CN109613582A - 一种车载实时单频米级伪距定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车载实时单频米级伪距定位方法，属于卫星导航定位技术领域，包括：计算卫星星固坐标系下坐标轴在地固坐标系下的指向；计算t₁时刻的SSR改正量，首先计算t₁时刻的SSR在星固坐标系的改正量；计算t₂时刻地固坐标系下卫星精确坐标X′_k＝(x′_k,y′_k,z′_k)和钟差δt′_k；计算t₂时刻精确的电离层改正，采用了用了四阶次球谐函数建立的区域电离层模型球谐系数。该方法可以使单频定位终端获得实时米级定位精度服务，无需连接CORS基准站，避免了设备中采用双频模块价格过高，而承担不起的现象。

Description

一种车载实时单频米级伪距定位方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，具体涉及一种车载实时单频米级伪距定位方法。

背景技术

相对于惯性测量、电磁波测距等这些经典测量技术来说，全球卫星导航系统(GNSS)具有观测站间无需通视、定位精度高、观测时间短的特点，它能够实施全球性全天候全天时连续不断的三维导航定位测量，为广大用户提供高精度多用途的导航定位服务。

传统高精度定位技术多为GNSS差分技术，差分技术可以使GNSS定位精度得以大大提高。高精度GNSS差分定位技术经过多年的发展，技术和算法已相对成熟，在测海洋导航、房产测量、车辆管理、农业生产中得到了广泛应用。

近年来，无人驾驶技术日益受社会关注，共享汽车、网约车逐步走入公众生活，车辆的实时定位精度成为这些行业快速发展的重要制约因素之一，车辆使用GNSS差分定位技术想要获取高精度位置必须依靠高密度的基准站，但是基准站建设时间长，运维成本高，一般公司和单位很难独立承担。若是采用传统的单频伪距标准单点定位技术，定位精度只能达到10米左右，无法满足车辆终端用户需求，所以现在多依靠地图匹配技术，完成辅助导航定位，这在实际应用场景、尤其是在城市环境下，将会给用户带来困扰，传统的单频伪距标准单点定位如图1所示。

另外一种高精度定位技术为PPP定位技术。精密单点定位是利用高精度的轨道和钟差产品，综合考虑各项误差改正项，基于伪距和载波相位观测值实现单台接收机的精密绝对定位方法，精密单点定位技术采用非差方式有其灵活性，定位精度取决于IGS的轨道和钟差精度，但是至少需要30分钟收敛定位精度才能得到有效保证。

因此，针对传统的单频伪距定位技术定位精度差以及单频PPP技术收敛时间长的缺点，本发明了一种定位精度可达米级，且无需收敛时间的实时单频伪距定位的技术。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明依托国家北斗地基增强系统框架网基准站和中科院行业数据处理系统平台，针对传统的单频伪距定位技术定位精度差以及单频PPP技术收敛时间长的缺点，提供了一种定位精度可达米级，且无需收敛时间的实时单频伪距定位的技术。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种车载实时单频米级伪距定位方法，包括以下步骤：

步骤1、测量终端通过导航模块芯片测量得到伪距测量值，在时刻t₁由广播星历计算的卫星坐标为X_k＝(x_k,y_k,z_k)，卫星速度矢量为v，钟差改正数为δt_k，与广播星历IODE相符最近的SSR信息时刻为t₀，依据t₀时刻的SSR轨道改正由广播星历计算的轨道和钟差；假设t₀时刻，SSR的轨道改正数为(x₀,y₀,z₀)，钟差改正数为c₀以及对应在该时刻的轨道改正数变化率为(Δx,Δy,Δz)，钟速和钟速率分别为c₁、c₂，SSR中电离层球谐模型球谐系数为A_nm,B_nm；

步骤2、计算卫星星固坐标系下坐标轴在地固坐标系下的指向(e_a,e_c,e_r)(e_a,e_c,e_a)：

步骤3、计算t₁时刻的SSR改正量，首先计算t₁时刻的SSR在星固坐标系的改正量：

根据星固坐标系指向，则地固坐标系中的改正量(x_te,y_te,z_te)为，

步骤4、计算t₂时刻地固坐标系下卫星精确坐标X′_k＝(x′_k,y′_k,z′_k)和钟差δt′_k；

对应的钟差计算为：

δt′_k＝δt_k+(c₀+c₁·(t₁-t₀)+c₂·(t₁-t₀)²) (13)

SSR给出钟差改正数是以距离的形式给出；

步骤5、计算t₂时刻精确的电离层改正，采用了四阶次的球谐函数建立的区域电离层模型，具体形式如下：

式(14)中的A_nm,B_nm为步骤4中SSR播发的球谐系数，P_nm(cosφ_m)为勒让德函数，λ′为过穿刺点经线与过地心--太阳连线的经线之间的夹角；φ_m为地磁纬度；

钟差改正数改正后，修正后的卫星坐标为X′_k＝(x′_k,y′_k,z′_k)，由实时PPP技术提供的SSR修正后的卫星坐标精度可以达到5cm，修正后的卫星钟差δt′_k精度可达0.5ns，修正后的电离层改正为δ′_ion，精度可达0.5米，将上述修正后的改正代入公式(1)，经过修正后的线性误差方程变为：

其中，多组GNSS观测量组成线性误差方程组，然后通过最小二乘方法解算出终端的位置向量，位置向量与标准位置做差来评估定位的精度。

本发明提供的车载实时单频米级伪距定位方法具有以下有益效果：

(1)通过本技术可以使单频定位终端获得实时米级定位精度服务。

(2)适用于各类能够接收GNSS信息的单频终端，该方法针对传统伪距定位技术中误差模型精度不高而导致最终解算的坐标误差较大的情况，通过采用实时PPP技术中的状态空间信息，有效消除了卫星公共误差，提高了卫星轨道和卫星钟差精度，改善了对流层、电离层的误差，使得用户可到实时米级的定位精度。

(3)本方法无需连接CORS基准站，避免了设备中采用双频模块价格过高，而承担不起的现象。单频用户采用本发明提出的伪距定位技术定位，只需GNSS模块支持导航卫星信号跟踪处理，可输出实时伪距定位数据处理单元所需的伪距、星历等原始观测数据，无需对本身设备修改，再通过4G模块通过网络接收SSR改正信息，即可达到实时米级的定位效果，保证了该项技术的适用性。

附图说明

图1为传统的单频伪距标准单点定位原理图；

图2为实时PPP技术提供状态空间信息原理图；

图3为SSR所属坐标系示意图。

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描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例针对传统的单频伪距定位技术定位精度差以及单频PPP技术收敛时间长的缺点，提供了一种定位精度可达米级，且无需收敛时间的实时单频伪距定位的技术。

首先，分析一下传统的单频伪距定位技术和单频PPP技术的原理和过程。

GNSS伪距基本观测方程为

式中，R是伪距，t_e为GNSS卫星发射时刻，t_r为接收机i的GNSS信号接收时刻，c表示光速，下标i和表示接收机和卫星，δt_r和δt_k分别表示接收机和卫星在时刻t_r和t_e时刻的钟差，δ_ion、δ_trop、δ_tide和δ_rel分别表示电离层、对流层、潮汐和相对论效应，潮汐效应包括地区潮汐和海水负荷，ε_c表示残差，是几何距离，式中所有项的单位为m。

在ECEF坐标系中，GNSS伪距观测方程线性化构成线性误差方程，一组GNSS观测量组成线性误差方程组:

或者可表示为矩阵形式

L＝AX+V,X＝dY (2)

式中，m表示观测量维数，待求矢量为X(即dY)，待求解矢量Y可通过将dY与Y⁰相加得到。

上述式(2)误差观测方程，通过最小二乘平差方法就可以解算最终得到矢量Y，即测站位置状态向量X_i(x_i,y_i,z_i)，将此位置向量与标准位置做差就可以评估传统单频伪距定位的精度，一般约为10m。

传统单频伪距单点定位方法的原理图如图1所示，传统单频伪距单点定位精度不高的主要原因为在上述线性误差过程中，广播星历计算的轨道和卫星钟的精度不够高，广播星历轨道根据GNSS监控系统收集的伪距数据计算的拟合轨道外推得到，因此该误差主要取决于监控系统的规模、跟踪方法以及卫星坐标计算的数学模型与软件等因素。一般来说，由广播星历计算得到卫星坐标，精度在几米到几十米之间,广播星历计算得到的钟差一般在5ns。同时通过单频模型采用的电离层改正模型层改正难以准确的估计到电离层改正，所以上述过程中未改正的误差将被接收机钟差吸收导致最后解算的测站位置坐标误差较大。

在GNSS卫星定位过程中，精密PPP定位技术需要使用到载波观测值。载波观测方程可为

式中，Φ是载波相位，是相对于接收机i和卫星k的整周模糊度。

上述方程中由于模糊度中常常含有接收机和卫星端硬件延迟的影响失去整数特性，参数估计中将模糊度参数采用实数解。PPP高精度定位中，模糊度参数的正确解算是关键。然而在某些条件下，正确固定所有模糊度(模糊度全集)是困难的，如卫星刚升起时受多路径和噪声影响较大，某颗卫星发生周跳，模糊度需重新初始化。这些条件下，模糊度需要一定时间才能收敛，未收敛的模糊度将会影响其它模糊度的固定，使得该历元所有模糊度未能通过检验，只能获得实数解，从而影响整体的收敛时间，实时PPP技术提供状态空间信息原理图如图2所示。

本实施例通过向GNSS单频用户提供实时PPP技术中的所用到的状态空间信息(SSR，State Space Representation)来提高定位终端的定位精度，状态空间信息主要包括：卫星轨道误差、卫星钟误差、电离层延迟参数等，车载等各类GNSS单频用户通过网络或者卫星信号接收这类状态空间信息，最终与GNSS数据结合使用便可消除定位过程中的各类主要误差，达到提高定位精度的目的。

本实施例提供的车载实时单频米级伪距定位方法具体为，包括以下步骤：

步骤1、测量终端通过导航模块芯片测量得到伪距测量值，如图3所示，在时刻t₁由广播星历计算的卫星坐标为X_k＝(x_k,y_k,z_k)，卫星速度矢量为v，钟差改正数为δt_k，与广播星历IODE相符最近的SSR信息时刻为t₀，依据t₀时刻的SSR轨道改正由广播星历计算的轨道和钟差；假设t₀时刻，SSR的轨道改正数为(x₀,y₀,z₀)，钟差改正数为c₀以及对应在该时刻的轨道改正数变化率为(Δx,Δy,Δz)，钟速和钟速率分别为c₁、c₂，SSR中电离层球谐模型球谐系数为A_nm,B_nm；

步骤2、计算卫星星固坐标系下坐标轴在地固坐标系下的指向(e_a,e_c,e_r)(e_a,e_c,e_a)：

步骤3、计算t₁时刻的SSR改正量，首先计算t₁时刻的SSR在星固坐标系的改正量：

根据星固坐标系指向，则地固坐标系中的改正量(x_te,y_te,z_te)为，

步骤4、计算t₂时刻地固坐标系下卫星精确坐标X′_k＝(x′_k,y′_k,z′_k)和钟差δt′_k；

对应的钟差计算为：

δt′_k＝δt_k+(c₀+c₁·(t₁-t₀)+c₂·(t₁-t₀)²) (13)

SSR给出钟差改正数是以距离的形式给出；

步骤5、计算t₂时刻精确的电离层改正，采用了四阶次的球谐函数建立的区域电离层模型，具体形式如下：

式(14)中的A_nm,B_nm为步骤4中SSR播发的球谐系数，P_nm(cosφ_m)为勒让德函数，λ′为过穿刺点经线与过地心--太阳连线的经线之间的夹角；φ_m为地磁纬度；

钟差改正数改正后，修正后的卫星坐标为X′_k＝(x′_k,y′_k,z′_k)，由实时PPP技术提供的SSR修正后的卫星坐标精度可以达到5cm，修正后的卫星钟差δt′_k精度可达0.5ns，修正后的电离层改正为δ′_ion，精度可达0.5米，将上述修正后的改正代入公式(1)，经过修正后的线性误差方程变为：

其中，多组GNSS观测量组成线性误差方程组，然后通过最小二乘方法解算出终端的位置向量，位置向量与标准位置做差来评估定位的精度。

本实施例提供的车载实时单频米级伪距定位方法具有以下有益效果：

(1)通过本技术可以使单频定位终端获得实时米级定位精度服务。

(2)适用于各类能够接收GNSS信息的单频终端，该方法针对传统伪距定位技术中误差模型精度不高而导致最终解算的坐标误差较大的情况，通过采用实时PPP技术中的状态空间信息，有效消除了卫星公共误差，提高了卫星轨道和卫星钟差精度，改善了对流层、电离层的误差，使得用户可到实时米级的定位精度。

(3)本方法无需连接CORS基准站，避免了设备中采用双频模块价格过高，而承担不起的现象。单频用户采用本发明提出的伪距定位技术定位，只需GNSS模块支持导航卫星信号跟踪处理，可输出实时伪距定位数据处理单元所需的伪距、星历等原始观测数据，无需对本身设备修改，再通过4G模块通过网络接收SSR改正信息，即可达到实时米级的定位效果，保证了该项技术的适用性。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种车载实时单频米级伪距定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、测量终端通过导航模块芯片测量得到伪距测量值，在时刻t₁由广播星历计算的卫星坐标为X_k＝(x_k,y_k,z_k)，卫星速度矢量为v，钟差改正数为δt_k，与广播星历IODE相符最近的SSR信息时刻为t₀，依据t₀时刻的SSR轨道改正由广播星历计算的轨道和钟差；假设t₀时刻，SSR的轨道改正数为(x₀,y₀,z₀)，钟差改正数为c₀以及对应在该时刻的轨道改正数变化率为(Δx,Δy,Δz)，钟速和钟速率分别为c₁、c₂，SSR中电离层球谐模型球谐系数为A_nm,B_nm；

步骤2、计算卫星星固坐标系下坐标轴在地固坐标系下的指向(e_a,e_c,e_r)(e_a,e_c,e_a)：

步骤3、计算t₁时刻的SSR改正量，首先计算t₁时刻的SSR在星固坐标系的改正量：

根据星固坐标系指向，则地固坐标系中的改正量(x_te,y_te,z_te)为，

步骤4、计算t₂时刻地固坐标系下卫星精确坐标X′_k＝(x′_k,y′_k,z′_k)和钟差δt′_k；

对应的钟差计算为：

δt′_k＝δt_k+(c₀+c₁·(t₁-t₀)+c₂·(t₁-t₀)²) (13)

SSR给出钟差改正数是以距离的形式给出；

步骤5、计算t₂时刻精确的电离层改正，采用了四阶次的球谐函数建立的区域电离层模型，具体形式如下：

式(14)中的A_nm,B_nm为步骤4中SSR播发的球谐系数，P_nm(cosφ_m)为勒让德函数，λ′为过穿刺点经线与过地心--太阳连线的经线之间的夹角；φ_m为地磁纬度；

钟差改正数改正后，修正后的卫星坐标为X′_k＝(x′_k,y′_k,z′_k)，由实时PPP技术提供的SSR修正后的电离层改正为δ′_ion，将上述修正后的改正代入公式(15)，经过修正后的线性误差方程变为：

其中，R是伪距，t_e为GNSS卫星发射时刻，t_r为接收机i的GNSS信号接收时刻，c表示光速，下标i和k表示接收机和卫星，δt_r表示接收机在时刻t_r时刻的钟差，δ_ion、δ_trop、δ_tide和δ_rel分别表示电离层、对流层、潮汐和相对论效应，ε_c表示残差，多组GNSS观测量组成线性误差方程组，然后通过最小二乘方法解算出终端的位置向量，位置向量与标准位置做差来评估定位的精度。