CN113376673B - 一种bds/gps组合精密单点定位快速收敛方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及GNSS卫星导航与定位技术领域，特别涉及一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法，BDS/GPS组合精密单点定位(PPP)性能受观测异常、观测值随机模型误差和动力学模型误差等因素影响，定位收敛速度较慢，制约了BDS/GPS组合PPP在快速定位方面的应用。为此，提出采用改进IGG III抗差模型抑制粗差观测值的影响；利用引入时间相关遗忘因子的Helmert方差分量估计合理确定BDS/GPS系统间权比；为了控制载体状态扰动异常对动态定位参数估值的影响，利用预报残差统计量构建了自适应因子。建立了一套抗差自适应BDS/GPS组合PPP方法，与传统方法相比，抗差自适应方法提高了GPS/BDS组合PPP收敛速度和定位精度。

Description

一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法
技术领域
本发明涉及GNSS卫星导航与定位技术领域，特别涉及一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法。
背景技术
随着BDS卫星导航系统建成，全球也进入到了多GNSS系统时代。多BDS/GPS系统组合精密单点定位(PPP)应用越来越广泛，组合后可以改善卫星星座的空间几何构型增大PDOP值，增加可用卫星数量，提供更多的观测数据进行定位解算，提高定位结果的可靠性。然而，BDS/GPS组合PPP受制于观测异常、不同系统间随机模型和动力学模型误差的影响，收敛速度较慢，制约了PPP在快速高精度定位方面的应用。常规的抗差估计方法忽略了设计矩阵将单一粗差分配到正常值的情况，削弱了正常观测值利用效果。不同系统间的权比通常采用经验值，不能真实反映不同系统的随机模型，降低了定位性能。另外，常规Helmert方差分量估计定权方法，忽略了观测值较少时权比估值可靠性差的问题。常用验后残差构建自适应因子，若观测值个数较少，自适应因子可靠性较差，不能正确反应载体状态扰动异常。
发明内容
针对现有技术存在不足，本发明提供一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法。
本发明采用的技术方案为：
一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法，包括以下步骤：
(1)获取观测数据，包括BDS和GPS观测数据、精密轨道和钟差、以及差分码偏差产品，并采用IGG III抗差模型抑制粗差观测值；
(2)对进行粗差观测值抑制后的数据，利用引入时间相关遗忘因子的Helmert方差分量估计方法确定BDS观测数据和GPS观测数据之间的权比，并利用BDS和GPS系统间的权比进行参数估计，得到参数估值；
(3)利用参数估值计算预报残差向量，根据预报残差向量构建自适应因子，并利用构建的自适因子再次进行参数估计，获得高精度定位结果。
其中，步骤(1)中采用IGG III抗差模型抑制粗差观测值，具体为：
(101)采用TurboEdit方法剔除观测数据中的部分粗差和周跳；
(102)利用剔除粗差和周跳后的观测数据进行误差改正，包括改正相对论效应、对流层延迟、地球自转和天线相位误差；
(103)利用误差改正后的数据，根据高度角模型进行观测值初始定权；
(104)利用观测值初始权值对误差改正后的数据进行参数估计，得到观测值残差信息；
(105)根据观测值残差信息重新计算观测值等价权；计算公式为：
Figure BDA0003141362320000021
式中，
Figure BDA0003141362320000022
为观测值残差信息，
Figure BDA0003141362320000023
和p分别为观测值等价权和观测值初始权，c0和c1为调和系数；
(106)将当前验后残差最大的观测数据使用观测值等加权进行处理，并将观测值等价权作为观测值初始权，重复步骤(104)和(105)，直至剩余粗差观测值的等价权为0。
其中，步骤(2)中计算BDS观测数据和GPS观测数据之间的权比，具体为：
(201)设定BDS和GPS观测值的初始等价权缩放因子为λ1＝λ2＝1，则BDS和GPS观测值的权值为
Figure BDA0003141362320000024
i为1,2，分别代表BDS观测值和GPS观测值；
(202)利用BDS和GPS观测值的权，对使用观测值等加权进行处理后的观测数据进行参数估计，得到观测值残差信息；
(203)基于步骤(202)得到的观测值残差信息，利用Helmert方差分量估计公式计算BDS和GPS观测值单位权方差
Figure BDA0003141362320000025
和
Figure BDA0003141362320000026
(204)利用BDS和GPS观测值单位权方差
Figure BDA0003141362320000027
和
Figure BDA0003141362320000028
计算缩放因子
Figure BDA0003141362320000029
并利用计算的缩放因子重新计算BDS和GPS观测值的权值；
Figure BDA00031413623200000210
(205)重复步骤(202-204)，直至|σ1-σ2|≤0.01，并确定BDS和GPS系统间的权比
Figure BDA0003141362320000031
Figure BDA0003141362320000032
(206)当观测卫星数目较少或观测值质量较差时，引入时间相关遗忘因子，并采用移动窗口平滑当前历元权比，重新确定BDS和GPS系统间的权比
Figure BDA0003141362320000033
Figure BDA0003141362320000034
其中，
Figure BDA0003141362320000035
m为用于平滑的历元个数。
其中，步骤(3)具体为：
(301)利用参数估值，计算参数预报值；
Figure BDA0003141362320000036
式中，下标k表示历元；
Figure BDA0003141362320000037
为第k-1历元系统状态向量参数估值；
Figure BDA0003141362320000038
为第k历元参数预报值；Φk,k-1为状态转移矩阵；Γk,k-1为系统状态转移矩阵；Wk-1为系统噪声；
(302)计算预报残差向量；
Figure BDA0003141362320000039
Zk为观测向量，Hk为观测矩阵，
Figure BDA00031413623200000310
为预报残差向量；
(303)采用预报残差统计量构建自适应因子ak，具体公式如下：
Figure BDA00031413623200000311
其中：
Figure BDA0003141362320000041
式中，c0和c1为常数，
Figure BDA0003141362320000042
为预报残差向量，
Figure BDA0003141362320000043
为预报残差的方差，nk为观测值个数；
(304)利用构建的自适因子再次进行参数估计，获得高精度定位结果。
本发明相比现有技术具有如下优点：
本发明方法较传统方法定位误差收敛速度快，且定位精度高于传统方法。
附图说明
图1为本发明的BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法实施流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述：
一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法，包括以下步骤：
(1)获取观测数据，包括BDS和GPS观测数据、精密轨道和钟差、以及差分码偏差产品，并采用IGG III抗差模型抑制粗差观测值；
其中，采用IGG III抗差模型抑制粗差观测值，具体为：
(101)采用TurboEdit方法剔除观测数据中的部分粗差和周跳；
(102)利用剔除粗差和周跳后的观测数据进行误差改正，包括改正相对论效应、对流层延迟、地球自转和天线相位误差；
(103)利用误差改正后的数据，根据高度角模型进行观测值初始定权；
(104)利用观测值初始权值对误差改正后的数据进行参数估计，得到观测值残差信息；
(105)根据观测值残差信息重新计算观测值等价权；计算公式为：
Figure BDA0003141362320000044
式中，
Figure BDA0003141362320000045
为观测值残差信息，
Figure BDA0003141362320000046
和p分别为观测值等价权和观测值初始权，c0和c1为调和系数；
(106)将当前验后残差最大的观测数据使用观测值等加权进行处理，并将观测值等价权作为观测值初始权，重复步骤(104)和(105)，直至剩余粗差观测值的等价权为0。
(2)对进行粗差观测值抑制后的数据，利用引入时间相关遗忘因子的Helmert方差分量估计方法确定BDS观测数据和GPS观测数据之间的权比，并利用BDS和GPS系统间的权比进行参数估计，得到参数估值；
其中，计算BDS观测数据和GPS观测数据之间的权比，具体为：
(201)设定BDS和GPS观测值的初始等价权缩放因子为λ1＝λ2＝1，则BDS和GPS观测值的权值为
Figure BDA0003141362320000051
i为1,2，分别代表BDS观测值和GPS观测值；
(202)利用BDS和GPS观测值的权，对使用观测值等加权进行处理后的观测数据进行参数估计，得到观测值残差信息；
(203)基于步骤(202)得到的观测值残差信息，利用Helmert方差分量估计公式计算BDS和GPS观测值单位权方差
Figure BDA0003141362320000052
和
Figure BDA0003141362320000053
(204)利用BDS和GPS观测值单位权方差
Figure BDA0003141362320000054
和
Figure BDA0003141362320000055
计算缩放因子
Figure BDA0003141362320000056
并利用计算的缩放因子重新计算BDS和GPS观测值的权值；
Figure BDA0003141362320000057
(205)重复步骤(202-204)，直至|σ1-σ2|≤0.01，并确定BDS和GPS系统间的权比
Figure BDA0003141362320000058
Figure BDA0003141362320000059
(206)当观测卫星数目较少或观测值质量较差时，引入时间相关遗忘因子，并采用移动窗口平滑当前历元权比，重新确定BDS和GPS系统间的权比
Figure BDA00031413623200000510
Figure BDA00031413623200000511
其中，
Figure BDA0003141362320000061
m为用于平滑的历元个数。
(3)利用参数估值计算预报残差向量，根据预报残差向量构建自适应因子，并利用构建的自适因子再次进行参数估计，获得高精度定位结果。
具体为：
(302)利用参数估值，计算参数预报值；
Figure BDA0003141362320000062
式中，下标k表示历元；
Figure BDA0003141362320000063
为第k-1历元系统状态向量参数估值；
Figure BDA0003141362320000064
为第k历元参数预报值；Φk,k-1为状态转移矩阵；Γk,k-1为系统状态转移矩阵；Wk-1为系统噪声；
(302)计算预报残差向量；
Figure BDA0003141362320000065
Zk为观测向量，Hk为观测矩阵，
Figure BDA0003141362320000066
为预报残差向量；
(303)采用预报残差统计量构建自适应因子ak，具体公式如下：
Figure BDA0003141362320000067
其中：
Figure BDA0003141362320000068
式中，c0和c1为常数，一般c0取1.5～3.0，c1取3.0～8.0，
Figure BDA0003141362320000069
为预报残差向量，
Figure BDA00031413623200000610
为预报残差的方差，nk为观测值个数；
(304)利用构建的自适因子再次进行参数估计，获得高精度定位结果。
以上详细描述了本发明的具体实施方式。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思出诸多变化和修改。因此，凡技术领域中的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取观测数据，包括BDS和GPS观测数据、精密轨道和钟差、以及差分码偏差产品，并采用IGG III抗差模型抑制粗差观测值；
(2)对进行粗差观测值抑制后的数据，利用引入时间相关遗忘因子的Helmert方差分量估计方法确定BDS观测数据和GPS观测数据之间的权比，并利用BDS和GPS系统间的权比进行参数估计，得到参数估值；
(3)利用参数估值计算预报残差向量，根据预报残差向量构建自适应因子，并利用构建的自适因子再次进行参数估计，获得高精度定位结果；
其中，步骤(1)中采用IGG III抗差模型抑制粗差观测值，具体为：
(101)采用TurboEdit方法剔除观测数据中的部分粗差和周跳；
(102)利用剔除粗差和周跳后的观测数据进行误差改正，包括改正相对论效应、对流层延迟、地球自转和天线相位误差；
(103)利用误差改正后的数据，根据高度角模型进行观测值初始定权；
(104)利用观测值初始权值对误差改正后的数据进行参数估计，得到观测值残差信息；
(105)根据观测值残差信息重新计算观测值等价权；计算公式为：
Figure FDA0003831491560000011
式中，
Figure FDA0003831491560000012
为观测值残差信息，
Figure FDA0003831491560000013
和p分别为观测值等价权和观测值初始权，c0和c1为调和系数；
(106)将当前验后残差最大的观测数据使用观测值等加权进行处理，并将观测值等价权作为观测值初始权，重复步骤(104)和(105)，直至剩余粗差观测值的等价权为0。
2.根据权利要求1所述的一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法，其特征在于，步骤(2)中计算BDS观测数据和GPS观测数据之间的权比，具体为：
(201)设定BDS和GPS观测值的初始等价权缩放因子为λ1＝λ2＝1，则BDS和GPS观测值的权值为
Figure FDA0003831491560000021
i为1,2，分别代表BDS观测值和GPS观测值；
(202)利用BDS和GPS观测值的权，对使用观测值等加权进行处理后的观测数据进行参数估计，得到观测值残差信息；
(203)基于步骤(202)得到的观测值残差信息，利用Helmert方差分量估计公式计算BDS和GPS观测值单位权方差
Figure FDA0003831491560000022
和
Figure FDA0003831491560000023
(204)利用BDS和GPS观测值单位权方差
Figure FDA0003831491560000024
和
Figure FDA0003831491560000025
计算缩放因子
Figure FDA0003831491560000026
并利用计算的缩放因子重新计算BDS和GPS观测值的权值；
Figure FDA0003831491560000027
(205)重复步骤(202-204)，直至|σ1-σ2|≤0.01，并确定BDS和GPS系统间的权比
Figure FDA0003831491560000028
Figure FDA0003831491560000029
(206)当观测卫星数目较少或观测值质量较差时，引入时间相关遗忘因子，并采用移动窗口平滑当前历元权比，重新确定BDS和GPS系统间的权比
Figure FDA00038314915600000210
Figure FDA00038314915600000211
其中，
Figure FDA00038314915600000212
m为用于平滑的历元个数。
3.根据权利要求1所述的一种BDS/GPS组合精密单点定位快速收敛方法，其特征在于，步骤(3)具体为：
(301)利用参数估值，计算参数预报值；
Figure FDA0003831491560000031
式中，下标k表示历元；
Figure FDA0003831491560000032
为第k-1历元系统状态向量参数估值；
Figure FDA0003831491560000033
为第k历元参数预报值；Φk,k-1为状态转移矩阵；Γk,k-1为系统状态转移矩阵；Wk-1为系统噪声；
(302)计算预报残差向量；
Figure FDA0003831491560000034
Zk为观测向量，Hk为观测矩阵，
Figure FDA0003831491560000035
为预报残差向量；
(303)采用预报残差统计量构建自适应因子ak，具体公式如下：
Figure FDA0003831491560000036
其中：
Figure FDA0003831491560000037
式中，c0和c1为常数，
Figure FDA0003831491560000038
为预报残差向量，
Figure FDA0003831491560000039
为预报残差的方差，nk为观测值个数；
(304)利用构建的自适因子再次进行参数估计，获得高精度定位结果。
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