CN114935770A

CN114935770A - 一种多历元加快精密单点定位收敛速度的方法及装置

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Publication number: CN114935770A
Application number: CN202210472002.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡成林; 朱子杰; 张带凤; 蒋森; 吕开慧
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2042-04-29
Also published as: CN114935770B

Abstract

本发明涉及一种多历元加快精密单点定位收敛速度的方法及装置，方法为通过预处理后的卫星导航数据，并结合北斗播发的B2b修正信息，修正计算恢复出卫星精密轨道和精密卫星钟差，通过卫星观测文件得到伪距；通过重构平滑处理后的伪距得到测站的初始站坐标，进行载波相位的定位，得到多个构建参数，并建立卫星的一个历元观测方程；将多个历元的载波相位观测数据进行排列组合；依据选择标准进行卫星选择操作，基于一个历元观测方程和选择卫星的参数构建多历元PPP定位方程组，将其代入多历元PPP定位方程组中进行求解，得到收敛定位结果。本发明建立多历元ppp定位方程组，快速降低了方程组系数的相关性，能够加快收敛速度。

Description

一种多历元加快精密单点定位收敛速度的方法及装置

技术领域

本发明主要涉及卫星导航定位技术领域，具体涉及一种多历元加快精密单点定位收敛速度的方法及装置。

背景技术

精密单点定位是指利用全球若干地面跟踪站的GNSS观测数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差，对单台GNSS接收机所采集的相位和伪距(伪距观测值)进行定位解算，获得待定点高精度的ITRF框架坐标的一种定位方法。精密单点定位单机作业，灵活机动，不受距离的限制，集成了标准单点定位和差分定位的优点，克服了各自的缺点，较传统的差分定位技术具有显著的技术优势。因为只需要一台接收机，且不需要架设GNSS基准站，所以可以大大节约成本，应用潜力巨大，可以广泛应用于国民经济建设的诸多部门。

但是，由于只采用一台接收机，所以在解算位置时的待估计参数的收敛时间比较长，在很大程度上限制了应用空间。单历元载波相位绝对定位方程组为秩亏方程，系数矩阵高度病态，解算收敛速度慢，定位精度低且整周模糊度搜索效率低下。一些文献为加快收敛速度，提升定位精度，采用增加电离层，对流层约束等条件来约束，通过卡尔曼滤波来解算提升定位位置精度和加快收敛速度。但是由于单历元矩阵的病态性，采用多历元组建定位方程组，但是短时多历元载波相位定位方程同样也存在一些相关问题，系数矩阵相关性过高，所以我们需要降低系数矩阵的相关性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多历元加快精密单点定位收敛速度的方法及装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种多历元加快精密单点定位收敛速度的方法，包括如下步骤：

S1：通过接收机实时接收卫星导航数据，并对所述卫星导航数据预处理；

S2：通过预处理后的卫星导航数据，并结合北斗播发的B2b修正信息，修正计算恢复出卫星精密轨道和精密卫星钟差；

S3：通过所述卫星精密轨道和所述精密卫星钟差构建任意测站对卫星的伪距观测方程，通过卫星观测文件得到伪距，并通过B2b修正信息对伪距进行修正；

S4：对所述伪距进行载波相位重构平滑处理，通过重构平滑处理后的伪距得到测站的初始站坐标，可以加快收敛速度；

S5：通过所述初始站坐标和载波相位方程进行载波相位的定位，得到多个构建参数，通过多个所述构建参数建立卫星的一个历元观测方程；

S6：导入多个历元的载波相位观测数据，根据预设周期将其进行排列组合，得到多个历元的载波相位观测数据组合；

S7：依据选择标准进行卫星选择操作，基于一个历元观测方程和选择卫星的参数构建多历元PPP定位方程组；

S8：多个历元的载波相位观测数据组合代入所述多历元PPP定位方程组中进行求解，得到收敛定位结果。

本发明的有益效果是：通过平滑重构的伪距，能够得到精确的初始站坐标，通过初始站坐标开展载波相位的定位，根据预设周期将载波相位进行排列组合，并建立多历元ppp定位方程组，快速降低了方程组系数的相关性，能够加快收敛速度。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种多历元加快精密单点定位收敛速度的装置，包括：

数据预处理模块，用于通过接收机实时接收卫星导航数据，并对所述卫星导航数据预处理；

数据计算修正模块，用于通过预处理后的卫星导航数据，并结合北斗播发的B2b修正信息，修正计算恢复出卫星精密轨道和精密卫星钟差；

数据处理模块，用于通过卫星精密轨道和精密卫星钟差构建任意测站对卫星的伪距观测方程，通过卫星观测文件得到伪距，并通过B2b修正信息对伪距进行修正；

通过所述初始站坐标和载波相位方程进行载波相位的定位，得到多个构建参数，通过多个所述构建参数建立卫星的一个历元观测方程；

通过所述初始站坐标和载波相位观测值方程进行载波相位的定位，得到多个构建参数，通过多个所述构建参数建立卫星的一个历元观测方程；

导入多个历元的载波相位观测数据，根据预设周期将其进行排列组合，得到多个历元的载波相位观测数据组合；

依据选择标准进行卫星选择操作，基于一个历元观测方程和选择卫星的参数构建多历元PPP定位方程组；

计算收敛模块，用于多个历元的载波相位观测数据组合代入所述多历元PPP定位方程组中进行求解，得到收敛定位结果。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种多历元加快精密单点定位收敛速度的装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，当所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的多历元加快精密单点定位收敛速度的装置的功能模块框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，一种多历元加快精密单点定位收敛速度的方法，包括如下步骤：

S3：通过卫星精密轨道和精密卫星钟差构建任意测站对卫星的伪距观测方程，通过卫星观测文件得到伪距，并通过B2b修正信息对伪距(也为伪距观测值)进行修正；

上述实施例中，通过平滑重构的伪距，能够得到精确的初始站坐标，通过初始站坐标开展载波相位的定位，根据预设周期将载波相位进行排列组合，并建立多历元ppp定位方程组，快速降低了方程组系数的相关性，能够加快收敛速度。

优选地，所述S1中，通过接收机实时接收卫星导航数据，并对所述卫星导航数据预处理，具体为：

从所述卫星导航数据中得到原始的载波相位观测值，对原始的载波相位观测值进行周跳检测，若存在周跳，则进行修复。

具体地，卫星导航数据包括卫星观测数据、原始的载波相位观测值和广播星历，采用MW组合法和GF法对原始的载波相位观测值进行周跳的检测，如果存在周跳，则进行修复。

上述实施例中，能够对卫星导航数据进行预处理，有利于后续准确的进行单点定位收敛工作。

在S2中，通过预处理后的卫星导航数据恢复出卫星轨道和卫星钟差：

通过北斗三号卫星提供的特有的B2b精密星历结合修正获取的广播星历，实时恢复出精密的卫星轨道和卫星钟差。

优选地，所述S3中，构建伪距观测方程具体为：

所述伪距观测方程为：

P_i＝ρ(x^sat)+c·(τ^rec-τ^sat)+(B^ifb-B^tgd)+m·ZTD+ζ+ion，其中，P_i为

伪距，ρ为星地理论距离，受卫星轨道x^sat的影响，τ^rec和τ^sat分别为接收机和卫星钟差，B^ifb和B^tgd分别为测站和卫星伪距的硬件延迟，m为对流层投影函数，ZTD为天顶对流层延迟，ζ为包含多路径误差等噪声，ion为电离层误差，B^tgd被吸收到卫星钟差中，B^ifb被吸收到接收机钟差中。

能够通过所述伪距观测方程得到伪距P_i。

所述载波相位方程为：

L_i＝ρ(x^sat)+c·(τ^rec-τ^sat)+λ·N+(b^rec-b^sat)+m·ZTD+ε+ion，

其中，L_i为相位观测值，ρ为星地理论距离，受卫星轨道x^sat的影响，τ^rec和τ^sat分别为接收机和卫星钟差，N为整周模糊度，b^rec和b^sat为载波相位的标定小数偏差部分，m为对流层投影函数，ZTD为天顶对流层延迟，ε为包含多路径误差等噪声，ion为电离层误差。

优选地，所述S4中，对所述伪距进行载波相位重构平滑处理，通过重构平滑处理后的伪距得到测站的初始站坐标，具体为：

通过多普勒重构载波相位平滑伪距方法对所述伪距进行平滑重构处理：

导入首个历元的接收机速度、卫星速度和观测向量，通过重构多普勒频移公式、首个历元的接收机速度、卫星速度和观测向量计算重构多普勒频移值

依照载波相位的变化量与伪距的变化量相等的原理，根据多普勒积分方程和所述重构多普勒频移值重构载波相位的变化量相等的关系，得到重构的载波相位变化的值；

依照下一历元的伪距等于上一个历元的伪距加所述重构值的原理，得到平滑重构处理后的伪距，根据所述平滑重构处理后的伪距计算得到初始站坐标。

具体地，利用现有的电离层，对流层模型，对电离层和对流层误差进行修正。

由于卫星跟踪模式的不同，各观测值都包含一个与信号跟踪模式相关的偏差。同步处理各频率各类信号时，需要首先消除该偏差，实现各类信号同步处理。

为了加快收敛速度，精密单点定位过程中，我们先采用伪距定位，确定测站的初始坐标(X₀，Y₀，Z₀)，为了获得较为精确的初始测站坐标，我们采用多普勒重构载波相位平滑伪距的方法获得比较精确的伪距，以此来获得准确的初始站坐标，并加快多历元的收敛时间。

首先，通过第一个历元的伪距值，定位得出接收机的位置和速度。

通过以下公式计算重构多普勒频移值f_d；

其中，

分别取第一个历元的接收机速度(通过接收机测速设备获得)、第一个历元的卫星速度和观测向量，

为测站坐标与卫星坐标之间的向量，

为卫星和测站距离观测值，λ为卫星发射的载波信号波长。

在理想情况下，载波相位的变化量与伪距的变化量相等，Δρ＝Δl·λ。而利用多普勒积分方程可以知道，在一定时间内，多普勒积分的值等于载波相位的变化量，利用多普勒积分方程重构载波相位的变化量，使综合误差较少，能够有效的提高定位精度。

用重构的值来代替相应的值，下一个历元的伪距等于上一个伪距加重构多普勒，以此降低相关的未知数，获得初始坐标。

上述实施例中，能够得到较为精确的测站的初始站坐标。

优选地，通过平滑后的伪距定位，重新再次进行伪距定位，获得了测站的初始坐标(X₁，Y₁，Z₁)，接下来开展载波相位的定位，为加快整周模糊度的固定时间，降低系数矩阵的相关度，进行多历元组合定位。

所述S5中，通过所述初始站坐标和载波相位方程进行载波相位的定位，得到多个构建参数，通过多个所述构建参数建立卫星的一个历元观测方程，具体为：

所述载波相位方程为：

L_i＝ρ(x^sat)+c·(τ^rec-τ^sat)+λ·N+(b^rec-b^sat)+m·ZTD+ε+ion，

其中，L_i为相位观测值，ρ为星地理论距离，受卫星轨道x^sat的影响，τ^rec和τ^sat分别为接收机和卫星钟差，N为整周模糊度，b^rec和b^sat为载波相位的标定小数偏差部分，m为对流层投影函数，ZTD为天顶对流层延迟，ε为包含多路径误差等噪声，ion为电离层误差；

将载波相位观测值方程在所述初始站坐标进行线性化，得到多个构建参数，所述多个构建参数包括坐标改正数和线性化后的系数矩阵，并将接收机的钟差固定在第一个历元，构建通过多个所述构建参数建立卫星的一个历元观测方程，所述卫星的一个历元观测方程为：

其中，i表示历元，k表示卫星，v为测量值与真实值之间的残差，a、b、c为线性化后的系数矩阵，δx、δy和δz为坐标改正数，δt_k(i)为接收机的钟差，N_k(1)为整周模糊度，l_k(i)为误差项，f为相关载波的频率。平差后的真实测站坐标为(X_r,Y_r,Z_r)＝(X₀+δx，Y₀+δx，Z₀+δx)。

所述S7中，依据选择标准进行卫星选择操作，基于一个历元观测方程和选择卫星的参数构建多历元PPP定位方程组，具体为：

依据低轨卫星的选择标准进行卫星选择，得到低轨卫星多历元的参数矩阵，并基于一个历元观测方程和低轨卫星的参数矩阵构建多历元PPP定位方程组，所述多历元PPP定位方程组为：

V＝AX-L，

其中，A和X为低轨卫星多历元的参数矩阵，X＝[δx,δy,δz,f₁,f₂,N₁(1),N₂(1)…N_m(1)]，δx、δy和δz为坐标改正数，f₁和f₂为接收机钟差的二阶和三阶修正项，N₁(1)，N₂(1)…N_m(1)为整周模糊度，L为相关误差，如电离层误差，对流层误差等，可以通过相关模型进行求解修正。

具体地，观测n个历元，每个历元观测m颗卫星，则共有m·n个观测值。未知参数包含三个坐标改正数，一个接收机钟差参数以及m个整周模糊度，对流层误差通过Saastamoinen模型修正，共有(m+4)个未知数。为加快收敛满足mn≥m+4。

即

通过构建3个历元的多历元方程，进行快速定位。

采用的多历元解算，由于短时间内卫星运动的位置变化不大，所以导致多历元载波相位定位方程高度病态，系数矩阵高度相关，模糊度搜索效率低。

可以基于重构的多普勒积分法重构未来短时载波相位虚拟观测值，将系数的矩阵的相关性降低，从强相关变为弱相关。同时，在卫星的选取上，通过选取低轨卫星来辅助降低相关性。低轨卫星具有运动速度快的特点，通过联合运动快的低轨卫星来建立多历元PPP定位，快速降低方程组的系数的相关性。

首先获得120个历元的数据，并将120历元的数据进行重新排列，将相差30s的历元数据重新组合，按照(1,31,61)、(2,32，62)等等方式进行排列组合，并在选星的操作时选取低轨卫星，低轨卫星具有运动速度快的特点，导航卫星联合运动快的低轨卫星来建立多历元PPP定位方程组，此时可以快速降低方程组系数的相关性，进一步加快收敛速度。此时，将mn个方程写成矩阵形式。

V＝AX-L。

V＝[v₁(1),v₂(1)…v_m(1),v₁(31),v₂(31)…v_m(31)…v₁(61),v₂(61)…v_m(61)]

X＝[δx,δy,δz,f₁,f₂,N₁(1),N₂(1)…N_m(1)]，其中f₁和f₂为接收机钟差的二阶和三阶修正项。

组成法方程为：X＝(A^TA)^-1A^TL。

Q_xx＝(A^TA)^-1。

最终，采用最小二乘法求解方程得出结果。

上述实施例中，利用多普勒重构和载波相位平滑伪距，能够获得精确的初始站坐标，多普勒重构的目的在于充分利用多普勒无周跳的优点，同时克服其噪声大的缺陷，解决当前单历元高精度周跳检测与修复方法的国际空白。并在载波相位测量时，利用平滑将接收机钟差固定，通过排列组合和利用低轨卫星运动速度快的特点，建立多历元ppp定位方程组，快速降低了方程组系数的相关性，能加快收敛速度。

实施例2：

如图2所示，一种多历元加快精密单点定位收敛速度的装置，包括：

数据处理模块，用于通过卫星精密轨道和精密卫星钟差构建任意测站对卫星的伪距观测方程，通过卫星观测文件得到伪距(伪距观测值)，并通过B2b修正信息对伪距进行修正；

优选地，所述数据预处理模块中，通过接收机实时接收卫星导航数据，并对所述卫星导航数据预处理，具体为：

实施例3：

一种多历元加快精密单点定位收敛速度的装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，当所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法。

实施例4：

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多历元加快精密单点定位收敛速度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3：通过所述卫星精密轨道和所述精密卫星钟差构建任意测站对卫星的伪距观测方程，通过卫星观测文件得到伪距，并通过B2b修正信息对所述伪距进行修正；

S4：对所述伪距进行载波相位重构平滑处理，通过重构平滑处理后的伪距得到测站的初始站坐标；

2.根据权利要求1所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法，其特征在于，所述S1中，通过接收机实时接收卫星导航数据，并对所述卫星导航数据预处理，具体为：

3.根据权利要求1所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法，其特征在于，所述S3中，所述伪距观测方程为：

P_i＝ρ(x^sat)+c·(τ^rec-τ^sat)+(B^ifb-B^tgd)+m·ZTD+ζ+ion，

其中，P_i为伪距，ρ为星地理论距离，受卫星轨道x^sat的影响，τ^rec和τ^sat分别为接收机和卫星钟差，B^ifb和B^tgd分别为测站和卫星伪距的硬件延迟，m为对流层投影函数，ZTD为天顶对流层延迟，ζ为包含多路径误差等噪声，ion为电离层误差，B^tgd被吸收到卫星钟差中，B^ifb被吸收到接收机钟差中。

4.根据权利要求1所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法，其特征在于，所述S4中，对所述伪距进行载波相位重构平滑处理，通过重构平滑处理后的伪距得到测站的初始站坐标，具体为：

通过多普勒重构载波相位平滑伪距方法对所述伪距进行平滑处理：

导入首个历元的接收机速度、卫星速度和观测向量，通过重构多普勒频移公式、首个历元的接收机速度、卫星速度和观测向量计算重构多普勒频移值；

5.根据权利要求1所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法，其特征在于，所述S5中，通过所述初始站坐标和载波相位方程进行载波相位的定位，得到多个构建参数，通过多个所述构建参数建立卫星的一个历元观测方程，具体为：

所述载波相位方程为：

L_i＝ρ(x^sat)+c·(τ^rec-τ^sat)+λ·N+(b^rec-b^sat)+m·ZTD+ε+ion，

将所述载波相位方程在所述初始站坐标进行线性化，得到多个构建参数，所述多个构建参数包括坐标改正数和线性化后的系数矩阵，并将接收机的钟差固定在第一个历元，构建通过多个所述构建参数建立卫星的一个历元观测方程，所述卫星的一个历元观测方程为：

其中，i表示历元，k表示卫星，v为测量值与真实值之间的残差，a、b、c为线性化后的系数矩阵，δx、δy和δz为坐标改正数，δt_k(i)为接收机的钟差，N_k(1)为整周模糊度,l_k(i)为误差项，f为载波频率。

6.根据权利要求1所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法，其特征在于，所述S7中，依据选择标准进行卫星选择操作，基于一个历元观测方程和选择卫星的参数构建多历元PPP定位方程组，具体为：

V＝AX-L，

其中，A和X为低轨卫星多历元的参数矩阵，X＝[δx,δy,δz,f₁,f₂,N₁(1),N₂(1)…N_m(1)]，δx、δy和δz，f₁和f₂为接收机钟差的二阶和三阶修正项，N₁(1),N₂(1)…N_m(1)为整周模糊度，L为相关误差，所述相关误差包括电离层误差和对流层误差。

7.一种多历元加快精密单点定位收敛速度的装置，其特征在于，包括：

数据处理模块，用于通过所述卫星精密轨道和所述精密卫星钟差构建任意测站对卫星的伪距观测方程，通过卫星观测文件得到伪距，并通过B2b修正信息对伪距进行修正；

8.根据权利要求7所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的装置，其特征在于，所述数据预处理模块中，通过接收机实时接收卫星导航数据，并对所述卫星导航数据预处理，具体为：

9.一种多历元加快精密单点定位收敛速度的装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，当所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至6任一项所述的多历元加快精密单点定位收敛速度的方法。