CN111103610B - 一种实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置 - Google Patents

一种实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种实时相对定位与精密单点定位融合定位方法，包括：接收第三方服务提供信息和原始观测信息；使用RTK引擎对所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行解算；使用PPP引擎对所述RTK引擎的解算结果和所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行滤波。本发明还提供一种实时相对定位与精密单点定位融合定位装置，包括：RTK引擎和PPP引擎；所述RTK引擎用于从所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行解算出双差模糊度固定解信息和流动站精确坐标；所述PPP引擎用于所述RTK引擎解算出的双差模糊度固定解信息和流动站精确坐标和所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行滤波。本发明综合了网络RTK技术和PPP两技术的优点，大大减少对网络的依赖性。同时，利用绝对的外部信息对引擎的参数估值进行校验，提高了定位结果的可靠性。

Description

一种实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置
技术领域
本发明涉及定位方法及装置，尤其涉及综合使用实时相对定位与精密单点定位融合定位技术的定位方法及装置。
背景技术
实时相对定位技术(Real-Time Kinematic，RTK)技术，是实时处理两个测量站观测量的差分方法，将基准站采集的伪距载波观测值发给用户接收机，进行求差解算坐标。网络RTK技术则是将差分数据通过互联网发送给用户，用户使用接收到的差分数据进行相对定位，进而获得高精度的位置信息。该方法仅能适应有网络连接的场景，要使用网络以获取到相应的差分数据，脱离网络通信则该技术不可使用。
精密单点定位技术(Precise Point Positioning，PPP)利用高精度的卫星轨道钟差，综合考虑各项误差和改正，可在全球范围内获得厘米到毫米的定位精度。基于卫星改正数播发的PPP技术不需要依赖于网络通信，但需要较长时间才能得到较高的定位精度，定位结果可靠性及精度较网络RTK技术稍有欠缺。
同时两种定位技术最后给出的定位结果均是相对最优结果，其可靠性并没有绝对信息进行检验，定位结果的可靠性相对较低。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置，用于解决现有技术适用场景有限、定位结果可靠性相对较差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种实时相对定位与精密单点定位融合定位方法，包括：接收第三方服务提供信息和原始观测信息；使用RTK引擎对所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行解算；使用PPP引擎对所述RTK引擎的解算结果和所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行滤波。
优选地，上述实时相对定位与精密单点定位融合定位方法中，所述第三方服务提供信息和原始观测信息中包括导航卫星精密轨道、钟差、流动站观测值、基准站精确坐标。
优选地，上述实时相对定位与精密单点定位融合定位方法中，还包括定位结果融合处理步骤，所述定位结果融合处理步骤包括：判断所述PPP引擎模糊度固定是否成功，如果成功，则将PPP引擎计算得到的精确的基准站坐标与观测到的基准站坐标真值做比较，以及将PPP引擎计算得到流动站坐标与RTK引擎计算得到的流动站坐标三方向分别作差比较，若所述两个比较结果均小于阀值，则在所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果中择一作为最终定位结果；或将所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果取均值作为最终定位结果。
优选地，上述实时相对定位与精密单点定位融合定位方法中，如果所述PPP引擎模糊度固定不成功，则直接将RTK引擎解算的定位结果作为最终定位结果。
优选地，上述实时相对定位与精密单点定位融合定位方法中，所述RTK引擎的解算结果包括双差模糊度固定解信息和流动站的精确坐标。
本发明还提供一种实时相对定位与精密单点定位融合定位装置，包括：RTK引擎和PPP引擎；所述RTK引擎用于从所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行解算出双差模糊度固定解信息和流动站精确坐标；所述PPP引擎用于所述RTK引擎解算出的双差模糊度固定解信息和流动站精确坐标和所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行滤波。
优选地，上述实时相对定位与精密单点定位融合定位装置中，所述第三方服务提供信息和原始观测信息中包括导航卫星精密轨道、钟差、伪距偏差改正信息、流动站观测值、基准站精确坐标。
优选地，上述实时相对定位与精密单点定位融合定位装置中，还包括定位结果融合处理器，所述定位结果融合处理器判断所述PPP引擎模糊度固定是否成功，如果成功，则将PPP引擎计算得到的精确的基准站坐标与观测到的基准站坐标真值做比较，以及将PPP引擎计算得到流动站坐标与RTK引擎计算得到的流动站坐标三方向分别作差比较，若所述两个比较结果均小于阀值，则在所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果中择一作为最终定位结果；或将所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果取均值作为最终定位结果。
优选地，上述实时相对定位与精密单点定位融合定位装置中，如果所述PPP引擎模糊度固定不成功，则直接将RTK引擎解算的定位结果作为最终定位结果。
如上所述，本发明的实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置，网络RTK技术和PPP技术进行数据融合处理，可综合两技术的优点。定位前期短暂地需要网络支持，可加快精密单点定位技术的收敛，成功收敛后即可脱离网络，从而大大减少对网络的依赖性。同时，本发明的实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置利用绝对的外部信息对引擎的参数估值进行校验，可极大的提高定位结果的可靠性，因此具有极高的产业应用价值。
附图说明
图1所示为本发明实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置的数据流示意图；
图2所示为图1中定位融合处理器的处理的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
首先参阅1，图1所示为本发明实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置的数据流示意图。为显示清楚，图中带有阴影的表示数据，无阴影的表示处理模块。图中第三方服务提供信息和原始观测信息、RTK引擎和RTK输出是网络RTK部分，主要是利用网络RTK技术定位速度快、精度相对较高等特性。
其中第三方服务提供信息和原始观测信息可以包括基准站观测值信息、基准站精确的坐标信息、精密轨道、钟差、伪距偏差、相位偏差信息、流动站观测值。
RTK引擎对第三方服务提供信息和原始观测信息进行处理，得到RTK输出。假设基准站和流动站的编号分别为测站a和测站b，两站可共视的卫星共n颗，分别编号1、2...n，每个卫星可观测的频率数量为f个，分别为1、2...f，那么两站对所有的卫星的观测值可表示为
Figure BDA0001842262440000041
Figure BDA0001842262440000042
其中i代表卫星编号，范围为1-n，f为频率编号，s则代表测站。其中P和L分别代表伪距和载波观测值。那么RTK输出主要包括两种信息：
第一种是双差模糊度固定解信息。RTK引擎通过站星双差可消除大气误差的影响，同时双差模糊度恢复了整数特性，模糊度固定解十分容易获得。一般认为获得的双差模糊度固定解基本为真值，PPP引擎使用双差模糊度解时作为虚拟观测值参与滤波，并给与较大的权重。
第二种信息则是流动站的精确坐标，利用固定的模糊度解可解算得到基线向量，根据基准站的精确坐标即可计算得到流动站的精确位置。RTK引擎处理结果可以表示出下：
Figure BDA0001842262440000043
其中
Figure BDA0001842262440000044
代表站星双差模糊度，Cov则是该参数的方差信息；Xb、Yb、Zb则是测站b的定位结果信息。由于模糊度均为整数解，所以可以认为各双差模糊度及位置结果之间不存在相关性，可以直接使用经验值对各输出信息进行定权。
PPP引擎的功能主要是对所有的信息综合进行滤波处理。如图1所示，PPP引擎处理的信息既包括直发信号和原始观测信息，也包括RTK引擎的输出，PPP引擎将RTK计算结果作为虚拟观测值，附加适当的权，和基准站及流动站观测值同时进行滤波。PPP引擎的输入还可以包括可选信息，例如电离层和对流层等大气改正信息、导航卫星相位偏差改正信息。
PPP引擎滤波器中的待估的参数则主要包括
Figure BDA0001842262440000045
Δxb、Δyb、Δzb、T，其中N代表非差模糊度，I代表测站卫星视线方向电离层延迟，T代表天顶方向对流层延迟，Δxa代表X方向相对于初始位置的坐标改正量。i代表卫星编号，f代表频率，表示该参数每个卫星每个频率均需估计。
Figure BDA0001842262440000051
整体代表测站a与卫星i在频率f上的模糊度参数，其余参数含义类似。
如图1中所示，PPP引擎的输入除了RTK引擎输出的虚拟观测值信息外，还包括以下观测值信息，其中
Figure BDA0001842262440000052
分别为测站a观测到的卫星i在f频率上的伪距和载波观测值；
Figure BDA0001842262440000053
为利用接收到的电离层改正信息计算得到的在频率1上的卫星i斜向电离层改正数；Trop为利用对流层改正信息计算得到天顶方向的对流层延迟改正。Cov则是相应参数的方差信息，对于伪距载波观测值，可依据卫星高度角等信息进行经验定权，而对于大气信息，可以通过播发信息或者经验模型进行方差信息计算，结果可以表示如下。
Figure BDA0001842262440000054
考虑到基准站和流动站距离较近，同时在RTK引擎中同样认为站间单差可以基本消除大气信息影响，在PPP引擎中将对两测站a和b相对于同一颗卫星视线方向上大气延迟当做相同处理。将RTK引擎输出的流动站坐标作为PPP引擎中的坐标初值，同时考虑消去几何距离及其他可用模型精确计算的改正量，则各观测值与待估参数之间的关系如下：
Figure BDA0001842262440000055
其中，
Figure BDA0001842262440000056
代表先验残差；uf为电离层弥散系数，可根据各自频率计算得到；Mi为对流层映射系数，其计算方式为本领域技术人员所公知。
将以上所有的观测值进行滤波，各参数的随机模型与常规精密单点定位技术设置相同，可得到所有参数的滤波结果，可尝试对基准站和流动站的模糊度分别进行模糊度固定，任意一个站的模糊度固定成功即可得到所有的非差模糊度。
PPP引擎将RTK输出作为虚拟观测值，附加适当的权(一种加权的方式是选择以方差信息的倒数作为权值)，和基准站及流动站观测值等同时进行滤波，因此PPP引擎的输出除了模糊度固定信息外，还包括基准站及流动站相关的非差模糊度、大气及定位结果信息，优选地，这些信息可以和RTK的模糊度信息及定位结果互相进行校验，进一步得到所有相关参数的结果，恢复非差模糊度的整数特性，提高定位精度和可靠性，具体方式在以下的定位融合处理介绍部分详细说明。
定位融合处理的流程请参考图2。优选地，定位融合处理首先依据LAMBDA搜索方法得到的Ratio值来判断PPP引擎的模糊度固定是否成功。如果PPP引擎的模糊度固定不成功，则直接使用RTK引擎的定位结果。这种方式的定位效果大多数还是可接受的，因为如果RTK引擎中模糊度固定成功，一般认为定位的精度及可靠性均较高。本发明之所以并不直接使用RTK定位成果，而优选再判断PPP引擎的模糊度固定是否成功，是因为即使RTK引擎模糊度固定成功，依然可能存在模糊度固定错误的情况，进而导致流动站坐标出现较大偏差。
如果PPP引擎模糊度固定成功，则将PPP引擎计算得到的精确的基准站坐标与观测到的基准站坐标真值做比较，以及将PPP引擎计算得到流动站坐标与RTK引擎计算得到的流动站坐标三方向分别作差比较，若均小于阈值，表明定位结果可靠，可在两路得到的流动站坐标中择一作为最终定位结果，也可对两路得到的流动站坐标取均值作为最后结果。
若任一差值大于阈值，表明结果不可靠，需利用其他方法再次进行计算，后续不在本专利考虑范围之内。
这里之所以并不直接使用PPP引擎计算结果，是因为PPP技术同样存在与RTK技术相似的问题，即一般地PPP引擎模糊度固定成功，其定位结果是可接受的，但依然无法对定位结果的可靠性给出一个比较恰当的评价，主要原因是只有内部符合的结果，而没有外部的检验量，没有一个绝对可靠的指标来衡量算法引擎输出的结果。
本专利通过将基准站的观测数据引入到了PPP引擎中，与RTK引擎输出结果及流动站数据同时处理，通过对PPP引擎输出的基准站结果与从网络传送的基准站精确结果进行对比，以此来评价RTK及PPP引擎中各参数估计的精度及可靠性。基准站坐标作为精确的已知值，可以作为精确的绝对检验量，对算法引擎输出的结果进行检验。
综上所述，本发明的实时相对定位与精密单点定位融合定位方法及装置，能够大大减少对网络的依赖性，拓宽了应用场景。而且利用绝对的外部信息对引擎的参数估值进行校验，可极大的提高定位结果的可靠性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种实时相对定位与精密单点定位融合定位方法，其特征在于，包括：
接收第三方服务提供信息和原始观测信息；
使用RTK引擎对所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行解算；
使用PPP引擎对所述RTK引擎的解算结果和所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行滤波；
还包括定位结果融合处理，其步骤包括：
判断所述PPP引擎模糊度固定是否成功，如果成功，则将PPP引擎计算得到的精确的基准站坐标与观测到的基准站坐标真值做比较，以及将PPP引擎计算得到流动站坐标与RTK引擎计算得到的流动站坐标三方向分别作差比较，若两个比较结果均小于阀值，则在所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果中择一作为最终定位结果；或将所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果取均值作为最终定位结果；
如果所述PPP引擎模糊度固定不成功，则直接将RTK引擎解算的定位结果作为最终定位结果；其中，
PPP引擎处理的信息既包括直发信号和原始观测信息，也包括RTK引擎的输出，PPP引擎将RTK计算结果作为虚拟观测值，附加适当的权，和基准站及流动站观测值同时进行滤波；
将RTK引擎输出的流动站坐标作为PPP引擎中的坐标初值，同时消去几何距离及其他可用模型精确计算的改正量，则各观测值与待估参数之间的关系如下：
Figure FDA0003559522800000021
其中，
Figure FDA0003559522800000022
代表先验残差；uf为电离层弥散系数，可根据各自频率计算得到；Mi为对流层映射系数；Xb、Yb、Zb代表观测站b的定位结果信息；N代表非差模糊度；I代表测站卫星视线方向电离层延迟；T代表天顶方向对流层延迟；i代表卫星编号，f代表频率，表示该参数每个卫星每个频率均需估计；
Figure FDA0003559522800000023
整体代表测站a与卫星i在频率f上的模糊度参数；
Figure FDA0003559522800000024
分别为测站a观测到的卫星i在f频率上的伪距和载波观测值；
Figure FDA0003559522800000025
为利用接收到的电离层改正信息计算得到的在频率l上的卫星i斜向电离层改正数；Trop为利用对流层改正信息计算得到天顶方向的对流层延迟改正；
Figure FDA0003559522800000026
中，
Figure FDA0003559522800000027
代表站星双差模糊度；
将以上所有的观测值进行滤波，各参数的随机模型与常规精密单点定位技术设置相同，得到所有参数的滤波结果，可尝试对基准站和流动站的模糊度分别进行模糊度固定，任意一个站的模糊度固定成功即可得到所有的非差模糊度。
2.根据权利要求1所述的实时相对定位与精密单点定位融合定位方法，其特征在于，所述第三方服务提供信息和原始观测信息中包括导航卫星精密轨道、钟差、流动站观测值、基准站精确坐标。
3.根据权利要求2所述的实时相对定位与精密单点定位融合定位方法，其特征在于，所述第三方服务提供信息和原始观测信息中还包括伪距偏差改正信息。
4.根据权利要求1所述的实时相对定位与精密单点定位融合定位方法，其特征在于，所述RTK引擎的解算结果包括双差模糊度固定解信息和流动站的精确坐标。
5.一种实时相对定位与精密单点定位融合定位装置，其特征在于，包括：
RTK引擎和PPP引擎；
所述RTK引擎用于从第三方服务提供信息和原始观测信息进行解算出双差模糊度固定解信息和流动站精确坐标；
所述PPP引擎用于所述RTK引擎解算出的双差模糊度固定解信息和流动站精确坐标和所述第三方服务提供信息和原始观测信息进行滤波；
还包括定位结果融合处理步骤，其包括：
判断所述PPP引擎模糊度固定是否成功，如果成功，则将PPP引擎计算得到的精确的基准站坐标与观测到的基准站坐标真值做比较，以及将PPP引擎计算得到流动站坐标与RTK引擎计算得到的流动站坐标三方向分别作差比较，若两个比较结果均小于阀值，则在所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果中择一作为最终定位结果；或将所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果取均值作为最终定位结果；
如果所述PPP引擎模糊度固定不成功，则直接将RTK引擎解算的定位结果作为最终定位结果；其中，
PPP引擎处理的信息既包括直发信号和原始观测信息，也包括RTK引擎的输出，PPP引擎将RTK计算结果作为虚拟观测值，附加适当的权，和基准站及流动站观测值同时进行滤波；
将RTK引擎输出的流动站坐标作为PPP引擎中的坐标初值，同时消去几何距离及其他可用模型精确计算的改正量，则各观测值与待估参数之间的关系如下：
Figure FDA0003559522800000041
其中，
Figure FDA0003559522800000042
代表先验残差；uf为电离层弥散系数，可根据各自频率计算得到；Mi为对流层映射系数；Xb、Yb、Zb代表观测站b的定位结果信息；N代表非差模糊度；I代表测站卫星视线方向电离层延迟；T代表天顶方向对流层延迟；i代表卫星编号，f代表频率，表示该参数每个卫星每个频率均需估计；
Figure FDA0003559522800000043
整体代表测站a与卫星i在频率f上的模糊度参数；
Figure FDA0003559522800000044
分别为测站a观测到的卫星i在f频率上的伪距和载波观测值；
Figure FDA0003559522800000045
为利用接收到的电离层改正信息计算得到的在频率l上的卫星i斜向电离层改正数；Trop为利用对流层改正信息计算得到天顶方向的对流层延迟改正；
Figure FDA0003559522800000046
中，
Figure FDA0003559522800000047
代表站星双差模糊度；
将以上所有的观测值进行滤波，各参数的随机模型与常规精密单点定位技术设置相同，得到所有参数的滤波结果，可尝试对基准站和流动站的模糊度分别进行模糊度固定，任意一个站的模糊度固定成功即可得到所有的非差模糊度。
6.根据权利要求5所述的实时相对定位与精密单点定位融合定位装置，其特征在于，所述第三方服务提供信息和原始观测信息中包括导航卫星精密轨道、钟差、流动站观测值、基准站精确坐标。
7.根据权利要求6所述的实时相对定位与精密单点定位融合定位装置，其特征在于，所述第三方服务提供信息和原始观测信息中还包括伪距偏差改正信息。
8.根据权利要求6所述的实时相对定位与精密单点定位融合定位装置，其特征在于，还包括定位结果融合处理器，所述定位结果融合处理器判断所述PPP引擎模糊度固定是否成功，如果成功，则将PPP引擎计算得到的精确的基准站坐标与观测到的基准站坐标真值做比较，以及将PPP引擎计算得到流动站坐标与RTK引擎计算得到的流动站坐标三方向分别作差比较，若所述两个比较结果均小于阀值，则在所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果中择一作为最终定位结果；或将所述PPP引擎处理所得定位结果和所述RTK引擎解算所得定位结果取均值作为最终定位结果。
9.根据权利要求8所述的实时相对定位与精密单点定位融合定位装置，其特征在于，如果所述PPP引擎模糊度固定不成功，则直接将RTK引擎解算的定位结果作为最终定位结果。
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