差对应的距离cδtu组成未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T；
卫星i在地心地固坐标系下的位置坐标为xi＝(xi,yi,zi)T，
分量
Figure GDA0002427154480000042
Figure GDA0002427154480000043
是卫星i的伪距测量误差；n为正整数；c为光速。
所述第二模块中，未知接收机定位迭代求解初值为x＝[0,0,0,cδtu]T。
所述GNSS与LEO联合伪距残差观测值y为：
Figure GDA0002427154480000044
其中，低轨道卫星伪距观测矢量为
Figure GDA0002427154480000045
n为正整数。
所述第三模块中，迭代求解未知接收机的三维位置迭代方程获取未知接收机的三维位置的方法如下：
未知接收机的三维位置迭代方程为：
Figure GDA0002427154480000046
s.t.x(4)＝cδtu
其中，矩阵
Figure GDA0002427154480000051
矩阵
Figure GDA0002427154480000052
迭代求解未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T；x(4)为x的第四个分量；未知接收机到卫星i的距离
Figure GDA0002427154480000053
设置迭代收敛条件为总迭代次数小于等于K次或
Figure GDA0002427154480000054
阈值η<6；K为设定的迭代次数，为正整数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的方法及系统结合中高轨GNSS卫星解算出的未知用户接收机的钟差，在联合GNSS观测量与LEO卫星观测量对未知用户接收机位置解算过程中进行钟差固定，可实现低轨增强导航定位中未知用户接收机钟差参数与未知用户接收机位置参数的分离，将低轨卫星提供的距离观测量信息全部用于未知用户位置估计，达到提高低轨导航增强未知用户接收机定位精度的优点；
(2)本发明的方法及系统可将LEO卫星的测量观测量充分用于估计未知用户接收机位置，而不需要用于估计接收机钟差，可提供稳健、高精度的低轨导航增强定位结果。
附图说明
图1是本发明GNSS钟差固定的导航增强定位原理图；
图2是低轨卫星可见弧段内，本发明低轨导航增强定位方法低轨导航增强未知接收机位置估计的三维定位误差图；
图3是低轨卫星可见弧段内，本发明低轨导航增强定位的钟差固定性效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图1，对本发明进一步详细说明。
将GNSS(全球导航卫星系统)卫星的星历与观测值与LEO(低轨道)卫星的星历与观测值进行分离，先利用GNSS卫星的星历与观测值进行接收机钟差估计，再利用钟差解耦实现低轨增强定位，最终输出低轨增强定位结果。
一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法，包括如下步骤：
1)利用GNSS卫星的伪距观测值计算出未知接收机钟差(时钟偏差)
未知位置的接收机测量m颗GNSS卫星的伪距观测量，其伪距观测矢量为
Figure GDA0002427154480000061
Figure GDA0002427154480000062
式中未知接收机位置ru＝[ux,uy,uz]T和未知接收机钟差对应的距离cδtu组成未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T，卫星i在地心地固坐标系(ECEF)下的坐标为xi＝(xi,yi,zi)T，
Figure GDA0002427154480000063
是卫星i的伪距测量误差。求解出未知接收机的钟差对应的距离cδtu，m、n为正整数，c为光速，δtu是以秒为单位的未知接收机钟差。
2)设置未知接收机定位迭代求解初值
设置未知接收机定位迭代求解初值为x＝[0,0,0,cδtu]T，其中的前三个分量表示未知接收机的位置，第四个分量为未知接收机钟差对应的距离。
3)利用LEO卫星的伪距观测值和GNSS卫星的伪距观测值组成GNSS与LEO联合伪距残差观测值
将LEO卫星的伪距观测值加入GNSS卫星的伪距观测值，构成GNSS与LEO联合伪距残差观测值方程。低轨道卫星伪距观测矢量为
Figure GDA0002427154480000071
n为正整数；
Figure GDA0002427154480000072
其中y是GNSS与LEO联合伪距残差观测值。
4)固定用户接收机钟差解耦求解未知用户接收机三维位置
利用步骤1)求解的未知接收机钟差，在采用GNSS与LEO卫星联合观测值对未知接收机位置估计的过程中，约束钟差δtu固定不变，实现未知接收机钟差与未知接收机三维位置的解耦，迭代中求解以下方程获取未知接收机的三维位置
Figure GDA0002427154480000073
其中
Figure GDA0002427154480000074
Figure GDA0002427154480000081
设置迭代收敛条件为总迭代次数小于等于K次或
Figure GDA0002427154480000082
阈值η<6。
K为设定的迭代次数，为正整数。未知接收机到卫星i的距离
Figure GDA0002427154480000083
5)输出未知接收机三维位置定位结果
迭代收敛后的定位结果为x*，其前三个分量为低轨增强的未知接收机三维位置估计值定位结果。
图2是本发明在单颗LEO卫星可见弧段内，利用GPS星座与LEO卫星观测数据，采用本发明钟差固定方法后的三维定位误差。由图2可看出，GPS联合LEO卫星的三维定位误差始终小于GPS卫星的定位误差，本发明方法的三维定位稳定且精度较高。
图3是本发明在单颗LEO卫星可见弧段内，利用GPS星座与LEO卫星观测数据，采用本发明钟差固定方法后的钟差与单采用GPS星座计算的接收机钟差一致性对比图。由图3可看出，本发明方法成功实现了用户钟差固定，其利用GPS与LEO卫星联合对未知用户接收机定位时的钟差与仅利用GPS卫星计算的钟差一致。
一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位系统，包括第一模块、第二模块、第三模块；
第一模块，用于接收未知位置的接收机测量的m颗GNSS卫星的伪距观测量，计算获得未知接收机钟差δtu；m为正整数；
第二模块，用于设置未知接收机定位迭代求解初值；利用LEO卫星的伪距观测值和GNSS卫星的伪距观测值构成GNSS与LEO联合伪距残差观测值y；
第三模块，用于利用第一模块求解的未知接收机钟差，约束钟差δtu固定不变，实现未知接收机钟差与未知接收机三维位置的解耦，迭代求解未知接收机的三维位置迭代方程，获取未知接收机的三维位置。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、利用未知位置的接收机测量m颗GNSS卫星的伪距观测量，计算获得未知接收机钟差δtu；m为正整数；
步骤二、设置未知接收机定位迭代求解初值；
步骤三、利用LEO卫星的伪距观测值和GNSS卫星的伪距观测值构成GNSS与LEO联合伪距残差观测值y；
步骤四、利用步骤一求解的未知接收机钟差，约束钟差δtu固定不变，实现未知接收机钟差与未知接收机三维位置的解耦，迭代求解未知接收机的三维位置迭代方程，获取未知接收机的三维位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法，其特征在于：
所述步骤一中，未知位置的接收机测量的GNSS卫星的伪距观测量的矢量为：
Figure FDA0002427154470000011
其中，未知接收机位置ru＝[ux,uy,uz]T和未知接收机钟差对应的距离cδtu组成未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T；
卫星i在地心地固坐标系下的位置坐标为xi＝(xi,yi,zi)T，
分量
Figure FDA0002427154470000012
Figure FDA0002427154470000013
是卫星i的伪距测量误差；n为正整数；c为光速。
3.根据权利要求2所述的一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法，其特征在于：
所述步骤二中，未知接收机定位迭代求解初值为x＝[0,0,0,cδtu]T。
4.根据权利要求3所述的一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法，其特征在于：
所述GNSS与LEO联合伪距残差观测值y为：
Figure FDA0002427154470000021
其中，低轨道卫星伪距观测矢量为
Figure FDA0002427154470000022
n为正整数。
5.根据权利要求4所述的一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位方法，其特征在于：
所述步骤四中，未知接收机的三维位置迭代方程为：
Figure FDA0002427154470000023
s.t.x(4)＝cδtu
其中，矩阵
Figure FDA0002427154470000024
矩阵
Figure FDA0002427154470000025
迭代求解未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T；x(4)为x的第四个分量；未知接收机到卫星i的距离
Figure FDA0002427154470000026
设置迭代收敛条件为总迭代次数小于等于K次或
Figure FDA0002427154470000031
阈值η<6；K为设定的迭代次数，为正整数。
6.一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位系统，其特征在于，包括第一模块、第二模块、第三模块；
第一模块，用于接收未知位置的接收机测量的m颗GNSS卫星的伪距观测量，计算获得未知接收机钟差δtu；m为正整数；
第二模块，用于设置未知接收机定位迭代求解初值；利用LEO卫星的伪距观测值和GNSS卫星的伪距观测值构成GNSS与LEO联合伪距残差观测值y；
第三模块，用于利用第一模块求解的未知接收机钟差，约束钟差δtu固定不变，实现未知接收机钟差与未知接收机三维位置的解耦，迭代求解未知接收机的三维位置迭代方程，获取未知接收机的三维位置。
7.根据权利要求6所述的一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位系统，其特征在于：
所述第一模块中，未知位置的接收机测量的GNSS卫星的伪距观测量的矢量为：
Figure FDA0002427154470000032
其中，未知接收机位置ru＝[ux,uy,uz]T和未知接收机钟差对应的距离cδtu组成未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T；
卫星i在地心地固坐标系下的位置坐标为xi＝(xi,yi,zi)T，
分量
Figure FDA0002427154470000033
Figure FDA0002427154470000034
是卫星i的伪距测量误差；n为正整数；c为光速。
8.根据权利要求7所述的一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位系统，其特征在于：
所述第二模块中，未知接收机定位迭代求解初值为x＝[0,0,0,cδtu]T。
9.根据权利要求8所述的一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位系统，其特征在于：
所述GNSS与LEO联合伪距残差观测值y为：
Figure FDA0002427154470000041
其中，低轨道卫星伪距观测矢量为
Figure FDA0002427154470000042
n为正整数。
10.根据权利要求9所述的一种基于GNSS钟差固定的低轨导航增强定位系统，其特征在于：
所述第三模块中，迭代求解未知接收机的三维位置迭代方程获取未知接收机的三维位置的方法如下：
未知接收机的三维位置迭代方程为：
Figure FDA0002427154470000043
s.t.x(4)＝cδtu
其中，矩阵
Figure FDA0002427154470000044
矩阵
Figure FDA0002427154470000045
迭代求解未知参数矢量x＝[ux,uy,uz,cδtu]T；x(4)为x的第四个分量；未知接收机到卫星i的距离
Figure FDA0002427154470000051
设置迭代收敛条件为总迭代次数小于等于K次或
Figure FDA0002427154470000052
阈值η<6；K为设定的迭代次数，为正整数。
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