CN114910940A - 一种gnss导航系统差分定位性能的改善方法和装置 - Google Patents

一种gnss导航系统差分定位性能的改善方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种GNSS导航系统差分定位性能的改善方法和装置，其中方法包括：从GNSS系统获取原始观测量，从参考端获取差分观测信息；基于所述原始观测量和差分观测信息构建单差方程；利用所述GNSS系统之间的一致性对所述单差方程进行质量控制处理，以剔除伪距误差超过阈值的观测量以及载波跟踪误差超过阈值的观测量，得到候选观测卫星；从所述候选观测卫星中选取一颗卫星作为参考卫星组建双差观测方程；基于所述双差观测方程进行定位。本发明能够整体上改善载波相位差分定位精度。

Description

一种GNSS导航系统差分定位性能的改善方法和装置
技术领域
本发明涉及定位导航技术领域，特别是涉及一种GNSS导航系统差分定位性能的改善方法和装置。
背景技术
传统的导航定位算法，由于各大系统的主要导航频段各不相同，在进行定位解算时，各系统观测量只能在系统内进行联合计算，然后再多系统联合得到定位结果。
在全球卫星导航系统之间的兼容与互操作的合作和协同要求下，各大卫星导航系统的民用导航频点主要集中在L1(1575.420Mhz)及L5(1176.450Mhz)，这样可以简化接收机导航芯片终端的设计，有效降低资源及功耗，同时在定位解算的方法上也提供了新的思路。
现有方法由于仅对系统内观测量进行处理，可观测卫星的数量受限，特别是有遮挡环境下，单系统观测卫星仅为2～3颗时，数据处理的可靠性急剧降低，浮点解/固定解定位的稳定性下降，定位误差变大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GNSS导航系统差分定位性能的改善方法和装置，能够在单系统观测卫星量较少的情况下改善定位精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种GNSS导航系统差分定位性能的改善方法，包括以下步骤：
从GNSS系统获取原始观测量，从参考端获取差分观测信息，其中，所述原始观测量和差分观测信息采用相同的预处理；
基于所述原始观测量和差分观测信息构建单差方程；
利用所述GNSS系统之间的一致性对所述单差方程进行质量控制处理，以剔除伪距误差超过阈值的观测量以及载波跟踪误差超过阈值的观测量，得到候选观测卫星；
从所述候选观测卫星中选取一颗卫星作为参考卫星组建双差观测方程；
基于所述双差观测方程进行定位。
所述从参考端获取差分观测信息具体为：通过参考站接收机对所述GNSS系统卫星的导航信号进行统一观测并生成差分原始观测量信息，或者是通过多基站联合处理得到的虚拟参考站生成的多系统差分原始观测量信息，或者是通过星基增强卫星获取差分改正数信息。
所述单差方程为伪距及载波单差观测方程：
Figure BDA0003580555940000021
其中，
Figure BDA0003580555940000022
表示单差伪距观测量，
Figure BDA0003580555940000023
表示单差卫星测站距离，c表示光速，Δdtr表示接收端钟差和参考端钟差之间的差值，εp表示伪距观测噪声，
Figure BDA0003580555940000024
表示单差载波相位观测量，λ表示载波波长，
Figure BDA0003580555940000025
表示单差载波初始模糊度，εΦ表示载波相位观测噪声。
所述基于所述双差观测方程进行定位具体为：
结合接收端运动模型，建立浮点解滤波方程并进行滤波处理；
得到浮点解滤波结果并进行模糊度整数搜索；
通过搜索到的整周模糊度，建立固定解双差解算方程，并进行固定解解算；
根据固定解解算结果获取固定解定位结果。
所述GNSS系统包括以下一种或者多种：美国全球定位系统GPS、中国北斗卫星导航系统BDS、俄罗斯全球导航卫星系统GLONASS、欧洲伽利略卫星导航系统GALILEO、印度区域导航卫星系统IRNSS、日本准天顶卫星系统QZSS。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种GNSS导航系统差分定位性能的改善装置，包括：
获取模块，用于从GNSS系统获取原始观测量，从参考端获取差分观测信息，其中，所述原始观测量和差分观测信息采用相同的预处理；
构建模块，用于基于所述原始观测量和差分观测信息构建单差方程；
质量控制模块，用于利用所述GNSS系统之间的一致性对所述单差方程进行质量控制处理，以剔除伪距误差超过阈值的观测量以及载波跟踪误差超过阈值的观测量，得到候选观测卫星；
组建模块，用于从所述候选观测卫星中选取一颗卫星作为参考卫星组建双差观测方程；
定位模块，用于基于所述双差观测方程进行定位。
所述获取模块从参考端获取差分观测信息具体为：通过参考站接收机对所述GNSS系统卫星的导航信号进行统一观测并生成差分原始观测量信息，或者是通过多基站联合处理得到的虚拟参考站生成的多系统差分原始观测量信息，或者是通过星基增强卫星获取差分改正数信息。
所述单差方程为伪距及载波单差观测方程：
Figure BDA0003580555940000031
其中，
Figure BDA0003580555940000032
表示单差伪距观测量，
Figure BDA0003580555940000033
表示单差卫星测站距离，c表示光速，Δdtr表示接收端钟差和参考端钟差之间的差值，εp表示伪距观测噪声，
Figure BDA0003580555940000034
表示单差载波相位观测量，λ表示载波波长，
Figure BDA0003580555940000035
表示单差载波初始模糊度，εΦ表示载波相位观测噪声。
所述定位模块包括：
建模滤波单元，用于结合接收端运动模型，建立浮点解滤波方程并进行滤波处理；
搜索单元，用于得到浮点解滤波结果并进行模糊度整数搜索；
解算方程单元，用于通过搜索到的整周模糊度，建立固定解双差解算方程，并进行固定解解算；
定位单元，用于根据固定解解算结果获取固定解定位结果。
所述GNSS系统包括以下一种或者多种：美国全球定位系统GPS、中国北斗卫星导航系统BDS、俄罗斯全球导航卫星系统GLONASS、欧洲伽利略卫星导航系统GALILEO、印度区域导航卫星系统IRNSS、日本准天顶卫星系统QZSS。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明观测量跨系统联合处理的方法，改善数据处理的稳定性。特别是遮挡严重环境下，单系统卫星过少时，可以利用其他所有系统的卫星观测量联合处理，提高处理时的有效观测量个数，从而达到改善定位精度的目的。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的应用场景图；
图2是本发明第二实施方式的流程图；
图3是本发明第三实施方式的应用场景图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的第一实施方式涉及一种GNSS导航系统差分定位性能的改善方法，包括以下步骤：从GNSS系统获取原始观测量，从参考端获取差分观测信息；基于所述原始观测量和差分观测信息构建单差方程；利用所述GNSS系统之间的一致性对所述单差方程进行质量控制处理，以剔除伪距误差超过阈值的观测量以及载波跟踪误差超过阈值的观测量，得到候选观测卫星；从所述候选观测卫星中选取一颗卫星作为参考卫星组建双差观测方程；基于所述双差观测方程进行定位。
图1简要描述了本实施方式涉及的主要设备及系统，其为典型的GNSS多系统联合高精度实时动态差分(Real Time Kinematic，简称RTK)定位应用场景。参考基准站1，在这里指基准站接收机，可以对多系统卫星2的导航信号进行统一观测并生成差分原始观测量信息，或者是多基站联合处理得到的虚拟参考站生成的多系统差分原始观测量信息。对于物理实际参考接收机而言，基准站原始观测量信息需要使用相同信号链路处理多系统同频点导航信号，这样可以得到伪距观测量钟差及载波观测量相位一致性。对于流动站接收机3而言，同样能观测到多系统卫星2的导航信号，同样使用一样的信号链路方式得到伪距观测量及载波观测量。在流动站通过差分数据流得到参考站数据的情况下，就能使用本实施方式的方法对多系统同频点的观测量进行联合处理，从而改善浮点解/固定解定位稳定性及定位精度。
图2描述了本实施方式的实施步骤。通常情况GNSS定位算法的输入为原始观测量数据，首先进入步骤S01，对观测量进行预处理，保留正确且有效的原始观测量；接着进入步骤S02,参考基准站数据同样也要进行相同的预处理，完成所有输入观测量的初步提取，保留正确有效且共同观测可差分计算的观测值。然后进入步骤S03组建单差方程，在上述情况下，利用多系统观测量的一致性，单差方程多系统之间的偏差已经消除。
伪距及载波观测方程为：
Figure BDA0003580555940000041
Figure BDA0003580555940000042
则伪距及载波单差观测方程为：
Figure BDA0003580555940000043
Figure BDA0003580555940000044
其中，
Figure BDA0003580555940000051
表示伪距观测量，
Figure BDA0003580555940000052
表示卫星测站距离，c表示光速，dtr表示测站钟差，dts表示卫星钟差，
Figure BDA0003580555940000053
表示电离层延迟，
Figure BDA0003580555940000054
表示对流层延迟，εp表示伪距观测噪声，
Figure BDA0003580555940000055
表示载波相位观测量，λ表示载波波长，
Figure BDA0003580555940000056
表示载波初始模糊度，εΦ表示载波相位观测噪声，
Figure BDA0003580555940000057
表示单差伪距观测量，
Figure BDA0003580555940000058
表示单差卫星测站距离，Δdtr表示接收端钟差和参考端钟差之间的差值，εp表示伪距观测噪声，
Figure BDA0003580555940000059
表示单差载波相位观测量，
Figure BDA00035805559400000510
表示单差载波初始模糊度，εΦ表示载波相位观测噪声。
本实施方式中Δdtr即为流动站钟差和参考站钟差之间的差值，多系统联合计算的关键因素为单差方程中的这个钟差之差在同一频点的一致性。由于观测量同频点处理是一致的，流动站及参考站接收机系统间的钟差是一样的，因而钟差之差为相同值。此时就可以利用系统之间的一致性对观测量进行质量控制处理，即进入步骤S04，多系统伪距方程联合踢星加权操作得到候选卫星，主要为剔除伪距误差较大的观测量以及载波跟踪误差超限的观测量，从而提高对后续解算的稳定性，改善定位精度。
在上述条件下，进入步骤S05，多系统观测量可从候选卫星中仅选取一颗参考卫星，再进入步骤S06根据选取的参考卫星组建双差观测方程。然后进入步骤S07，结合接收机运动模型，建立浮点解滤波方程并进行滤波处理。步骤S08，得到浮点解滤波结果并搜索模糊度。相比较传统方式，由于本实施方式仅只有一颗参考卫星，双差后的输入信息更多，浮点解定位结果能更快收敛。在遮挡较为严重的情况下，单系统观测量不足时，传统方法难以滤波维持，而多系统联合解算的方法则有机会维持高精度的浮点解定位方式。通常情况下浮点解滤波方程的定位结果收敛后能达到分米级，在滤波过程中同时也会进行整周模糊度的搜索，获取到正确的整周模糊度，然后在步骤S09中可以建立固定解双差解算方程，并在步骤S10中得到厘米级的高精度定位结果。多系统仅选取一颗参考卫星的方式同样也适用于双差固定解定位方法，卫星观测量较多时能提供更多的观测信息，有助于观测量的质量控制，改善遮挡或干扰情况下的定位稳定性。在卫星观测量较少，单系统无法继续解算时，有机会持续进行高精度定位。
本发明的第二实施方式同样涉及一种GNSS导航系统差分定位性能的改善方法，其与第一实施方式的区别在于，本实施方式在获取差分观测信息时不采用参考基准站。图3简要描述了本实施方式涉及的主要设备及系统，相比较于图1中典型的GNSS高精度RTK定位应用场景，本实施方式减少的对参考基准站的依赖，在流动站接收机3和多系统卫星2的处理的基础上，增加了对星基增强卫星4的支持。从上述推导中可以看出，多系统联合解算的关键因素是消除系统之间的偏差。在全球各大卫星导航系统全球化推广的过程中，提到了各大导航系统之间的兼容与互操作的合作和协同的要求，除了进行导航频点统一达到简化接收机设计外，还要求电文中播发导航系统之间系统时间偏差。在系统之间系统时间偏差精度足够高的情况下，伪距及载波单差观测方程中的系统时间偏差，可以不需要使用基准站数据达成，其可以在有星基增强卫星4获取差分改正数信息的情况下，完全排除对参考基准站的依赖，在获取差分改正数信息后可以结合原始观测量构建单差观测方程，之后的步骤与第一实施方式相同，此处不再赘述。在图3描述的场景下实现多系统联合高精度定位解算，从而改善这一应用场景下的浮点解/固定解定位稳定性及定位精度。
本发明的第三实施方式涉及一种GNSS导航系统差分定位性能的改善装置，包括：获取模块，用于从GNSS系统获取原始观测量，从参考端获取差分观测信息，其中，所述原始观测量和差分观测信息采用相同的预处理；构建模块，用于基于所述原始观测量和差分观测信息构建单差方程；质量控制模块，用于利用所述GNSS系统之间的一致性对所述单差方程进行质量控制处理，以剔除伪距误差超过阈值的观测量以及载波跟踪误差超过阈值的观测量，得到候选观测卫星；组建模块，用于从所述候选观测卫星中选取一颗卫星作为参考卫星组建双差观测方程；定位模块，用于基于所述双差观测方程进行定位。其中，所述GNSS系统包括以下一种或者多种：美国全球定位系统GPS、中国北斗卫星导航系统BDS、俄罗斯全球导航卫星系统GLONASS、欧洲伽利略卫星导航系统GALILEO、印度区域导航卫星系统IRNSS、日本准天顶卫星系统QZSS。
所述获取模块从参考端获取差分观测信息具体为：通过参考站接收机对所述GNSS系统卫星的导航信号进行统一观测并生成差分原始观测量信息，或者是通过多基站联合处理得到的虚拟参考站生成的多系统差分原始观测量信息，或者是通过星基增强卫星获取差分改正数信息。
所述单差方程为伪距及载波单差观测方程：
Figure BDA0003580555940000061
其中，
Figure BDA0003580555940000062
表示单差伪距观测量，
Figure BDA0003580555940000063
表示单差卫星测站距离，c表示光速，Δdtr表示接收端钟差和参考端钟差之间的差值，εp表示伪距观测噪声，
Figure BDA0003580555940000064
表示单差载波相位观测量，λ表示载波波长，
Figure BDA0003580555940000071
表示单差载波初始模糊度，εΦ表示载波相位观测噪声。
所述定位模块包括：建模滤波单元，用于结合接收端运动模型，建立浮点解滤波方程并进行滤波处理；搜索单元，用于得到浮点解滤波结果并进行模糊度整数搜索；解算方程单元，用于通过搜索到的整周模糊度，建立固定解双差解算方程，并进行固定解解算；定位单元，用于根据固定解解算结果获取固定解定位结果。
不难发现，本发明观测量跨系统联合处理的方法，改善数据处理的稳定性。特别是遮挡严重环境下，单系统卫星过少时，可以利用其他所有系统的卫星观测量联合处理，提高处理是的观测量个数，从而达到改善定位精度的目的。

Claims (10)

1.一种GNSS导航系统差分定位性能的改善方法，其特征在于，包括以下步骤：
从GNSS系统获取原始观测量，从参考端获取差分观测信息，其中，所述原始观测量和差分观测信息采用相同的预处理；
基于所述原始观测量和差分观测信息构建单差方程；
利用所述GNSS系统之间的一致性对所述单差方程进行质量控制处理，以剔除伪距误差超过阈值的观测量以及载波跟踪误差超过阈值的观测量，得到候选观测卫星；
从所述候选观测卫星中选取一颗卫星作为参考卫星组建双差观测方程；
基于所述双差观测方程进行定位。
2.根据权利要求1所述的GNSS导航系统差分定位性能的改善方法，其特征在于，所述从参考端获取差分观测信息具体为：通过参考站接收机对所述GNSS系统卫星的导航信号进行统一观测并生成差分原始观测量信息，或者是通过多基站联合处理得到的虚拟参考站生成的多系统差分原始观测量信息，或者是通过星基增强卫星获取差分改正数信息。
3.根据权利要求1所述的GNSS导航系统差分定位性能的改善方法，其特征在于，所述单差方程为伪距及载波单差观测方程：
Figure FDA0003580555930000011
其中，
Figure FDA0003580555930000012
表示单差伪距观测量，
Figure FDA0003580555930000013
表示单差卫星测站距离，c表示光速，Δdtr表示接收端钟差和参考端钟差之间的差值，εp表示伪距观测噪声，
Figure FDA0003580555930000014
表示单差载波相位观测量，λ表示载波波长，
Figure FDA0003580555930000015
表示单差载波初始模糊度，εΦ表示载波相位观测噪声。
4.根据权利要求1所述的GNSS导航系统差分定位性能的改善方法，其特征在于，所述基于所述双差观测方程进行定位具体为：
结合接收端运动模型，建立浮点解滤波方程并进行滤波处理；
得到浮点解滤波结果并进行模糊度整数搜索；
通过搜索到的整周模糊度，建立固定解双差解算方程，并进行固定解解算；
根据固定解解算结果获取固定解定位结果。
5.根据权利要求1所述的GNSS导航系统差分定位性能的改善方法，其特征在于，所述GNSS系统包括以下一种或者多种：美国全球定位系统GPS、中国北斗卫星导航系统BDS、俄罗斯全球导航卫星系统GLONASS、欧洲伽利略卫星导航系统GALILEO、印度区域导航卫星系统IRNSS、日本准天顶卫星系统QZSS。
6.一种GNSS导航系统差分定位性能的改善装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于从GNSS系统获取原始观测量，从参考端获取差分观测信息，其中，所述原始观测量和差分观测信息采用相同的预处理；
构建模块，用于基于所述原始观测量和差分观测信息构建单差方程；
质量控制模块，用于利用所述GNSS系统之间的一致性对所述单差方程进行质量控制处理，以剔除伪距误差超过阈值的观测量以及载波跟踪误差超过阈值的观测量，得到候选观测卫星；
组建模块，用于从所述候选观测卫星中选取一颗卫星作为参考卫星组建双差观测方程；定位模块，用于基于所述双差观测方程进行定位。
7.根据权利要求6所述的一种GNSS导航系统差分定位性能的改善装置，其特征在于，所述获取模块从参考端获取差分观测信息具体为：通过参考站接收机对所述GNSS系统卫星的导航信号进行统一观测并生成差分原始观测量信息，或者是通过多基站联合处理得到的虚拟参考站生成的多系统差分原始观测量信息，或者是通过星基增强卫星获取差分改正数信息。
8.根据权利要求6所述的一种GNSS导航系统差分定位性能的改善装置，其特征在于，所述单差方程为伪距及载波单差观测方程：
Figure FDA0003580555930000021
其中，
Figure FDA0003580555930000022
表示单差伪距观测量，
Figure FDA0003580555930000023
表示单差卫星测站距离，c表示光速，Δdtr表示接收端钟差和参考端钟差之间的差值，εp表示伪距观测噪声，
Figure FDA0003580555930000024
表示单差载波相位观测量，λ表示载波波长，
Figure FDA0003580555930000025
表示单差载波初始模糊度，εΦ表示载波相位观测噪声。
9.根据权利要求6所述的一种GNSS导航系统差分定位性能的改善装置，其特征在于，所述定位模块包括：
建模滤波单元，用于结合接收端运动模型，建立浮点解滤波方程并进行滤波处理；
搜索单元，用于得到浮点解滤波结果并进行模糊度整数搜索；
解算方程单元，用于通过搜索到的整周模糊度，建立固定解双差解算方程，并进行固定解解算；
定位单元，用于根据固定解解算结果获取固定解定位结果。
10.根据权利要求6所述的一种GNSS导航系统差分定位性能的改善装置，其特征在于，所述GNSS系统包括以下一种或者多种：美国全球定位系统GPS、中国北斗卫星导航系统BDS、俄罗斯全球导航卫星系统GLONASS、欧洲伽利略卫星导航系统GALILEO、印度区域导航卫星系统IRNSS、日本准天顶卫星系统QZSS。
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