CN115951378B - 一种基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，属于卫星导航技术领域。本发明方法利用北斗星基增强信息，确定卫星观测集合，对信息融合定位进行自适应滤波，进行用户位置解算，实现用户接收机自适应滤波，提升卫星导航用户接收机的定位精度和灵活性。

Description

一种基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法

技术领域

本专利属于卫星导航技术领域，具体来说是一种基于北斗星基增强信息的自适应信息融合滤波定位方法。

背景技术

全球定位系统(GPS)使导航发生了革命性的变化。GPS这一概念是在20世纪70年代早期作为一个联合军事服务项目发展起来的，第一颗卫星于1978年发射。GPS卫星播发调制伪码且时间同步的卫星信号，信号中包含时间信息用于测距且以BPSK的方式调制了星历、钟差、大气层延迟修正等信息。用户产生复制的卫星信号与接收到的信号相关联，可以确切知道包含接收机钟差的伪距信息并解调出电文信息。在收集到4颗及以上卫星信号及星历信息后，就可以解算出三维坐标和接收机钟差，实现定位功能。1995年美国GPS全面建成，GPS定位也因为其准确性得到了广泛的应用。我国的北斗经历了”三步走“的发展历程。20年代后期我国开始探索发展卫星导航系统，2000年底建成北斗一号系统，采用有源定位体制，实现了从无到有，所设计的双向短报文通信功能，是北斗的独创。2012年底建成了北斗二号系统，完成14颗卫星的发射组网，增加了无源定位方式，为亚太地区带来定位、测速、授时及短报文服务。2020年北斗三号最后一颗卫星发射成功，标志着北斗三号系统全面建成，可为全球用户提供基本导航服务及短报文和国际搜救服务。

星基增强系统是北斗卫星导航系统的重要组成部分，北斗同步轨道GEO卫星向用户播发卫星钟差参数和电离层延迟参数等，提供高精度导航服务。空间部分包含GEO卫星，地面部分包括29个地面监测站和1个主控地面注入站。监测站收集来自卫星的信号信息送入主控站，计算卫星轨道、卫星钟差、电离层格网等差分改正数与其他完好性信息，通过注入站向地球同步轨道GEO卫星注入电文，GEO卫星向地面播发星基增强信息。

星基增强误差修正参数主要包含两类：

（一）卫星钟差修正数

原子钟在对卫星提供时间与频率信号来源的同时，必然存在着时钟偏差和频率漂移。监测站通过对卫星信号的检测对卫星钟差作出估计，除了随卫星星历改变播发的钟差参数外，GEO卫星会播发星基增强系统的卫星钟差修正数，每隔18s更新一次，计算伪距时直接对卫星的伪距进行修正。

（二）电离层格网延迟修正数

电离层延迟和观测时间、监测站与接收机位置以及卫星相对于接收机的连线方向等因素有关，单频用户在使用北斗系统定位时常采用Klobuchar模型对电离层延迟进行估计。北斗星基增强系统通过建立覆盖在中国领空的电离层格网为在覆盖区域的用户提供实时的电离层延迟估计。使用时，电离层格网模型估计出的电离层延迟代替Klobuchar模型估计，参与到定位解算当中。

除了上述两种精度修正增强信息，星基增强系统同时播发与之配套的完好性增强信息，包括区域用户距离精度指数(RURAI)、用户差分距离精度标识(UDREI)和格网点电离层垂直延迟改正数误差指数(GIVEI)等信息。

上述星基增强信息提供了充分的完好性信息，可以实时地向用户提供利用上述精度增强信息修正伪距后的距离精度范围，但并未被用户接收机充分利用。现有方法尚未能充分发挥星基增强完好性信息及时性、时变性和精确性等特点，难以提升卫星导航用户接收机的定位精度。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明提出一种基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，充分挖掘利用北斗GEO卫星播发的星基增强信息，利用星基增强完好性信息的及时性、时变性和精确性，是一种利用星基增强信息，对信息融合定位进行自适应滤波的算法，能够提升卫星导航用户接收机的定位精度。

该方法首先根据北斗卫星导航电文，解调出定位所需的卫星星历、观测量、星基增强等信息，从所观测到的卫星中组合选取若干颗卫星并计算几何精度因子（GDOP）值，选取GDOP值最小的组合作为卫星观测集合。根据电文信息计算北斗卫星的位置和速度，结合卫星相对于接收机的伪距、多普勒等信息进行用户位置解算。与此同时，基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位算法开始工作，实时地修正伪距观测量，并依据星基增强完好性信息对不同卫星的伪距观测量赋予不同的权重，自适应滤波所利用到的完好性信息包括：区域用户距离精度指数(RURAI)、精度标识用户差分距离精度标识（UDREI）和格网点电离层垂直延迟改正数误差指数（GIVEI）。最终实现用户接收机自适应滤波，提升用户接收机定位精度。

为了实现上述目的，本发明方法具体的实施步骤如下：

第一步：根据观测卫星提取得到卫星星历、卫星观测量、北斗星基增强等信息；

从卫星导航接收机基带处理模块，接收并解调电文信息，依据北斗接口控制ICD(Interface Control Document)文档格式，组装出卫星星历、卫星伪距和多普勒等观测量、北斗星基增强完好性等信息。

第二步：选择几何分布更优的卫星观测集合；

根据实际需要确定参与解算的卫星数量，从观测到的所有卫星中任意选取该数量的卫星，计算它们的几何精度因子（GDOP）值，重复本步骤并依次遍历所有可能的组合，选取其中GDOP值最小的组合作为卫星观测集合。

第三步：利用星基增强信息修正伪距观测量；

在第k历元，读取第一步中解调出的第i颗北斗卫星的星基增强信息，其中包括卫星钟差修正数和由星基增强电离层格网点信息计算得到的电离层延迟修正量。其中，k表示第k历元，i表示卫星观测集合中的卫星序号，表示卫星钟差。

对观测到的北斗卫星伪距观测量的修正过程如下：

其中，为第一步卫星观测量中的伪距观测量，表示星基增强信息修正后的伪距观测量。

第四步：设定定位解算滤波器初始的观测量噪声协方差矩阵；

计算得到定位解算滤波器观测量噪声协方差矩阵为，是一个对角矩阵，对角元素个数为2N，符号N代表参与定位解算的卫星通道数，表示如下：

其中表示由矢量中的元素构成的对角矩阵。中前N个对角元素对应伪距观测噪声，根据RURAI确定，参照ICD文档中RURAI定义表得出区域用户距离精度(RURA)值，带入。后N个对角元素对应多普勒观测噪声，可由经验设定或者公式计算得到。

第五步：根据北斗星基增强完好性信息计算距离精度；

将第一步中北斗星基增强完好性信息中的N个通道的精度标识UDREI和GIVEI按照电文协议分别转化为等效钟差改正精度和电离层延迟改正精度，当精度标识显示为不可用时，则更换参与定位的卫星通道。利用和计算第i个通道对应的总距离精度，表示为：

第六步：计算观测噪声的自适应权重；

根据总距离精度计算信息融合定位解算观测噪声的自适应权重，具体表示为：

其中，自适应权重包含2N个元素，前N个对应伪距观测噪声权重，后N个对应伪距率观测噪声权重。伪距率观测量与距离精度无关，故对应的观测量噪声权重保持为1不变。自适应权重中的伪距观测量噪声权重定义为第i个通道距离精度与所有通道距离精度平均值的比值，表示为:

其中。

第七步：自适应调整观测噪声协方差矩阵，完成用户定位解算；

根据观测噪声的自适应权重，自适应调整定位解算滤波器初始观测噪声矩阵，调整后的噪声矩阵记为，表示如下：

将自适应调整后的带入用户定位解算（如常用的卫星导航卡尔曼滤波用户定位解算算法）中，完成用户接收机的自身定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，实现用户接收机自适应滤波，提升用户接收机定位精度，其技术优势包括：

（一）在用户接收机的定位解算中，充分利用了北斗系统的星基增强完好性信息，发挥了其及时性、时变性和准确性的特点，增加了卫导定位解算的灵活性与精度。

（二）算法的计算量低，便于实时运算，同时算法所利用的信息可以通过卫星信号直接接收，无需额外的设备或通信链路，实用性高。

附图说明

图1是本发明提供的基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位算法的流程框图。

图2是本发明实施中，有无北斗星基增强信息辅助时的水平定位误差范围对比示意图。

图3是本发明实施中，有无北斗星基增强信息辅助时的东北天向定位误差对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

图1描述了基于北斗星基增强信息的自适应信息融合滤波定位算法的具体实施流程，包括：

第一步：提取卫星星历、卫星观测量、北斗星基增强等信息

卫星导航接收机接收卫星信号，完成信号捕获、跟踪、位同步和帧同步后，解调卫星电文信息。卫星星历用于计算卫星轨道、位置和速度等；卫星观测量主要包括伪距和多普勒观测值，参与后续用户位置解算；北斗增强信息包括修正改正信息（卫星钟差修正数、电离层格网延迟修正数等）和完好性信息（RURAI、UDREI、GIVEI）。

第二步：选择几何分布更优的卫星观测集合

从观测到的所有卫星M颗构成的集合中，选取N颗卫星构成集合，分别计算它们的几何精度因子（GDOP）值，计算公式如下：

其中G矩阵表示卫星观测矩阵，trace表示求迹运算，T表示矩阵转置。计算出所有组合的GDOP值，选取GDOP值最小的组合，视为最佳的卫星观测集合。

第三步：利用星基增强信息修正伪距观测量

在第k历元，读取解调出的第i颗北斗卫星的星基增强修正信息，假设卫星钟差修正数为2米，由星基增强电离层格网点信息计算得到的电离层延迟修正量为-4.5米。

假设某一时刻修正前观测到的伪距观测量为2.4×10⁷米，则星基增强信息修正后的伪距观测量为（2.4×10⁷+2-4.5）米。

第四步：设定定位解算滤波器初始观测噪声矩阵

接收机解调出N颗星的区域用户距离精度指数(RURAI)值，假设第1、2和N颗卫星的RURAI分别为3、0和2，对照RURAI定义表查表可得RURA值分别为1.75m、0.75m和1.25m，由计算可得、和分别为3.0625、0.5625、1.5625，其他卫星情况类似。的第N+1至2N个元素代表多普勒观测噪声方差，依照经验均设为0.01。则矩阵表示如下：

第五步：根据北斗星基增强完好性信息计算距离精度

记录各个卫星的星基增强完好性信息，将N个通道的精度标识UDREI和GIVEI按照电文协议分别转化为等效钟差改正精度和电离层延迟改正精度，假设某颗卫星从电文解调出的UDREI和GIVEI的编码分别为1和2，则参照UDREI和GIVEI的定义表，可得UDRE和GIVE分别为1.5m和0.9m。计算第i个通道对应的总距离精度表示为：

其他卫星的总距离精度的计算方式类似。

第六步：计算观测噪声的自适应权重

根据总距离精度计算信息融合定位解算观测噪声的自适应权重，具体表示为：

伪距误差观测量噪声权重表示为:

，。

假设共有7颗卫星，总距离精度构成的矢量表示为，则可计算得到第1颗卫星的伪距误差观测量噪声权重：

其他卫星的伪距误差观测量噪声权重计算方法与类似。

第七步：自适应调整观测噪声协方差矩阵，完成用户定位解算

根据观测噪声的自适应权重，自适应调整第四步得到的定位解算滤波器初始观测噪声矩阵，调整后的噪声矩阵记为，表示如下：

将自适应调整后的带入用户定位解算中，完成用户接收机的自身定位。

为验证所提出算法的可行性与有效性，在用户接收机上进行了测试实验。分别在该算法运行和不运行时输出定位结果，与事先使用高精度接收机标定的天线位置进行比较，计算得出定位误差，对比用户接收机定位精度，如图2和图3所示。对数据进行统计，在该算法运行时，水平定位误差0.70米，高程定位误差1.09米，三维定位误差为1.29米；在该算法不运行时，水平定位误差0.73米，高程定位误差2.44米，三维定位误差为2.55米，均大于所提算法运行时定位精度。实验数据表明，所提出的算法有效提升了用户接收机的定位精度。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，利用北斗星基增强信息，对信息融合定位进行自适应滤波，提升卫星导航用户接收机的定位精度；

第一步：根据观测卫星提取得到北斗卫星的卫星星历、卫星伪距观测量、多普勒观测量、星基增强完好性信息；

星基增强完好性信息包括区域用户距离精度指数RURAI、用户差分距离精度标识UDREI和格网点电离层垂直延迟改正数误差指数GIVEI；

第二步：确定卫星观测集合；包括：

从观测到的所有卫星中任意选取多个卫星作为卫星组合，计算该卫星组合的几何精度因子GDOP值；

依次遍历所有可能的卫星组合；

选取其中GDOP值最小的卫星组合作为卫星观测集合；

第三步：利用星基增强信息修正伪距观测量；

在第k历元，读取第一步中解调出的第i颗北斗卫星的星基增强信息，包括卫星钟差修正数和电离层延迟修正量，其中，k表示第k历元，i表示卫星观测集合中的卫星序号，为卫星钟差参数；

对观测到的北斗卫星伪距观测量进行修正的过程，表示为：

其中，为第一步卫星观测量中的伪距观测量，表示星基增强信息修正后的伪距观测量；

第四步：设定定位解算滤波器的初始的观测量噪声协方差矩阵；计算得到定位解算滤波器观测量噪声协方差矩阵表示为：

其中，表示由矢量中的元素构成的对角矩阵；中的对角元素个数为2N，N代表参与定位解算的卫星通道数；中前N个对角元素对应伪距观测量噪声，，其中，RURA为区域用户距离精度；后N个对角元素对应多普勒观测量噪声；

第五步：根据北斗星基增强完好性信息计算距离精度；包括：

将第一步中北斗星基增强信息的N个通道的精度标识UDREI和GIVEI按照电文协议分别转化为等效钟差改正精度和电离层延迟改正精度；

当精度标识显示为不可用时，更换参与定位的卫星通道；

利用和计算第i个通道对应的总距离精度，表示为：

第六步：计算观测量噪声的自适应权重；

根据总距离精度计算信息融合定位解算观测量噪声的自适应权重，表示为：

其中，自适应权重包含2N个元素，前N个对应伪距观测量噪声权重，后N个对应多普勒观测量噪声权重；自适应权重中的伪距观测量噪声权重为第i个通道距离精度与所有通道距离精度平均值的比值；

第七步：自适应调整观测量噪声协方差矩阵，完成用户定位解算；

根据观测量噪声的自适应权重，自适应调整定位解算滤波器初始观测量噪声协方差矩阵，调整后的观测量噪声协方差矩阵记为，表示为：；

将自适应调整后的用于用户定位解算中，即可完成用户接收机的自身定位。

2.如权利要求1所述基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，其特征是，第一步中，具体是从卫星导航接收机基带处理模块，接收并解调电文信息，依据北斗接口控制ICD文档格式，组装得到卫星星历、卫星观测量、北斗星基增强信息。

3.如权利要求1所述基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，其特征是，第二步中计算几何精度因子GDOP值，表示为：

其中G矩阵表示卫星观测矩阵，trace表示求迹运算，T表示矩阵转置。

4.如权利要求1所述基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，其特征是，第三步中，具体是由星基增强电离层格网点信息计算得到电离层延迟修正量。

5.如权利要求1所述基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，其特征是，第四步中，区域用户距离精度RURA值具体是参照ICD文档中的RURAI定义表得到；多普勒观测量噪声具体是由经验设定或计算得到。

6.如权利要求1所述基于北斗星基增强信息的自适应信息融合定位方法，其特征是，第六步中，自适应权重中的伪距观测量噪声权重表示为:

，其中。

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