CN110045407B - 一种分布式伪卫星/gnss优化定位方法 - Google Patents

一种分布式伪卫星/gnss优化定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式伪卫星/GNSS优化定位方法，涉及导航定位技术领域。本发明采用基准站坐标约束的差分信息修正法来解决伪卫星高精度时间同步问题，采用优选的伪卫星联合GNSS的模糊固定方法，解决了伪卫星伪距多径时时需要已知点初始化问题或GNSS卫星观测不足导致定位失败问题，采用延迟模糊度固定方法解决了频繁升降的GNSS/伪卫星对定位精度造成的不利影响。本发明具有重要的工程实际应用价值，提高了复杂环境下高精度定位的可用性和可靠性。

Description

一种分布式伪卫星/GNSS优化定位方法
技术领域
本发明涉及导航定位技术领域，特别是指一种分布式伪卫星/GNSS优化定位方法。
背景技术
目前，基于精密单点定位和实时动态定位的GNSS高精度定位方法在测绘、精细农业、海洋勘探、飞机精密渐近等领域发挥着重要的作用，极大的提升了行业的作业模式。然而，在城市峡谷、林木遮挡及横立广告牌等复杂环境下，GNSS信号被遮挡，导致用户可视范围内的GNSS卫星频繁升降甚至出现可视GNSS卫星不足情况。此时，基于GNSS的高精度定位在可用性和稳健性等方面面临致命性问题。
作为GNSS定位系统的有效辅助系统，分布式伪卫星能增加用户可视范围内的卫星数量，从而改善用户的几何结构。但是，当前的分布式伪卫星高精度时间同步处理手段复杂且不易操作，同时伪卫星自身存在严重的伪距多径问题，影响其本身使用性能。另外，在处理GNSS在复杂环境条件下频繁升降问题时，先前模糊度固定方法会将该频繁升降卫星引入模糊度固定中，导致整体的模糊度固定失败而定位效果变差。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种分布式伪卫星/GNSS优化定位方法，能够有效提升复杂环境的分布式伪卫星/GNSS高精度定位性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其包括以下步骤：
(1)基准站实时跟踪GNSS和伪卫星信号，产生GNSS和伪卫星的伪距、载波相位和多普勒观测量；
(2)依据基准站精确位置进行站星几何距离、电离层和对流层的系统误差修正，获得基准站的GNSS和伪卫星的伪距、载波相位和多普勒的差分改正数，并发送给用户站；
(3)用户站基于基准站的差分改正数修正自身伪距、载波相位和多普勒观测量，实现用户站的GNSS和伪卫星的星间时间同步；
(4)用户站基于自身初始位置进行站星几何距离、电离层和对流层的系统误差修正，获得修正后的用户站GNSS和伪卫星的伪距、载波和多普勒观测量；
(5)基于修正后的用户站GNSS和伪卫星的载波和多普勒观测量，采用多普勒法进行载波相位的周跳探测；
(6)基于修正后的伪卫星的载波和多普勒观测量，以及修正后的GNSS的伪距、载波和多普勒观测量，构建第一观测方程；
(7)对模糊度参数设置约束条件，根据第一观测方程和约束条件构建第二观测方程，基于第二观测方程进行参数估计，获得模糊度的浮点解及其方差阵信息；
(8)依据模糊度的浮点解及其方差阵信息，基于LAMBDA方法进行模糊度搜索，获得模糊度的整数值；
(9)将步骤(8)得到的模糊度整数值作为已知量代入到第一观测方程中，基于第一观测方程进行参数估计，获得高精度的坐标。
进一步地，所述步骤(2)的具体方式为：
(201)设置基准站对GNSS的伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure BDA0002058237480000031
Figure BDA0002058237480000032
Figure BDA0002058237480000033
其中，
Figure BDA0002058237480000034
和
Figure BDA0002058237480000035
分别代表基准站b观测的GNSS卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure BDA0002058237480000036
和
Figure BDA0002058237480000037
分别代表基准站b观测的GNSS卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure BDA0002058237480000038
表示基准站b和GNSS卫星i之间的几何距离，
Figure BDA0002058237480000039
表示电离层延迟，
Figure BDA00020582374800000310
表示对流层延迟，
Figure BDA00020582374800000311
和δtb,s分别代表GNSS卫星i的钟差和基准站b的接收机钟差，γs和
Figure BDA00020582374800000312
分别代表GNSS卫星载波相位的波长和模糊度参数，C代表光速，上标点号表示导数；
(202)根据卫星广播星历获得卫星坐标，联合已知的基准站坐标，获得基准站和卫星间的几何距离
Figure BDA00020582374800000313
及其变化率
Figure BDA00020582374800000314
同时基于广播电离层模型和对流层模型获得电离层延迟
Figure BDA00020582374800000315
对流层延迟
Figure BDA00020582374800000316
电离层变化率
Figure BDA00020582374800000317
和对流层变化率
Figure BDA00020582374800000318
由此，根据下式求解GNSS的伪距差分改正数
Figure BDA00020582374800000319
载波相位差分改正数
Figure BDA00020582374800000320
和多普勒差分改正数
Figure BDA00020582374800000321
Figure BDA00020582374800000322
Figure BDA00020582374800000323
Figure BDA00020582374800000324
(203)设置基准站对伪卫星的伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure BDA0002058237480000041
Figure BDA0002058237480000042
Figure BDA0002058237480000043
其中，
Figure BDA0002058237480000044
和
Figure BDA0002058237480000045
分别代表基准站b观测的伪卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure BDA0002058237480000046
和
Figure BDA0002058237480000047
分别代表基准站b观测的伪卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure BDA0002058237480000048
表示基准站b和伪卫星i之间的几何距离，
Figure BDA0002058237480000049
和δtb,l分别代表伪卫星i的钟差和基准站b的接收机钟差，γl和
Figure BDA00020582374800000410
分别代表伪卫星载波相位的波长和模糊度参数；
(204)根据伪卫星坐标和已知的基准站坐标，获得基准站和伪卫星间的几何距离
Figure BDA00020582374800000411
及其变化率
Figure BDA00020582374800000412
由此，根据下式求解伪卫星的伪距差分改正数
Figure BDA00020582374800000413
载波相位差分改正数
Figure BDA00020582374800000414
和多普勒差分改正数
Figure BDA00020582374800000415
Figure BDA00020582374800000416
Figure BDA00020582374800000417
Figure BDA00020582374800000418
进一步地，所述步骤(3)的具体方式为：
(301)设置用户站对GNSS的伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure BDA00020582374800000419
Figure BDA0002058237480000051
Figure BDA0002058237480000052
其中，
Figure BDA0002058237480000053
和
Figure BDA0002058237480000054
分别代表用户站r观测的GNSS卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure BDA0002058237480000055
和
Figure BDA0002058237480000056
分别代表用户站r观测的GNSS卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure BDA0002058237480000057
表示用户站r和GNSS卫星i之间的几何距离，
Figure BDA0002058237480000058
表示电离层延迟，
Figure BDA0002058237480000059
表示对流层延迟，
Figure BDA00020582374800000510
和δtr,s分别代表卫星i的钟差和用户站r的接收机钟差，γs和
Figure BDA00020582374800000511
分别代表载波相位的波长和模糊度参数，C代表光速，上标点号表示导数；
(302)根据基准站对GNSS的伪距差分改正数
Figure BDA00020582374800000512
载波相位差分改正数
Figure BDA00020582374800000513
和多普勒差分改正数
Figure BDA00020582374800000514
按照下式实现用户站的高精度GNSS星间同步：
Figure BDA00020582374800000515
Figure BDA00020582374800000516
Figure BDA00020582374800000517
其中，
Figure BDA00020582374800000518
和
Figure BDA00020582374800000519
分别代表基站和用户站的伪距噪声、载波噪声和多普勒噪声值，GNSS卫星钟差通过基准站差分改正数消除，从而实现GNSS卫星间的高精度时间同步；
(303)设置用户站对伪卫星的伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure BDA00020582374800000520
Figure BDA00020582374800000521
Figure BDA0002058237480000061
其中，
Figure BDA0002058237480000062
和
Figure BDA0002058237480000063
分别代表用户站r观测的伪卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure BDA0002058237480000064
和
Figure BDA0002058237480000065
分别代表用户站r观测的伪卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure BDA0002058237480000066
表示用户站r和伪卫星i之间的几何距离，
Figure BDA0002058237480000067
和δtr,l分别代表伪卫星i的钟差和用户站r的接收机钟差，γl和
Figure BDA0002058237480000068
分别代表伪卫星载波相位的波长和模糊度参数；
(304)根据基准站对伪卫星的伪距差分改正数
Figure BDA0002058237480000069
载波相位差分改正数
Figure BDA00020582374800000610
和多普勒差分改正数
Figure BDA00020582374800000611
按照下式实现用户站的高精度伪卫星的同步：
Figure BDA00020582374800000612
Figure BDA00020582374800000613
Figure BDA00020582374800000614
其中，
Figure BDA00020582374800000615
和
Figure BDA00020582374800000616
分别代表基站和用户站相对的伪距噪声、载波噪声和多普勒噪声值，伪卫星钟差通过基准站差分改正数消除，从而实现伪卫星间的高精度时间同步。
进一步地，所述步骤(4)中，获得修正后的用户站相对于GNSS和伪卫星的伪距、载波和多普勒观测量后，采用中位数法进行数据预处理，剔除异常的GNSS伪距观测数据。
进一步地，所述步骤(5)的具体方式为：
对于卫星i，若值ΔL超过预设门限，则认定该卫星存在载波相位跳变，并进行周跳的标记；其中，
Figure BDA0002058237480000071
Figure BDA0002058237480000072
和ΔDi(t)分别为修正后的t时刻的卫星i的载波相位测量值和多普勒值。
进一步地，所述第一观测方程为：
Figure BDA0002058237480000073
Figure BDA0002058237480000074
Figure BDA0002058237480000075
Figure BDA0002058237480000076
Figure BDA0002058237480000077
其中，
Figure BDA0002058237480000078
Figure BDA0002058237480000079
A、B、I分别代表矩阵中X、N和时间t的线性化系数，X为用户站坐标，
Figure BDA00020582374800000710
和
Figure BDA00020582374800000711
分别为伪卫星和GNSS卫星对应的载波相位模糊度度参数，L为用户站伪距和载波相位观测向量，PL为对应观测向量的协方差阵，PΔρ和
Figure BDA00020582374800000712
分别为伪距和载波向量的权阵。
进一步地，所述步骤(7)中设置约束条件的具体方式为：
(701)若卫星的累计模糊度未固定时间超过预设值，则对模糊度进行重新初始化并设置先验权；
(702)若卫星的模糊度参数已固定且没有发生周跳，则将该模糊度进行强约束处理；
(703)对重新初始化的模糊度和已固定的模糊度设置约束观测方程：
NX＝NX0
PX＝PX0
其中，NX为重新初始模糊度和先前已固定模糊度组成的向量，PX为对应向量的权阵，NX0和PX0分别为对应向量的初始值及先验权阵。
所述第二观测方程为：
T＝G K
Figure BDA0002058237480000081
其中，
Figure BDA0002058237480000082
PT为向量T的方差阵。
浮点解K及其方差阵QT分别为：
K＝(GTPTG)-1GTPTT
QT＝(GTPTG)-1。
上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆。
进一步地，所述步骤(8)的具体方式为：
(1)对于频繁升降的GNSS或伪卫星，当连续观测时间满足阈值条件后，根据搜索固定的模糊度浮点解及其协方差阵，采用LAMBDA方法进行模糊度搜索，获得模糊度固定值；其中，仅当伪卫星模糊度方差阵的单位对角线元素满足门限值时，才使该伪卫星的模糊度参与模糊度搜索固定。
(2)将模糊度固定值作为已知值带入到观测方程中，求解其它伪卫星模糊度浮点值并进行搜索，获得所有模糊度的整数解。
采用上述技术方案的有益效果在于：
1、本发明采用伪卫星载波和GNSS伪距/载波联合估计方法，并采用优选伪卫星联合GNSS的模糊固定方法和延迟模糊度固定方法，解决了伪卫星伪距多径时时需要已知点初始化问题或GNSS卫星观测不足导致定位失败问题，提升了复杂环境下的伪卫星/GNSS高精度定位的实用性和可用性。
2、本发明采用延迟模糊度固定方法，解决了频繁升降的GNSS/伪卫星对定位精度造成的不利影响，最大化解决定位的精度和可靠性问题。
3、本发明从复杂环境使用角度出发，提出了一种分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其基于简洁易行的方式解决了伪卫星高精度时间同步和伪距多径问题，同时有效解决了GNSS卫星频繁升降模糊度固定失败及可视GNSS卫星不足时的高精度定位可用性和稳健性问题。
总之，本发明提高了复杂环境下高精度定位的可用性和可靠性，具有重要的工程实际应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中分布式伪卫星/GNSS优化定位方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示，一种分布式伪卫星/GNSS优化定位方法，包括如下步骤：
1.基准站实时跟踪GNSS/伪卫星并产生伪距、载波相位和多普勒观测量，依据基准站精确位置进行站星几何距离、电离层和对流层等系统误差修正，获得GNSS/伪卫星伪距、载波相位和多普勒差分改正数，并基于网络发送给用户站。具体方式为：
①基准站GNSS伪距、载波相位和多普勒差分改正数计算过程如下
假设基准站GNSS伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure BDA0002058237480000101
Figure BDA0002058237480000102
Figure BDA0002058237480000103
其中，
Figure BDA0002058237480000104
和
Figure BDA0002058237480000105
分别代表基准站b观测的GNSS卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure BDA0002058237480000106
和
Figure BDA0002058237480000107
分别代表基准站b观测的GNSS卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure BDA0002058237480000108
表示基准站b和GNSS卫星i之间的几何距离，
Figure BDA0002058237480000109
表示电离层延迟，
Figure BDA00020582374800001010
表示对流层延迟，
Figure BDA00020582374800001011
和δtb,s分别代表GNSS卫星i的钟差和基准站b的接收机钟差，γs和
Figure BDA00020582374800001012
分别代表GNSS卫星载波相位的波长和模糊度参数，C代表光速，上标点号表示导数。
根据卫星广播星历可获得卫星坐标，然后联合已知的基准站坐标，可精确获得基准站和卫星间的几何距离
Figure BDA00020582374800001013
和变化率
Figure BDA00020582374800001014
同时基于广播电离层模型和对流层模型获得电离层延迟
Figure BDA00020582374800001015
对流层延迟
Figure BDA00020582374800001016
电离层变化率
Figure BDA00020582374800001017
和对流层变化率
Figure BDA00020582374800001018
等，则GNSS伪距差分改正数
Figure BDA00020582374800001019
载波相位差分改正数
Figure BDA00020582374800001020
和多普勒差分改正数
Figure BDA00020582374800001021
可采用如下公式计算：
Figure BDA0002058237480000111
Figure BDA0002058237480000112
Figure BDA0002058237480000113
②基准站的伪卫星伪距、载波相位和多普勒差分改正数计算过程如下：
基准站伪卫星伪距、载波相位和多普勒测量方程如下
Figure BDA0002058237480000114
Figure BDA0002058237480000115
Figure BDA0002058237480000116
其中，
Figure BDA0002058237480000117
和
Figure BDA0002058237480000118
分别代表基准站b观测的伪卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure BDA0002058237480000119
和
Figure BDA00020582374800001110
分别代表基准站b观测的伪卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure BDA00020582374800001111
表示基准站b和伪卫星i之间的几何距离，
Figure BDA00020582374800001112
和δtb,l分别代表伪卫星i的钟差和基准站b的接收机钟差，γl和
Figure BDA00020582374800001113
分别代表伪卫星载波相位的波长和模糊度参数。
根据伪卫星坐标和已知的基准站坐标，可精确获得基准站和伪卫星间的几何距离
Figure BDA00020582374800001114
和变化率
Figure BDA00020582374800001115
则伪卫星伪距差分改正数
Figure BDA00020582374800001116
载波相位差分改正数
Figure BDA00020582374800001117
和多普勒差分改正数
Figure BDA00020582374800001118
可采用如下公式计算：
Figure BDA00020582374800001119
Figure BDA00020582374800001120
Figure BDA00020582374800001121
2.用户站基于基准站的差分改正数修正自身伪距、载波相位和多普勒观测量，达到星间同步的目标，基于自身初始位置进行站星几何距离、电离层和对流层等系统误差修正后，获得修正后的用户站GNSS/伪卫星伪距、载波和多普勒观测量，基于此，采用中位数法进行数据预处理剔除异常GNSS伪距观测数据，同时采用多普勒法进行载波相位的周跳探测。具体方式为：
①基于基准站GNSS伪距、载波相位和多普勒差分改正数，实现用户站的高精度GNSS星间同步的步骤如下：
A.用户站GNSS的伪距、载波相位和多普勒星间同步计算过程如下
假设用户站GNSS伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure BDA0002058237480000121
Figure BDA0002058237480000122
Figure BDA0002058237480000123
其中，
Figure BDA0002058237480000124
和
Figure BDA0002058237480000125
分别代表用户站r观测的GNSS卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure BDA0002058237480000126
和
Figure BDA0002058237480000127
分别代表用户站r观测的GNSS卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure BDA0002058237480000128
表示用户站r和GNSS卫星i之间的几何距离，
Figure BDA0002058237480000129
表示电离层延迟，
Figure BDA00020582374800001210
表示对流层延迟，
Figure BDA00020582374800001211
和δtr,s分别代表卫星i的钟差和用户站r的接收机钟差，γs和
Figure BDA00020582374800001212
分别代表载波相位的波长和模糊度参数，C代表光速，上标点号表示导数。
根据基准站GNSS伪距的差分改正数
Figure BDA00020582374800001213
载波的相位差分改正数
Figure BDA0002058237480000131
和多普勒的差分改正数
Figure BDA0002058237480000132
实现用户站的高精度GNSS星间同步采用如下公式：
Figure BDA0002058237480000133
Figure BDA0002058237480000134
Figure BDA0002058237480000135
其中，
Figure BDA0002058237480000136
和
Figure BDA0002058237480000137
分别代表基站和用户站相对的伪距噪声、载波噪声和多普勒噪声值。在上述公式中，GNSS卫星钟差通过基准站差分改正数消除，基于此实现了GNSS卫星间的高精度时间同步。
B.基于用户站伪卫星伪距、载波相位和多普勒差分改正数，实现用户站的高精度伪卫星星间同步的步骤如下：
用户站伪卫星伪距、载波相位和多普勒测量方程如下
Figure BDA0002058237480000138
Figure BDA0002058237480000139
Figure BDA00020582374800001310
其中，
Figure BDA00020582374800001311
和
Figure BDA00020582374800001312
分别代表用户站r观测的伪卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure BDA00020582374800001313
和
Figure BDA00020582374800001314
分别代表用户站r观测的伪卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure BDA00020582374800001315
表示用户站r和伪卫星i之间的几何距离，
Figure BDA00020582374800001316
和δtr,l分别代表伪卫星i的钟差和用户站r的接收机钟差，γl和
Figure BDA00020582374800001317
分别代表伪卫星载波相位的波长和模糊度参数。
根据基准站伪卫星伪距的差分改正数
Figure BDA00020582374800001318
载波相位差分改正数
Figure BDA0002058237480000141
和多普勒差分改正数
Figure BDA0002058237480000142
实现用户站的高精度伪卫星星间同步采用如下公式：
Figure BDA0002058237480000143
Figure BDA0002058237480000144
Figure BDA0002058237480000145
其中，
Figure BDA0002058237480000146
和
Figure BDA0002058237480000147
分别代表基站和用户站相对的伪距噪声、载波噪声和多普勒噪声值。在上述公式中，伪卫星钟差通过基准站差分改正数消除，基于此实现了伪卫星间的高精度时间同步。
②基于修正后的用户站GNSS/伪卫星伪距、载波和多普勒观测量，采用中位数法进行数据预处理剔除异常伪距观测数据，其具体步骤如下：
假定修正后的伪距观测向量
Figure BDA0002058237480000148
其中，Δρn为修正后的卫星n的伪距观测量，对
Figure BDA0002058237480000149
向量元素求其中位数ΔρX，然后求任意卫星Δρi与中位数之间的差异Δρ，采用如下公式：
Δρ＝|Δρi-ΔρX|
若Δρ超过一定的门限，则认定对应卫星存在伪距异常而进行剔除。
③基于修正后的GNSS/伪卫星载波和多普勒观测量，采用多普勒法进行载波相位的周跳探测，其计算步骤如下：
假定修正后的t时刻的GNSS或伪卫星的载波相位测量值为
Figure BDA00020582374800001410
(i代表卫星号)，对应的多普勒值为ΔDi(t)，则周跳探测采用如下方法：
Figure BDA0002058237480000151
若ΔL超过一定的门限，则认定对应卫星存在载波相位跳变并进行周跳标记。
3.基于修正后的伪卫星载波、多普勒观测量，以及修正后GNSS伪距、载波和多普勒观测量，构建观测方程，对伪卫星载波、GNSS伪距和GNSS载波等相应观测量分别设置不同的先验信息，同时对模糊度参数设置一定的约束，基于上述约束条件和观测方程进行参数估计，获得浮点解及其方差信息。
模糊度的约束方案采用如下思路：若先前模糊度已正确固定，在参数估计前对相关模糊度施加强约束；若先前模糊度未固定累计时间超过一定阈值，则对模糊度重新初始化后且设置先验权。
令
Figure BDA0002058237480000152
Figure BDA0002058237480000153
建立观测方程如下：
Figure BDA0002058237480000154
Figure BDA0002058237480000155
Figure BDA0002058237480000156
Figure BDA0002058237480000157
Figure BDA0002058237480000158
其中，A、B和I分别代表设计矩阵中X、N和时间t的线性化系数，X为用户站坐标，
Figure BDA0002058237480000159
和
Figure BDA00020582374800001510
分别为伪卫星和GNSS卫星对应的载波相位模糊度度参数，L为用户站伪距和载波相位观测向量，PL为对应观测向量的协方差阵，PΔρ和
Figure BDA0002058237480000161
分别为伪距和载波向量的权阵。
针对模糊度参数，①若先前未固定累计时间超过一定阈值，则对模糊度重新初始化后且设置先验权；②若先前模糊度参数已固定且没有发生周跳，则将该模糊度进行强约束处理(先前主流处理方法是将该模糊度作为已知量，该方法的缺点是：“错误”固定的模糊度会导致后续定位结果存在系统性偏差)。重新初始模糊度和已固定模糊度的约束观测方程采用如下公式：
NX＝NX0
PX＝PX0
其中，NX为初始和先前固定模糊度组成的向量，PX为对应向量的权阵，NX0和PX0分别为对应向量的初始值及先验权阵。
联合观测方程和约束观测方程，得到如下观测方程：
T＝G K
Figure BDA0002058237480000162
其中，
Figure BDA0002058237480000163
PT为向量T的方差阵。
基于上述观测方程，可以获得浮点解K及其方差阵QT如下：
K＝(GTPTG)-1GTPTT
QT＝(GTPTG)-1
4.依据模糊度的浮点解及其方差阵信息，基于LAMBDA方法进行模糊度搜索。
是否进行模糊度固定采用如下选择办法：①对于频繁升降的GNSS/伪卫星，当连续观测时间满足一定阈值后才进行模糊度固定；②针对伪卫星，优选部分多径较小的伪卫星(补充导航卫星观测结构不足)参与模糊度固定，获得模糊度固定解后，再求解其它伪卫星模糊度固定值。
假定求解的模糊度浮点解为
Figure BDA0002058237480000171
其方差信息为
Figure BDA0002058237480000172
在此基础上进行模糊度固定选择，选择方案如下：①对于频繁升降的GNSS/伪卫星，当连续观测时间满足一定阈值后才进行模糊度固定，主要保证该卫星对应的模糊度方差阵
Figure BDA0002058237480000173
稳定；②针对伪卫星模糊度而言，依据
Figure BDA0002058237480000174
单位对角线元素
Figure BDA0002058237480000175
仅当
Figure BDA0002058237480000176
满足一定的门限值时，才将该伪卫星模糊度参与模糊度搜索固定。
根据选择，需要搜索固定的模糊度浮点解及其协方差阵分别为
Figure BDA0002058237480000177
和
Figure BDA0002058237480000178
基于此采用LAMBDA方法进行模糊度搜索，获得模糊度固定值
Figure BDA0002058237480000179
然后将其作为已知值带入到观测方程中求解其它伪卫星模糊度浮点值并进行搜索，获得所有模糊度的整数解。
5.最后，将模糊度整数值作为已知量代入到第一观测方程中，基于第一观测方程进行参数估计，即可获得高精度的坐标。
总之，本发明针对复杂环境下GNSS高精度服务失效问题，提供了一种适应复杂环境的分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法。该方法采用基准站坐标约束的差分信息修正法来解决伪卫星高精度时间同步问题，采用优选的伪卫星联合GNSS的模糊固定方法，解决了伪卫星伪距多径时时需要已知点初始化问题或GNSS卫星观测不足导致定位失败问题，采用延迟模糊度固定方法解决了频繁升降的GNSS/伪卫星对定位精度造成的不利影响问题。
本发明提高了复杂环境下高精度定位的可用性和可靠性，是一种更加优化的定位方法，尤其适用于城市峡谷、林木遮挡及横立广告牌等复杂环境下的高精度定位，具有重要的工程实际应用价值。

Claims (8)

1.一种分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基准站实时跟踪GNSS和伪卫星信号，产生GNSS和伪卫星的伪距、载波相位和多普勒观测量；
(2)依据基准站精确位置进行站星几何距离、电离层和对流层的系统误差修正，获得基准站的GNSS和伪卫星的伪距、载波相位和多普勒的差分改正数，并发送给用户站；
(3)用户站基于基准站的差分改正数修正自身伪距、载波相位和多普勒观测量，实现用户站的GNSS和伪卫星的星间时间同步；
(4)用户站基于自身初始位置进行站星几何距离、电离层和对流层的系统误差修正，获得修正后的用户站GNSS和伪卫星的伪距、载波和多普勒观测量；
(5)基于修正后的用户站GNSS和伪卫星的载波和多普勒观测量，采用多普勒法进行载波相位的周跳探测；
(6)基于修正后的伪卫星的载波和多普勒观测量，以及修正后的GNSS的伪距、载波和多普勒观测量，构建第一观测方程；
(7)对模糊度参数设置约束条件，根据第一观测方程和约束条件构建第二观测方程，基于第二观测方程进行参数估计，获得模糊度的浮点解及其方差阵信息；
(8)依据模糊度的浮点解及其方差阵信息，基于LAMBDA方法进行模糊度搜索，获得模糊度的整数值；
(9)将步骤(8)得到的模糊度整数值作为已知量代入到第一观测方程中，基于第一观测方程进行参数估计，获得高精度的坐标。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体方式为：
(201)设置基准站对GNSS的伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure FDA0002623277570000021
Figure FDA0002623277570000022
Figure FDA0002623277570000023
其中，
Figure FDA0002623277570000024
和
Figure FDA0002623277570000025
分别代表基准站b观测的GNSS卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure FDA0002623277570000026
和
Figure FDA0002623277570000027
分别代表基准站b观测的GNSS卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure FDA0002623277570000028
表示基准站b和GNSS卫星i之间的几何距离，
Figure FDA0002623277570000029
表示电离层延迟，
Figure FDA00026232775700000210
表示对流层延迟，
Figure FDA00026232775700000211
和δtb,s分别代表GNSS卫星i的钟差和基准站b的接收机钟差，γs和
Figure FDA00026232775700000212
分别代表GNSS卫星载波相位的波长和模糊度参数，C代表光速，上标点号表示导数；
(202)根据卫星广播星历获得卫星坐标，联合已知的基准站坐标，获得基准站和卫星间的几何距离
Figure FDA00026232775700000213
及其变化率
Figure FDA00026232775700000214
同时基于广播电离层模型和对流层模型获得电离层延迟
Figure FDA00026232775700000215
对流层延迟
Figure FDA00026232775700000216
电离层变化率
Figure FDA00026232775700000217
和对流层变化率
Figure FDA00026232775700000218
由此，根据下式求解GNSS的伪距差分改正数
Figure FDA00026232775700000219
载波相位差分改正数
Figure FDA00026232775700000220
和多普勒差分改正数
Figure FDA00026232775700000221
Figure FDA00026232775700000222
Figure FDA0002623277570000031
Figure FDA0002623277570000032
(203)设置基准站对伪卫星的伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure FDA0002623277570000033
Figure FDA0002623277570000034
Figure FDA0002623277570000035
其中，
Figure FDA0002623277570000036
和
Figure FDA0002623277570000037
分别代表基准站b观测的伪卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure FDA0002623277570000038
和
Figure FDA0002623277570000039
分别代表基准站b观测的伪卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure FDA00026232775700000310
表示基准站b和伪卫星i之间的几何距离，
Figure FDA00026232775700000311
和δtb,l分别代表伪卫星i的钟差和基准站b的接收机钟差，γl和
Figure FDA00026232775700000312
分别代表伪卫星载波相位的波长和模糊度参数；
(204)根据伪卫星坐标和已知的基准站坐标，获得基准站和伪卫星间的几何距离
Figure FDA00026232775700000313
及其变化率
Figure FDA00026232775700000314
由此，根据下式求解伪卫星的伪距差分改正数
Figure FDA00026232775700000315
载波相位差分改正数
Figure FDA00026232775700000316
和多普勒差分改正数
Figure FDA00026232775700000317
Figure FDA00026232775700000318
Figure FDA00026232775700000319
Figure FDA00026232775700000320
3.根据权利要求2所述的分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体方式为：
(301)设置用户站对GNSS的伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure FDA0002623277570000041
Figure FDA0002623277570000042
Figure FDA0002623277570000043
其中，
Figure FDA0002623277570000044
和
Figure FDA0002623277570000045
分别代表用户站r观测的GNSS卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure FDA0002623277570000046
和
Figure FDA0002623277570000047
分别代表用户站r观测的GNSS卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure FDA0002623277570000048
表示用户站r和GNSS卫星i之间的几何距离，
Figure FDA0002623277570000049
表示电离层延迟，
Figure FDA00026232775700000410
表示对流层延迟，
Figure FDA00026232775700000411
和δtr,s分别代表卫星i的钟差和用户站r的接收机钟差，γs和
Figure FDA00026232775700000412
分别代表载波相位的波长和模糊度参数，C代表光速，上标点号表示导数；
(302)根据基准站对GNSS的伪距差分改正数
Figure FDA00026232775700000413
载波相位差分改正数
Figure FDA00026232775700000414
和多普勒差分改正数
Figure FDA00026232775700000415
按照下式实现用户站的高精度GNSS星间同步：
Figure FDA00026232775700000416
Figure FDA00026232775700000417
Figure FDA00026232775700000418
其中，
Figure FDA00026232775700000419
和
Figure FDA00026232775700000420
分别代表基站和用户站的伪距噪声、载波噪声和多普勒噪声值，GNSS卫星钟差通过基准站差分改正数消除，从而实现GNSS卫星间的高精度时间同步；
(303)设置用户站对伪卫星的伪距、载波相位和多普勒测量方程如下：
Figure FDA0002623277570000051
Figure FDA0002623277570000052
Figure FDA0002623277570000053
其中，
Figure FDA0002623277570000054
和
Figure FDA0002623277570000055
分别代表用户站r观测的伪卫星i的伪距、载波和多普勒观测量，
Figure FDA0002623277570000056
和
Figure FDA0002623277570000057
分别代表用户站r观测的伪卫星i的伪距噪声、载波相位测量噪声和多普勒测量噪声，
Figure FDA0002623277570000058
表示用户站r和伪卫星i之间的几何距离，
Figure FDA0002623277570000059
和δtr,l分别代表伪卫星i的钟差和用户站r的接收机钟差，γl和
Figure FDA00026232775700000510
分别代表伪卫星载波相位的波长和模糊度参数；
(304)根据基准站对伪卫星的伪距差分改正数
Figure FDA00026232775700000511
载波相位差分改正数
Figure FDA00026232775700000512
和多普勒差分改正数
Figure FDA00026232775700000513
按照下式实现用户站的高精度伪卫星的同步：
Figure FDA00026232775700000514
Figure FDA00026232775700000515
Figure FDA00026232775700000516
其中，
Figure FDA00026232775700000517
和
Figure FDA00026232775700000518
分别代表基站和用户站相对的伪距噪声、载波噪声和多普勒噪声值，伪卫星钟差通过基准站差分改正数消除，从而实现伪卫星间的高精度时间同步。
4.根据权利要求3所述的分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其特征在于，所述步骤(4)中，获得修正后的用户站相对于GNSS和伪卫星的伪距、载波和多普勒观测量后，采用中位数法进行数据预处理，剔除异常的GNSS伪距观测数据。
5.根据权利要求4所述的分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其特征在于，所述步骤(5)的具体方式为：
对于卫星i，若值ΔL超过预设门限，则认定该卫星存在载波相位跳变，并进行周跳的标记；其中，
Figure FDA0002623277570000063
Figure FDA0002623277570000064
和ΔDi(t)分别为修正后的t时刻的卫星i的载波相位测量值和多普勒值。
6.根据权利要求5所述的分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其特征在于，所述第一观测方程为：
Figure FDA0002623277570000061
Figure FDA0002623277570000062
Figure FDA0002623277570000065
Figure FDA0002623277570000066
Figure FDA0002623277570000067
其中，
Figure FDA0002623277570000068
Figure FDA0002623277570000069
A、B、I分别代表矩阵中X、N和时间t的线性化系数，X为用户站坐标，
Figure FDA00026232775700000610
和
Figure FDA00026232775700000611
分别为伪卫星和GNSS卫星对应的载波相位模糊度参数，L为用户站伪距和载波相位观测向量，PL为对应观测向量的协方差阵，PΔρ和
Figure FDA00026232775700000612
分别为伪距和载波向量的权阵。
7.根据权利要求6所述的分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其特征在于，所述步骤(7)中设置约束条件的具体方式为：
(701)若卫星的累计模糊度未固定时间超过预设值，则对模糊度进行重新初始化并设置先验权；
(702)若卫星的模糊度参数已固定且没有发生周跳，则将该模糊度进行强约束处理；
(703)对重新初始化的模糊度和已固定的模糊度设置约束观测方程：
NX＝NX0
PX＝PX0
其中，NX为重新初始模糊度和先前已固定模糊度组成的向量，PX为对应向量的权阵，NX0和PX0分别为对应向量的初始值及先验权阵；
所述第二观测方程为：
T＝G K
Figure FDA0002623277570000071
其中，
Figure FDA0002623277570000072
PT为向量T的方差阵；
浮点解K及其方差阵QT分别为：
K＝(GTPTG)-1GTPTT
QT＝(GTPTG)-1；
上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆。
8.根据权利要求1所述的分布式伪卫星/GNSS高精度优化定位方法，其特征在于，所述步骤(8)的具体方式为：
(1)对于频繁升降的GNSS或伪卫星，当连续观测时间满足阈值条件后，根据搜索固定的模糊度浮点解及其协方差阵，采用LAMBDA方法进行模糊度搜索，获得模糊度固定值；其中，仅当伪卫星模糊度方差阵的单位对角线元素满足门限值时，才使该伪卫星的模糊度参与模糊度搜索固定；
(2)将模糊度固定值作为已知值带入到观测方程中，求解其它伪卫星模糊度浮点值并进行搜索，获得所有模糊度的整数解。
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