CN113176596A - 气压高程约束定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气压高程约束定位方法，包括：步骤一，选取坐标原点O，建立垂线站心直角坐标系；步骤二，对于历元k，观测得到卫星星历及其伪距测量值，计算得到卫星轨道位置坐标并将其转换至垂线站心直角坐标系下；步骤三，对于历元k+1，观测得到卫星星历及其伪距测量值，计算得到卫星轨道位置坐标并将其转换至垂线站心直角坐标系下，并利用气压高度计测量得到用户位置的海拔高变化量，建立历元之间的高程变化量约束方程；步骤四，在垂线站心直角坐标系下，联立历元k与历元k+1的卫星测量方程与高程变化量约束方程，一并求解历元k与历元k+1中的未知数。本发明能够在不具备气象基准修正的情况下，利用气压高程测量信息提高卫星定位的精度。

Description

气压高程约束定位方法
技术领域
本发明涉及卫星导航与定位领域，尤其涉及一种气压高程约束定位方法。
背景技术
在卫星导航定位中，获得高程信息即相当于减少了一个坐标未知数，降低了三维定位的要求。同时，由于卫星定位的高程精度相对较差，因此如果能够获得更准确的高程测量值，也能够进一步提高定位精度与性能。因此，联合高程系统进行导航定位的思想很早就被人们认识与利用。
我国北斗一代卫星定位系统中，曾采用数字高程模型(Digital ElevationModel,DEM)与地图匹配的方法获得用户大地高，以解决双星系统本身无法三维定位的问题。我国区域性卫星定位系统CAPS(ChinaArea Positioning System)一期中，也曾利用气压测高技术辅助当时尚不完善的卫星星座实现三维定位。此时，气压测高起到一颗伪卫星的作用，相当于一颗导航卫星处于地球中心点附近，测得的高度则相当于增加了一段伪距值，成为以地心距离为半径的另一个交会球。然而，由于利用气压等气象观测值所计算获得的绝对高程误差较大，且长时间会发生显著漂移，因此难以直接加以应用。为此，CAPS系统曾通过分布在全国的约2000个气象站实时观测当地气压与温度值，由主控站收集处理后经卫星下行广播至用户，用户再内插得到自身气压基点修正值。但这样存在着数据量大、等待时间长等问题，且由于气象站分布稀疏，用户难以获得高精度的绝对高程值。因此，又有学者提出利用广泛分布的地面移动通信基准，通过适当改造，构成局域范围内的更加精确和实时的修正系统。这些工作奠定了气压测高约束定位的基本模式，提供了宝贵经验。但它们仍都依赖气象基准设施与数据通信链路，增加了系统复杂度和成本，且需要面对海拔高与大地高之间的转换问题。也正是因为以上原因，因此虽然在当前许多智能手机、运动手表、平板电脑等大众终端中均已集成气压测高芯片(模块)，但大多数情况下却并未参与卫星定位解算。这一现状限制了气压测高技术的广泛使用。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出了一种气压高程约束定位方法，利用气压高程短时相对变化量较准确的特点，通过在相邻定位历元间构建联合观测方程，实现不依赖气象基准修正的气压高程辅助定位，从而提高卫星导航的定位精度。
该方法包括以下步骤：
步骤一，选取一个坐标原点O，以所述原点O的垂线方向为Z轴，子午线方向为X轴，Y轴与X、Z轴垂直构成一个垂线站心直角坐标系，其中，所述Z轴以指向天顶的方向为正，所述X轴以指向北的方向为正，所述Y轴以指向东的方向为正。
步骤二，对于历元k，用户在所述垂线站心直角坐标系下的东、北、天位置坐标及接收机钟差所组成的未知数向量为[e(k) n(k) u(k) Δt(k)]T，利用导航接收机观测得到m颗卫星的星历及其伪距测量值
Figure BDA0003036909160000021
计算得到所述卫星轨道位置坐标并将其转换至所述垂线站心直角坐标系下；
步骤三，对于历元k+1，用户在所述垂线站心直角坐标系下的东、北、天位置坐标及接收机钟差所组成的未知数向量为[e(k+1) n(k+1) u(k+1) Δt(k+1)]T，利用导航接收机观测得到n颗卫星的星历及其伪距测量值
Figure BDA0003036909160000031
计算得到所述卫星轨道位置坐标并将其转换至所述垂线站心直角坐标系下，利用气压高度计测量得到用户位置的海拔高变化量Δh(k+1)，建立所述天位置坐标u(k)和u(k+1)之间的高程变化量约束方程：u(k+1)-u(k)＝Δh(k+1)；
步骤四，在所述垂线站心直角坐标系下，联立所述历元k与所述历元k+1的卫星测量方程以及步骤三中的所述高程变化量约束方程，一并求解所述历元k的所述未知数向量[e(k) n(k) u(k) Δt(k)]T和所述历元k+1的所述未知数向量[e(k+1) n(k+1) u(k+1) Δt(k+1)]T。
利用本发明所提供的气压高程约束定位方法，通过在相邻定位历元间构建基于气压高程短时变化量的约束方程，能够在不依赖气象基准修正信息的情况下提高卫星导航定位的精度，且避免了不同高程系统(大地高与海拔高)之间的复杂转换。
附图说明
图1为根据本发明的气压高程约束定位方法的流程图；
图2为根据本发明的垂线站心直角坐标系示意图。
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，虽然使用气压高度计所直接得到的绝对高程并不准确，并且会随着时间的增长而产生漂移，但相邻历元间的气压高程相对变化量却是相当准确的。因此，在没有气象基准修正信息的情况下，可基于气压高程相对变化量，在相邻历元间构建联合观测方程，以实现不依赖气象基准修正的气压高程约束定位。此外，通过将这一处理过程转换至一个局域性的垂线站心直角坐标系下进行，可进一步避免用户海拔高与大地高之间的高程转换问题(此时两者之间的区别仅由垂线偏差造成，对于一般非高精度的应用而言可以忽略不计)。
有鉴于此，本发明的发明人提供了一种气压高程约束定位方法，包括以下步骤：
步骤一，选取一个坐标原点O，以所述原点O的垂线方向为Z轴，子午线方向为X轴，Y轴与X、Z轴垂直构成一个垂线站心直角坐标系，其中，所述Z轴以指向天顶的方向为正，所述X轴以指向北的方向为正，所述Y轴以指向东的方向为正。
步骤二，对于历元k，用户在所述垂线站心直角坐标系下的东、北、天位置坐标及接收机钟差所组成的未知数向量为[e(k) n(k) u(k) Δt(k)]T，利用导航接收机观测得到m颗卫星的星历及其伪距测量值
Figure BDA0003036909160000051
计算得到所述卫星轨道位置坐标并将其转换至所述垂线站心直角坐标系下；
步骤三，对于历元k+1，用户在所述垂线站心直角坐标系下的东、北、天位置坐标及接收机钟差所组成的未知数向量为[e(k+1) n(k+1) u(k+1) Δt(k+1)]T，利用导航接收机观测得到n颗卫星的星历及其伪距测量值
Figure BDA0003036909160000052
计算得到所述卫星轨道位置坐标并将其转换至所述垂线站心直角坐标系下，利用气压高度计测量得到用户位置的海拔高变化量Δh(k+1)，建立所述天位置坐标u(k)和u(k+1)之间的高程变化量约束方程：u(k+1)-u(k)＝Δh(k+1)；
步骤四，在所述垂线站心直角坐标系下，联立所述历元k与所述历元k+1的卫星测量方程以及步骤三中的所述高程变化量约束方程，一并求解所述历元k的所述未知数向量[e(k) n(k) u(k) Δt(k)]T和所述历元k+1的所述未知数向量[e(k+1) n(k+1) u(k+1) Δt(k+1)]T。
根据本发明的一种实施方式，步骤一中，选取一个坐标原点O，以所述原点O的垂线方向为Z轴、指向天顶为正，子午线方向为X轴、指向北为正，Y轴以指向东为正并与X、Z轴垂直构成垂线站心直角坐标系。
坐标原点O可在定位区域(如校园、小区、商圈)范围内的合适位置处选取，所建立的垂线站心直角坐标系如说明书附图2所示，它是一个局域性的坐标系。在建立该局域坐标系后，由于垂线站心直角坐标系的Z轴与绝对海拔高程方向同为铅垂线方向，因此在测量得到海拔高之后即可直接获得用户在局域坐标系下的Z轴方向坐标值，从而大幅简化定位解算过程。
需要指出的是，建立上述垂线站心直角坐标系时，需要已知和给出坐标原点O的大地经纬度坐标
Figure BDA0003036909160000061
及其在地心地固坐标系(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)下的直角坐标(XO,YO,ZO)。
根据本发明的一种实施方式，步骤二中，对于历元k，用户在上述垂线站心直角坐标系下的东、北、天位置坐标及接收机钟差所组成的未知数向量为[e(k) n(k) u(k) Δt(k)]T，利用导航接收机观测得到m颗卫星的星历及其伪距测量值
Figure BDA0003036909160000062
此时用户根据卫星星历所直接计算得到的是卫星P在ECEF坐标系下的坐标(XP,YP,ZP)，通过式(1)将其转换至上述以O为原点的垂线站心直角坐标系下：
Figure BDA0003036909160000063
根据本发明的一种实施方式，步骤三中，对于历元k+1，用户在上述垂线站心直角坐标系下的东、北、天位置坐标及接收机钟差所组成的未知数向量为[e(k+1) n(k+1) u(k+1) Δt(k+1)]T，利用导航接收机观测得到n颗卫星的星历及其伪距测量值
Figure BDA0003036909160000064
计算得到卫星轨道位置坐标，并将其转换至所述垂线站心直角坐标系下，此时的处理方法与步骤二相同。
在此基础上，步骤三中进一步利用气压高度计测量得到用户位置的海拔高变化量Δh(k+1)，建立用户天位置坐标u(k)和u(k+1)(也即是用户在垂线站心直角坐标系下的高程分量坐标)之间的高程变化量约束方程：
u(k+1)-u(k)＝Δh(k+1) (2)
根据本发明的一种实施方式，步骤四中，在上述垂线站心直角坐标系下，联立历元k与历元k+1的卫星测量方程以及步骤三中的高程变化量约束方程。
其中，历元k的卫星测量方程为：
Figure BDA0003036909160000071
式中，
Figure BDA0003036909160000072
Figure BDA0003036909160000073
分别为卫星i(i＝1,2,…,m)在历元k的仰角和方位角；
历元k+1的卫星测量方程为：
Figure BDA0003036909160000074
式中，
Figure BDA0003036909160000075
和
Figure BDA0003036909160000076
分别为卫星j(j＝1,2,…,n)在历元k+1的仰角和方位角；
联立卫星测量方程以及高程变化量约束方程后，具有形式：
Figure BDA0003036909160000077
采用最小二乘、加权最小二乘、卡尔曼滤波算法对式(5)进行求解，可一并得到历元k的未知数向量[e(k) n(k) u(k) Δt(k)]T和历元k+1[e(k+1) n(k+1) u(k+1) Δt(k+1)]T。
利用本发明所提供的气压高程约束定位方法，通过在相邻定位历元间构建基于气压高程短时变化量的约束方程并在局域垂线站心坐标系下进行联立求解，能够在不具备气象基准修正信息的情况下提高卫星导航定位的精度，同时避免了不同高程系统(大地高与海拔高)之间的复杂转换问题。
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 (1)

1.一种气压高程约束定位方法，该方法包括：
步骤一，选取一个坐标原点O，以所述原点O的垂线方向为Z轴，子午线方向为X轴，Y轴与X、Z轴垂直构成一个垂线站心直角坐标系，其中，所述Z轴以指向天顶的方向为正，所述X轴以指向北的方向为正，所述Y轴以指向东的方向为正；
步骤二，对于历元k，用户在所述垂线站心直角坐标系下的东、北、天位置坐标及接收机钟差所组成的未知数向量为[e(k) n(k) u(k) Δt(k)]T，利用导航接收机观测得到m颗卫星的星历及其伪距测量值
Figure FDA0003036909150000011
计算得到所述卫星轨道位置坐标并将其转换至所述垂线站心直角坐标系下；
步骤三，对于历元k+1，用户在所述垂线站心直角坐标系下的东、北、天位置坐标及接收机钟差所组成的未知数向量为[e(k+1) n(k+1) u(k+1) Δt(k+1)]T，利用导航接收机观测得到n颗卫星的星历及其伪距测量值
Figure FDA0003036909150000012
计算得到所述卫星轨道位置坐标并将其转换至所述垂线站心直角坐标系下，利用气压高度计测量得到用户位置的海拔高变化量Δh(k+1)，建立所述天位置坐标u(k)和u(k+1)之间的高程变化量约束方程：u(k+1)-u(k)＝Δh(k+1)；
步骤四，在所述垂线站心直角坐标系下，联立所述历元k与所述历元k+1的卫星测量方程以及步骤三中的所述高程变化量约束方程，一并求解所述历元k的所述未知数向量[e(k)n(k) u(k) Δt(k)]T和所述历元k+1的所述未知数向量[e(k+1) n(k+1) u(k+1) Δt(k+1)]T。
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