CN110058282A - 一种基于双频gnss智能手机的ppp高精度定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法，涉及高精度导航技术领域，需要优于10m精度的GNSS卫星定位系统的支持，在双频GNSS智能手机上实现。本发明通过IGS/iGMAS信息辅助，利用PPP算法在GNSS原始接收数据上实现分米级及以上高精度定位。手机通过双频GNSS接收机获取GNSS卫星定位系统提供初步的定位结果和原始载波等数据，通过移动互联网接入IGS/iGMAS系统获取GNSS精密轨道、钟差等改正数据，经过手机端运行PPP算法解算出高精度定位结果。本发明克服了当前智能手机定位精度不高带来的问题，在双频GNSS智能手机逐渐成为趋势的市场形势下，将大幅度提升智能手机的定位精度，为基于位置的服务发展搭建了基础设施，更加适应5G与物联网技术时代的高精度定位需求。

Description

一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法
技术领域
本发明涉及高精度导航技术领域，尤其涉及一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法。
背景技术
目前GPS、北斗等卫星导航技术已经能够为个人提供精度优于10m的定位服务，但是由于城市峡谷、复杂电磁环境干扰等因素，使得GPS、北斗等以提供广域服务为目标的卫星导航系统还不足以满足特定城市或更高精度的导航定位需求。实时高精度定位的前沿与热点，主要包括精密单点定位技术和网络RTK技术，也是目前乃至将来实时高精度动态定位的主要技术手段。
从现在实时高精度定位技术的发展来看，主要有两种实时高精度定位服务系统。一种是依靠参考站系统，在参考站网络覆盖范围内提供实时高精度定位服务。该服务系统有很大的弊端，就是作业范围有限，高精度定位必须建立在参考站的服务范围内，要想实现全球覆盖，所需要耗得人力物力也是相当大的。还有一种是为了实现全球覆盖或者为了扩大作业范围而建立的星基导航增强服务系统，该系统主要利用PPP技术，目前已有的系统比如OmniSTAR，StarFire等。
目前市场上各类手机厂商推出的大部分都是单频GNSS智能手机，仅支持接收GNSS卫星导航系统L1频段的导航信号，定位精度可达到米到十米级，只能确定用户大概位置，不足以满足用户的定位需求，以至于给用户的日常生活造成诸多不便。随着智能手机的普及和各类APP的功能实现，依托智能手机实现的数字经济、智能出行、社交旅行、购物消费等都已成为日常生活中不可或缺的组成部分，而各类功能的实现均基于智能手机的定位作用。目前单频GNSS手机仅能达到十米级的定位精度，这只能基本满足基于位置的各类服务的实现，同时也会因定位精度不准确而在物流服务、导航出行等方面造成不便。现阶段，应用在手机端的高精度定位解决方案还比较少，其中比较典型的是千寻位置，基于RTK技术的地基导航增强，能够在手机端实现3-5米的定位精度。千寻位置依靠其在全国建立的2200多个北斗地基增强基站，实现高精度导航定位，但是地基导航增强成本高昂，且区域性限制严重。
随着应用于智能手机端的双频GNSS接收机芯片(博通BCM47755等)的推出，目前市场上已经出现双频GNSS智能手机，包括小米8、华为Mate20等，且GPS、BDS等导航系统整体解决方案的不断进步，未来面向普通消费者的手机等也会渐渐普及双频接收机。此外，国际上从1993年开始搭建国际GNSS服务(International GPS Service，IGS)，提供各跟踪站的GNSS观测资料和IGS的各种精密产品，为高精度导航定位提供基础数据。中国从2012年正式启动国际GNSS监测评估系统(iGMAS)建设，通过建立GNSS全球信号跟踪网络，在多频GNSS接收机以及高增益全向天线的基础上，监控GNSS的服务性能和信号质量，以向全球客户提供服高质量服务。在GPS、BDS、GLONASS导航系统和IGS和iGMAS不断发展的请款下，搭载双频GNSS接收机的智能手机逐渐走向市场，这为在手机端实现高精度导航建立了物理基础。
因此,现有技术中缺乏一种定位方法,充分利用双频GNSS智能手机的物理基础,实现高精度定位服务，克服目前手机端定位精度低且不稳定的缺点。
发明内容
本发明提供一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法，能够提高双频GNSS智能手机的定位能力，有效避免定位漂移或错误定位的现象，为基于定位的导航、位置共享等功能带来更好的用户体验。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法，包括：
双频GNSS智能手机采集双频GNSS观测数据；
双频GNSS智能手机实时获取IGS/iGMAS提供的精密改正数；
利用双频GNSS观测数据和IGS/iGMAS提供的精密改正数，采用非差模型的精密单点定位算法得到高精度定位。
进一步的，双频GNSS观测数据包括：双频GNSS伪距和载波相位观测值、GNSS广播星历、GNSS初步定位结果。
进一步的，精密改正数包括：GNSS精密星历、钟差。
进一步的，所述非差模型的精密单点定位算法包括：
对所述精密改正数中的IGS/iGMAS精密星历数据进行插值或拟合处理；
对所述双频GNSS观测数据进行预处理，预处理包括粗差和周跳的探测、处理；
对所述双频GNSS观测数据中的各类误差采用误差修正模型或观测值的线性组合进行消除，得到处理后的观测数据；
对所述非差模型的精密单点定位进行参数估计，采用扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计、LAMBDA算法建立搜索空间并获得整周模糊度解；
进一步的，在解算所述整周模糊度解时，其中模糊度固定采用分步逐一固定法，用去电离层组合观测值代替原始观测数据，先固定宽通道载波相位模糊度参数，再计算去电离层模糊度参数；
进一步的，所述LAMBDA算法包括模糊度参数变换、模糊度整数解搜索和模糊度可靠性检验，所述参数估计所涉及的参数为定位位置误差、卫星载波相位模糊度和卫星钟差；
进一步的，对所述IGS/iGMAS精密星历数据与GNSS观测数据所做的处理包括：
对所述IGS/iGMAS精密星历数据与所述GNSS观测数据进行时间匹配，选取与当前GNSS数据临近的精密星历数据进行插值处理，计算当前可见GNSS卫星的实时位置和速度。
进一步的，所述粗差和周跳的探测、处理包括：采用M-W组合观测值和电离层残差法相结合的方式来进行周跳和粗差的探测，对于发生粗差的数据予以剔除，对于发生周跳的数据，把相邻的两小段整周模糊度均值之差进行四舍五入处理后，视为两历元间的周跳数。
进一步的，所述误差包括地球自转改正、相对论效应、天线相位中心偏差、电离层延迟、对流层延迟、海洋潮汐。
进一步的，所述双频GNSS智能手机从操作系统底层输出所述高精度定位结果，手机端各类app在用户允许的情况下能够访问高精度定位数据。
本发明的有益效果是：
目前智能手机的定位精度在米到十米级，且会受复杂的电磁环境和城市高楼峡谷影响，定位精度不稳定。本发明以双频GNSS智能手机为基础，实时接收GNSS观测数据，获取IGS/iGMAS提供的精密改正数，采用非差模型的精密单点定位算法得到分米级甚至厘米级高精度定位。本发明仅利用双频GNSS智能手机和GNSS系统即实现了高精度定位功能，摆脱了地基导航设备的限制，基于双频GNSS智能手机优越的物理基础，定位精度高，稳定性强；由于本发明实现的载体为双频GNSS智能手机，直接应用于手机终端，免去技术移植的过程，便于推广，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是双频GNSS智能手机高精度导航硬件示意图；
图2是本发明算法流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法，所适用的双频GNSS智能手机高精度导航硬件系统示意图如图1所示，所述方法的流程图如图2所示，包括：
S1、双频GNSS智能手机采集GNSS广播星历、GNSS初步定位结果、双频观测值，双频观测值包括双频伪距和载波相位观测值。
其中，伪距和载波相位观测值方程为
其中，g表示观测频率g＝Li(i＝1,2)；r和s分别表示GPS接收机和GPS卫星标识；Pg和Lg分别表示以米为单位的伪距和载波相位观测值；ρ为测站(Xr,Yr,Zr)与GPS卫星(Xs,Ys,Zs)间的几何距离；c为光速；dtr为接收机钟差；dts为GPS卫星s的钟差；dIon表示频率1上的电离层误差；f1和f2表示GPS卫星信号频率；表示对流层延迟；Ng为整周模糊度；λg为观测频率g的波长，εp和εφ分别表示伪距和载波相位的多路径误差、观测噪声、卫星端相位未校准延迟和接收机端相位未校准延迟的偏差。
S2、双频GNSS智能手机通过移动互联网实时获取IGS/iGMAS提供的GNSS精密星历、钟差改正数。
S3、对所述精密改正数中的IGS/iGMAS精密星历数据与GNSS观测数据进行处理，IGS/iGMAS精密星历数据与GNSS观测数据进行时间匹配，选取与当前GNSS数据临近的精密星历数据进行九阶拉格朗日插值处理或者切比雪夫多项式拟合，计算当前可见GNSS卫星的实时位置和速度。
S4、利用双频观测值进行去电离层组合，得到去电离层组合观测方程为：
式中，IF表示去电离层组合模型；PIF和LIF代表去电离层组合的虚拟伪距和载波相位观测值；ρ为测站(Xr,Yr,Zr)与GPS卫星(Xs,Ys,Zs)间的几何距离；c为光速；dtr为接收机钟差；dts为GPS卫星s的钟差；表示对流层延迟；λIF代表去电离层组合波长；NIF表示去电离层组合整周模糊度；εp,IF和εφ,IF分别表示去电离层组合伪距观测方程误差和载波相位观测方程误差。
S5、对所述双频GNSS观测数据进行预处理，即粗差和周跳的探测、处理。采用M-W组合观测值和电离层残差法相结合的方式来进行周跳和粗差的探测，对于发生粗差的数据予以剔除，对于发生周跳的数据，把相邻的两小段整周模糊度均值之差进行四舍五入处理后，视为两历元间的周跳数。
对GNSS原始观测数据进行线性组合采用M-W线性组合方式，得到的原始观测数据线性方程为：
式中，表示宽巷观测值，为L1频段和L2频段的载波相位观测值之差；是宽巷模糊度波长；P1和P2分别表示L1频段和L2频段的伪距；NMW＝N1-N2为宽巷模糊度，是L1和L2两个频段的载波相位整周模糊度之差，其中N1和N2分别表示L1频段和L2频段的整周模糊度；f1和f2表示GNSS卫星信号L1和L2频段的频率。
S6、完成预处理后，对去电离层组合观测方程进行线性展开，去电离层组合观测线性方程为：
yk＝Hkx+vk (6)
式中，yk是新获得的量测值；Hk是量测矩阵；x是待估计参数；vk是量测噪声；和表示去电离层组合伪距观和载波相位观测值；(xr,0,yr,0,zr,0)为测站位置；(xs,ys,zs)为经过精密星历修正后的GNSS卫星位置；为测站与GNSS卫星的空间距离；f1表示GPS卫星信号频率；c为光速；εp,IF和εφ,IF分别表示去电离层组合伪距观测方程误差和载波相位观测方程误差。
S7、对所述双频GNSS观测数据中的各类误差采用误差修正模型或观测值的线性组合进行消除，得到处理后的观测数据。误差包括：地球自转改正、相对论效应、天线相位中心偏差、电离层延迟、对流层延迟、海洋潮汐。
S8、依据当前状态载波相位模糊度的估值，采用LAMBDA算法建立搜索空间，固定当前状态载波相位模糊度，根据当前状态载波相位模糊度解算得到高精度定位结果。手机端各类app在用户允许的情况下能够访问高精度定位数据。
利用LAMBDA算法固定整周模糊度的步骤包括：
根据原始观测数据，忽略模糊度整周约束条件，用最小二乘方法估计出模糊度浮点解及对应的协方差矩阵
根据模糊度浮点解及对应的协方差矩阵利用整周变换降低浮点模糊度间的强相关性，即Z变换，如(8)和(9)所示：
式中，Z表示模糊度的整数变换矩阵；和表示降相关后的新模糊度及相应的协方差阵；
根据(8)和(9)，变换后的模糊度搜索空间如(10)所示：
式中，χ2表示搜索空间的大小；满足上式的最小整数向量即为模糊度的固定解；
在上述模糊度搜索固定前，通过序贯取整法判断固定的成功率，若成功率较低，则进入下一历元；若成功率较高，则利用公式(10)遍历搜索空间，其中成功率检验公式如(11)所示：
式中，PS为整数最小二乘法固定成功率，PS,B为序贯取整法固定成功率，和分别为基于整数最小二乘准则和序贯取整准则得到的模糊度固定解，n为待固定模糊度个数，σi|I标准差表示模糊度搜索时第i次搜索的条件方差均方根。
本发明的有益效果是：
目前智能手机的定位精度在米到十米级，且会受复杂的电磁环境和城市高楼峡谷影响，定位精度不稳定。本发明以双频GNSS智能手机为基础，实时接收GNSS观测数据，获取IGS/iGMAS提供的精密改正数，采用非差模型的精密单点定位算法得到分米级甚至厘米级高精度定位。本发明仅利用双频GNSS智能手机和GNSS系统即实现了高精度定位功能，摆脱了地基导航设备的限制，基于双频GNSS智能手机优越的物理基础，定位精度高，稳定性强；由于本发明实现的载体为双频GNSS智能手机，直接应用与手机终端，免去技术移植的过程，便于推广，成本低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于双频GNSS智能手机的PPP高精度定位方法，其特征在于，包括：
双频GNSS智能手机采集双频GNSS观测数据；
双频GNSS智能手机实时获取IGS/iGMAS提供的精密改正数；
利用双频GNSS观测数据和IGS/iGMAS提供的精密改正数，采用非差模型的精密单点定位算法得到高精度定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双频GNSS观测数据包括：双频GNSS伪距和载波相位观测值，GNSS广播星历、GNSS初步定位结果。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述精密改正数包括：GNSS精密星历、钟差。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述非差模型的精密单点定位算法包括：
对所述精密改正数中的IGS/iGMAS精密星历数据与GNSS观测数据进行处理；
对所述双频GNSS观测数据进行预处理，预处理包括粗差和周跳的探测、处理；
对所述双频GNSS观测数据中的各类误差采用误差修正模型或观测值的线性组合进行消除，得到处理后的观测数据；
对所述非差模型的精密单点定位进行参数估计，采用扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计、 LAMBDA算法建立搜索空间并获得整周模糊度解。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在解算所述整周模糊度解时，其中模糊度固定采用分步逐一固定法，用去电离层组合观测值代替原始观测数据，先固定宽巷模糊度和通道载波相位模糊度参数，再计算去电离层模糊度参数。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述LAMBDA算法包括模糊度参数变换、模糊度整数解搜索和模糊度可靠性检验，所述参数估计所涉及的参数为定位位置误差、卫星载波相位模糊度和卫星钟差。
7.根据权利要求4-6任一项所述的方法，其特征在于，对所述IGS/iGMAS精密星历数据与GNSS观测数据所做的处理包括：
对所述IGS/iGMAS精密星历数据与所述GNSS观测数据进行时间匹配，选取与当前GNSS数据临近的精密星历数据进行插值处理，计算当前可见GNSS卫星的实时位置和速度。
8.根据权利要求4-7任一项所述的方法，其特征在于，所述粗差和周跳的探测、处理包括：采用M-W组合观测值和电离层残差法相结合的方式来进行周跳和粗差的探测，对于发生粗差的数据予以剔除，对于发生周跳的数据，把相邻的两小段整周模糊度均值之差进行四舍五入处理后，视为两历元间的周跳数。
9.根据权利要求4-8任一项所述的方法，其特征在于，所述误差包括地球自转改正、相对论效应、天线相位中心偏差、电离层延迟、对流层延迟、海洋潮汐。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述双频GNSS智能手机从操作系统底层输出所述高精度定位结果，手机端各类app在用户允许的情况下能够访问高精度定位数据。
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