CN111736183A - 一种联合bds2/bds3的精密单点定位方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法和装置，属于卫星定位技术领域。本发明采用兼容和共用的原则，利用两类卫星定位系统共有的信号，进行联合定位；对于某一类卫星定位系统独有的信号，单独采用消电离层PPP模型进行计算，进行单独定位；将两种结果进行加权融合，融合后的定位结果即为最终的定位结果。本发明充分利用了两类卫星定位系统的信号，保证了精密单点定位的精度和连续性。
Description
技术领域
本发明涉及一种联合BDS2/BDS的精密单点定位方法和装置，属于卫星定位技术领域。
背景技术
北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我国自主研发，独立运行的卫星导航系统，可以为广大用户提供实时高精度的三维位置和速度，在定位导航、精密农业、电力检测、时间传输、武器装备等领域发挥着不可替代的作用。北斗卫星导航系统建设遵循“三步走”战略，于2012年底北斗二号(BDS2)系统建设完成并且在亚太地区提供RNSS服务和RDSS服务。2020年6月，将发射北斗三号(BDS3)最后一颗组网卫星，届时北斗三号卫星全部发射完毕，将提供全球卫星导航定位、授时服务、短报文通讯等服务[1]。
北斗二号空间星座主要由5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和3颗MEO卫星组成，因为GEO卫星和IGSO卫星轨道较高，定轨精度较差，在精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)中主要往往对此两类卫星观测值进行降权或者舍弃处理，但是BDS2的MEO卫星数量少，所以北斗PPP的定位精度和收敛性相较GPS要差。北斗三号空间星座由3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星组成。当前处于北斗二号到北斗三号系统过渡期间，两类卫星都共存。如何实现两个系统联合解算以提高北斗PPP的定位性能，一直是研究热点和关键难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法和装置，以实现BDS2和BDS3的联合定位。
本发明为解决上述技术问题而提供一种联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法，该定位方法包括以下步骤：
1)获取BDS2和BDS3两类卫星的导航系统的信号，根据BDS2和BDS3两类卫星导航系统的共有观测量，建立联合两类卫星导航系统的观测方程；
2)根据BDS3的独有观测量，建立该类卫星导航型系统的观测方程；
3)对步骤1)和步骤2)中的观测方程分别进行求解，得到相应的状态向量和协方差矩阵，将两种观测方程得到的状态向量和协方差矩阵均进行平滑处理，根据平滑处理后的状态向量和协方差矩阵进行单点定位。
本发明还提供了一种联合BDS2/BDS3的精密单点定位装置，该定位装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现本发明的联合两类卫星导航系统的精密单点定位方法。
本发明采用兼容和共用的原则，利用BDS2和BDS3两类卫星定位系统共有的信号，进行联合定位；对于某一类卫星定位系统独有的信号，单独采用消电离层PPP模型进行计算，进行单独定位；将两种结果进行加权融合，融合后的定位结果即为最终的定位结果。本发明充分利用了BDS2和BDS3两类卫星定位系统的信号，保证了精密单点定位的精度和连续性。
进一步地，建立的联合两类卫星导航系统的观测方程为：
其中，
表示第n个卫星的消电离层伪距，
表示第n个卫星的消电离层载波相位，
表示由接收机指向第n个卫星的在x轴上的余弦向量，
表示由接收机指向第n个卫星的在y轴上的余弦向量，
表示由接收机指向第n个卫星的在z轴上的余弦向量，
表示第n个卫星对流层湿延迟投影函数；
表示第n个卫星的消电离层伪距观测噪声，
表示第n个卫星的消电离层载波相位观测噪声，(δxδyδz)表示位置改正值，δ(cdtr)表示接收机钟差，δTw表示对流层湿延迟，
表示第n个卫星的消电离层模糊度浮点解。
进一步地，平滑处理采用的公式为：
其中
表示tk时刻的两类卫星导航系统联合解算得到的协方差阵，
表示tk时刻的一类卫星导航系统单独解算得到的协方差阵，
表示平滑后的协方差矩阵，
表示tk时刻两类卫星导航系统联合解算得到的状态向量，
表示tk时刻一类卫星导航系统单独解算得到的状态向量，
表示平滑后的状态向量。
进一步地，所述的步骤1)中获取的信号包括观测文件、精密星历文件和精密时钟文件。
进一步地，该方法还包括对步骤1)中获取的信号进行预处理的步骤，所述的预处理包括周跳探测与修复和钟跳探测与修复。
附图说明
图1是本发明联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法的流程图；
图2是本发明联合BDS2/BDS3的精密单点定位装置的结构框图。
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说明。
方法实施例
通过将BDS3和BDS2建模成同一类系统，对不同类型卫星赋不同大小的权值，同时自动识别BDS3和BDS2两类卫星导航系统接收到的相同伪距和载波相位观测量，联合进行定位解算，保证了精密单点定位的精度和连续性。其实现流程如图1所示，具体过程如下。
1.获取BDS2和BDS3的信号。
获取的信号包括BDS2和BDS3的观测文件，以及精密星历文件、地球自传文件和卫星天线文件。
其中BDS3和BDS2的观测文件包含的观测量如表1所示。
表1
由表1可知，BDS2播发频点为B1I、B2I和B3I,而BDS3播发的频点改为B1I、B1C、B2a、B2b和B3I。数字123表示播发的三种载波频率，I、C、a和b表示不同的信号调制方式。不同的载波频率和调制方式，体现在接收机中，通常就表述为，接收到不同的频点，每个频点都有伪距观测量和载波相位观测量，伪距观测量通常用C表示，载波相位观测量通常用L表示。对应表1，可以写为C2I为B1I频点的伪距观测量，L2I为B1I频点的载波相位观测量，其他同理。
为保证所获取的BDS2和BDS3的信号准确性，需要对获取的数据进行预处理，预处理过程主要包括周跳探测与修复和钟跳探测与修复。实现精密单点定位的关键就是需要对数据进行预处理，主要是周跳探测与修复和钟跳探测与修复，以此保证数据的质量，避免较差的数据影响定位的精度。因为周跳探测与修复，钟跳探测与修复都有很多方法，常用的方法有TurboEdit算法、电离层残差法等。
2.建立状态方程。
本发明采用Kalman滤波进行导航定位，卡尔曼滤波是最小均方差估计，采用递推算法，即由参数的验前估值和新的观测数据进行状态参数的更新，如此只需要存储上一个历元的状态和状态协方差。实现卡尔曼滤波的关键在于构建状态方程和观测方程，状态方程是利用本身特性估计下一时刻的状态及其协方差，观测方程是外部提供观测值来修正估计的状态和协方差。因此需要建立较合理、准确地运动模型，而实际的运动过程往往非常复杂，为了便于程序实现，本发明采用最常用的CV模型已知当前历元的位置和速度为X(t)和
以及当前历元的协方差P(t)，利用发明的状态方程估计下一历元的位置和速度为X(t+1)，
上式为估计的下一历元的位置和速度，当精密单点定位中，观测到伪距和载波相位后，可以计算得到t+1时刻的位置和速度，此计算方法就是利用观测方程计算得到的。
式中：X对应着位置和钟差参数，即[X Y Z dtr]，I为4×4阶单位矩阵；Δt为t和t+1之差，对应着接收机的采样频率；W(t)为模型误差向量，可以表示为：
式中：q1、q2分别为状态参数系统噪声的功率谱密度。
通过卡尔曼滤波可以得到最优的位置和速度计算结果。保存t+1时刻的状态值及其协方差X(t+1)、
P(t+1)。
3.建立联合定位的观测方程。
从表1中可以看出，BDS2和BDS3存在共有观测量，如C2I/L2I/C7I/L7I(B1I，B3I)，此两类信号为BDS2和BDS3共有的信号，精密单点定位解算类似于传统的消电离层PPP模型计算，此步可以充分联合BDS2/BDS3卫星进行定位，联合BDS2/BDS3的观测方程如下：
式中：PIF、LIF分别表示消电离层伪距和消电离层载波相位，e表示由接收机指向卫星的余弦向量，mw表示对流层湿延迟投影函数；
和
分别表示消电离层伪距观测噪声和消电离层载波相位观测噪声，右上角数字标表示为观测卫星值。即
表示第n个卫星的消电离层伪距，
表示第n个卫星的消电离层载波相位，
表示由接收机指向第n个卫星的在x轴上的余弦向量，
表示由接收机指向第n个卫星的在y轴上的余弦向量，
表示由接收机指向第n个卫星的在z轴上的余弦向量，
表示第n个卫星对流层湿延迟投影函数；
表示第n个卫星的消电离层伪距观测噪声，
表示第n个卫星的消电离层载波相位观测噪声
而状态参数X为：
(δxδyδz)表示位置改正值，δ(cdtr)表示接收机钟差，δTw表示对流层湿延迟，
表示第n个卫星的消电离层模糊度浮点解，在联合定位解算时，对于GEO/IGSO/MEO卫星观测量权重分别设置为1:2:6，BDS2和BDS3卫星观测权重为1:1，默认为同一类卫星。
4.BDS3单独定位。
从表1中也可以看出，有些观测量是属于BDS3独有的，例如C1D/L1D/C5D/L5D(B1C,B2a.B2b)，在针对独有信号构建观测方程时，仍然采用传统消电离层PPP模型计算，此步计算时，没有BDS2卫星参与计算，观测方程与联合定位的观测方程类似。
联合BDS2/BDS3定位模型和单独BDS3定位模型本质是一致的，关键是采用的卫星和卫星频点不一样。联合定位中，因为要使用BDS2和BDS3卫星，所以必须得采用共有的B1I,B3I频点观测量。而单独BDS3定位，采用其独有的B1C,B2a.B2b频点观测量。
5.定位结果融合。
通过对BDS2/BDS3联合定位的观测方程解算，得到tk时刻的状态向量
及其协方差阵
通过BDS3单独定位的观测方程解算，得到tk时刻的状态向量
及其协方差阵
此时需要将两者的定位结果进行融合，定位结果融合采用类似于前后向平滑算法的融合方式，根据状态量的协方差值进行加权融合，具体公式如下
本发明基于兼容和共用的原则，利用BDS2和BDS3共有的信号，进行联合定位；对于BDS3独有的信号，单独采用消电离层PPP模型进行计算，进行单独定位；将两种结果进行加权融合，融合后的定位结果即为最终的定位结果。本发明通过上述过程将BDS2/BDS3建模成同一类系统，对不同类型北斗卫星赋不同大小的权，同时自动识别BDS2/BDS3接收到的相同伪距和载波相位观测量，联合进行定位解算，保证精密单点定位的精度和连续性。
精密单点定位的原理是指利用单台接收机接收到的伪距和载波相位观测量，采用高精度的卫星精密星历和精密钟差计算卫星位置和速度，同时改正传播中的各类误差，以此构建误差方程，实现高精度定位的一种技术。因此，本发明的定位方法同样适用于其他卫星导航系统的联合定位，所有的卫星导航系统的PPP模型都是通用的。
装置实施例
本实施例提出的装置，如图2所示，包括处理器、存储器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行计算机程序时实现上述方法实施例的方法。也就是说，以上方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现联合两类卫星导航系统的精密单点定位方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置；本实施例所指的存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。
通过上述存储器、处理器以及计算机程序构成的装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，处理器可以搭载各种操作系统，如windows操作系统、linux系统、android、iOS系统等。作为其他实施方式，装置还可以包括显示器，显示器用于将诊断结果展示出来，以供工作人员参考。
Claims (6)
1.一种联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法，其特征在于，该定位方法包括以下步骤：
1)获取BDS2/BDS3两类卫星的导航系统的信号，根据BDS2和BDS3两类卫星导航系统的共有观测量，建立联合两类卫星导航系统的观测方程；
2)根据BDS3独有观测量，建立该卫星导航型系统的观测方程；
3)对步骤1)和步骤2)中的观测方程分别进行求解，得到相应的状态向量和协方差矩阵，将两种观测方程得到的状态向量和协方差矩阵均进行平滑处理，根据平滑处理后的状态向量和协方差矩阵进行单点定位。
2.根据权利要求1所述的联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法，其特征在于，建立的联合两类卫星导航系统的观测方程为：
其中，
表示第n个卫星的消电离层伪距，
表示第n个卫星的消电离层载波相位，
表示由接收机指向第n个卫星的在x轴上的余弦向量，
表示由接收机指向第n个卫星的在y轴上的余弦向量，
表示由接收机指向第n个卫星的在z轴上的余弦向量，
表示第n个卫星对流层湿延迟投影函数；
表示第n个卫星的消电离层伪距观测噪声，
表示第n个卫星的消电离层载波相位观测噪声，(δxδyδz)表示位置改正值，δ(cdtr)表示接收机钟差，δTw表示对流层湿延迟，
表示第n个卫星的消电离层模糊度浮点解。
3.根据权利要求1所述的联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法，其特征在于，平滑处理采用的公式为：
其中
表示tk时刻的两类卫星导航系统联合解算得到的协方差阵，
表示tk时刻的一类卫星导航系统单独解算得到的协方差阵，
表示平滑后的协方差矩阵，
表示tk时刻两类卫星导航系统联合解算得到的状态向量，
表示tk时刻一类卫星导航系统单独解算得到的状态向量，
表示平滑后的状态向量。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法，其特征在于，所述的步骤1)中获取的信号包括观测文件、精密星历文件和精密时钟文件。
5.根据权利要求4所述的联BDS2/BDS3的精密单点定位方法，其特征在于，该方法还包括对步骤1)中获取的信号进行预处理的步骤，所述的预处理包括周跳探测与修复和钟跳探测与修复。
6.一种联合BDS2/BDS3的精密单点定位装置，其特征在于，该定位装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现如上述权利要求1-5任一项所述的联合BDS2/BDS3的精密单点定位方法。
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