CN113156474B - 一种混合星座自适应导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合星座自适应导航定位方法，主要包括S1、获取实验数据；S2、依据获取的实验数据，分别判断GPS和BDS系统定位结果是否有效，如果定位结果均有效，则执行下一步骤；S3、对当前时刻GPS和BDS系统的数据进行位置解算，并计算验证后位置误差；S4、得到GPS和BDS系统的验证后位置误差后，计算前N个时刻GPS和BDS系统的验后位置误差标准差；S5、得到计算结果后，输出解算后的位置速度信息、当前使用的卫星星座以及验后伪距误差。本发明对各系统的验后位置误差的值与标准差作为优选标准，在两系统精度性能一致的情况下，可以对单系统结果有明显提升，保持与传统多星座组合导航算法相同的精度。

Description

一种混合星座自适应导航定位方法

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统技术领域，特别是涉及一种混合星座自适应导航定位方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)是一个世界范围的定位和定时系统，包含一个或多个卫星星座，随着中国的“北斗”卫星导航系统星座的完善，需要将BDS与现有的GNSS服务结合起来，以提高导航精度，满足更高导航性能的需要。GNSS星座主要包括美国的GNSS、中国的“北斗”卫星导航系统、欧洲的Galileo、俄罗斯的GLONASS。

在现有飞机的机载配置，主要是由GPS提供中高精度的绝对位置信息，在北斗导航系统(BDS)组网之后，需要在做出尽可能少的改变下，加入北斗导航系统。当GPS和BDS都可以输出结果时，需要对两个系统的数据进行处理，使得GNSS系统能输出性能更好的位置及速度数据。这其中包含两个方面的内容，一是要对两个星座系统输出数据的有效性进行判断。二是如果输出结果均有效，就需要对GPS和BDS系统的数据进行混合求解，或是选出性能更好的系统。

当前在BDS/GPS双系统中，常用的方法是在FMS对导航源进行自动选择，如果出现有一套导航传感器出现故障无法使用，FMS会自动将信息输入源切换到另一套导航，尽量保持导航能力不变，简称为“保级运行”。由于BDS在中国境内大部分区域内都有较好的定位效果。保级运行的方法没有充分利用可见星增多，冗余数据增加的优势，提升导航精度，并且在两系统性能差距过大时，不能选出性能较好的系统，导致输出的数据精度受到较大影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向GPS/BDS混合星座的自适应定位方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种混合星座自适应导航定位方法，包括以下步骤：

S1、根据GPS和BDS卫星星历和当前位置，获取当前可见星和伪距数据，作为参与解运算的数据；

S2、依据所述S1获取的数据，分别判断GPS和BDS系统定位结果是否有效，如果定位结果均有效，则执行下一步骤，如果定位结果只有一项有效或均无效，则直接输出结果；

S3、对当前时刻GPS和BDS系统的数据进行位置速度解算，得到解算后的位置速度信息，并计算GPS和BDS星座验后伪距误差；

S4、得到所述GPS和BDS系统的验证后伪距误差后，计算前N个时刻GPS和BDS系统的验后位置误差标准差；

S5、输出解算后的位置速度信息、当前使用的卫星星座以及验后伪距误差。

优选地，步骤S1中，所述实验数据包括：

卫星位置坐标X^j(t)、Y^j(t)、Z^j(t)，伪距观测值接收机先验位置先验伪距误差的标准差σ。

优选地，所述步骤S2中，若只有GPS定位结果有效，则使用所述GPS定位结果定位，并对所述GPS定位结果进行输出，若只有BDS定位结果有效，则使用所述BDS定位结果定位，并对所述BDS定位结果进行输出，若GPS和BDS定位结果均无效，则无法定位，输出无法定位结果。

优选地，所述步骤S3包括：

S3.1、分别对GPS和BDS各星座进行位置解算并计算验后伪距误差，得到地心地固系下的位置坐标；建立满足最小二乘准则的目标方程，基于最小二乘估计方法的目标函数的期望值，得到验后单位权方差；所述验后单位权方差即为验后伪距误差方差；

S3.2、对单星座计算验后位置误差，通过所述验后单位权方差评定待估计参数的实测精度。

优选地，步骤S4中，若所述GPS和BDS系统当前时刻验后位置误差的差大于两系统验后位置误差标准差的和，则进行优选，选择验后位置误差较小的系统的定位结果，若两系统所述验后位置误差的差计算得到的前N时刻两系统验后位置误差标准差的和，则进行混合星座加权定位。

优选地，步骤S4中，所述误差标准差采用滑动窗口对前N个时刻的最优验后位置误差计算方差得到。

优选地，所述步骤S4包括：

S4.1、对GPS和BDS系统验后位置误差进行比较，判断是否需要进行优选，为验后位置误差较大的星座系统，/>为验后位置误差较小的星座系统，当/>且时，则直接选取所述验后位置误差较大的星座系统为较优的系统；

S4.2、对混合星座进行位置迭代计算，若满足迭代条件的每一项均小于10^-3m，则迭代完成，若不满足迭代条件，则继续迭代计算；

S4.3、计算所述混合星座验后位置误差，根据伪距误差的无偏估计进行混合星座加权定位解算。

本发明的有益效果为：

本发明公开了一种混合星座自适应导航定位方法，其中对各系统的验后位置误差的值与标准差作为优选标准，在两系统精度性能一致的情况下，可以对单系统结果有明显提升，保持与传统多星座组合导航算法相同的精度；在两系统精度性能差距较大的情况下，可以智能地对结果进行优选，使系统精度与精度较优的系统保持一致，不被较差的系统影响，与传统多星座组合导航算法相比，有明显的提升。基于性能评估的自动混合星座优选算法更加全面，在两系统性能一致时，可以提升相对于单系统的定位精度；两个系统误差较大的情况，对较优的性能可以有效保持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明优选算法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提出的一种混合星座自适应导航定位方法，如附图1所示，具体包括以下步骤：

S1、获取当前与各可见星的距离，可见星当前位置等实验数据；

实验数据为参与解算的数据，每次参与解算的数据包括：

(a)卫星位置坐标X^j(t)、Y^j(t)、Z^j(t)，其含义为t时刻时卫星j(j为卫星索引号)在地心地固系下的位置坐标。

(b)伪距观测值为当前时刻t下，卫星j与接收机i的观测距离，由接收机输出。本发明下述实施例步骤中涉及的伪距观测值为经过电离层误差、对流层误差、卫星钟差修正等修正之后用于解算的伪距值。具体修正内容根据所要求的精度级别而不同。伪距修正步骤为卫星导航解算的必要步骤，具体需参照卫星导航定位算法。本发明适宜使用在伪距观测值修正步骤之后与伪距参与位置解算步骤之前。未经修正的伪距观测值也可使用，但可能将降低发明效果。

(c)接收机先验位置代表t时刻接收机i在地心地固系下的位置坐标。接收机先验位置/>可以采用当前时刻预测定位结果，包括但不限于GNSS系统当前时刻实测数据定位结果、其他传感器当前时刻定位结果，GNSS系统当前时刻预测结果等。

本实施例采用上一时刻的卫星定位系统解算的接收机位置为先验位置。

(d)先验伪距误差的标准差σ，表示某一卫星导航系统的伪距观测值与真实距离的误差的标准差，是一个基于大数据的统计检验量。可由不同的模型计算得到，可由一些辅助导航系统如SBAS(星基增强系统)统一发布，也可使用某些规范采用的经验值。

本实施例采用GPS31颗卫星与BeiDou44颗卫星的官方公布历书数据，进行卫星星座仿真。为了对比混合星座优选算法对性能较大系统定位结果的提升效果，本实施例在伪距上加入服从均值为0，一倍标准差大小不同的随机伪距误差。经过10000次蒙特卡洛仿真后，统计验后伪距误差(计算得出)与真值位置误差(与仿真轨迹相减得出)的结果。真值位置误差真实定位计算中无法验证。仿真中可以采用对比GPS、BDS、传统多星座组合算法和混合星座优选算法的结果进行验证。

分别对伪距注入不同大小的误差，对以下几种情况进行对比：

实验1：GPS/BDS双系统下仿真伪距误差为1m的实验；

实验2：GPS(3m)与BDS(2m)性能不同情况；

实验3：GPS(5m)与BDS(2m)性能不同情况；

实验4：GPS(10.5m)与BDS(2m)性能不同情况；

实验5：GPS(33.3m)与BDS(2m)性能不同情况；

S2、分别判断GPS和BDS定位结果是否有效，如果定位结果均有效，执行步骤S3；如果只有GPS定位结果有效，使用GPS定位结果进行定位并输出“BDS不可用”；如果只有BDS定位结果有效，使用BDS定位结果进行定位并输出“GPS不可用”；如果GPS和BDS定位结果均无效，无法定位并输出“GPS与BDS均不可用”；

S3、对当前时刻GPS和BDS系统的数据进行位置解算，并计算验后位置误差；

S31、对单星座进行位置解算并计算验后伪距误差；

卫星导航系统的高斯马尔科夫量测方程为：

E(Z)＝HX var(Z)＝D

其中，Z为观测值矩阵，H为观测矩阵，X是待估计量，Δ为观测误差矩阵；

通过估计得到的参数n为待估计参数个数。

接收机先验位置代表t时刻时接收机i在地心地固系下的位置坐标，

那么残差，即实际观测值与估计观测值的差异为：

其中：

最小二乘的估计准则是，参数估计结果要使得观测值的残差平方和为最小：其向量形式为：v^Tv＝min；

建立满足最小二乘准则的目标方程为

Φ(X)＝v^Tv＝min

最小二乘的参数估计为：

最小二乘估计方法的目标函数的期望为：E(Φ(X))＝E(v^TWv)，

其中，

由此可以得出方差的无偏估计为：

其中，由观测值估计得到，其中包含了观测值的信息，所以也称/>为验后单位权方差。v为残差阵，/>为观测值个数，n为待估计参数个数。在位置解算中，验后单位权方差即为验后伪距误差方差。

S32、对单星座计算验后位置误差；

通过验后单位权方差也可以评定待估计参数的实测精度为：

其中，W为加权矩阵，的对角线元素对应于各个待估计参数的方差，不考虑协方差影响，将三维误差转换为验后位置误差标准差可得：

其中为/>矩阵对角线上的元素值。

S4、使用所述步骤S3得到的各系统的验后位置误差，计算前N个时刻GPS和BDS系统的验后位置误差标准差，若两系统当前时刻验后位置误差的差大于两系统验后位置误差标准差的和则进行优选，选择验后位置误差较小的系统的定位结果，若两系统验后位置误差的差计算得到的前N时刻两系统验后位置误差标准差的和则进行混合星座加权定位。

S41、对双系统验后位置误差进行比较，判断是否需要优选；

误差的方差采用滑动窗口对前N个时刻的最优验后位置误差计算方差得到：

其中至/>为前N时刻的验后位置误差。

精度一致性评估算法为，如附图2所示，

当且/>时，系统B的定位结果明确较优，故而采用系统B的定位结果，即当前时刻验后位置误差较大的系统的验后位置误差大于较小系统的误差上界则直接选取较优的系统。

其他情况下，采用混合星座验后算法进行解算，以平衡两个系统间的误差。

S42、对混合星座进行位置迭代计算；

双系统单点定位的状态方程需要考虑两个接收机钟差影响：

其中为

接着，需要将状态方程转化为观测方程并进行泰勒展开，

其中，为伪距观测值，为当前时刻t下，卫星j与接收机i的观测距离；/>为零阶常数项；X_i,Y_i,Z_i代表当前时刻载体i在地心地固系下的接收机位置的三维取值；X^j(t)Y^j(t)Z^j(t)代表t时刻时卫星j在地心地固系下的位置坐标；x_i,y_i,z_i,cΔt_i是方程的自变量；

观测值矩阵H中对应于GPS卫星的观测矩阵为：

观测值矩阵H中对应于BDS卫星的观测矩阵为：

则量测方程为：

其中，c为GPS系统参与解算的卫星数，d为BDS系统参与解算的卫星数。

根据观测方程，三维位置与接收机钟差的估计值如下：

其中，为每次迭代的估计结果，W_multi是加权矩阵；用单系统解算的验后位置误差进行加权。

经过k次迭代计算出接收机估计值的过程如下：

迭代k次后待估参数X的估计值为/> 是此次迭代的位置初值，也为定位过程中上一个迭代的结果；/>是第k次迭代后接收机i的地心地固系下的三维位置坐标，cΔt^(k)是估计的接收机钟差项，每次迭代均会更新；

若满足迭代条件的每一项均小于10^-3m，则迭代完成，若不满足迭代条件，则继续迭代计算；

S43、计算混合星座验后位置误差；

对混合星座进行加权解算后伪距方差的无偏估计为：

其中，残差向量

其中，是迭代k次后接收机i的地心地固系下的三维位置坐标估计值。

接着，根据伪距误差的无偏估计进行混合星座定位解算

其中的对角线元素对应于各个待估计参数的方差，不考虑协方差影响，将三维误差转换为验后位置误差可得：

最终的实验结果如下表1所示。

表1

S5、输出解算后的位置速度信息、当前使用的卫星星座以及验后伪距误差。

本发明的有益效果为：

本发明公开了一种新的GNSS混合星座优选算法，其中对各系统的验后位置误差的值与标准差作为优选标准，在两系统精度性能一致的情况下，可以对单系统结果有明显提升，保持与传统多星座组合导航算法相同的精度；在两系统精度性能差距较大的情况下，可以智能地对结果进行优选，使系统精度与精度较优的系统保持一致，不被较差的系统影响，与传统多星座组合导航算法相比，有明显的提升。基于性能评估的自动混合星座优选算法更加全面，在两系统性能一致时，可以提升相对于单系统的定位精度；两个系统误差较大的情况，对较优的性能可以有效保持。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种混合星座自适应导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据GPS和BDS卫星星历和当前位置，获取当前可见星和伪距数据，作为参与解运算的数据；

S2、依据所述S1获取的数据，分别判断GPS和BDS系统定位结果是否有效，如果定位结果均有效，则执行下一步骤，如果定位结果只有一项有效或均无效，则直接输出结果；

S3、对当前时刻GPS和BDS系统的数据进行位置速度解算，得到解算后的位置速度信息，并计算GPS和BDS星座验后伪距误差；

若所述GPS和BDS系统当前时刻验后位置误差的差大于两系统验后位置误差标准差的和，则进行优选，选择验后位置误差较小的系统的定位结果，若两系统所述验后位置误差的差计算得到的前N时刻两系统验后位置误差标准差的和，则进行混合星座加权定位；

S4、得到所述GPS和BDS系统的验证后伪距误差后，计算前N个时刻GPS和BDS系统的验后位置误差标准差；

包括：S4.1、对GPS和BDS系统验后位置误差进行比较，判断是否需要进行优选，为验后位置误差较大的星座系统，/>为验后位置误差较小的星座系统，当/>且时，则直接选取所述验后位置误差较大的星座系统为较优的系统；

S4.2、对混合星座进行位置迭代计算，若满足迭代条件的每一项均小于10^-3m，则迭代完成，若不满足迭代条件，则继续迭代计算；其中，/>为每次迭代的估计结果；

S4.3、计算所述混合星座验后位置误差，根据伪距误差的无偏估计进行混合星座加权定位解算；

S5、输出解算后的位置速度信息、当前使用的卫星星座以及验后伪距误差。

2.根据权利要求1所述的混合星座自适应导航定位方法，其特征在于，步骤S1中，实验数据包括：

卫星位置坐标X^j(t)、Y^j(t)、Z^j(t)，伪距观测值接收机先验位置先验伪距误差的标准差σ。

3.根据权利要求1所述的混合星座自适应导航定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，若只有GPS定位结果有效，则使用所述GPS定位结果定位，并对所述GPS定位结果进行输出，若只有BDS定位结果有效，则使用所述BDS定位结果定位，并对所述BDS定位结果进行输出，若GPS和BDS定位结果均无效，则无法定位，输出无法定位结果。

4.根据权利要求1所述的混合星座自适应导航定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S3.1、分别对GPS和BDS各星座进行位置解算并计算验后伪距误差，得到地心地固系下的位置坐标；建立满足最小二乘准则的目标方程，基于最小二乘估计方法的目标函数的期望值，得到验后单位权方差；所述验后单位权方差即为验后伪距误差方差；

S3.2、对单星座计算验后位置误差，通过所述验后单位权方差评定待估计参数的实测精度。

5.根据权利要求1所述的混合星座自适应导航定位方法，其特征在于，步骤S4中，所述误差标准差采用滑动窗口对前N个时刻的最优验后位置误差计算方差得到。