CN113970772A - 一种面向城市环境的多频bds-2/bds-3/ins车载组合定位方法 - Google Patents

一种面向城市环境的多频bds-2/bds-3/ins车载组合定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向城市环境的多频BDS‑2/BDS‑3/INS车载组合定位方法，该发明利用BDS多频观测值信息（BDS‑2三频和BDS‑3四频）进行车载组合定位。面向BDS多频模糊度固定，根据城市观测环境的复杂程度，使用不同的模糊度固定策略：首先基于GF模型单历元取整固定到多频宽巷模糊度，如果观测环境较为复杂，则直接使用已经固定的宽巷模糊度参与定位解算，如果观测环境良好，允许对信号连续观测，则在已经固定的宽巷模糊度基础上再结合GB模型继续固定到窄巷模糊度后参与定位解算。最后根据不同的模糊度固定策略结果，构建相应的组合定位量测模型，既可以快速固定模糊度，又能根据观测条件达到最佳解算精度，进一步提高组合定位的稳定性和实时性。

Description

一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位 方法
技术领域
本发明属于北斗(BDS)导航定位技术领域，具体涉及一种面向城市车载动态环境的多频BDS/INS组合定位技术。
背景技术
随着自动驾驶技术的发展，城市复杂环境中的车载定位成为近年来研究的热点。由于存在复杂的信号遮挡，仅依靠全球导航卫星系统(GNSS)很难在诸如城市峡谷等复杂环境中获得稳定的高精度定位结果。惯性导航(INS)作为无源自主的导航定位系统，能够有效弥补卫星导航信号易受遮挡或干扰、导航数据更新率低以及缺乏姿态信息等方面的不足。因此，GNSS/INS组合定位可以克服各自的缺点，有效地提高组合系统的稳定性和连续性。
传统的GNSS/INS紧组合定位使用双频载波观测值和伪距观测值构建量测模型，在面对城市环境中卫星信号的复杂遮挡时，仍存在适应性不足，无法兼得定位精度和连续性的问题，从而影响组合定位的稳定性。此外，采用LAMBDA算法固定模糊度，必须基于浮点模糊度解及其协方差矩阵进行搜索，以获得正确的整数解，从而带来计算复杂性。在城市复杂环境中，GNSS信号易受干扰，一旦信号失锁或发生周跳，模糊度需要重新固定，导致定位可靠性不足，实时性难以保证。
随着北斗三号系统(BDS-3)的正式开通，可以向外公开播发四频信号的数据，多频卫星观测信息为定位性能的提升提供了新的机遇及挑战。通过引入多频GNSS观测信息，获取连续单历元高精度GNSS观测值，有望提升紧组合定位系统整体输出稳定性和可靠性。目前，国内外大部分关于车载组合定位的研究主要集中在GNSS双频观测值与INS的组合，对于多频GNSS与INS的研究甚少，尤其是城市动态环境下。因此，有必要研究面向城市环境下多频BDS-2/BDS-3与INS的车载组合定位，来进一步提升组合定位的可靠性和实时性。
发明内容
为了克服传统紧组合定位在城市环境下易受环境制约和使用LAMBDA方法实时性不高等缺陷，提高组合定位的可靠性和实时性，本发明针对北斗导航系统的特点，提出一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，包括以下步骤：
步骤(1)构建BDS多频线性组合载波相位和伪距双差模型，获取多频线性组合载波相位和伪距观测值；
步骤(2)基于BDS-2三频信号及BDS-3四频信号的特点和差异，根据波长、电离层和噪声因素的综合影响选择合适的观测值线性组合，解算BDS多频载波相位单历元模糊度；
步骤(3)根据城市观测环境的复杂程度，使用不同的模糊度固定策略：首先基于无几何(GF)模型单历元取整固定到多频宽巷模糊度，如果观测环境较为复杂，则直接使用已经固定的宽巷模糊度参与定位解算，如果观测环境良好，允许对信号连续观测，则在已经固定的宽巷模糊度基础上再结合几何(GB)模型继续固定到窄巷模糊度后参与定位解算；
步骤(4)针对不同的模糊度固定策略的结果建立相应的观测向量，构建组合定位系统量测模型和状态模型；
步骤(5)在步骤(4)的基础上，使用抗差滤波方法剔除城市环境下观测值出现的异常值，以消除和削弱粗差对组合定位结果的影响。
所述步骤(1)中，构建BDS多频线性组合载波相位和伪距双差模型，获取多频线性组合载波相位和伪距观测值，具体包括：
BDS多频观测值的线性组合频率、波长和双差整周模糊度分别表示为：
f(k)＝i1·f1+i2·f2+…+ik·fk (1)
Figure BDA0003324465250000021
Figure BDA0003324465250000022
其中，c表示光速；f表示频率；k表示组合系数的个数，例如三频观测值，k＝3。因此，相应的多频双差载波相位和伪距线性组合观测值分别表示为：
Figure BDA0003324465250000023
Figure BDA0003324465250000024
其中，
Figure BDA0003324465250000025
和
Figure BDA0003324465250000026
表示频率fi对应的双差载波相位和伪距观测值。在短基线下，通过双差可以消除大气层延迟误差、卫星钟差、接收机钟差，上述多频双差伪距和相位线性组合观测值相对应的观测方程，可表示为：
Figure BDA0003324465250000027
Figure BDA0003324465250000028
其中，
Figure BDA0003324465250000029
表示双差卫地距；
Figure BDA00033244652500000210
和
Figure BDA00033244652500000211
分别表示
Figure BDA00033244652500000212
和
Figure BDA00033244652500000213
的观测值噪声。
不失一般性，设各频率的相位观测值噪声相等且独立，相应的多频双差载波相位和伪距线性组合观测值噪声精度满足：
Figure BDA00033244652500000214
Figure BDA0003324465250000031
其中，
Figure BDA0003324465250000032
和
Figure BDA0003324465250000033
分别表示等价双差载波相位和伪距观测值噪声精度，
Figure BDA0003324465250000034
表示噪声放大因子，表示为：
Figure BDA0003324465250000035
所述步骤(2)中，基于BDS-2三频信号及BDS-3四频信号的特点和差异，根据波长、电离层和噪声因素的综合影响选择合适的观测值线性组合，解算BDS多频载波相位单历元模糊度，具体包括：
BDS多频观测值线性组合包括BDS-2三频和BDS-3四频的线性组合，其中，BDS-2三频信号分别为B1、B2和B3，BDS-3四频信号分别为B1C、B1I、B3I和B2a。通过不同形式的组合，可以有无穷多个选择。因此，需要根据一定的准则选取最优组合作为多频相位单历元模糊度固定模型，通常需要满足波长较长，电离层延迟尺度因子较小以及观测值噪声放大因子较小等条件。
通过上述的准则进行组合系数计算后，确定超宽巷、宽巷和窄巷的线性组合，采用分步无几何(GF)模型按照模糊度固定的难度依次固定超宽巷(EWL)、宽巷(WL)和窄巷(NL)模糊度。因此，基于GF模型的超宽巷、宽巷和窄巷组合模糊度的解算如下式所述：
Figure BDA0003324465250000036
Figure BDA0003324465250000037
Figure BDA0003324465250000038
其中，
Figure BDA0003324465250000039
表示浮点模糊度，下标ek、wk和nk分别表示多频超宽巷、宽巷和窄巷组合；
Figure BDA00033244652500000310
表示模糊度固定的相位组合观测值。需要注意的是，BDS-3四频相对于BDS-2三频，线性组合更多，在计算超宽巷/宽巷模糊度时，可以考虑计算两个超宽巷来固定宽巷模糊度。
所述步骤(3)中，根据城市观测环境的复杂程度，使用不同的模糊度固定策略：首先基于GF模型单历元取整固定到多频宽巷模糊度，如果观测环境较为复杂，则直接使用已经固定的宽巷模糊度参与定位解算，如果观测环境良好，允许对信号连续观测，则在已经固定的宽巷模糊度基础上再结合GB模型继续固定到窄巷模糊度后参与定位解算，具体包括：
在步骤(2)中，利用GF-MCAR方法依次固定超宽巷、宽巷和窄巷模糊度，但在城市环境下，受到卫星信号的频繁遮挡和多径影响，导致观测噪声很大且窄巷模糊度固定困难，可靠性难以保证。因此，要根据城市环境的复杂情况，确定不同的模糊度固定策略。当城市观测环境复杂时，仅采用GF-MCAR方法固定到宽巷模糊度，对步骤(2)的浮点模糊度舍入取整即可固定。当城市观测良好时，依然使用GF-MCAR方法固定到宽巷模糊度，使用取整的方法固定浮点模糊度，再结合GB模型继续固定到窄巷模糊度后参与定位解算，利用LAMBDA方法固定窄巷模糊度，模型表示如下：
Figure BDA0003324465250000041
其中，A表示系数矩阵，X表示待估位置参数。利用上述模型，最终求得原始频点的模糊度。
上述针对城市不同的观测环境，使用不同的模糊度固定策略，在观测环境复杂时，窄巷模糊度的难以固定，仅固定到宽巷，依然可以获得较高精度的观测值；在观测环境良好时，为了避免窄巷模糊度的固定不可靠，使用GF和GB组合模型进行解算，利用取整的方法固定超宽巷/宽巷，再利用LAMBDA方法固定原始频点观测值。通过上述策略，既可以获取到精度相对较高的观测值，保证定位结果的可靠性，又可以避免每一步都使用LAMBDA方法带来的计算复杂性，从而提高组合定位的实时性。
所述步骤(4)中，针对不同的模糊度固定策略的结果建立相应的观测向量，构建组合定位系统量测模型和状态模型，具体包括：
若将模糊度固定到NL，则NL模糊度即为各频点的模糊度整数解，将其代入Kalman滤波的观测方程，观测方程表示为：
Z＝HX+V (15)
Figure BDA0003324465250000042
Figure BDA0003324465250000043
Figure BDA0003324465250000044
其中，E是接收机到卫星的方向余弦构成的矢量矩阵；ε表示各观测量的噪声。
若将模糊度固定到WL，则观测方程的观测量为WL固定后的双差载波组合观测量与惯导预测的双差几何距离之差，因此观测方程为：
Figure BDA0003324465250000051
系统模型由INS的动力学模型决定，其系统连续状态方程表示如下：
Figure BDA0003324465250000052
其中，F表示系统的状态转移矩阵；W是系统的噪声向量；G是系统的动态噪声矩阵；X表示状态参数向量，其可以表示为：
X＝[δr,δv,φ,bg,ba] (21)
其中，δr，δv和φ分别表示位置误差、速度误差和姿态误差；bg和ba分别表示陀螺仪和加速度计的零偏。
所述步骤(5)中，在步骤(4)的基础上，使用抗差滤波方法剔除城市环境下观测值出现的异常值，以消除和削弱粗差对组合定位结果的影响，具体包括：
在城市环境下，信号受到遮挡或干扰时，容易导致信号中断，卫星观测值易出现异常值。因此，在组合定位中，将抗差模型引入到EKF中，进一步提高组合定位的定位结果和可靠性。
本发明的有益效果是：
本发明方法利用BDS多频观测值信息进行车载组合定位，有利于提高组合定位的精度。针对BDS-2三频和BDS-3四频的特点和差异，根据一定的准则选取合适的线性组合观测值。面向BDS多频模糊度固定，根据城市观测环境的复杂程度，使用不同的模糊度固定策略：首先基于GF模型单历元取整固定到多频宽巷模糊度，如果观测环境较为复杂，则直接使用已经固定的宽巷模糊度参与定位解算，如果观测环境良好，允许对信号连续观测，则在已经固定的宽巷模糊度基础上再结合GB模型继续固定到窄巷模糊度后参与定位解算，这样既可以快速固定模糊度，又能根据观测条件达到最佳解算精度。根据不同的模糊度固定策略结果，构建相应的组合定位量测模型，结合了单历元固定的实时性和多历元固定的高精度，既克服了传统基于LAMBDA方法易受环境制约导致频繁重新固定的问题，又相较全程宽巷模糊度固定提高了定位精度，进一步提高组合定位的稳定性和实时性。
附图说明
图1是本发明涉及的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1为本发明的流程图，本发明实施例公开的是一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法。
本发明的具体实施步骤如下：
步骤(1)中，构建BDS多频线性组合载波相位和伪距双差模型，获取多频线性组合载波相位和伪距观测值，具体包括：
BDS多频双差载波相位和伪距线性组合观测值分别表示为：
Figure BDA0003324465250000061
Figure BDA0003324465250000062
其中，
Figure BDA0003324465250000063
和
Figure BDA0003324465250000064
表示频率fi对应的双差载波相位和伪距观测值。在短基线下，通过双差可以消除大气层延迟误差、卫星钟差、接收机钟差，上述多频双差伪距和相位线性组合观测值相对应的观测方程，可表示为：
Figure BDA0003324465250000065
Figure BDA0003324465250000066
其中，
Figure BDA0003324465250000067
表示双差卫地距；
Figure BDA0003324465250000068
和
Figure BDA0003324465250000069
分别表示
Figure BDA00033244652500000610
和
Figure BDA00033244652500000611
的观测值噪声。
步骤(2)中，基于BDS-2三频信号及BDS-3四频信号的特点和差异，根据波长、电离层和噪声因素的综合影响选择合适的观测值线性组合，解算BDS多频载波相位单历元模糊度，具体包括：
BDS多频观测值线性组合包括BDS-2三频和BDS-3四频的线性组合，其中，BDS-2三频信号分别为B1、B2和B3，BDS-3四频信号分别为B1C、B1I、B3I和B2a。根据一定的准则选取最优组合作为多频相位单历元模糊度固定模型，通常需要满足波长较长，电离层延迟尺度因子较小以及观测值噪声放大因子较小等条件。因此，对于BDS-2三频，可以选择
Figure BDA00033244652500000612
和
Figure BDA00033244652500000613
依次进行固定，其中伪距线性组合可以选择
Figure BDA00033244652500000614
对于BDS-3四频，可以选择
Figure BDA00033244652500000615
和
Figure BDA00033244652500000616
依次进行固定，其中伪距线性组合可以选择
Figure BDA00033244652500000617
确定超宽巷、宽巷和窄巷的线性组合，采用分步无几何(GF)模型按照模糊度固定的难度依次固定超宽巷(EWL)、宽巷(WL)和窄巷(NL)模糊度。因此，基于GF模型的超宽巷、宽巷和窄巷组合模糊度的解算如下式所述：
Figure BDA00033244652500000618
Figure BDA00033244652500000619
Figure BDA0003324465250000071
其中，
Figure BDA0003324465250000072
表示浮点模糊度，下标ek、wk和nk分别表示多频超宽巷、宽巷和窄巷组合；
Figure BDA0003324465250000073
表示模糊度固定的相位组合观测值。需要注意的是，BDS-3四频相对于BDS-2三频，线性组合更多，在计算超宽巷/宽巷模糊度时，可以考虑计算两个超宽巷来固定宽巷模糊度。
步骤(3)中，根据城市环境的复杂程度，确定不同的模糊度固定策略：首先基于GF模型单历元取整固定到多频宽巷模糊度，如果观测环境较为复杂，则直接使用已经固定的宽巷模糊度参与定位解算，如果观测环境良好，允许对信号连续观测，则在已经固定的宽巷模糊度基础上再结合GB模型继续固定到窄巷模糊度后参与定位解算；具体包括：
在上述步骤(2)中，利用GF-MCAR方法依次固定超宽巷、宽巷和窄巷模糊度，但在城市环境下，受到卫星信号的频繁遮挡和多径影响，导致观测噪声很大且窄巷模糊度固定困难，可靠性难以保证。因此，要根据城市环境的复杂情况，确定不同的模糊度固定策略。当城市观测环境复杂时，仅采用GF-MCAR方法固定到宽巷模糊度，对步骤(2)的浮点模糊度舍入取整即可固定。当城市观测良好时，依然使用GF-MCAR方法固定到宽巷模糊度，使用取整的方法固定浮点模糊度，再结合GB模型继续固定到窄巷模糊度后参与定位解算，利用LAMBDA方法固定模糊度，模型表示如下：
Figure BDA0003324465250000074
其中，A表示系数矩阵，X表示待估位置参数。利用上述模型，最终求得原始频点的模糊度。
步骤(4)中，针对不同的模糊度固定策略的结果建立相应的观测向量，构建组合定位系统量测模型和状态模型，具体包括：
若将模糊度固定到NL，则NL模糊度即为各频点的模糊度整数解，将其代入Kalman滤波的观测方程，观测方程表示为：
Z＝HX+V (9)
Figure BDA0003324465250000075
Figure BDA0003324465250000076
Figure BDA0003324465250000081
其中，E是接收机到卫星的方向余弦构成的矢量矩阵；ε表示各观测量的噪声。
若将模糊度固定到WL，则观测方程的观测量为WL固定后的双差载波组合观测量与惯导预测的双差几何距离之差，因此观测方程为：
Figure BDA0003324465250000082
系统模型由INS的动力学模型决定，其系统连续状态方程表示如下：
Figure BDA0003324465250000083
其中，F表示系统的状态转移矩阵；W是系统的噪声向量；G是系统的动态噪声矩阵；X表示状态参数向量，其可以表示为：
X＝[δr,δv,φ,bg,ba] (15)
其中，δr，δv和φ分别表示位置误差、速度误差和姿态误差；bg和ba分别表示陀螺仪和加速度计的零偏。
步骤(5)中，在上述步骤(4)的基础上，使用抗差滤波方法剔除城市环境下观测值出现的异常值，以消除和削弱粗差对组合定位结果的影响，具体包括：
在城市环境下，信号受到遮挡或干扰时，容易导致信号中断，卫星观测值易出现异常值。因此，在组合定位中，将抗差模型引入到EKF中，进一步提高组合定位的定位结果和可靠性。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)构建BDS多频线性组合载波相位和伪距双差模型，获取多频线性组合载波相位和伪距观测值；
步骤(2)基于BDS-2三频信号及BDS-3四频信号的特点和差异，根据波长、电离层和噪声因素的综合影响选择合适的观测值线性组合，解算BDS多频载波相位单历元模糊度；
步骤(3)根据城市观测环境的复杂程度，使用不同的模糊度固定策略：首先基于GF模型单历元取整固定到多频宽巷模糊度，如果观测环境较为复杂，则直接使用已经固定的宽巷模糊度参与定位解算，如果观测环境良好，允许对信号连续观测，则在已经固定的宽巷模糊度基础上再结合GB模型继续固定到窄巷模糊度后参与定位解算；
步骤(4)在步骤(3)的基础上针对不同的模糊度固定策略的结果建立相应的观测向量，构建BDS-2/BDS-3/INS组合定位系统量测模型和状态模型；
步骤(5)在步骤(4)的基础上，使用抗差滤波方法剔除城市环境下观测值出现的异常值，以消除和削弱粗差对组合定位结果的影响。
2.根据权利要求1所述的一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，其特征在于：步骤(1)BDS多频双差载波相位和伪距线性组合观测值分别表示为：
Figure FDA0003324465240000011
Figure FDA0003324465240000012
其中，
Figure FDA0003324465240000013
和
Figure FDA0003324465240000014
表示频率fi对应的双差载波相位和伪距观测值；在短基线下，通过双差消除大气层延迟误差、卫星钟差、接收机钟差，上述多频双差伪距和相位线性组合观测值相对应的观测方程，表示为：
Figure FDA0003324465240000015
Figure FDA0003324465240000016
其中，
Figure FDA0003324465240000017
表示双差卫地距；
Figure FDA0003324465240000018
和
Figure FDA0003324465240000019
分别表示
Figure FDA00033244652400000110
和
Figure FDA00033244652400000111
的观测值噪声。
3.根据权利要求1所述的一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，其特征在于：步骤(2)基于BDS-2三频信号及BDS-3四频信号的特点和差异，根据波长、电离层和噪声因素的综合影响选择合适的观测值线性组合，按照一定的准则选取最优组合，通常需要满足波长较长，电离层延迟尺度因子较小以及观测值噪声放大因子较小等条件。
4.根据权利要求1所述的一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，其特征在于：步骤(2)解算BDS多频载波相位单历元模糊度，具体包括：
采用分步无几何(GF)模型按照模糊度固定的难度依次固定超宽巷(EWL)、宽巷(WL)和窄巷(NL)模糊度；因此，基于GF模型的超宽巷、宽巷和窄巷组合模糊度的解算如下式所述：
Figure FDA0003324465240000021
Figure FDA0003324465240000022
Figure FDA0003324465240000023
其中，
Figure FDA0003324465240000024
表示浮点模糊度，下标ek、wk和nk分别表示多频超宽巷、宽巷和窄巷组合；
Figure FDA0003324465240000025
表示模糊度固定的相位组合观测值。
5.根据权利要求1所述的一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，其特征在于：步骤(3)针对城市环境的复杂情况，确定不同的模糊度固定策略；当城市观测环境较为复杂时，采用GF-MCAR方法固定到宽巷模糊度，对步骤(2)的浮点模糊度舍入取整即可固定；当城市观测良好时，依然使用GF-MCAR方法固定到宽巷模糊度，使用取整的方法固定浮点模糊度；为了提高定位的可靠性，对于窄巷模糊度使用GB模型进行解算，利用LAMBDA方法固定模糊度，模型表示如下：
Figure FDA0003324465240000026
其中，A表示系数矩阵，X表示待估位置参数；利用上述模型，最终求得原始频点的模糊度。
6.根据权利要求1所述的一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，其特征在于：步骤(4)针对不同的模糊度固定策略的结果建立相应的观测向量，构建组合定位系统量测模型，具体包括：
若将模糊度固定到NL，则NL模糊度即为各频点的模糊度整数解，将其代入滤波的观测方程，观测方程表示为：
Z＝HX+V (9)
Figure FDA0003324465240000027
Figure FDA0003324465240000031
Figure FDA0003324465240000032
其中，E是接收机到卫星的方向余弦构成的矢量矩阵；ε表示各观测量的噪声；
若将模糊度固定到WL，则观测方程的观测量为WL固定后的双差载波组合观测量与惯导预测的双差几何距离之差，因此观测方程为：
Figure FDA0003324465240000033
7.根据权利要求1所述的一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，其特征在于：步骤(4)系统模型由INS的动力学模型决定，其系统连续状态方程表示如下：
Figure FDA0003324465240000034
其中，F表示系统的状态转移矩阵；W是系统的噪声向量；G是系统的动态噪声矩阵；X表示状态参数向量，其表示为：
X＝[δr,δv,φ,bg,ba] (15)
其中，δr，δv和φ分别表示位置误差、速度误差和姿态误差；bg和ba分别表示陀螺仪和加速度计的零偏。
8.根据权利要求1所述的一种面向城市环境的多频BDS-2/BDS-3/INS车载组合定位方法，其特征在于：步骤(5)在建立组合定位的系统模型和量测模型后，将抗差模型引入到EKF中，使用抗差滤波方法剔除城市环境下观测值出现的异常值，以消除和削弱粗差对组合定位结果的影响，进一步提高组合定位的定位结果和可靠性。
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