CN109946722B - 一种多系统多频段定位方法及系统 - Google Patents

一种多系统多频段定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多系统多频段定位方法及系统，所述定位方法包括以下步骤：S1.接收卫星广播的星历观测信息，并进行预处理；S2.根据预处理后的卫星信息对卫星进行故障检测；S3.进行定位解算并将获得的定位信息输出至用户。本发明可根据信号监收情况自动切换定位模式，如果某个关闭系统或某个频段关闭，系统定位模式会自动切换；人为再卫星信号中添加干扰误差时，本系统可以自动识别出，并将添加了干扰的卫星信号剔除，有效完成定位。

Description

一种多系统多频段定位方法及系统
技术领域
本发明涉及GPS卫星定位领域，尤其涉及一种多系统多频段定位方法及系统。
背景技术
目前，市面上大部分电子产品只有GPS定位功能，部分产品包含GPS/北斗定位功能，但是对北斗做了权重处理，降低了北斗的权重，实质上还是以GPS定位为主。依赖GPS系统最大的问题就是风险不可控，美国曾多次区域性屏蔽GPS信号并加入随机误差，导致被屏蔽区域内依赖于GPS的接收机定位精度明显下降，甚至无法定位。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种多系统多频段定位方法及系统。
本发明采用以下技术方案：一种多系统多频段定位方法，所述定位方法包括以下步骤：S1.接收卫星广播的星历观测信息，并进行预处理；
S2.根据预处理后的卫星信息对卫星进行故障检测；
S3.进行定位解算并将获得的定位信息输出至用户。所述步骤S1包括以下检测子步骤：
S11.门限检测：对频段、星号、伪距、信噪比、多普勒和卫星仰角进行检测；
S12.通道稳定检测：对接收的卫星信息进行通道稳定性检测，当通道稳定一段时间后，即为稳定信息；
S13.卫星信息计算：根据卫星和接收机位置信息，计算出卫星的仰角fi、方位角Az、PDOP、TDOP、GDOP、VDOP和HDOP的值，并将7项参数计算结果作为步骤S2故障检测的判断依据，计算方式如下：
Figure BDA0002014567800000011
Figure BDA0002014567800000012
PDOP＝sqrt(h11+h22+h33)；
TDOP＝sqrt(h44)；
GDOP＝sqrt(h11+h22+h33+h44)；
VDOP＝sqrt(S33)；
HDOP＝sqrt(S11+S22)；
上式中，ΔX、ΔY和ΔZ为卫星与接收机距离，hii为地心地固直角坐标系权系数矩阵元素，Sii为站心坐标系权系数矩阵元素；
S14.定位模式检测：根据接收机的监收状态，匹配定位模式，所述定位模式为GPS定位模式、北斗定位模式或GPS/北斗组合定位模式。
所述步骤S2包括以下子步骤：
S21.判断加权后验证残差是否超出门限值，进而判断系统是否存在故障，所述加权后验证残差计算方法为：
Figure BDA0002014567800000021
Figure BDA0002014567800000022
y＝R-Pr+Pion+Ptrot+Prot-Vc*Δtor-Vc*Δts+Vc*tr；
Sy＝S*ΔL；
式中，w为权值系数，fi为卫星仰角，PDOP(i)为卫星空间几何结构，Pion为电离层，Ptrop为对流层，Factor为通道稳定时间，H为观测向量矩阵系数，R为站星几何距离、Pr为伪距、Prot为地球旋转修正参数、Vc为光速，Sy为残差；Δts为卫星钟差修正量，Δtor为相对论修正量，tr为接收机钟差，S为复合矩阵，ΔL为经过修正的伪距与站星几何距离之差；
S22.若加权后残差超出门限，则为故障卫星；
S23.将已找出的故障卫星进行标记，被标记的卫星不参与定位解算，重复步骤S21～S23，遍历找出所有故障卫星。
所述定位解算采用加权最小二乘融合算法进行定位解算，通过步骤S21得出的权值系数w、修正后的伪距与站星距离的残差y和经过筛选的完好卫星信息，计算出用户位置信息修正量ΔH，计算方式如下：
ΔH＝(ATwA)-1ATwy；
X＝X0+ΔH(1)；
Y＝Y0+ΔH(2)；
Z＝Z0+ΔH(3)；
上式中，X0、Y0、Z0和X、Y、Z分别为接收机上一时刻和当前时刻位置，A为观测向量矩阵系数，ΔH(1)、ΔH(2)、ΔH(3)分别代表WGS 84坐标系三个轴向上的位移修正量。
所述步骤S3还包括后处理子步骤，实际使用过程中，接收机监收信号质量会受到多种干扰因素影响，例如多径效应影响，此时卫星并未发生故障，但是信号传输过程中受高楼、山体等影响，定位结果会出现异常，这就需要结合一段时间内定位数据，对当前时刻的解算数据进行容错处理。
一种多系统多频段定位系统，定位系统包括预处理模块、故障检测模块和定位模块；
所述预处理模块包括门限检测、通道稳定检测、计算卫星信息和定位模式检测子模块；
所述故障检模块包括故障卫星检测和剔除故障卫星子模块；
所述定位模块包括定位解算和后处理子模块。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明可根据信号监收情况自动切换定位模式，如果某个关闭系统或某个频段关闭，系统定位模式会自动切换；
(2)人为再卫星信号中添加干扰误差时，本系统可以自动识别出，并将添加了干扰的卫星信号剔除，有效完成定位。
附图说明
图1是系统整体设计框架及流程图；
图2是加入干扰定位结果图；
图3是故障卫星检测时序图；
图4是定位解算结果图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例一：如图1所示，一种多系统多频段定位方法，所述定位方法包括以下步骤：
S1.接收卫星广播的星历观测信息，并进行预处理；
S2.根据预处理后的卫星信息对卫星进行故障检测；
S3.进行定位解算并将获得的定位信息输出至用户。所述步骤S1包括以下检测子步骤：
S11.门限检测：对频段、星号、伪距、信噪比、多普勒和卫星仰角进行检测，门限值如表1：
检测量 门限值
频段 [1,6]
星号 [1,32]
伪距 [1e7,5e9]
信噪比 [40,100]
多普勒 [1e-3,5e4]
卫星仰角 [6,90]
表1门限列表
S12.通道稳定检测：对接收的卫星信息进行通道稳定性检测，当通道稳定一段时间后，即为稳定信息；
S13.卫星信息计算：根据卫星和接收机位置信息，计算出卫星的仰角fi、方位角Az、PDOP、TDOP、GDOP、VDOP和HDOP的值，并将7项参数计算结果作为步骤S2故障检测的判断依据，计算方式如下：
Figure BDA0002014567800000041
Figure BDA0002014567800000042
PDOP＝sqrt(h11+h22+h33)；
TDOP＝sqrt(h44)；
GDOP＝sqrt(h11+h22+h33+h44)；
VDOP＝sqrt(S33)；
HDOP＝sqrt(S11+S22)；
上式中，ΔX、ΔY和ΔZ为卫星与接收机距离，hii为地心地固直角坐标系权系数矩阵元素，Sii为站心坐标系权系数矩阵元素；
S14.定位模式检测：根据接收机的监收状态，匹配定位模式，所述定位模式为GPS定位模式、北斗定位模式或GPS/北斗组合定位模式。
所述步骤S2包括以下子步骤：
S21.判断加权后验证残差是否超出门限值，进而判断系统是否存在故障，所述加权后验证残差计算方法为：
Figure BDA0002014567800000051
Figure BDA0002014567800000052
y＝R-Pr+Pion+Ptrot+Prot-Vc*Δtor-Vc*Δts+Vc*tr；
Sy＝S*ΔL；
式中，w为权值系数，fi为卫星仰角，PDOP(i)为卫星空间几何结构，Pion为电离层，Ptrop为对流层，Factor为通道稳定时间，H为观测向量矩阵系数，R为站星几何距离、Pr为伪距、Prot为地球旋转修正参数、Vc为光速，Sy为残差；Δts为卫星钟差修正量，Δtor为相对论修正量，tr为接收机钟差，S为复合矩阵，ΔL为经过修正的伪距与站星几何距离之差；
S22.若加权后残差超出门限，则为故障卫星；
S23.将已找出的故障卫星进行标记，被标记的卫星不参与定位解算，重复步骤S21～S23，遍历找出所有故障卫星。
所述定位解算采用加权最小二乘融合算法进行定位解算，通过步骤S21得出的权值系数w、修正后的伪距与站星距离的残差y和经过筛选的完好卫星信息，计算出用户位置信息修正量ΔH，计算方式如下：
ΔH＝(ATwA)-1ATwy；
X＝X0+ΔH(1)；
Y＝Y0+ΔH(2)；
Z＝Z0+ΔH(3)；
上式中，X0、Y0、Z0和X、Y、Z分别为接收机上一时刻和当前时刻位置，A为观测向量矩阵系数，ΔH(1)、ΔH(2)、ΔH(3)分别代表WGS 84坐标系三个轴向上的位移修正量。
所述步骤S3还包括后处理步骤，实际使用过程中，接收机监收信号质量会受到多种干扰因素影响，例如多径效应影响，此时卫星并未发生故障，但是信号传输过程中受高楼、山体等影响，定位结果会出现异常，这就需要结合一段时间内定位数据，对当前时刻的解算数据进行容错处理。容错依据见表2：
容错量 门限值
速度 [0,300]
加速度 [0,20]
位移 [0,354]
位置 [6377000，20200000]
位移推算偏差 [0,30]
表2容错门限表
一种多系统多频段定位系统，定位系统包括预处理模块、故障检测模块和定位模块；
所述预处理模块包括门限检测、通道稳定检测、计算卫星信息和定位模式检测子模块；
所述故障检模块包括故障卫星检测和剔除故障卫星子模块；
所述定位模块包括定位解算和后处理子模块。
基于上述实施例，选取一组数据进行说明：本组数据时长600s，包含GPS和北斗卫星数据。
第一步：卫星数据加误差；
200s-250s，在一颗GPS卫星上加入10m误差干扰；
300s-350s，在两颗GPS卫星上加入10m误差干扰。
第二步：干扰影响分析；
利用加入了干扰的数据直接进行定位解算，定位结果如图2，在200s-250s和300s-350s两个时间段内，由于加入了卫星误差，相对定位误差跳变到5m左右；未加入卫星误差时间段，相对定位误差明显较小，仅为1m。再实际使用环境中，卫星信号传播过程中会引入各种误差，导致定位精度变差甚至无法定位。
第三步：故障卫星检测；
参与定位卫星个数见图3：在图中可以看出，未加入误差时间段，参与定位卫星个数为30颗；200s-250s参与定位卫星个数为29颗，300s-350s参与定位卫星个数为28颗，加入干扰的卫星已经被剔除。
第四步：定位解算；
剔除了加入干扰的卫星后，进行定位解算，定位结果见图4。
定位结果可以看出，经过卫星信号检测再进行定位后，定位误差恢复1m左右，说明本算法可以有效的解决GPS数据人为加入干扰的影响。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明可根据信号监收情况自动切换定位模式，如果某个关闭系统或某个频段关闭，系统定位模式会自动切换；
(2)人为再卫星信号中添加干扰误差时，本系统可以自动识别出，并将添加了干扰的卫星信号剔除，有效完成定位。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种多系统多频段定位方法，其特征在于：所述定位方法包括以下步骤：
S1.接收卫星广播的星历观测信息，并进行预处理；
S2.根据预处理后的卫星信息对卫星进行故障检测，包括以下子步骤：
S21.判断加权后验证残差是否超出门限值，进而判断系统是否存在故障，所述加权后验证残差计算方法为：
Figure FDA0004093152930000011
Figure FDA0004093152930000012
Sy＝S*ΔL；
y＝R-Pr+Pion+Prot+Prot-Vc*Δtor-Vc*Δts+Vc*tr；
式中，w为权值系数，fi为卫星仰角，PDOP(i)为卫星空间几何结构，Pion为电离层，Ptrop为对流层，Factor为通道稳定时间，H为观测向量矩阵系数，R为站星几何距离、Pr为伪距、Prot为地球旋转修正参数、Vc为光速，Sy为残差；Δts为卫星钟差修正量，Δtor为相对论修正量，tr为接收机钟差，S为复合矩阵，ΔL为经过修正的伪距与站星几何距离之差，y为修正后的伪距与站星距离的残差；
S22.若加权后残差超出门限，则为故障卫星；
S23.将已找出的故障卫星进行标记，被标记的卫星不参与定位解算，重复步骤S21～S23，遍历找出所有故障卫星；
S3.进行定位解算并将获得的定位信息输出至用户。
2.如权利要求1所述的一种多系统多频段定位方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下检测子步骤：
S11.门限检测：对频段、星号、伪距、信噪比、多普勒和卫星仰角进行检测；
S12.通道稳定检测：对接收的卫星信息进行通道稳定性检测，当通道稳定一段时间后，即为稳定信息；
S13.卫星信息计算：根据卫星和接收机位置信息，计算出卫星的仰角fi、方位角Az、
PDOP、TDOP、GDOP、VDOP和HDOP参数值，并将参数值结果作为步骤S2故障检测的判断依据；
S14.定位模式检测：根据接收机的监收状态，匹配定位模式。
3.如权利要求1所述的一种多系统多频段定位方法，其特征在于：所述定位解算采用加权最小二乘融合算法进行定位解算，通过步骤S21得出的权值系数w、修正后的伪距与站星距离的残差y和经过筛选的完好卫星信息，计算出用户位置信息修正量ΔH。
4.如权利要求1所述的一种多系统多频段定位方法，其特征在于：所述步骤S3还包括后处理子步骤，考虑到接收机监收信号质量会受到多种干扰因素影响，此时卫星并未发生故障，但是信号传输过程中受高楼、山体的影响，定位结果会出现异常，需要结合一段时间内定位数据，对当前时刻的解算数据进行容错处理。
5.如权利要求2所述的一种多系统多频段定位方法，其特征在于：所述定位模式为GPS定位模式、北斗定位模式或GPS/北斗组合定位模式。
6.如权利要求3所述的一种多系统多频段定位方法，其特征在于：所述用户位置信息修正量ΔH的计算式为：
ΔH＝(ATwA)-1ATwy；
X＝X0+ΔH(1)；
Y＝Y0+ΔH(2)；
Z＝Z0+ΔH(3)；
式中，X0、Y0、Z0和X、Y、Z分别为接收机上一时刻和当前时刻位置，A为观测向量矩阵系数，ΔH(1)、ΔH(2)和ΔH(3)分别代表坐标系三个轴向上的位移修正量。
7.一种多系统多频段定位系统，用于实现权利要求1～6任意一项所述的一种多系统多频段定位方法，其特征在于：定位系统包括预处理模块、故障检测模块和定位模块；
所述预处理模块包括门限检测、通道稳定检测、计算卫星信息和定位模式检测子模块；
所述故障检模块包括故障卫星检测和剔除故障卫星子模块；
所述定位模块包括定位解算和后处理子模块。
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