CN116203603A - 一种面向复杂环境低成本的ppp随机模型自适应调整方法 - Google Patents

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CN116203603A CN202310073630.0A CN202310073630A CN116203603A CN 116203603 A CN116203603 A CN 116203603A CN 202310073630 A CN202310073630 A CN 202310073630A CN 116203603 A CN116203603 A CN 116203603A
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Abstract

本发明公开一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法，涉及卫星导航与定位技术领域。该方法的具体步骤包括：对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行严格的质量控制；基于码减相位模型获取观测值误差并拟合得到基于载噪比的先验随机模型；通过PPP验后残差自适应调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果。本发明充分利用了多系统、多频率GNSS测量误差的相关性，并结合验后残差阈值检验自适应地调整随机模型，有效地提升了城市复杂环境下低成本终端PPP的收敛速度与定位精度。

Description

一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法。
背景技术
GNSS信号在传播过程中面临着多种模型化与非模型化误差的严重影响。卫星轨道、钟差、差分码偏差、电离层、对流层等模型化误差，可以通过观测域差分或状态域改正的方式较好地消除。然而，非模型化误差如测量噪声、多路径、射频干扰等通常没有统一的修正模型，对GNSS定位性能的影响变得越来越严重。尤其是随着现代化建设的不断发展，城市环境变得越来越复杂。各种建筑物对GNSS信号的遮挡与反射、不同无线网络设施产生的射频干扰以及低成本终端较差的抗多径干扰能力，都使得在复杂环境中实现精准可靠定位面临着极大的挑战。而影响定位精度与可靠性的重要因素是如何合理地分配多系统、多频率GNSS观测值的权重。
传统的GNSS观测值加权模型通常采用等权模型或高度角定权模型。等权模型认为所有卫星导航系统、所有频率的观测值测距精度相等，然而该模型在大部分现实环境中均不适用。高度角定权模型认为GNSS观测值的测量误差主要与卫星的高度相关，对高度角较高的卫星分配较大的权重，而对高度角较低的卫星进行降权。该模型广泛应用于国际上一些知名的GNSS数据处理软件如BERNESE、PANDA、GAMIT等，并在开阔的环境中实现了较好的定位结果，但在建筑物、树木严重遮挡的城市复杂环境中效果不佳。因此，设计一种合理的多系统、多频率GNSS观测值加权模型，自适应地调整伪距、载波相位的观测值权重，是提升城市复杂环境下低成本终端PPP收敛速度与定位精度的关键因素。
发明内容
提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法、装置及介质，可以在城市复杂环境中显著改善低成本导航终端的抗粗差能力，有效提升PPP的收敛速度与定位精度。
根据本发明的第一方案，提供了一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法，所述方法包括：
根据质量控制参数，对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行质量控制，以得到GNSS观测值，所述质量控制参数包括伪距粗差探测、载波周跳探测及载波比阈值检验；
通过码减相位模型获取观测值误差，并根据所述观测值误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；
通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得定位结果。
进一步地，所述根据质量控制参数，对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行质量控制，以得到GNSS观测值，具体包括：
根据历元间伪距与多普勒的关系，构建如下的伪距粗差探测模型：
GP＝(Pk-Pk-1)-(Dk+Dk-1)·λ/2,k≥2 (33)
其中，Pk和Pk-1分别表示第k和k-1历元的伪距观测值，Dk和Dk-1分别表示第k和k-1历元的多普勒频移观测值，GP为伪距粗差检验量，根据方差-协方差误差传播准则，如果|GP|>3σP，则认为当前伪距观测值存在粗差，此时降低该伪距观测值权重或剔除该观测值，σP表示伪距测量误差的中误差；
通过高精度多普勒构建如下的载波相位整周模糊度检验式：
Figure BDA0004065441380000031
其中，ΔN表示载波相位整周模糊度在第k和k-1历元的变化量，
Figure BDA0004065441380000032
表示载波相位观测值的噪声，εD表示多普勒观测值的噪声；
高精度多普勒检测载波相位周跳的阈值设置如下：
Figure BDA0004065441380000033
其中，ξ表示载波相位周跳探测的阈值；当观测值采样间隔为1秒时ξ设置为1周，通过高精度多普勒可探测出一周以上的周跳；
构建载噪比阈值检验式Sobs以直接剔除观测质量较差的卫星信号：
Figure BDA0004065441380000034
其中，C/N0表示接收卫星信号的载波比，Ele表示卫星的高度角；如果卫星的高度角大于15°且载噪比大于30dB-Hz认为当前观测值有效，而不在有效范围内的观测数据表示该卫星信号无法有效跟踪而被剔除。
进一步地，所述通过码减相位模型获取观测值误差，并根据所述观测值误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型，具体包括：
通过GNSS基本观测方程构建码减相位模型从而获取伪距测量误差；
从卫星信号发射到接收过程中GNSS传播路径上的基本观测方程如下：
Figure BDA0004065441380000035
其中，ρ表示卫地距，c表示真空中的光速，dt表示接收机钟差，dT表示卫星钟差，I表示斜路径的电离层延迟，T表示斜路径的对流层延迟，λ表示卫星发射信号的载波频率，N表示载波相位的整周模糊度，MP表示伪距多路径误差，
Figure BDA0004065441380000041
表示载波相位的多路径误差，εP表示伪距测量噪声，
Figure BDA0004065441380000042
表示伪距测量噪声；
根据式(5)得到码减相位模型(CMC,Code-minus-Carrier phase)的表达式：
Figure BDA0004065441380000043
通过连续弧段内取均值的方式得到码减相位残差：
Figure BDA0004065441380000044
根据伪距测量误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；所述基于载噪比的先验随机模型表达式如下：
Figure BDA0004065441380000045
其中，
Figure BDA0004065441380000046
和
Figure BDA0004065441380000047
的经验值为0.1～0.3和0.001～0.003；v和c为载噪比随机模型的待拟合系数，根据伪距测量误差CMCR与C/N0的相关性进行标定，待拟合的函数表达式为：
Figure BDA0004065441380000048
其中，CMCR与C/N0均由实际的测量数据获得，v和c为待拟合参数；为了使得基于载噪比的随机模型系数v和c尽可能符合低成本终端GNSS观测数据质量，在拟合过程中基于残差平方和最小准则搜索最佳的拟合系数；
将式(9)的两边取对数，可得到下式的目标函数e2：
Figure BDA0004065441380000049
其中，k和N分别代表第k个测量值与测量值总数，当目标函数e2最小时得到v和c的最优拟合参数。
进一步地，所述通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得定位结果，具体包括：
通过先验随机模型为观测值赋予初始权重，滤波求解后得到PPP验后残差；
将GNSS基本观测方程(5)线性化后得到第k历元观测向量的误差方程：
Figure BDA0004065441380000051
其中，Bk表示设计矩阵，
Figure BDA0004065441380000052
表示待估参数向量，Lk表示观测值减计算值向量，Vk表示滤波求解得到的验后残差向量。根据加权最小二乘原理求解式(11)可得：
Figure BDA0004065441380000053
式中，Pk是由式(8)计算得到的先验权矩阵(对角阵，对角线元素为pkk，k＝1,2,…n)：
Figure BDA0004065441380000054
式中，n表示观测值总数，观测值的方差越大，表明测量数据包含更多随机误差，相应的观测值权重越小；
根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果；
为实现自适应调整伪距、载波相位观测值权重，引入权因子w进行权重控制：
Figure BDA0004065441380000055
式中，
Figure BDA0004065441380000056
表示等价权矩阵(对角线元素为
Figure BDA0004065441380000057
Figure BDA0004065441380000058
)；顾及式(12)-(14)得自适应抗差估计：
Figure BDA0004065441380000059
将验后残差Vk归一化为
Figure BDA00040654413800000510
并构造分段函数以自适应调整权因子：
Figure BDA0004065441380000061
其中，c0与c1表示归一化残差的下界与上界；对于低成本GNSS导航终端两个系数的经验值为：c0＝1.0～1.5，c1＝2.5～5.0。
根据本发明的第二方案，提供了一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整装置，所述装置包括：
质量控制单元，其被配置为根据质量控制参数，对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行质量控制，以得到GNSS观测值，所述质量控制参数包括伪距粗差探测、载波周跳探测及载波比阈值检验；
先验随机模型构建单元，其被配置为通过码减相位模型获取观测值误差，并根据所述观测值误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；
定位结果计算单元，其被配置为通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得定位结果。
进一步地，所述质量控制单元被进一步被配置为：
根据历元间伪距与多普勒的关系，构建如下的伪距粗差探测模型：
GP＝(Pk-Pk-1)-(Dk+Dk-1)·λ/2,k≥2 (49)
其中，Pk和Pk-1分别表示第k和k-1历元的伪距观测值，Dk和Dk-1分别表示第k和k-1历元的多普勒频移观测值，GP为伪距粗差检验量，根据方差-协方差误差传播准则，如果|GP|>3σP，则认为当前伪距观测值存在粗差，此时降低该伪距观测值权重或剔除该观测值，σP表示伪距测量误差的中误差；
通过高精度多普勒构建如下的载波相位整周模糊度检验式：
Figure BDA0004065441380000071
其中，ΔN表示载波相位整周模糊度在第k和k-1历元的变化量，
Figure BDA0004065441380000072
表示载波相位观测值的噪声，εD表示多普勒观测值的噪声；
高精度多普勒检测载波相位周跳的阈值设置如下：
Figure BDA0004065441380000073
其中，ξ表示载波相位周跳探测的阈值；当观测值采样间隔为1秒时ξ设置为1周，通过高精度多普勒可探测出一周以上的周跳；
构建载噪比阈值检验式Sobs以直接剔除观测质量较差的卫星信号：
Figure BDA0004065441380000074
其中，C/N0表示接收卫星信号的载波比，Ele表示卫星的高度角；如果卫星的高度角大于15°且载噪比大于30dB-Hz认为当前观测值有效，而不在有效范围内的观测数据表示该卫星信号无法有效跟踪而被剔除。
进一步地，所述先验随机模型构建单元被进一步配置为：
通过GNSS基本观测方程构建码减相位模型从而获取伪距测量误差；
从卫星信号发射到接收过程中GNSS传播路径上的基本观测方程如下：
Figure BDA0004065441380000075
其中，ρ表示卫地距，c表示真空中的光速，dt表示接收机钟差，dT表示卫星钟差，I表示斜路径的电离层延迟，T表示斜路径的对流层延迟，λ表示卫星发射信号的载波频率，N表示载波相位的整周模糊度，MP表示伪距多路径误差，
Figure BDA0004065441380000076
表示载波相位的多路径误差，εP表示伪距测量噪声，
Figure BDA0004065441380000077
表示伪距测量噪声；
根据式(5)得到码减相位模型(CMC,Code-minus-Carrier phase)的表达式：
Figure BDA0004065441380000081
通过连续弧段内取均值的方式得到码减相位残差：
Figure BDA0004065441380000082
根据伪距测量误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；所述基于载噪比的先验随机模型表达式如下：
Figure BDA0004065441380000083
其中，
Figure BDA0004065441380000084
和
Figure BDA0004065441380000085
的经验值为0.1～0.3和0.001～0.003；v和c为载噪比随机模型的待拟合系数，根据伪距测量误差CMCR与C/N0的相关性进行标定，待拟合的函数表达式为：
Figure BDA0004065441380000086
其中，CMCR与C/N0均由实际的测量数据获得，v和c为待拟合参数；为了使得基于载噪比的随机模型系数v和c尽可能符合低成本终端GNSS观测数据质量，在拟合过程中基于残差平方和最小准则搜索最佳的拟合系数；
将式(9)的两边取对数，可得到下式的目标函数e2：
Figure BDA0004065441380000087
其中，k和N分别代表第k个测量值与测量值总数，当目标函数e2最小时得到v和c的最优拟合参数。
进一步地，所述定位结果计算单元被进一步配置为：
通过先验随机模型为观测值赋予初始权重，滤波求解后得到PPP验后残差；
将GNSS基本观测方程(5)线性化后得到第k历元观测向量的误差方程：
Figure BDA0004065441380000088
其中，Bk表示设计矩阵，
Figure BDA0004065441380000091
表示待估参数向量，Lk表示观测值减计算值向量，Vk表示滤波求解得到的验后残差向量。根据加权最小二乘原理求解式(11)可得：
Figure BDA0004065441380000092
式中，Pk是由式(8)计算得到的先验权矩阵(对角阵，对角线元素为pkk，k＝1,2,…n)：
Figure BDA0004065441380000093
式中，n表示观测值总数，观测值的方差越大，表明测量数据包含更多随机误差，相应的观测值权重越小；
根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果；
为实现自适应调整伪距、载波相位观测值权重，引入权因子w进行权重控制：
Figure BDA0004065441380000094
式中，
Figure BDA0004065441380000099
表示等价权矩阵(对角线元素为
Figure BDA0004065441380000095
Figure BDA0004065441380000096
)；顾及式(12)-(14)得自适应抗差估计：
Figure BDA0004065441380000097
将验后残差Vk归一化为
Figure BDA0004065441380000098
并构造分段函数以自适应调整权因子：
Figure BDA0004065441380000101
其中，c0与c1表示归一化残差的下界与上界；对于低成本GNSS导航终端两个系数的经验值为：c0＝1.0～1.5，c1＝2.5～5.0。
根据本发明的第三方案，提供了一种存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据本发明各个实施例所述的方法。
根据本发明各个方案的面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法，其至少具有以下技术效果：
本发明充分利用了多系统、多频率GNSS观测值测量误差的相关性，基于码减相位模型构造了载噪比先验权随机模型，更加符合低成本导航终端在城市环境中的观测数据质量变化；通过验后残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位的观测值权重，在复杂场景下可显著改善模型的抗粗差能力，有效提升城市复杂环境下低成本终端PPP的定位精度与收敛速度，保障了实时导航服务中定位的精准度与连续性。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1为本发明实施例提供的一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法的流程图。
图2为本发明实施例提供的华为P40低成本终端通过码减相位模型拟合得到的载噪比先验随机模型。
图3为本发明实施例提供的小米8低成本终端通过码减相位模型拟合得到的载噪比先验随机模型。
图4为本发明实施例提供的华为P40低成本终端采用自适应随机模型PPP与传统PPP在东、北、天三维的定位误差序列。
图5为本发明实施例提供的小米8低成本终端采用自适应随机模型PPP与传统PPP在东、北、天三维的定位误差序列。
图6为本发明实施例提供的一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整装置的结构图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤，如果彼此之间没有前后关系的必要性，则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制，本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整，只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
本发明实施例提供一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法，如图1所示，本发明首先对复杂环境下低成本导航终端的GNSS原始观测数据进行严格的质量控制，包括伪距粗差探测、载波周跳探测、载噪比阈值检验等，从而获得较为干净的GNSS观测值。其次，通过码减相位模型获取观测值误差，根据码减相位残差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；然后，通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据验后残差阈值检验自适应调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果。
为了使本发明的技术方案、目的及优势更加清晰，本实施例采用两款低成本终端在城市复杂环境中的GNSS观测数据进行自适应随机模型PPP方法求解，并与传统PPP方法进行对比。具体地，对本实施例提供的一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法进行说明，所述方法包括如下步骤S1-S3：
S1：对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行严格的质量控制，包括伪距粗差探测、载波周跳探测及载波比阈值检验等，从而得到干净的GNSS观测值。
在一些实施例中，所述步骤S1的具体过程为：
S1-1：由于城市复杂环境下树木、建筑物的遮挡，低成本终端的伪距观测值容易产生较大的粗差。多普勒频移独立于伪距与载波相位观测值，可以保证数据的连续和稳定。根据历元间伪距与多普勒的关系，构建如下的伪距粗差探测模型：
GP＝(Pk-Pk-1)-(Dk+Dk-1)·λ/2,k≥2 (65)
其中，Pk和Pk-1分别表示第k和k-1历元的伪距观测值，Dk和Dk-1分别表示第k和k-1历元的多普勒频移观测值，GP为伪距粗差检验量。根据方差-协方差误差传播准则，如果|GP|>3σP，则认为当前伪距观测值存在粗差。此时应降低该伪距观测值权重或剔除该观测值，σP表示伪距测量误差的中误差。
S1-2：低成本终端配备的低端微带天线容易造成载波相位跟踪环路频繁失锁，有效地探测载波相位周跳是保证PPP平稳收敛的重要前提。通过高精度多普勒构建如下的载波相位整周模糊度检验式：
Figure BDA0004065441380000131
其中，ΔN表示载波相位整周模糊度在第k和k-1历元的变化量，
Figure BDA0004065441380000132
表示载波相位观测值的噪声，εD表示多普勒观测值的噪声；
由于多普勒和载波相位的噪声均为厘米量级，可在检验过程中忽略不计。因此，高精度多普勒检测载波相位周跳的阈值设置如下：
Figure BDA0004065441380000133
其中，ξ表示载波相位周跳探测的阈值；当观测值采样间隔为1秒时ξ可设置为1周，通过高精度多普勒可探测出一周以上的周跳。
S1-3：载噪比是直接反映GNSS数据质量好坏的有效指标之一，构建载噪比阈值检验式Sobs以直接剔除观测质量较差的卫星信号：
Figure BDA0004065441380000134
其中，C/N0表示接收卫星信号的载波比，Ele表示卫星的高度角；如果卫星的高度角大于15°且载噪比大于30dB-Hz认为当前观测值有效，而不在有效范围内的观测数据表示该卫星信号无法有效跟踪而被剔除。
S2：通过码减相位模型获取观测值误差，并根据其与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型。
在一些实施例中，所述步骤S2的具体过程如下：
S2-1：通过GNSS基本观测方程构建码减相位模型从而获取伪距测量误差；
从卫星信号发射到接收过程中GNSS传播路径上的基本观测方程如下：
Figure BDA0004065441380000135
其中，ρ表示卫地距，c表示真空中的光速，dt表示接收机钟差，dT表示卫星钟差，I表示斜路径的电离层延迟，T表示斜路径的对流层延迟，λ表示卫星发射信号的载波频率，N表示载波相位的整周模糊度，MP表示伪距多路径误差，
Figure BDA0004065441380000141
表示载波相位的多路径误差，εP表示伪距测量噪声，
Figure BDA0004065441380000142
表示伪距测量噪声；
根据式(5)可得码减相位模型(CMC,Code-minus-Carrier phase)的表达式：
Figure BDA0004065441380000143
由于载波相位的多路径与噪声均为厘米量级，相较于伪距观测值的噪声与多路径可以忽略不计。此外，电离层在短时间内几乎没有变化，载波相位模糊度在没有发生周跳时可视为常数，因此可以通过连续弧段内取均值的方式得到码减相位残差(CMCR,Code-minus-Carrier phase residual)：
Figure BDA0004065441380000144
S2-2：根据伪距测量误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；
载噪比是表征卫星信号质量好坏的有效指标，当接收卫星信号的载噪比较低时，表明当前卫星观测值的测量误差较大。因此构建基于载噪比的先验随机模型表达式如下：
Figure BDA0004065441380000145
其中，
Figure BDA0004065441380000146
和
Figure BDA0004065441380000147
的经验值为0.1～0.3和0.001～0.003，也可通过零基线站星双差的方式进行标定；v和c为载噪比随机模型的待拟合系数，可根据伪距测量误差CMCR与C/N0的相关性进行标定，待拟合的函数表达式为：
Figure BDA0004065441380000148
其中，CMCR与C/N0均由实际的测量数据获得，v和c为待拟合参数；为了使得基于载噪比的随机模型系数v和c尽可能符合低成本终端GNSS观测数据质量，在拟合过程中基于残差平方和最小准则搜索最佳的拟合系数。将式(9)的两边取对数，可得到下式的目标函数e2：
Figure BDA0004065441380000151
其中，k和N分别代表第k个测量值与总测量值，当目标函数e2最小时即可得到v和c的最优拟合参数。选取华为P40和小米8两款低成本导航终端进行实验，对记录的多系统GNSS观测值与载噪比根据式(9)和(10)进行随机模型的系数拟合。图2和图3分别是华为P40与小米8的载噪比先验随机模型标定结果，从码减相位残差与载噪比的关系可以看出，低成本导航终端的测量误差与载噪比具有强相关性，载噪比越高相应的测量误差越小。此外，各个卫星系统的测量精度并不一致，GPS、BDS-2、BDS-3与Galileo系统相较于GLONASS系统具有明显的抗粗差能力，这也说明了出本发明所提出的方法相对于传统经验随机模型的优势，更能反映出低成本终端多系统、多频率GNSS观测值的特性。
S3：通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果。
在一些实施例中，所述步骤S3的具体过程如下：
S3-1：通过先验随机模型为观测值赋予初始权重，滤波求解后得到PPP验后残差；
将GNSS基本观测方程(5)线性化后得到第k历元观测向量的误差方程：
Figure BDA0004065441380000152
其中，Bk表示设计矩阵，
Figure BDA0004065441380000153
表示待估参数向量，Lk表示观测值减计算值向量，Vk表示滤波求解得到的验后残差向量。根据加权最小二乘原理求解式(11)可得：
Figure BDA0004065441380000161
式中，Pk是由式(8)计算得到的先验权矩阵(对角阵，对角线元素为pkk，k＝1,2,…n)：
Figure BDA0004065441380000162
式中，n表示观测值总数，观测值的方差越大，表明测量数据包含更多随机误差，相应的观测值权重越小；
S3-2：根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果；
为实现自适应调整伪距、载波相位观测值权重，引入权因子w进行权重控制：
Figure BDA0004065441380000163
式中，
Figure BDA0004065441380000164
表示等价权矩阵(对角线元素为
Figure BDA0004065441380000165
Figure BDA0004065441380000166
)；顾及式(12)-(14)可得自适应抗差估计：
Figure BDA0004065441380000167
鲁棒定位结果的关键在于动态调整权因子的取值。此外，为了统一处理伪距和载波相位的权重，将验后残差Vk归一化为
Figure BDA0004065441380000168
并构造分段函数以自适应调整权因子：
Figure BDA0004065441380000169
其中，c0与c1表示归一化残差的下界与上界；对于低成本GNSS导航终端两个系数的经验值为：c0＝1.0～1.5，c1＝2.5～5.0。
在本实施例中c0与c1分别取值为1.0与3.0，传统随机模型根据经验取值分别为v＝10和c＝1502。自适应随机模型的系数v和c按照式(9)和(10)进行标定(如图2与图3)，在实时解算中再根据式(16)动态改变权因子w实现自适应随机模型的调整，从而更加合理的分配GNSS误差权重。本实施例采用华为P40与小米8这两款低成本终端在城市复杂环境下进行自适应随机模型PPP方法解算，并在收敛速度、定位精度方面与传统PPP方法进行对比。图4和图5为本实施例选取的一段城市环境中两款低成本终端分别采用自适应随机模型与传统随机模型时的PPP定位误差序列。显然，本发明提出的随机模型自适应调整方法在东、北、天三维方向上的定位精度与收敛速度相较于传统随机模型均有显著提升且收敛速度更快。此外，自适应随机模型PPP在收敛后三维定位精度均优于0.5米，可以满足低成本导航终端在城市复杂环境中的亚米级定位需求。
综上，采用本发明所提到的定位方法，终端在无需改造硬件的条件下即可获得更加鲁棒的PPP解算结果。相较于传统PPP方法，本发明公开的自适应随机模型PPP方法在城市复杂环境中的定位精度和收敛速度方面均有显著提升，可进一步改善大众用户的城市导航定位体验。
如图6所示，本发明实施例还提供一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整装置，所述装置600包括：
质量控制单元601，其被配置为根据质量控制参数，对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行质量控制，以得到GNSS观测值，所述质量控制参数包括伪距粗差探测、载波周跳探测及载波比阈值检验；
先验随机模型构建单元602，其被配置为通过码减相位模型获取观测值误差，并根据所述观测值误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；
定位结果计算单元603，其被配置为通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得定位结果。
在一些实施例中，所述质量控制单元601被进一步被配置为：
根据历元间伪距与多普勒的关系，构建如下的伪距粗差探测模型：
GP＝(Pk-Pk-1)-(Dk+Dk-1)·λ/2,k≥2 (81)
其中，Pk和Pk-1分别表示第k和k-1历元的伪距观测值，Dk和Dk-1分别表示第k和k-1历元的多普勒频移观测值，GP为伪距粗差检验量，根据方差-协方差误差传播准则，如果|GP|>3σP，则认为当前伪距观测值存在粗差，此时降低该伪距观测值权重或剔除该观测值，σP表示伪距测量误差的中误差；
通过高精度多普勒构建如下的载波相位整周模糊度检验式：
Figure BDA0004065441380000181
其中，ΔN表示载波相位整周模糊度在第k和k-1历元的变化量，
Figure BDA0004065441380000182
表示载波相位观测值的噪声，εD表示多普勒观测值的噪声；
高精度多普勒检测载波相位周跳的阈值设置如下：
Figure BDA0004065441380000183
其中，ξ表示载波相位周跳探测的阈值；当观测值采样间隔为1秒时ξ设置为1周，通过高精度多普勒可探测出一周以上的周跳；
构建载噪比阈值检验式Sobs以直接剔除观测质量较差的卫星信号：
Figure BDA0004065441380000184
其中，C/N0表示接收卫星信号的载波比，Ele表示卫星的高度角；如果卫星的高度角大于15°且载噪比大于30dB-Hz认为当前观测值有效，而不在有效范围内的观测数据表示该卫星信号无法有效跟踪而被剔除。
在一些实施例中，所述先验随机模型构建单元602被进一步配置为：
通过GNSS基本观测方程构建码减相位模型从而获取伪距测量误差；
从卫星信号发射到接收过程中GNSS传播路径上的基本观测方程如下：
Figure BDA0004065441380000191
其中，ρ表示卫地距，c表示真空中的光速，dt表示接收机钟差，dT表示卫星钟差，I表示斜路径的电离层延迟，T表示斜路径的对流层延迟，λ表示卫星发射信号的载波频率，N表示载波相位的整周模糊度，MP表示伪距多路径误差，
Figure BDA0004065441380000192
表示载波相位的多路径误差，εP表示伪距测量噪声，
Figure BDA0004065441380000193
表示伪距测量噪声；
根据式(5)得到码减相位模型(CMC,Code-minus-Carrier phase)的表达式：
Figure BDA0004065441380000194
通过连续弧段内取均值的方式得到码减相位残差：
Figure BDA0004065441380000195
根据伪距测量误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；所述基于载噪比的先验随机模型表达式如下：
Figure BDA0004065441380000196
其中，
Figure BDA0004065441380000197
和
Figure BDA0004065441380000198
的经验值为0.1～0.3和0.001～0.003；v和c为载噪比随机模型的待拟合系数，根据伪距测量误差CMCR与C/N0的相关性进行标定，待拟合的函数表达式为：
Figure BDA0004065441380000199
其中，CMCR与C/N0均由实际的测量数据获得，v和c为待拟合参数；为了使得基于载噪比的随机模型系数v和c尽可能符合低成本终端GNSS观测数据质量，在拟合过程中基于残差平方和最小准则搜索最佳的拟合系数；
将式(9)的两边取对数，可得到下式的目标函数e2：
Figure BDA0004065441380000201
其中，k和N分别代表第k个测量值与测量值总数，当目标函数e2最小时得到v和c的最优拟合参数。
在一些实施例中，所述定位结果计算单元603被进一步配置为：
通过先验随机模型为观测值赋予初始权重，滤波求解后得到PPP验后残差；
将GNSS基本观测方程(5)线性化后得到第k历元观测向量的误差方程：
Figure BDA0004065441380000202
其中，Bk表示设计矩阵，
Figure BDA0004065441380000203
表示待估参数向量，Lk表示观测值减计算值向量，Vk表示滤波求解得到的验后残差向量。根据加权最小二乘原理求解式(11)可得：
Figure BDA0004065441380000204
式中，Pk是由式(8)计算得到的先验权矩阵(对角阵，对角线元素为pkk，k＝1,2,…n)：
Figure BDA0004065441380000205
式中，n表示观测值总数，观测值的方差越大，表明测量数据包含更多随机误差，相应的观测值权重越小；
根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果；
为实现自适应调整伪距、载波相位观测值权重，引入权因子w进行权重控制：
Figure BDA0004065441380000211
式中，
Figure BDA0004065441380000212
表示等价权矩阵(对角线元素为
Figure BDA0004065441380000213
Figure BDA0004065441380000214
)；顾及式(12)-(14)得自适应抗差估计：
Figure BDA0004065441380000215
将验后残差Vk归一化为
Figure BDA0004065441380000216
并构造分段函数以自适应调整权因子：
Figure BDA0004065441380000217
其中，c0与c1表示归一化残差的下界与上界；对于低成本GNSS导航终端两个系数的经验值为：c0＝1.0～1.5，c1＝2.5～5.0。
需要注意，本发明实施例所提供的装置与在先提供的方法属于同一技术思路，其具有相同的技术原理并能起到同样的技术效果，此处不赘述。
本发明实施例还一种存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据本发明各个实施例所述的方法。
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本发明的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本发明。这不应解释为一种不要求保护的发明的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本发明的主题可以少于特定的发明的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

Claims (9)

1.一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整方法，其特征在于，所述方法包括：
根据质量控制参数，对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行质量控制，以得到GNSS观测值，所述质量控制参数包括伪距粗差探测、载波周跳探测及载波比阈值检验；
通过码减相位模型获取观测值误差，并根据所述观测值误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；
通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得定位结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据质量控制参数，对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行质量控制，以得到GNSS观测值，具体包括：
根据历元间伪距与多普勒的关系，构建如下的伪距粗差探测模型：
GP＝(Pk-Pk-1)-(Dk+Dk-1)·λ/2,k≥2 (1)
其中，Pk和Pk-1分别表示第k和k-1历元的伪距观测值，Dk和Dk-1分别表示第k和k-1历元的多普勒频移观测值，GP为伪距粗差检验量，根据方差-协方差误差传播准则，如果|GP|>3σP，则认为当前伪距观测值存在粗差，此时降低该伪距观测值权重或剔除该观测值，σP表示伪距测量误差的中误差；
通过高精度多普勒构建如下的载波相位整周模糊度检验式：
Figure FDA0004065441370000011
其中，ΔN表示载波相位整周模糊度在第k和k-1历元的变化量，
Figure FDA0004065441370000012
表示载波相位观测值的噪声，εD表示多普勒观测值的噪声；
高精度多普勒检测载波相位周跳的阈值设置如下：
Figure FDA0004065441370000021
其中，ξ表示载波相位周跳探测的阈值；当观测值采样间隔为1秒时ξ设置为1周，通过高精度多普勒可探测出一周以上的周跳；
构建载噪比阈值检验式Sobs以直接剔除观测质量较差的卫星信号：
Figure FDA0004065441370000022
其中，C/N0表示接收卫星信号的载波比，Ele表示卫星的高度角；如果卫星的高度角大于15°且载噪比大于30dB-Hz认为当前观测值有效，而不在有效范围内的观测数据表示该卫星信号无法有效跟踪而被剔除。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过码减相位模型获取观测值误差，并根据所述观测值误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型，具体包括：
通过GNSS基本观测方程构建码减相位模型从而获取伪距测量误差；
从卫星信号发射到接收过程中GNSS传播路径上的基本观测方程如下：
Figure FDA0004065441370000023
其中，ρ表示卫地距，c表示真空中的光速，dt表示接收机钟差，dT表示卫星钟差，I表示斜路径的电离层延迟，T表示斜路径的对流层延迟，λ表示卫星发射信号的载波频率，N表示载波相位的整周模糊度，MP表示伪距多路径误差，
Figure FDA0004065441370000024
表示载波相位的多路径误差，εP表示伪距测量噪声，
Figure FDA0004065441370000025
表示伪距测量噪声；
根据式(5)得到码减相位模型(CMC,Code-minus-Carrier phase)的表达式：
Figure FDA0004065441370000026
通过连续弧段内取均值的方式得到码减相位残差：
Figure FDA0004065441370000031
根据伪距测量误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；所述基于载噪比的先验随机模型表达式如下：
Figure FDA0004065441370000032
其中，
Figure FDA0004065441370000033
和
Figure FDA0004065441370000034
的经验值为0.1～0.3和0.001～0.003；v和c为载噪比随机模型的待拟合系数，根据伪距测量误差CMCR与C/N0的相关性进行标定，待拟合的函数表达式为：
Figure FDA0004065441370000035
其中，CMCR与C/N0均由实际的测量数据获得，v和c为待拟合参数；为了使得基于载噪比的随机模型系数v和c尽可能符合低成本终端GNSS观测数据质量，在拟合过程中基于残差平方和最小准则搜索最佳的拟合系数；
将式(9)的两边取对数，可得到下式的目标函数e2：
Figure FDA0004065441370000036
其中，k和N分别代表第k个测量值与测量值总数，当目标函数e2最小时得到v和c的最优拟合参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得定位结果，具体包括：
通过先验随机模型为观测值赋予初始权重，滤波求解后得到PPP验后残差；
将GNSS基本观测方程(5)线性化后得到第k历元观测向量的误差方程：
Figure FDA0004065441370000037
其中，Bk表示设计矩阵，
Figure FDA0004065441370000038
表示待估参数向量，Lk表示观测值减计算值向量，Vk表示滤波求解得到的验后残差向量。根据加权最小二乘原理求解式(11)可得：
Figure FDA0004065441370000041
式中，Pk是由式(8)计算得到的先验权矩阵(对角阵，对角线元素为pkk，k＝1,2,…n)：
Figure FDA0004065441370000042
式中，n表示观测值总数，观测值的方差越大，表明测量数据包含更多随机误差，相应的观测值权重越小；
根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果；
为实现自适应调整伪距、载波相位观测值权重，引入权因子w进行权重控制：
Figure FDA0004065441370000043
式中，
Figure FDA0004065441370000048
表示等价权矩阵(对角线元素为
Figure FDA0004065441370000044
)；顾及式(12)-(14)得自适应抗差估计：
Figure FDA0004065441370000045
将验后残差Vk归一化为
Figure FDA0004065441370000046
并构造分段函数以自适应调整权因子：
Figure FDA0004065441370000047
其中，c0与c1表示归一化残差的下界与上界；对于低成本GNSS导航终端两个系数的经验值为：c0＝1.0～1.5，c1＝2.5～5.0。
5.一种面向复杂环境低成本的PPP随机模型自适应调整装置，其特征在于，所述装置包括：
质量控制单元，其被配置为根据质量控制参数，对复杂环境下低成本终端的GNSS原始观测数据进行质量控制，以得到GNSS观测值，所述质量控制参数包括伪距粗差探测、载波周跳探测及载波比阈值检验；
先验随机模型构建单元，其被配置为通过码减相位模型获取观测值误差，并根据所述观测值误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；
定位结果计算单元，其被配置为通过滤波求解得到PPP验后残差，并根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得定位结果。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述质量控制单元被进一步被配置为：
根据历元间伪距与多普勒的关系，构建如下的伪距粗差探测模型：
GP＝(Pk-Pk-1)-(Dk+Dk-1)·λ/2,k≥2 (17)
其中，Pk和Pk-1分别表示第k和k-1历元的伪距观测值，Dk和Dk-1分别表示第k和k-1历元的多普勒频移观测值，GP为伪距粗差检验量，根据方差-协方差误差传播准则，如果GP>3σP，则认为当前伪距观测值存在粗差，此时降低该伪距观测值权重或剔除该观测值，σP表示伪距测量误差的中误差；
通过高精度多普勒构建如下的载波相位整周模糊度检验式：
Figure FDA0004065441370000051
其中，ΔN表示载波相位整周模糊度在第k和k-1历元的变化量，
Figure FDA0004065441370000052
表示载波相位观测值的噪声，εD表示多普勒观测值的噪声；
高精度多普勒检测载波相位周跳的阈值设置如下：
Figure FDA0004065441370000061
其中，ξ表示载波相位周跳探测的阈值；当观测值采样间隔为1秒时ξ设置为1周，通过高精度多普勒可探测出一周以上的周跳；
构建载噪比阈值检验式Sobs以直接剔除观测质量较差的卫星信号：
Figure FDA0004065441370000062
其中，C/N0表示接收卫星信号的载波比，Ele表示卫星的高度角；如果卫星的高度角大于15°且载噪比大于30dB-Hz认为当前观测值有效，而不在有效范围内的观测数据表示该卫星信号无法有效跟踪而被剔除。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述先验随机模型构建单元被进一步配置为：
通过GNSS基本观测方程构建码减相位模型从而获取伪距测量误差；
从卫星信号发射到接收过程中GNSS传播路径上的基本观测方程如下：
Figure FDA0004065441370000063
其中，ρ表示卫地距，c表示真空中的光速，dt表示接收机钟差，dT表示卫星钟差，I表示斜路径的电离层延迟，T表示斜路径的对流层延迟，λ表示卫星发射信号的载波频率，N表示载波相位的整周模糊度，MP表示伪距多路径误差，
Figure FDA0004065441370000064
表示载波相位的多路径误差，εP表示伪距测量噪声，
Figure FDA0004065441370000065
表示伪距测量噪声；
根据式(5)得到码减相位模型(CMC,Code-minus-Carrier phase)的表达式：
Figure FDA0004065441370000066
通过连续弧段内取均值的方式得到码减相位残差：
Figure FDA0004065441370000071
根据伪距测量误差与载噪比的相关性拟合得到基于载噪比的先验随机模型；所述基于载噪比的先验随机模型表达式如下：
Figure FDA0004065441370000072
其中，
Figure FDA0004065441370000073
和
Figure FDA0004065441370000074
的经验值为0.1～0.3和0.001～0.003；v和c为载噪比随机模型的待拟合系数，根据伪距测量误差CMCR与C/N0的相关性进行标定，待拟合的函数表达式为：
Figure FDA0004065441370000075
其中，CMCR与C/N0均由实际的测量数据获得，v和c为待拟合参数；为了使得基于载噪比的随机模型系数v和c尽可能符合低成本终端GNSS观测数据质量，在拟合过程中基于残差平方和最小准则搜索最佳的拟合系数；
将式(9)的两边取对数，可得到下式的目标函数e2：
Figure FDA0004065441370000076
其中，k和N分别代表第k个测量值与测量值总数，当目标函数e2最小时得到v和c的最优拟合参数。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述定位结果计算单元被进一步配置为：
通过先验随机模型为观测值赋予初始权重，滤波求解后得到PPP验后残差；
将GNSS基本观测方程(5)线性化后得到第k历元观测向量的误差方程：
Figure FDA0004065441370000077
其中，Bk表示设计矩阵，
Figure FDA0004065441370000078
表示待估参数向量，Lk表示观测值减计算值向量，Vk表示滤波求解得到的验后残差向量。根据加权最小二乘原理求解式(11)可得：
Figure FDA0004065441370000081
式中，Pk是由式(8)计算得到的先验权矩阵(对角阵，对角线元素为pkk，k＝1,2,…n)：
Figure FDA0004065441370000082
式中，n表示观测值总数，观测值的方差越大，表明测量数据包含更多随机误差，相应的观测值权重越小；
根据残差阈值检验自适应地调整伪距、载波相位观测值的权重以获得更加鲁棒的定位结果；
为实现自适应调整伪距、载波相位观测值权重，引入权因子w进行权重控制：
Figure FDA0004065441370000083
式中，
Figure FDA0004065441370000084
表示等价权矩阵(对角线元素为
Figure FDA0004065441370000085
)；顾及式(12)-(14)得自适应抗差估计：
Figure FDA0004065441370000086
将验后残差Vk归一化为
Figure FDA0004065441370000087
并构造分段函数以自适应调整权因子：
Figure FDA0004065441370000088
其中，c0与c1表示归一化残差的下界与上界；对于低成本GNSS导航终端两个系数的经验值为：c0＝1.0～1.5，c1＝2.5～5.0。
9.一种存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法。
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