CN112987051B - 一种提高卫星导航定位性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高卫星导航性能的方法，包括：步骤一，接收机同时运行后台定位算法与前台定位算法；步骤二，后台定位算法不断进行卫星定位正常球面交会解算，得到接收机钟差值和高程值，并更新存储一个窗口长度为L的钟差值历史序列Δt以及一个窗口长度为L的高程值历史序列Δu；步骤三，前台定位算法利用序列Δt与序列Δu进行线性回归模型拟合，得到回归模型参数a0和a1；步骤四，在当前定位历元k，前台定位算法利用回归模型参数a0和a1对接收机钟差未知数Δt(k)和高程未知数Δu(k)进行回归预测，回归预测方程为：Δu(k)＝a0+a1Δt(k)；步骤五，将回归预测方程与卫星导航基本观测方程联立，联合求解接收机未知数向量。本发明可以提高卫星导航的定位精度与授时精度。

Description

一种提高卫星导航定位性能的方法
技术领域
本发明涉及卫星导航与定位领域，尤其涉及一种提高卫星导航定位性能的方法。
背景技术
地球对于全球卫星定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的电磁波信号而言是不透明和不可穿透的，因此可视GNSS卫星只会出现在高于接收机水平线的位置。这一点不同于在水平方向上，卫星可以均匀分布在用户的前后左右。因此，GNSS星座的高程精度因子(Vertical Dilution of Precision,VDOP)通常大于其水平位置精度因子(Horizontal Dilution of Precision,HDOP)。这也就是我们所熟知的GNSS在垂直方向上的定位误差通常大于水平方向的主要原因之一。同时，由于各GNSS可视卫星均在用户接收机的上方，因此用户接收机的高度值的变化对各伪距测量值的影响具有很大的相似性。因此，类似于用户接收机钟差，GNSS定位结果中的高程坐标分量也近似地具有吸收不同伪距测量值公共部分误差的能力。这导致GNSS定位高程坐标分量与接收机钟差之间存在着很高的相关性。换言之，GNSS定位结果可能会将部分接收机钟差的变化量错误当成了用户高程值；或者反过来，将部分用户高程值的变化量当成了接收机钟差。这种强相关性会同时影响用户接收机的高程定位精度与时间同步(授时)精度，并同时对水平定位精度造成一定的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出了一种提高卫星导航定位性能的方法，通过对用户接收机钟差序列与高程序列进行回归分析并构建约束方程联合求解，降低接收机钟差与高程之间的相关性，从而提高卫星导航的定位精度与时间同步(授时)精度。
一方面，本发明实施例提出一种提高卫星导航定位性能的方法，该方法包括：步骤一，接收机同时运行后台定位算法与前台定位算法；步骤二，所述后台定位算法不断进行卫星定位正常球面交会解算，得到所述接收机的钟差值和高程值，并更新存储一个窗口长度为L的钟差值历史序列Δt以及一个窗口长度为L的高程值历史序列Δu；步骤三，所述前台定位算法利用所述接收机的所述钟差值历史序列Δt与所述高程值历史序列Δu进行线性回归模型拟合：Δu＝a0+a1Δt，得到回归模型参数a0和a1；步骤四，在当前定位历元k，所述前台定位算法利用所述回归模型参数a0和a1对所述接收机的当前钟差未知数Δt(k)和当前高程未知数Δu(k)之间的关系进行回归预测，回归预测方程为：Δu(k)＝a0+a1Δt(k)；步骤五，将所述回归预测方程Δu(k)＝a0+a1Δt(k)与卫星导航基本观测方程联立，联合求解得到所述接收机的所述当前钟差未知数Δt(k)、所述当前高程未知数Δu(k)及其他水平位置坐标未知数。
根据一些实施例，其中在所述步骤五中，所述卫星导航基本观测方程的具有矩阵形式G(k)Δx(k)＝Δρ(k)，其中，
Figure BDA0002953863750000021
为历元k时的卫星方向余弦矩阵，其中，
Figure BDA0002953863750000022
和
Figure BDA0002953863750000023
分别为卫星i(i＝1,2,…,n)在历元k时的仰角和方位角；Δx(k)＝[Δe(k) Δn(k) Δu(k) Δt(k)]T为所述接收机在历元k时关于东向坐标位置未知数Δe(k)、北向坐标位置未知数Δn(k)以及所述高程未知数Δu(k)和所述钟差未知数Δt(k)的向量；
Figure BDA0002953863750000031
为所述卫星i(i＝1,2,…,n)在历元k时的伪距测量值
Figure BDA0002953863750000032
组成的观测向量；所述回归预测方程与所述卫星导航基本观测方程联立后的方程组形式为：
Figure BDA0002953863750000033
采用最小二乘、加权最小二乘或卡尔曼滤波算法求解，可得到所述接收机的所述钟差未知数Δt(k)、所述高程未知数Δu(k)以及所述东向坐标位置未知数Δe(k)和所述北向坐标位置未知数Δn(k)。
利用本发明所提供的一种提高卫星导航定位性能的方法，通过对用户接收机钟差序列与高程序列进行回归分析并构建约束方程联合求解，降低接收机钟差与高程之间的相关性，从而提高卫星导航的定位精度与时间同步(授时)精度。
附图说明
图1为接收机钟差序列与高程序列之间的比较示意图；
图2为接收机钟差与高程之间的相关性系数示意图；
图3为根据本发明的一种提高卫星导航定位性能的方法的流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
针对现有技术中存在的上述问题，发明人注意到，如果能够通过历史信息对用户接收机钟差与高程之间的变量关系进行一定的预测，那么就能在实时定位时，利用该预测关系降低接收机钟差与高程之间的相关性，提高卫星导航的定位精度与时间同步(授时)精度。
有鉴于此，本发明的发明人提供了一种提高卫星导航定位性能的方法，包括：
步骤一，接收机同时运行后台定位算法与前台定位算法；
步骤二，所述后台定位算法不断进行卫星定位正常球面交会解算，得到所述接收机的钟差值和高程值，并更新存储一个窗口长度为L的钟差值历史序列Δt以及一个窗口长度为L的高程值历史序列Δu；
步骤三，所述前台定位算法利用所述接收机的所述钟差值历史序列Δt与所述高程值历史序列Δu进行线性回归模型拟合：Δu＝a0+a1Δt，得到回归模型参数a0和a1；
步骤四，在当前定位历元k，所述前台定位算法利用所述回归模型参数a0和a1对所述接收机的当前钟差未知数Δt(k)和当前高程未知数Δu(k)之间的关系进行回归预测，回归预测方程为：Δu(k)＝a0+a1Δt(k)；
步骤五，将所述回归预测方程Δu(k)＝a0+a1Δt(k)与卫星导航基本观测方程联立，联合求解得到所述接收机的所述当前钟差未知数Δt(k)、所述当前高程未知数Δu(k)及其他水平位置坐标未知数。
具体来说，由于地球对于电磁波信号而言是不透明的，GNSS卫星只会出现在高于用户接收机水平线的位置。因此。类似于接收机钟差，GNSS定位所得到的高程坐标分量也近似地具有吸收不同卫星伪距测量值公共部分误差的能力。这导致GNSS定位高程坐标分量与接收机钟差之间存在很高的相关性。换言之，GNSS定位结果可能会将部分接收机钟差变化量错误地当成用户高程值；或者反过来，将部分用户高程值变化量当成接收机钟差。这种强相关性会同时影响GNSS系统高程定位精度与授时精度。
以采用某款商用导航型GNSS接收机为例，其解算输出的钟差序列与高程序列见说明书附图1所示。可以看出，接收机钟差序列与高程序列的变化趋势十分地一致，两者之间具有很强的相关性。计算两者之间的相关性系数，结果见说明书附图2所示。可以看出，其相关系数r的值超过了0.90。根据相关性分析理论，当0<r<1时表示存在不同程度线性相关：r<＝0.3为不存在线性相关；0.3<r<＝0.5为低度线性相关；0.5<r<＝0.8为显著线性相关；r>0.8为高度线性相关。因此，接收机钟差与高程之间已达到显著和高度线性相关的程度。
其中，在所述步骤一中，接收机同时运行后台定位算法与前台定位算法(如说明书附图3所示)，并行保持两个处理线程。
在所述步骤二中，所述后台定位算法不断进行卫星定位正常球面交会解算，得到所述接收机的钟差值和高程值，并更新存储一个窗口长度为L的钟差值历史序列Δt以及一个窗口长度为L的高程值历史序列Δu。
在所述步骤三中，所述前台定位算法利用所述接收机的所述钟差值历史序列Δt与所述高程值历史序列Δu进行线性回归模型拟合：Δu＝a0+a1Δt，得到回归模型参数a0和a1；
在所述步骤四中，在当前定位历元k，所述前台定位算法利用所述回归模型参数a0和a1对所述接收机的当前钟差未知数Δt(k)和当前高程未知数Δu(k)之间的关系进行回归预测，回归预测方程如式(1)所示：
Δu(k)＝a0+a1Δt(k) (1)
在所述步骤五中，将式(1)与卫星导航基本观测方程联立，联合求解得到所述接收机的所述当前钟差未知数Δt(k)、所述当前高程未知数Δu(k)及其他水平位置坐标未知数。优选地，卫星导航基本观测方程具有如式(2)所示的矩阵形式：
G(k)Δx(k)＝Δρ(k) (2)
其中，Δx(k)＝[Δe(k) Δn(k) Δu(k) Δt(k)]T为接收机在历元k时关于东向坐标位置未知数Δe(k)、北向坐标位置未知数Δn(k)、高程未知数Δu(k)和钟差未知数Δt(k)的向量；
Figure BDA0002953863750000061
为卫星i(i＝1,2,…,n)在历元k时的伪距测量值
Figure BDA0002953863750000062
组成的观测向量；G(k)为历元k时的卫星方向余弦矩阵，并有：
Figure BDA0002953863750000071
式中：
Figure BDA0002953863750000072
和
Figure BDA0002953863750000073
分别为卫星i(i＝1,2,…,n)在历元k时的仰角和方位角。
回归预测方程(式(1))与卫星导航基本观测方程(式(2))联立后，具有形式：
Figure BDA0002953863750000074
采用最小二乘、加权最小二乘或卡尔曼滤波等优化算法对式(4)进行求解，可得到接收机钟差未知数Δt(k)、高程未知数Δu(k)、东向坐标位置未知数Δe(k)和北向坐标位置未知数Δn(k)。
利用本发明所提供的一种提高卫星导航定位性能的方法，通过对用户接收机钟差值历史序列与高程值历史序列进行回归分析并构建约束方程联合求解，降低接收机钟差与高程之间的相关性，从而提高卫星导航的定位精度与时间同步(授时)精度。
以上对本发明多个实施例进行了详细说明，但本发明不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本发明构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本发明所要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种提高卫星导航定位性能的方法，该方法包括：
步骤一，接收机同时运行后台定位算法与前台定位算法；
步骤二，所述后台定位算法不断进行卫星定位正常球面交会解算，得到所述接收机的钟差值和高程值，并更新存储一个窗口长度为L的钟差值历史序列Δt以及一个窗口长度为L的高程值历史序列Δu；
步骤三，所述前台定位算法利用所述接收机的所述钟差值历史序列Δt与所述高程值历史序列Δu进行线性回归模型拟合：Δu＝a0+a1Δt，得到回归模型参数a0和a1；
步骤四，在当前定位历元k，所述前台定位算法利用所述回归模型参数a0和a1对接收机的当前钟差未知数Δt(k)和当前高程未知数Δu(k)之间的关系进行回归预测，回归预测方程为：Δu(k)＝a0+a1Δt(k)；
步骤五，将所述回归预测方程Δu(k)＝a0+a1Δt(k)与卫星导航基本观测方程联立，联合求解得到所述接收机的所述当前钟差未知数Δt(k)、所述当前高程未知数Δu(k)及东向坐标位置未知数Δe(k)、北向坐标位置未知数Δn(k)，
其中，所述卫星导航基本观测方程具有矩阵形式G(k)Δx(k)＝Δρ(k)，其中，
Figure FDA0003939251820000011
为历元k时的卫星方向余弦矩阵，其中，
Figure FDA0003939251820000025
和
Figure FDA0003939251820000024
分别为卫星i(i＝1,2,…,n)在历元k时的仰角和方位角；Δx(k)＝[Δe(k) Δn(k) Δu(k) Δt(k)]T为所述接收机在历元k时关于所述东向坐标位置未知数Δe(k)、北向坐标位置未知数Δn(k)以及所述高程未知数Δu(k)和所述钟差未知数Δt(k)的向量；
Figure FDA0003939251820000021
为所述卫星i(i＝1,2,…,n)在历元k时的伪距测量值
Figure FDA0003939251820000022
组成的观测向量。
2.根据权力要求1所述的一种提高卫星导航定位性能的方法，其特征在于，步骤五中，所述回归预测方程与所述卫星导航基本观测方程联立后的方程组形式为：
Figure FDA0003939251820000023
用最小二乘、加权最小二乘或卡尔曼滤波算法求解，可得到所述接收机的所述钟差未知数Δt(k)、所述高程未知数Δu(k)以及所述东向坐标位置未知数Δe(k)和所述北向坐标位置未知数Δn(k)。
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