CN112924998B - Gnss rtk实时自适应无缝换站方法、系统、终端 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星定位技术领域，公开了一种GNSS RTK实时自适应无缝换站方法、系统、终端，利用流动站与两个参考站之间形成3条基线之间的几何关系，利用换站前基线状态向量和辅助基线即两参考站形成的基线向量的状态向量得到换站后的基线状态向量的先验信息，利用先验信息约束换站后的基线状态向量滤波解，进行多基站之间放入无缝切换。本发明可以在切换参考站时获得连续，可靠的高精度定位结果。本发明计算效率高，可移植到移动设备，适用于实时计算。在多参考站支持下，能够突破传统RTK定位对基线长度的限制，为RTK用户提供大范围内连续稳定的高精度定位结果。
Description
技术领域
本发明属于卫星定位技术领域，尤其涉及一种GNSS RTK实时自适应无缝换站方法、系统、终端。
背景技术
目前，GNSS高精度定位近年来越来越多的应用于大众消费领域，成为自动驾驶，无人机，机器人等领域的关键技术之一。基于GNSS载波相位差分的实时动态定位(RTK)技术是目前GNSS高精度定位领域应用最广泛的技术，但是其局限性在于用户和参考站之间的距离不能太远，工程应用中一般要求参考站和用户之间的距离(称为基线长度)不大于10Km。但随着参考站和流动站之间距离的增加，参考站和流动站间各项参数之间的相关性减小，尤其是电离层参数与模糊度难以快速分离，公共误差通过双差的方式难以消除，模糊度固定的成功率下降，进而导致定位精度和可靠性下降。对于无人驾驶，智能交通等领域的用户，10Km的活动范围限制显然不能满足要求，可以采用多基站RTK定位或者网络RTK定位。在用户移动过程中，如果从一个基站附近移动到另外一个基站附近，就要求定位算法能够自适应的选择最佳的基站，并进行参考站切换。对于网络RTK用户，采用虚拟参考站(VRS)技术进行定位也同样存在参考站切换问题。
但是，在载体运动过程中，更换参考站会使得模糊度重新初始化，导致双差模糊度重新固定，解算结果重新收敛，换站前后定位结果不连续。
针对换站后模糊度重新初始化问题，目前研究尚不足，特别是现有的方法是基于最小二乘批处理的方法，目前已有的一种换站算法是通过将用户轨迹分割成为具有一定重叠时段的两个时段，再分别进行最小二乘批处理计算，通过参数消除法进行换站，该算法不适用于实时换站，且其换站的基本原理与本发明不同。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：GNSS RTK定位依靠用户与参考站观测值形成差分观测值的形式消除公共误差，提升定位精度的，然而一旦用户与参考站的距离(通常称作基线)比较远，则会导致残余误差较大，RTK模糊度难以固定，定位精度和稳定性下降。如果允许用户自动切换到最优的参考站，就会引起参考站换站问题。在换站过程中由于参考站观测值不同，导致定位使用的滤波器中历史信息无法继续使用，因而必须重新初始化滤波器，导致定位滤波器重新收敛，参考站切换期间定位出现不连续，定位精度下降等问题。
解决以上问题及缺陷的难度为：
RTK参考站切换以后，RTK滤波器中除了位置参数之外的参数，包括模糊度，对流层天顶延迟，电离层延迟参数等都发生了跳变，滤波器中的历史信息无法使用，而重新初始化滤波器导致重新收敛。重新收敛过程导致定位不连续，模糊度固定失败，需要过一段收敛时间后才能恢复模糊度固定，从而实现高精度定位。这种断断续续的高精度定位这对于大部分用户是不可接受的，而目前尚没有相关方法能够实现实时的无缝参考站切换。
解决以上问题及缺陷的意义为：
RTK定位技术是目前使用最广泛，技术最成熟的GNSS高精度定位技术，然而其基线长度限制导致RTK技术难以满足大范围高精度定位的需求，特别是在自动驾驶等智能交通领域。网络RTK中广泛使用的VRS技术同样存在虚拟参考站切换的问题。本发明所述的方法允许用户通过布设多个参考站的方式实现大区域内无缝高精度定位，从而突破了RTK定位技术的瓶颈，扩展了RTK定位技术的服务范围和应用领域。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种GNSS RTK实时自适应无缝换站方法、系统、终端。
本发明是这样实现的，一种GNSS RTK实时自适应无缝换站方法，所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法包括：
利用流动站与两个参考站之间形成3条基线之间的几何关系，利用换站前基线状态向量和辅助基线即两参考站形成的基线向量的状态向量得到换站后的基线状态向量的先验信息，利用先验信息约束换站后的基线状态向量滤波解，进行多基站之间放入无缝切换。
进一步，所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法包括以下步骤：
步骤一，利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算；
步骤二，判断用户能否接收到来自多个参考站的差分数据；若用户只接受到一个有效参考站的数据，则返回步骤一；若用户可接受多个参考站的数据，则转向步骤三；
步骤三，对多个参考站的数据流进行解码，得到参考站的位置，并且逐个计算当前用户位置到各个参考站的距离，筛选出距离当前用户最近的两个参考站；
步骤四，计算流动站到最近两个参考站的基线长度，通过判断两基线长度之差是否小于预设阈值判断参考站是否处于换站临街状态；若否，则返回步骤一；若是，则转向步骤五；
步骤五，计算两个参考站形成的基线的模糊度，判断当前用户最近的基站是否发生切换；若未发生切换，则返回步骤一；若发生切换，则转向步骤六；
步骤六，利用基线rb1和b1b2的信息计算基线rb2的先验信息，进行自适应无缝换站；
步骤七，利用参考站b2数据和流动站r观测数据进行RTK计算定位。
进一步，步骤一中，所述利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算包括：
(1)利用载波相位观测值和伪距观测值，在参考站、流动站和共视卫星间组成双差观测值：
其中：是星间差分算子，Δ是站间差分算子，/>为星站间双差几何距离，/>和/>分别为电离层和对流层残差；
(2)基于双差观测值进行动态GPS数据处理：采用序贯最小二乘或卡尔曼滤波处理GPS动态数据；
进一步，所述采用序贯最小二乘或卡尔曼滤波处理GPS动态数据包括：
建立动力学模型和观测模型，如下：
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Wk,Wk～N(0,Qk)
Zk＝HkXk+Vk,Vk～N(0,Rk)；
其中：Xk表示状态向量；Wk表示过程噪声；Vk表示观测噪声；Qk表示过程噪声方差矩阵；Φk,k-1表示从tk-1到tk的状态转移矩阵；Zk表示双差残差向量；Rk表示观测噪声方差矩阵；Hk表示系数矩阵；
Zk、Rk、Hk计算公式如下：
式中，λ表示载波波长，φ和P分别表示载波相位观测值和伪距观测值；i表示高度角最大的卫星的序号；表示载波相位双差残差；表示伪距双差残差；/>表示站星间双差几何距离；
tk-1时刻至tk的滤波器时间更新方程如下：
Xk,k-1＝Φk,k-1Xk-1,k-1
其中，Xk,k-1和Pk,k-1分别表示tk时刻状态更新后的状态量及其协方差矩阵的预测值；Xk-1,k-1和Pk-1,k-1分别表示tk-1时刻状态量滤波解及其方差协方差矩阵；用测量值更新预测值，得到tk时刻的滤波结果：
Xk＝Xk,k-1+Kk(Zk-HkXk,k-1)
Pk＝(I-KkHk)Pk,k-1；
滤波所得状态量中，模糊度参数为单差模糊度，将单差模糊度组成双差模糊度，并固定模糊度即可得到流动站位置的固定解。
进一步，步骤五中，所述计算两个参考站形成的基线的模糊度还包括：
若为长基线，则计算双差的电离层和对流层延迟参数。
进一步，步骤六中，所述进行自适应无缝换站包括：处理换站前后双差模糊度的转换，进行自适应无缝换站。
进一步，所述处理换站前后双差模糊度的转换包括：
根据换站前参考站与流动站之间的双差模糊度以及换站前后参考站之间的双差模糊度，得到换站后参考站与流动站之间的双差模糊度：
其中，表示换站后参考站和流动站之间的双差模糊度；/>表示换站前参考站和流动站之间的双差模糊度；/>表示换站前后的参考站之间的双差模糊度，基于已知卫星位置、新旧参考站位置和流动站位置计算得到。
进一步，所述基于已知卫星位置、新旧参考站位置和流动站位置计算换站前后的参考站之间的双差模糊度包括：
1)计算星站间距离：
rb1s＝||XYZs-XYZb1||2
rb2s＝||XYZs-XYZb2||2；
其中，XYZs表示卫星位置坐标，XYZb1表示换站前参考站位置坐标，XYZb2表示换站后参考站位置坐标；
2)计算换站前后参考站间单差模糊度以及新参考站和流动站之间的单差模糊度：
所述换站前后参考站间单差模糊度计算公式如下：
所述新参考站和流动站之间的单差模糊度计算公式如下：
其中，分别表示换站前后参考站处载波相位观测值；
3)基于转换后得到的换站后的单差模糊度进行计算，通过滤波器解算得到换站后浮点解：协方差矩阵为：
其中：Pa表示位置参数(xk,yk,zk)的协方差矩阵；Pb表示单差模糊度参数的协方差矩阵；Pab和Pba表示位置参数和单差模糊度参数的协方差矩阵，/>
4)通过双差映射矩阵D将单差模糊度向量和单差协方差矩阵映射为双差模糊度向量和双差协方差矩阵：
Pb'＝DPbDT
P′ba＝DPba；
式中，表示换站后参考站与流动站之间的双差模糊度浮点解，P′b表示双差模糊度的协方差矩阵，P′ab表示位置参数与双差模糊度参数的协方差矩阵；
5)通过双差映射矩阵映射后，状态向量浮点解为：
协方差矩阵为：
由状态向量浮点解X'k，以及协方差矩阵P，通过LAMBDA方法固定模糊度得到换站后固定解。
本发明另一目的在于提供一种GNSS RTK实时自适应无缝换站系统，包括：
RTK计算模块，用于利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算；
参考站距离筛选模块，用于判断用户能否接收到来自多个参考站的差分数据；若用户只接受到一个有效参考站的数据，则返回RTK计算步骤；若用户可接受多个参考站的数据，则对多个参考站的数据流进行解码，得到参考站的位置，并且逐个计算当前用户位置到各个参考站的距离，筛选出距离当前用户最近的两个参考站；
无缝换站模块，用于计算流动站到最近两个参考站的基线长度，通过判断两基线长度之差是否小于预设阈值判断参考站是否处于换站临街状态；若否，则返回RTK计算模块；若是，则计算两个参考站形成的基线的模糊度，判断当前用户最近的基站是否发生切换；若未发生切换，则返回RTK计算模块；若发生切换，则利用基线rb1和b1b2的信息计算基线rb2的先验信息，进行自适应无缝换站；
RTK计算定位模块，用于利用参考站b2数据和流动站r观测数据进行RTK计算定位。
本发明另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
利用流动站与两个参考站之间形成3条基线之间的几何关系，利用换站前基线状态向量和辅助基线即两参考站形成的基线向量的状态向量得到换站后的基线状态向量的先验信息，利用先验信息约束换站后的基线状态向量滤波解，进行多基站之间放入无缝切换。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法。
本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明利用GNSSRTK流动站和参考站形成双差观测值的特点，利用换站前后的参考站和流动站双差观测值之间的关系辅助GNSS RTK在切换参考站时避免重新初始化，可以在切换参考站时获得连续，可靠的高精度定位结果。本发明计算效率高，可移植到移动设备，适用于实时计算。在多参考站支持下，能够突破传统RTK定位对基线长度的限制，为RTK用户提供大范围内连续稳定的高精度定位结果。
本发明提出了一种参考站换站算法，利用载波相位观测值、换站前后参考站位置和换站前流动站位置(已知)，计算新参考站和原参考站之间的双差模糊度，从而得到新参考站和基准站之间的双差模糊度，避免了换站时模糊度的重新初始化，保证了换站前后定位结果的连续性。
本发明首先利用无干扰条件下接收到信号的载噪比对接收机的增益进行标定。在发生GNSS信号干扰时，通过选择处于载噪比下降区的若干个参考站，分析其接收GNSS信号的载噪比下降情况，反推出各参考站处的干扰信号强度。再利用干扰信号传播强度衰减公式推算干扰源的位置，帮助频谱监测与管理人员找出干扰源位置，排除干扰，减少由GNSS信号干扰造成的不必要损失。
与现有技术相比，本发明具有以下有利特征：
(1)在不增加硬件成本的条件下，通过软件算法提升使得用户能够利用多参考站信息无缝切换，获得大范围、连续可靠的高精度定位结果。
(2)本发明适用于实时高精度定位，可将算法嵌入接收机或者其他用户终端内，提供实时无缝换站服务。
(3)运算复杂度低，计算效率高，能够适应移动端运算平台和资源受限计算平台的应用
(4)可适用于目前的RTK网络，以虚拟参考站(VRS)形式提供服务网络RTK，地基增强系统等，无需改造服务系统。
目前已有的RTK换站方法是针对后处理定位解算使用的，主要原理是分别求解换站前后的基线后利用公共时段的坐标为约束，强制将换站前后的坐标对齐。该方法仅适用于事后处理，无法满足实时定位的需求。另外事后解算需要将整个轨迹内所有参数同时求解，运算量巨大，主要适合在电脑上使用，难以移植到可移动平台。本发明所述的方法利用了换站前后基站形成的辅助基线构造出换站后基线模糊度信息的准确先验信息，从而避免了模糊度参数的重新初始化。本发明所述的方法能够实时进行计算，并且采用滤波器计算，对计算资源要求小，适用于嵌入式设备实现。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。
图1是本发明实施例提供的GNSS RTK实时自适应无缝换站方法架构图图。
图2是本发明实施例提供的GNSS RTK实时自适应无缝换站方法原理图。
图3是本发明实施例提供的GNSS RTK实时自适应无缝换站方法流程图。
图4是本发明实施例提供的多基站GNSS RTK自适应无缝换站方法的效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种GNSS RTK实时自适应无缝换站方法、系统、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的GNSS RTK实时自适应无缝换站方法包括：
利用流动站与两个参考站之间形成3条基线之间的几何关系，利用换站前基线状态向量和辅助基线即两参考站形成的基线向量的状态向量得到换站后的基线状态向量的先验信息，利用先验信息约束换站后的基线状态向量滤波解，进行多基站之间放入无缝切换。
如图3所示，本发明实施例提供的GNSS RTK实时自适应无缝换站方法包括以下步骤：
S101，利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算；
S102，判断用户能否接收到来自多个参考站的差分数据；若用户只接受到一个有效参考站的数据，则返回步骤S101；若用户可接受多个参考站的数据，则转向步骤S103；
S103，对多个参考站的数据流进行解码，得到参考站的位置，并且逐个计算当前用户位置到各个参考站的距离，筛选出距离当前用户最近的两个参考站；
S104，计算流动站到最近两个参考站的基线长度，通过判断两基线长度之差是否小于预设阈值判断参考站是否处于换站临街状态；若否，则返回步骤S101；若是，则转向步骤S105；
S105，计算两个参考站形成的基线的模糊度，判断当前用户最近的基站是否发生切换；若未发生切换，则返回步骤S101；若发生切换，则转向步骤S106；
S106，利用基线rb1和b1b2的信息计算基线rb2的先验信息，进行自适应无缝换站；利用参考站b2数据和流动站r观测数据进行RTK计算定位。
步骤S101中，本发明实施例提供的利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算包括：
(1)利用载波相位观测值和伪距观测值，在参考站、流动站和共视卫星间组成双差观测值：
其中：是星间差分算子，Δ是站间差分算子，/>为星站间双差几何距离，/>和/>分别为电离层和对流层残差；
(2)基于双差观测值进行动态GPS数据处理：采用序贯最小二乘或卡尔曼滤波处理GPS动态数据。
本发明实施例提供的采用序贯最小二乘或卡尔曼滤波处理GPS动态数据包括：
建立动力学模型和观测模型，如下：
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Wk,Wk～N(0,Qk)
Zk＝HkXk+Vk,Vk～N(0,Rk)；
其中：Xk表示状态向量；Wk表示过程噪声；Vk表示观测噪声；Qk表示过程噪声方差矩阵；Φk,k-1表示从tk-1到tk的状态转移矩阵；Zk表示双差残差向量；Rk表示观测噪声方差矩阵；Hk表示系数矩阵；
Zk、Rk、Hk计算公式如下：
式中，λ表示载波波长，φ和P分别表示载波相位观测值和伪距观测值；i表示高度角最大的卫星的序号；表示载波相位双差残差；表示伪距双差残差；/>表示站星间双差几何距离；
tk-1时刻至tk的滤波器时间更新方程如下：
Xk,k-1＝Φk,k-1Xk-1,k-1
其中，Xk,k-1和Pk,k-1分别表示tk时刻状态更新后的状态量及其协方差矩阵的预测值；Xk-1,k-1和Pk-1,k-1分别表示tk-1时刻状态量滤波解及其方差协方差矩阵；用测量值更新预测值，得到tk时刻的滤波结果：
Xk＝Xk,k-1+Kk(Zk-HkXk,k-1)
Pk＝(I-KkHk)Pk,k-1；
滤波所得状态量中，模糊度参数为单差模糊度，将单差模糊度组成双差模糊度，并固定模糊度即可得到流动站位置的固定解。
步骤S105中，本发明实施例提供的计算两个参考站形成的基线的模糊度还包括：
若为长基线，则计算双差的电离层和对流层延迟参数。
步骤S106中，本发明实施例提供的进行自适应无缝换站包括：处理换站前后双差模糊度的转换，进行自适应无缝换站。
本发明实施例提供的处理换站前后双差模糊度的转换包括：
根据换站前参考站与流动站之间的双差模糊度以及换站前后参考站之间的双差模糊度，得到换站后参考站与流动站之间的双差模糊度：
其中，表示换站后参考站和流动站之间的双差模糊度；/>表示换站前参考站和流动站之间的双差模糊度；/>表示换站前后的参考站之间的双差模糊度，基于已知卫星位置、新旧参考站位置和流动站位置计算得到。
本发明实施例提供的基于已知卫星位置、新旧参考站位置和流动站位置计算换站前后的参考站之间的双差模糊度包括：
1)计算星站间距离：
rb1s＝||XYZs-XYZb1||2
rb2s＝||XYZs-XYZb2||2；
其中，XYZs表示卫星位置坐标，XYZb1表示换站前参考站位置坐标，XYZb2表示换站后参考站位置坐标；
2)计算换站前后参考站间单差模糊度以及新参考站和流动站之间的单差模糊度：
所述换站前后参考站间单差模糊度计算公式如下：
所述新参考站和流动站之间的单差模糊度计算公式如下：
其中，分别表示换站前后参考站处载波相位观测值；
3)基于转换后得到的换站后的单差模糊度进行计算，通过滤波器解算得到换站后浮点解：协方差矩阵为：
其中：Pa表示位置参数(xk,yk,zk)的协方差矩阵；Pb表示单差模糊度参数的协方差矩阵；Pab和Pba表示位置参数和单差模糊度参数的协方差矩阵，/>
4)通过双差映射矩阵D将单差模糊度向量和单差协方差矩阵映射为双差模糊度向量和双差协方差矩阵：
Pb'＝DPbDT
P′ba＝DPba；
式中，表示换站后参考站与流动站之间的双差模糊度浮点解，Pb′表示双差模糊度的协方差矩阵，Pab′表示位置参数与双差模糊度参数的协方差矩阵；
5)通过双差映射矩阵映射后，状态向量浮点解为：
协方差矩阵为：
由状态向量浮点解X'k，以及协方差矩阵P，通过LAMBDA方法固定模糊度得到换站后固定解。
本发明还提供一种GNSS RTK实时自适应无缝换站系统，包括：
RTK计算模块，用于利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算；
参考站距离筛选模块，用于判断用户能否接收到来自多个参考站的差分数据；若用户只接受到一个有效参考站的数据，则返回RTK计算步骤；若用户可接受多个参考站的数据，则对多个参考站的数据流进行解码，得到参考站的位置，并且逐个计算当前用户位置到各个参考站的距离，筛选出距离当前用户最近的两个参考站；
无缝换站模块，用于计算流动站到最近两个参考站的基线长度，通过判断两基线长度之差是否小于预设阈值判断参考站是否处于换站临街状态；若否，则返回RTK计算模块；若是，则计算两个参考站形成的基线的模糊度，判断当前用户最近的基站是否发生切换；若未发生切换，则返回RTK计算模块；若发生切换，则利用基线rb1和b1b2的信息计算基线rb2的先验信息，进行自适应无缝换站；
RTK计算定位模块，用于利用参考站b2数据和流动站r观测数据进行RTK计算定位。
下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。
实施例1：
步骤1:利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK解算，解算原理如下：
利用载波相位观测值和伪距观测值，可在参考站、流动站和共视卫星间组成双差观测值：
其中：是星间差分算子，Δ是站间差分算子，/>为星站间双差几何距离，/>和/>分别为电离层和对流层残差，在短基线的情况下，对流层和电离层残差不会影响整周模糊度的解算，可以不予额外考虑。
在双差观测值的基础上，实现动态GPS数据处理，可以采用序贯最小二乘或卡尔曼滤波，在没有先验信息的情况下，两者可以等价。利用卡尔曼滤波处理GPS动态数据时，需要建立动力学模型(状态方程)和观测模型(观测方程)。动力学模型主要有常速度模型和常加速度模型。为简单起见，使用随机游走过程模型对动力学模型中的坐标增量进行约束，选取位置参数和单差模糊度参数组成状态向量，假设tk时刻观测到的卫星数为n，则状态向量表示为：
其中，(xk,yk,zk)为流动站位置参数，为参考站与流动站之间单差模糊度。采用双差观测方程作为滤波观测模型，根据上述动力学模型，线性化后的离散系统的卡尔曼滤波状态方程与观测方程表示为：
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Wk,Wk～N(0,Qk)
Zk＝HkXk+Vk,Vk～N(0,Rk) (3)
其中：
Wk为过程噪声；
Vk为观测噪声；
Qk为过程噪声方差矩阵；
Φk,k-1是从tk-1到tk的状态转移矩阵，当动力学模型为随机游走模型时，状态转移矩阵为单位阵；
Rk为观测噪声方差矩阵，若伪距观测值和载波观测值不相关，则观测噪声方差矩阵可表示为：
/>
Zk为双差残差向量；
设载波波长λ，载波相位观测值和伪距观测值为φ和P，则双差残差向量Zk表示为：
Hk为系数矩阵，由流动站和各参考星间方向向量的单差组成，分别将载波相位双差和伪距双差线性化得到Hk矩阵：
其中：
i为高度角最大的卫星的序号；
为载波相位双差残差；
为伪距双差残差；
为站星间双差几何距离；
则由tk-1时刻至tk的滤波器时间更新方程为：
Xk,k-1＝Φk,k-1Xk-1,k-1
其中，Xk,k-1和Pk,k-1分别为tk时刻状态更新后的状态量及其协方差矩阵的预测值；Xk-1,k-1和Pk-1,k-1分别为tk-1时刻状态量滤波解及其方差协方差矩阵。用测量值更新预测值，得到tk时刻的滤波结果：
Xk＝Xk,k-1+Kk(Zk-HkXk,k-1)
Pk＝(I-KkHk)Pk,k-1 (8)
滤波所得状态量中，模糊度参数为单差模糊度，将单差模糊度组成双差模糊度，并固定模糊度可得到流动站位置的固定解。
步骤2:判断能否接收到来自多个参考站的差分数据。一般情况下，(虚拟)参考站的信号播发覆盖范围为10Km,如果用户能够接收到多个参考站的数据，说明当前用户附近存在多个参考站。如果用户附近仅存在一个有效参考站，则继续利用前参考站的差分数据执行RTK定位解算。
步骤3:在当前用户附近存在多个参考站的条件下，对多个参考站的数据流进行解码，解出参考站的位置，并且逐个计算当前用户位置到各个参考站的距离，筛选出距离当前用户最近的两个参考站，作为待切换的参考站。
步骤4:在存在多个参考站的条件下，判断是否处于换站临界状态，如果离当前用户位置最近的两个参考站与用户形成的两条基线长度相近，则认为处于换站临界状态。
步骤5：如果处于临界状态，则需要启动第二个RTK计算进程，该进程是计算两个参考站b1b2形成的基线的模糊度，如果是长基线也可以计算双差的电离层和对流层延迟参数。
步骤6：判断当前用户最近的基站是否发生切换。如果距离当前用户最近的基站从b1切换为b2，那么就要触发自适应无缝换站的流程，否则继续执行原来的RTK定位解算。
步骤7：如果当前满足自适应换站的条件，则触发自适应无缝换站的流程，计算流程如下所示：
在单基线动态定位算法的基础上，引入了参考站换站方法，处理动态定位过程中参考站更换问题。
在处理换站问题中，最关键的步骤是处理换站前后双差模糊度的转换，避免模糊度初始化而导致解的不连续。设换站前参考站和流动站之间的双差模糊度为换站后参考站和流动站之间的双差模糊度为/>换站前后的参考站之间的双差模糊度为则根据换站前参考站与流动站之间的双差模糊度以及换站前后参考站之间的双差模糊度，可以得到换站后参考站与流动站之间的双差模糊度：
其中，换站前参考站和流动站之间的双差模糊度在换站之前已经固定，可以视为已知值，而换站前后参考站之间的双差模糊度可以通过已知卫星位置、新旧参考站位置和流动站位置(换站前已知)得到。
设卫星位置坐标为XYZs，换站前参考站位置坐标为XYZb1，换站后参考站位置坐标为XYZb2，计算星站间距离：
rb1s＝||XYZs-XYZb1||2
rb2s＝||XYZs-XYZb2||2
已知换站前后参考站处载波相位观测值分别为由此可得换站前后参考站间单差模糊度为：
从而新参考站和流动站之间的单差模糊度表示为：
采用转换后得到的换站后的单差模糊度进行计算，通过滤波器解算得到换站后浮点解：协方差矩阵为：
其中：
Pa为位置参数(xk,yk,zk)的协方差矩阵；
Pb为单差模糊度参数的协方差矩阵；
Pab和Pba为位置参数和单差模糊度参数的协方差矩阵，
通过双差映射矩阵D将单差模糊度向量和单差协方差矩阵映射为双差模糊度向量和双差协方差矩阵：
/>
Pb'＝DPbDT
Pb'a＝DPba
所得为换站后参考站与流动站之间的双差模糊度浮点解，Pb′为双差模糊度的协方差矩阵，Pab′为位置参数与双差模糊度参数的协方差矩阵。若以1号卫星为基准星，则双差映射矩阵D为：
通过双差映射矩阵映射后，状态向量浮点解为：
协方差矩阵为：
由状态向量浮点解X'k，以及协方差矩阵P，通过LAMBDA方法固定模糊度得到换站后固定解。
步骤8：利用自适应无缝换站的算法进行换站后，可以终止辅助基线b1b2的解算，继续执行单基线RTK定位流程，此时解算的RTK基线已经从rb1切换为rb2。切换过程利用辅助基线信息，不会发生重新初始化现象，能够实现RTK定位多参考站间无缝切换。
图4中展示了4条不同长度基线，采用本发明所述的自适应换站方法得到的定位效果和采用传统方法直接换站并重新初始化载波相位模糊度得到的定位误差序列图。四条基线长度分别为7.7km,9.6km,18.3km和29.7km，在1700历元处切换参考站。该图显示在基线较长时，采用本发明所述的方法能够避免不必要的初始化，提供连续可靠的高精度定位结果。
使用本发明所述的方法进行RTK换站得到的效果如附图4所示。在1700秒处发生换站时间，左侧子图为使用本发明所述的方法得到的定位误差，右侧子图为未使用本发明所述方法得到的定位误差。通过比较定位结果可知，本文所述的方法能够避免在切换参考站时导致的定位效果不连续问题，获得连续稳定的高精度定位结果，从而实现用户在多个参考站无缝切换，达到扩展RTK定位范围的效果。
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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GNSS RTK实时自适应无缝换站方法，其特征在于，所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法包括：
利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算；
判断用户能否接收到来自多个参考站的差分数据；若用户只接受到一个有效参考站的数据，则返回RTK计算步骤；若用户可接受多个参考站的数据，则转向下一步；
对多个参考站的数据流进行解码，得到参考站的位置，并且逐个计算当前用户位置到各个参考站的距离，筛选出距离当前用户最近的两个参考站；
计算流动站到最近两个参考站的基线长度，通过判断两基线长度之差是否小于预设阈值判断参考站是否处于换站临街状态；若否，则返回RTK计算步骤；若是，则转向下一步；
计算两个参考站形成的基线的模糊度，判断当前用户最近的基站是否发生切换；若未发生切换，则返回RTK计算步骤；若发生切换，则转向下一步；
利用基线rb1和b1b2的信息计算基线rb2的先验信息，进行自适应无缝换站；
利用参考站b2数据和流动站r观测数据进行RTK计算定位。
2.如权利要求1所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法，其特征在于，所述利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算包括：
(1)利用载波相位观测值和伪距观测值，在参考站、流动站和共视卫星间组成双差观测值：
其中：是星间差分算子，Δ是站间差分算子，/>为星站间双差几何距离，/>和分别为电离层和对流层残差；
(2)基于双差观测值进行动态GPS数据处理：采用序贯最小二乘或卡尔曼滤波处理GPS动态数据。
3.如权利要求2所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法，其特征在于，所述采用序贯最小二乘或卡尔曼滤波处理GPS动态数据包括：
建立动力学模型和观测模型，如下：
Xk＝Φk,k-1Xk-1+Wk,Wk～N(0,Qk)
Zk＝HkXk+Vk,Vk～N(0,Rk)；
其中：Xk表示状态向量；Wk表示过程噪声；Vk表示观测噪声；Qk表示过程噪声方差矩阵；Φk,k-1表示从tk-1到tk的状态转移矩阵；Zk表示双差残差向量；Rk表示观测噪声方差矩阵；Hk表示系数矩阵；
Zk、Rk、Hk计算公式如下：
式中，λ表示载波波长，φ和P分别表示载波相位观测值和伪距观测值；i表示高度角最大的卫星的序号；
表示载波相位双差残差；
表示伪距双差残差；/>表示站星间双差几何距离；
tk-1时刻至tk的滤波器时间更新方程如下：
Xk,k-1＝Φk,k-1Xk-1,k-1
其中，Xk,k-1和Pk,k-1分别表示tk时刻状态更新后的状态量及其协方差矩阵的预测值；Xk-1,k-1和Pk-1,k-1分别表示tk-1时刻状态量滤波解及其方差协方差矩阵；用测量值更新预测值，得到tk时刻的滤波结果：
Xk＝Xk,k-1+Kk(Zk-HkXk,k-1)
Pk＝(I-KkHk)Pk,k-1；
滤波所得状态量中，模糊度参数为单差模糊度，将单差模糊度组成双差模糊度，并固定模糊度即可得到流动站位置的固定解。
4.如权利要求1所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法，其特征在于，所述计算两个参考站形成的基线的模糊度还包括：
若为长基线，则计算双差的电离层和对流层延迟参数；
所述进行自适应无缝换站包括：处理换站前后双差模糊度的转换，进行自适应无缝换站。
5.如权利要求4所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法，其特征在于，所述处理换站前后双差模糊度的转换包括：
根据换站前参考站与流动站之间的双差模糊度以及换站前后参考站之间的双差模糊度，得到换站后参考站与流动站之间的双差模糊度：
其中，表示换站后参考站和流动站之间的双差模糊度；/>表示换站前参考站和流动站之间的双差模糊度；/>表示换站前后的参考站之间的双差模糊度，基于已知卫星位置、新旧参考站位置和流动站位置计算得到。
6.如权利要求5所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法，其特征在于，所述基于已知卫星位置、新旧参考站位置和流动站位置计算换站前后的参考站之间的双差模糊度包括：
1)计算星站间距离：
rb1s＝||XYZs-XYZb1||2
rb2s＝||XYZs-XYZb2||2；
其中，XYZs表示卫星位置坐标，XYZb1表示换站前参考站位置坐标，XYZb2表示换站后参考站位置坐标；
2)计算换站前后参考站间单差模糊度以及新参考站和流动站之间的单差模糊度：
所述换站前后参考站间单差模糊度计算公式如下：
所述新参考站和流动站之间的单差模糊度计算公式如下：
其中，分别表示换站前后参考站处载波相位观测值；
3)基于转换后得到的换站后的单差模糊度进行计算，通过滤波器解算得到换站后浮点解：协方差矩阵为：
其中：Pa表示位置参数(xk,yk,zk)的协方差矩阵；Pb表示单差模糊度参数的协方差矩阵；Pab和Pba表示位置参数和单差模糊度参数的协方差矩阵，/>
4)通过双差映射矩阵D将单差模糊度向量和单差协方差矩阵映射为双差模糊度向量和双差协方差矩阵：
P'b＝DPbDT
P'ba＝DPba；
式中，▽ΔNrb2表示换站后参考站与流动站之间的双差模糊度浮点解，Pb'表示双差模糊度的协方差矩阵，Pab'表示位置参数与双差模糊度参数的协方差矩阵；
5)通过双差映射矩阵映射后，状态向量浮点解为：
协方差矩阵为：
由状态向量浮点解X'k，以及协方差矩阵P，通过最小二乘降相关平差LAMBDA方法固定模糊度得到换站后固定解。
7.一种GNSS RTK实时自适应无缝换站系统，其特征在于，所述GNSS RTK实时自适应无缝换站系统包括：
RTK计算模块，用于利用参考站b1数据和流动站r观测数据进行RTK计算；
参考站距离筛选模块，用于判断用户能否接收到来自多个参考站的差分数据；若用户只接受到一个有效参考站的数据，则返回RTK计算步骤；若用户可接受多个参考站的数据，则对多个参考站的数据流进行解码，得到参考站的位置，并且逐个计算当前用户位置到各个参考站的距离，筛选出距离当前用户最近的两个参考站；
无缝换站模块，用于计算流动站到最近两个参考站的基线长度，通过判断两基线长度之差是否小于预设阈值判断参考站是否处于换站临街状态；若否，则返回RTK计算模块；若是，则计算两个参考站形成的基线的模糊度，判断当前用户最近的基站是否发生切换；若未发生切换，则返回RTK计算模块；若发生切换，则利用基线rb1和b1b2的信息计算基线rb2的先验信息，进行自适应无缝换站；
RTK计算定位模块，用于利用参考站b2数据和流动站r观测数据进行RTK计算定位。
8.一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行权利要求1～6任意一项所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～6任意一项所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～6任意一项所述GNSS RTK实时自适应无缝换站方法。
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| 长航时长距离机载GNSS动态定位中参考卫星与参考测站的自适应更换方法;王潜心;;导航定位学报(第01期);全文 * |
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