CN113325453A - 基于参数约束的gnss非差模糊度确定方法及快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法及快速定位方法，在建立非差载波相位观测方程的基础上，通过伪距和载波计算出模糊度近似值，并赋予模糊度近似值先验权阵，将作为参考星的模糊度近似值的权定义为相对无穷大，将其它卫星的模糊度近似值定义为相对无穷小；将模糊度近似值代入非差载波相位观测方程，获得新的载波相位观测方程；按加权最小二乘法求解新的载波相位观测方程，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵；根据新的模糊度浮点解及其协方差阵，按整数最小二乘法进行搜索，获得模糊度的整数解，从而实现非差模式的快速定位解算。本发明通过参数约束，既达到了采用双差观测方程的效果，又保留了可以高精度解算接收机钟差的功能。

Description

基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法及快速定位方法

技术领域

本发明属于高精度定位技术领域，具体涉及一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法及快速定位方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)高精度定位一般采用载波观测值建立与坐标未知数相关的观测方程，载波相位包含了整周模糊度未知数，一旦模糊度确定，载波观测值就等效于mm级精度的距离观测，从而实现cm级至mm级的高精度定位。

在GNSS高精度定位时，采用非差观测易于计算机编程，不用考虑差分的卫星配对，更为规范，常规的非差处理基本思路是先通过法方程计算出模糊度的浮点解和协方差矩阵，然后按照整数最小二乘法进行搜索，获得模糊度的整数解后，再回代到观测方程中计算其它未知数。由于接收机钟差是实数，模糊度与钟差的耦合，使得模糊度不再具有整数特性，按最小二乘法和LAMBDA搜索是不能获得模糊度的整数解的，从而限制了GNSS快速定位。

为了得到模糊度的整数解，常规的处理方法是进行双差处理，即测站和卫星依次做差，转而求双差模糊度，采用双差观测量作为基础观测量，通过最小二乘法解算出模糊度的浮点解及其协方差矩阵，再通过整数最小二乘法计算出模糊度的整数解。上述双差解决方案尽管可以解算高精度的坐标，但双差后消除了接收机钟差未知数，得不到接收机的钟差信息(授时需要)；另一方面，双差模糊度在算法软件编制时由于频繁的换星问题，也使处理过程变得较为复杂；双差还消除了人们需要关注的其它参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法及快速定位方法，既保留了非差观测的优势，又使模糊度具有整数解。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，本方法包括：

S1、在全球导航卫星系统载波相位定位时，建立非差载波相位观测方程；

S2、通过测站至第i号卫星的伪距R_i和载波

计算出模糊度近似值，并赋予模糊度近似值先验权阵，将作为参考星的模糊度近似值的权定义为相对无穷大，将其它卫星的模糊度近似值定义为相对无穷小；

S3、将S2得到的模糊度近似值代入S1的非差载波相位观测方程，获得新的载波相位观测方程；

S4、按最小二乘法求解所述新的载波相位观测方程，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵；

S5、根据所述新的模糊度浮点解及其协方差阵，按整数最小二乘法进行搜索，获得模糊度的整数解。

按上述方法，所述S1建立的载波相位观测方程具体为：

单一历元m颗卫星的载波相位观测方程表示为

其中，λ为载波的波长，

至

为第1至m号卫星的载波相位观测值，e₁至e_m为测站至第1至m号卫星的单位矢量，dx为坐标改正未知数向量(x,y,z三维坐标改正量)，dt_r为接收机钟差，c为光速，N₁至N_m为测站至第1至m号卫星的整周模糊度未知数，ρ₁至ρ_m为测站近似坐标与第1至m号卫星坐标计算的近似测站至卫星距离，ε为载波观测噪声；

式(1)以矩阵形式表示为：

V＝AX+BY-L

其中X包含坐标改正未知数向量dx和钟差dt_r，Y包含模糊度N₁至N_m，V为观测误矢量，L为由式(1)计算的常矢量，A和B为系数矩阵；

其法方程为：

按上述方法，所述S2模糊度近似值按以下公式获得：

Y_i0为测站至第i号卫星的模糊度近似值；

并赋予Y先验权阵：

p₁至p_m为第1至m号卫星定义的权，1号卫星定义为参考星，相对于其它卫星的权为相对无穷大。

按上述方法，所述S3获得新的载波相位观测方程如下：

V＝AX+BδY-(L-BY₀)

V＝AX+BδY-L′

新的法方程为

δY包含模糊度近似值，L′为新的常矢量。

按上述方法，所述S4、按最小二乘法，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵：

新观测方程的模糊度浮点解为：

Y_float＝Y₀+δY

将参数约束最小二乘法获得的Q_Y和Y_float带入整数最小二乘法获得模糊度的整数解，并带入原始非差载波相位观测方程，实现非差整数模糊度，从而实现快速高精度定位的目的。

一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定系统，本系统包括：

非差载波相位观测方程建立模块，用于在全球导航卫星系统载波相位定位；

模糊度近似值计算模块，用于通过测站至第i号卫星的伪距R_i和载波

计算出模糊度近似值，并赋予模糊度先验权阵；

方程更新模块，用于将得到的模糊度近似值代入载波相位观测方程，获得新的载波相位观测方程；

模糊度浮点求解模块，用于按最小二乘法求解所述新的载波相位观测方程，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵；

模糊度整数解求解模块，用于根据所述新的模糊度浮点解及其协方差阵，按整数最小二乘法进行搜索，获得模糊度的整数解。

一种快速定位方法，本定位方法利用所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，按整数最小二乘法计算，得到模糊度的整数解，并带入原始非差载波相位观测方程，实现非差整数模糊度，从而实现快速高精度定位的目的。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法的步骤。

一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法的步骤。

本发明的有益效果为：

1、通过参数约束(定权)，将作为参考星的模糊度近似值的权定义为相对无穷大，将其他卫星的模糊度近似值定义为相对无穷小，由于对参考星采用了强约束，加权最小二乘法计算出的参考星模糊度值不变，保持了整数特性，既达到了采用双差观测方程的效果，又保留了可以解算接收机钟差的功能。

2、本发明同理可以应用到多系统组合非差精密定位，如北斗导航系统和GLONASS系统，仅需要将该系统的参考星近似模糊度的权定义为相对无穷大。

附图说明

图1为本发明一实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，如图1所示，本方法包括：

S1、在全球导航卫星系统载波相位定位时，建立非差载波相位观测方程。

S1建立的非差载波相位观测方程具体为：

单一历元m颗卫星的非差载波相位观测方程表示为

其中，λ为载波的波长，

至

为第1至m号卫星的载波相位观测值，e₁至e_m为测站至第1至m号卫星的单位矢量，dx为坐标改正未知数向量，dt_r为接收机钟差，c为光速，N₁至N_m为测站至第1至m号卫星的整周模糊度未知数，ρ₁至ρ_m为测站近似坐标与第1至m号卫星坐标计算的近似测站至卫星距离，ε为载波观测噪声；

式(1)以矩阵形式表示为：

V＝AX+BY-L

其中X包含坐标改正未知数向量dx和钟差dt_r，Y包含模糊度N₁至N_m，V为观测误矢量，L为由式(1)计算的常矢量，A和B为系数矩阵；

其法方程为：

S2、通过测站至第i号卫星的伪距R_i和载波

计算出模糊度近似值，并赋予模糊度近似值先验权阵，将作为参考星的模糊度近似值的权定义为相对无穷大，将其他卫星的模糊度近似值定义为相对无穷小。

S2模糊度近似值按以下公式获得：

Y_i0为测站至第i号卫星的模糊度近似值；矩阵形式为：

并赋予Y先验权阵：

p₁至p_m为第1至m号卫星定义的权，1号卫星定义为参考星，相对于其它卫星的权为相对无穷大。

S3、将S2得到的模糊度近似值代入S1的非差载波相位观测方程，获得新的载波相位观测方程。

S3获得新的载波相位观测方程如下：

V＝AX+BδY-(L-BY₀)

V＝AX+BδY-L′

新的法方程为

式中，δY包含模糊度近似值，L′为新的常矢量。

S4、按最小二乘法求解所述新的载波相位观测方程，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵：

Y_float＝Y₀+δY

S5、根据所述新的模糊度浮点解及其协方差阵，将参数约束最小二乘法获得的Q_Y和Y_float带入整数最小二乘法获得模糊度的整数解，并带入原始非差载波相位观测方程，实现非差整数模糊度，从而实现快速高精度定位的目的。

本发明还提供一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定系统，本系统包括：非差载波相位观测方程建立模块，用于在全球导航卫星系统载波相位定位；模糊度近似值计算模块，用于通过测站至第i号卫星的伪距R_i和载波

计算出模糊度近似值；方程更新模块，用于将得到的模糊度近似值代入非差载波相位观测方程，获得新的载波相位观测方程；模糊度浮点求解模块，用于按最小二乘法求解所述新的载波相位观测方程，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵；模糊度整数解求解模块，用于根据所述新的模糊度浮点解及其协方差阵，按整数最小二乘法进行搜索，获得模糊度的整数解。

进一步的，本发明提供一种快速定位方法，本定位方法利用所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，按整数最小二乘法计算，得到模糊度的整数解，并带入原始非差载波相位观测方程，实现非差整数模糊度，从而实现快速高精度定位的目的。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法的步骤。

一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法的步骤。

本发明提出的基于参数约束的GNSS非差模糊度固定解决方法，通过参数约束(定权)，将作为参考星的模糊度近似值的权定义为相对无穷大，将其他卫星的模糊度近似值定义为相对无穷小，由于对参考星采用了强约束，加权最小二乘法计算出的参考星模糊度值不变，保持了整数特性，既达到了采用双差观测方程的效果，又保留了可以解算接收机钟差的功能，仅在形成法方程时给予所谓参考星强约束即可。该方案同理可以应用到多系统组合非差精密定位，如北斗导航系统和GLONASS系统，仅需要将该系统的参考星近似模糊度的权定义为相对无穷大。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，其特征在于：本方法包括：

S1、在全球导航卫星系统载波相位定位时，首先建立非差载波相位观测方程；

S2、通过测站至第i号卫星的伪距R_i和载波相位

计算出模糊度近似值，并赋予模糊度近似值先验权阵，将作为参考星的模糊度近似值的权定义为相对无穷大，将其它卫星的模糊度近似值定义为相对无穷小；

S3、将S2得到的模糊度近似值代入S1的非差载波相位观测方程，获得新的载波相位观测方程；

S4、按加权最小二乘法求解所述新的载波相位观测方程，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵；

S5、根据S4的模糊度浮点解及其协方差阵，按整数最小二乘法进行搜索，获得模糊度的整数解。

2.根据权利要求1所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，其特征在于：所述S1建立的非差载波相位观测方程具体为：

单一历元m颗卫星的非差载波相位观测方程表示为

其中，λ为载波的波长，

至

为第1至m号卫星的载波相位观测值，e₁至e_m为测站至第1至m号卫星的单位矢量，dx为坐标改正未知数向量，dt_r为接收机钟差，c为光速，N₁至N_m为测站至第1至m号卫星的整周模糊度未知数，ρ₁至ρ_m为测站近似坐标与第1至m号卫星坐标计算的近似测站至卫星距离，ε为载波观测噪声；

式(1)以矩阵形式表示为：

V＝AX+BY-L

其中X包含坐标改正未知数向量dx和钟差dt_r，Y包含模糊度N₁至N_m，V为观测误矢量，L为由式(1)计算的常矢量，A和B为系数矩阵；

其法方程为：

3.根据权利要求2所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，其特征在于：所述S2模糊度近似值按以下公式获得：

y_i0为测站至第i号卫星的模糊度近似值；矩阵形式为：

并赋予Y先验权阵：

p₁至p_m为第1至m号卫星定义的权，1号卫星定义为参考星，相对于其它卫星的权为相对无穷大。

4.根据权利要求3所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，其特征在于：所述S3获得新的载波相位观测方程如下：

V＝AX+BδY-(L-BY₀)

V＝AX+BδY-L′

新的法方程为

式中，δY包含模糊度近似值，L′为新的常矢量。

5.根据权利要求4所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，其特征在于：所述S4、按最小二乘法，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵：

新观测方程的模糊度浮点解为：

Y_float＝Y₀+δY。

6.根据权利要求5所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，其特征在于：将参数约束最小二乘法获得的Q_Y和Y_float带入整数最小二乘法获得模糊度的整数解，并带入原始非差载波相位观测方程，实现非差整数模糊度，从而实现快速高精度定位的目的。

7.一种基于参数约束的GNSS非差模糊度确定系统，其特征在于：本系统包括：

非差载波相位观测方程建立模块，用于在全球导航卫星系统载波相位定位；

模糊度近似值计算模块，用于通过测站至第i号卫星的伪距R_i和载波

计算出模糊度近似值，并赋予模糊度先验权阵；

方程更新模块，用于将得到的模糊度近似值代入非差载波相位观测方程，获得新的载波相位观测方程；

模糊度浮点求解模块，用于按加权最小二乘法求解所述新的载波相位观测方程，获得新的模糊度浮点解及其协方差阵；

模糊度整数解求解模块，用于根据所述新的模糊度浮点解及其协方差阵，按整数最小二乘法进行搜索，获得模糊度的整数解。

8.一种快速定位方法，其特征在于：本定位方法利用权利要求1至6中任意一项所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法，按整数最小二乘法计算，得到模糊度的整数解，并带入原始非差载波相位观测方程，实现非差整数模糊度，从而实现快速高精度定位的目的。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任意一项所述的基于参数约束的GNSS非差模糊度确定方法的步骤。

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