CN112198540A - 一种基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法,属于卫星定位、导航技术领域。本发明包括:海上用户驶离岸上基站差分定位的作用范围内时,以用户为中心,多基站网络覆盖范围为半径,对已知位置信息且能实时接收卫星观测量数据的海上载体进行筛选,将其纳入多基站网络,构成动态网络基站;对新接入多基站网络的海上载体卫星观测量数据进行数据质量监测,剔除定位频点观测量数据缺失、观测质量差或数据异常的观测量数据等。相比于传统的多基站定位方法,本发明利用岸上基站及海上已知位置载体共同构成基准站网络,扩大岸上多基站的作用范围,为用户提供一个可变的、实时覆盖的多基站网络,提高用户的定位精度。

Description

一种基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法
技术领域
本发明公开了一种基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法,涉及利用已知位置的海上载体组成动态网络基站,结合其原始观测信息和导航信息,构建多基站多模多频载波相位定位模型,解算得到用户位置坐标,属于卫星定位、导航技术领域。
背景技术
海上高精度定位导航是保证海洋开发与海洋高技术发展的关键,其紧迫性和必要性日渐显现。传统的海上定位方法,如船用六分仪、推算定位、天文定位等,只适用于对位置精度要求不高的普通用户,无法满足高等级导航性能用户的需求。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)因具有全球性、全天候、高精度的优点而备受关注,成为海上高精度定位领域的研究热点。多基站网络定位技术综合利用多个GNSS基准站构成基准站网,在观测值域借助多基站局域差分方法消除或削弱各误差源造成的测量误差,获得用户高精度位置坐标,解决了单基站差分定位受基线长度限制的问题,在保证定位精度的同时,在更大范围内实现用户的高精度导航定位服务。然而海洋环境的特殊性决定了传统岸上网络基站的分布具有区域限制性,多基站网络定位应用到海上时,受到陆地基准站覆盖距离限制,无法对超过一定距离范围的用户进行高精度定位。
考虑到海上存在一些高精度定位成功的船舶或其他海上载体等用户端,为将多基站网络定位技术应用到海上,充分利用这些已知高精度位置的海上载体,将其接入到多基站网络,扩大多基站网络的覆盖范围,提高海上作业范围,使高精度定位技术在海上的科研实践中发挥更大的作用。综上所述,设计一种基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法具有相当的迫切性。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法,充分利用海上已知的信息资源,将海岸周围基准站与海上已知位置载体共同构成多基站网络,且随着海上用户的移动,不断变更多基站网络,形成动态网络基站,保证用户一直被多基站网络覆盖,从而实现高精度定位。
本发明的目的是这样实现的:
步骤1,海上用户驶离岸上基站差分定位的作用范围内时,以用户为中心,多基站网络覆盖范围为半径,对已知位置信息且能实时接收卫星观测量数据的海上载体进行筛选,将其纳入多基站网络,构成动态网络基站;
步骤2,对新接入多基站网络的海上载体卫星观测量数据进行数据质量监测,剔除定位频点观测量数据缺失、观测质量差或数据异常的观测量数据;
步骤3,建立基于动态网络基站的多基站多频非组合观测数学模型,将电离层、对流层湿分量延迟误差及多基站间整周模糊度参数作为未知数;
步骤4,建立顾及海上载体位置信息误差的多基站多频非组合随机模型,充分考虑引入多基站网络的海上载体位置信息误差,将该部分误差与观测量随机模型合并计算;
步骤5,利用扩展卡尔曼滤波进行多基站多频非组合观测数学模型参数估计,得到基准站间整周模糊度浮点解后,利用LAMBDA计算其固定解;
步骤6,构建区域误差模型,根据解算出的基准站间整周模糊度,电离层延迟及对流层延迟信息,计算用户端矢量误差修正量;
步骤7,利用矢量误差修正信息对用户观测量进行修正,利用修正后的观测量进行用户位置解算,进而实现高精度的定位。
本发明集成卫星定位、误差处理、计算机处理等技术,利用位置坐标精确已知的地面基准站及位置坐标存在误差的动态基准站,构成动态网络基站,形成对海上用户的覆盖,通过建立基于动态网络基站的多基站多频非组合随机模型及基于动态网络基站的扩展卡尔曼状态预测方程,提高海上已知信息的可用性,增加数据的冗余性,基于此提高海上用户的定位精度。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
相比于传统的多基站定位方法,本发明公开的一种基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法,在陆地多基站定位方法的基础上,利用岸上基站及海上已知位置载体共同构成基准站网络,扩大岸上多基站的作用范围,为用户提供一个可变的、实时覆盖的多基站网络,提高用户的定位精度。本发明所提方法将陆地多基站定位方法引入到海上用户中,为海上用户定位提供了一种新的思路。
附图说明
图1为岸上基站和海上可用载体基站分布示意图。
图2为多基站选取示意图。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图1、附图2,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例:
本发明是基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法,具体步骤包括:
步骤1,利用单点定位得到用户的概略位置坐标
Figure BDA0002711745910000021
设dmax为多基站网络覆盖范围半径,其取值范围为150km~200km,设海上某载体已知位置坐标为(xsr,ysr,zsr),则可纳入多基站网络的海上载体必须满足:
Figure BDA0002711745910000031
步骤2,从定位频点数据完整性监测,观测数据载噪比,多径以及载波相位周跳方面对纳入多基站网络的海上载体观测量数据进行监测;
步骤3,将r0设为主基站,建立基于动态网络基站的多基站多频非组合双差观测数学模型,天顶对流层湿分量延迟、单差天顶电离层延迟、双差整周模糊度设置为未知参数:
Figure BDA0002711745910000032
其中,
Figure BDA0002711745910000033
分别代表补偿对流层干分量后的伪距和载波相位观测量,
Figure BDA0002711745910000034
代表双差算子,上标i、j代表卫星,下标r0、r分别代表主基站和其它基站,下标fi代表卫星信号频率,ρ代表利用基准站位置坐标及卫星位置坐标计算得到的卫星和基准站接收机间的几何距离,mw代表天顶对流层湿分量映射函数,Tzw为天顶对流层湿分量延迟,μi为电离层延迟比例系数,mf代表天顶电离层延迟映射函数,▽代表单差算子,Iz代表天顶电离层延迟,λi为频率为fi的信号波长,N代表整周模糊度,εP、εφ分别代表伪距和载波相位观测噪声。
步骤4,建立与步骤3中的多基站多频非组合双差观测数学模型相对应的随机模型,对于岸上基准站,由于其位置坐标是精确已知的,认为
Figure BDA0002711745910000035
的计算是相对精确的,因此公式(2)等号左侧对应的非差观测量的方差协方差矩阵为:
Figure BDA0002711745910000036
Figure BDA0002711745910000037
式中,Q表示受卫星影响的精度效应,可卫星高度角计算得到,σP代表伪距标准差,σφ为载波相位标准差,分别根据经验值设置为0.3m和3mm,
Figure BDA0002711745910000038
代表克罗内克积,fk代表信号频率数。多基站对应的非差观测量的方差协方差矩阵:
Figure BDA0002711745910000039
下标m代表除主基站外的基站数量。由误差协方差传播规律得到多基站随机模型:
Figure BDA0002711745910000041
其中,CSD代表非差到单差转换矩阵,CDD代表单差到双差转换矩阵。对于海上载体基准站,由于其位置坐标本身存在误差,因此
Figure BDA0002711745910000042
的计算存在误差,则公式(2)等式左侧对应的非差观测量的方差协方差矩阵变为:
Qr0sr=Qr0r+Qsr (7)
Figure BDA0002711745910000043
其中,Qsr代表由海上载体作为基准站时,其位置坐标误差引起的卫星到基准站接收机几何距离误差协方差矩阵,σρ为该误差的标准差,由海上载体基准站坐标误差决定,N=fk×k×2为Qsr矩阵的维数,k为卫星数。
步骤5,建立基于动态网络基站的扩展卡尔曼状态预测方程,其中整周模糊度采用常数模型,天顶对流层延迟湿分量和单差天顶电离层延迟模型采用随机游走模型,在利用扩展卡尔曼滤波算法估计出多基站间整周模糊度浮点解后,通过LAMBDA算法解算整周模糊度固定解。
步骤6,对观测量误差进行矢量分类处理,第一类是电离层延迟误差,第二类是与电离层无关的误差。基于步骤5中的计算结果,利用低阶趋势面拟合法逼近多基站网络范围内用户概略位置处的电离层延迟误差,利用观测量数据和计算得到的单差天顶电离层延迟误差,整体计算与电离层无关的误差,在得到所有基准站对应的与电离层无关的误差后,通过加权平均的方法得到用户概略位置处与电离层无关误差。
步骤7,根据步骤6中计算得到的矢量误差结果,修正用户伪距和载波相位观测量数据,建立基于星间单差的观测方程,估计用户位置坐标。
当然,本发明还可有其他多种实施例,在不偏离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的调整,但这些相应的调整都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于动态网络基站的多模多频载波相位定位方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)利用单点定位得到用户的概略位置坐标
Figure FDA0002711745900000011
设dmax为多基站网络覆盖范围半径,其取值范围为150km~200km,设海上某载体已知位置坐标为(xsr,ysr,zsr),则纳入多基站网络的海上载体必须满足:
Figure FDA0002711745900000012
(2)从定位频点数据完整性监测,观测数据载噪比,多径以及载波相位周跳方面对纳入多基站网络的海上载体观测量数据进行监测;
(3)将r0设为主基站,建立基于动态网络基站的多基站多频非组合双差观测数学模型,天顶对流层湿分量延迟、单差天顶电离层延迟、双差整周模糊度设置为未知参数:
Figure FDA0002711745900000013
Figure FDA0002711745900000014
其中,
Figure FDA0002711745900000015
分别代表补偿对流层干分量后的伪距和载波相位观测量,Δ▽代表双差算子,上标i、j代表卫星,下标r0、r分别代表主基站和其它基站,下标fi代表卫星信号频率,ρ代表利用基准站位置坐标及卫星位置坐标计算得到的卫星和基准站接收机间的几何距离,mw代表天顶对流层湿分量映射函数,Tzw为天顶对流层湿分量延迟,μi为电离层延迟比例系数,mf代表天顶电离层延迟映射函数,▽代表单差算子,Iz代表天顶电离层延迟,λi为频率为fi的信号波长,N代表整周模糊度,εP、εφ分别代表伪距和载波相位观测噪声。
(4)建立与步骤(3)中的多基站多频非组合双差观测数学模型相对应的随机模型,对于岸上基准站,由于其位置坐标是精确已知的,认为
Figure FDA0002711745900000016
的计算是相对精确的,对应的非差观测量的方差协方差矩阵为:
Figure FDA0002711745900000017
Figure FDA0002711745900000018
式中,Q表示受卫星影响的精度效应,可卫星高度角计算得到,σP代表伪距标准差,σφ为载波相位标准差,分别根据经验值设置为0.3m和3mm,
Figure FDA0002711745900000019
代表克罗内克积,fk代表信号频率数;多基站对应的非差观测量的方差协方差矩阵:
Figure FDA00027117459000000110
下标m代表除主基站外的基站数量。由误差协方差传播规律得到多基站随机模型:
Figure FDA00027117459000000111
其中,CSD代表非差到单差转换矩阵,CDD代表单差到双差转换矩阵;对于海上载体基准站,由于其位置坐标本身存在误差,因此
Figure FDA0002711745900000021
的计算存在误差,对应的非差观测量的方差协方差矩阵变为:
Figure FDA0002711745900000022
Figure FDA0002711745900000023
其中,Qsr代表由海上载体作为基准站时,其位置坐标误差引起的卫星到基准站接收机几何距离误差协方差矩阵,σρ为该误差的标准差,由海上载体基准站坐标误差决定,N=fk×k×2为Qsr矩阵的维数,k为卫星数;
(5)建立基于动态网络基站的扩展卡尔曼状态预测方程,其中整周模糊度采用常数模型,天顶对流层延迟湿分量和单差天顶电离层延迟模型采用随机游走模型,在利用扩展卡尔曼滤波算法估计出多基站间整周模糊度浮点解后,通过LAMBDA算法解算整周模糊度固定解;
(6)对观测量误差进行矢量分类处理,第一类是电离层延迟误差,第二类是与电离层无关的误差;基于步骤(5)中的计算结果,利用低阶趋势面拟合法逼近多基站网络范围内用户概略位置处的电离层延迟误差,利用观测量数据和计算得到的单差天顶电离层延迟误差,整体计算与电离层无关的误差,在得到所有基准站对应的与电离层无关的误差后,通过加权平均的方法得到用户概略位置处与电离层无关误差;
(7)根据步骤(6)中计算得到的矢量误差结果,修正用户伪距和载波相位观测量数据,建立基于星间单差的观测方程,估计用户位置坐标。
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