CN117289312A - 一种基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法 - Google Patents

一种基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，包括：根据参考站与智能手机端的综合载噪比指标优选卫星，构建观测值最优卫星子集；将所述最优卫星子集结合载噪比随机模型建立伪距差分方程，采用每颗卫星的单频伪距观测值，通过伪距差分方程计算得到手机终端概略位置；通过所述手机终端概略位置估算各颗卫星双差伪距残差值，根据各颗卫星双差伪距残差值建立各颗卫星双差伪距观测量的定权模型。用于定位模型中的权重确定，以提高智能终端的定位精度。

Description

一种基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法
技术领域
本发明涉及伪距差分定位定权技术领域，尤其涉及一种基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法。
背景技术
智能手机已成为当今应用最为广泛的全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System，GNSS)定位终端，为大众日常生活提供各种导航定位服务。随着社会的发展和大众生活质量的提高，车道级定位、弱势群体监控等定位应用的出现，人们对高精度位置服务的需求日益增长。
伪距差分定位是差分GNSS定位技术的一种，相对于载波差分定位，伪距差分定位时间短，效率高，放宽了使用限制，特别对于GNSS智能终端，因无需解算周跳和模糊度，计算功耗小，只需具有简单的差分功能即可实现定位，将具有广阔的市场应用前景。然而，另一方面，不同于测量型GNSS接收机，由于智能终端大多采用体积小、成本低的线性极化天线和低成本、低功耗的导航芯片，使其观测噪声大，且易于受多路径信号的干扰，特别是在建筑物密集的城市环境下，观测值数据质量差，严重影响到智能终端的定位精度及可靠性。
如何控制终端GNSS观测值质量，是提升终端定位效果的首要解决问题。在伪距差分定位中，观测值的权阵，即随机模型影响着线性(或线性化)观测方程的参数估值及其精度评定，一个合适的定权方法可有效降低各种误差的影响，控制观测值的质量，提高导航定位的精度。
目前，较常用的定权方法有等权法、基于高度角、载噪比或信噪比定权。但是，不同于高精度测地型接收机，终端观测噪声大，受多径误差影响严重，特别是在城市复杂环境下，上述常用的定权方法无法较好的反映终端GNSS观测值中观测噪声及多径误差的影响，在智能终端GNSS定位应用中具有一定的局限性。
因此，在智能终端GNSS伪距差分定位中，如何实时构建观测值合适的权阵以提升定位精度一直也是该领域关注的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，能够解决上述的问题。
本发明提供一种基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，包括：
根据参考站与智能手机端的综合载噪比指标优选卫星，构建观测值最优卫星子集；
将所述最优卫星子集结合载噪比随机模型建立伪距差分方程，采用每颗卫星的单频伪距观测值，通过伪距差分方程计算得到手机终端概略位置；
通过所述手机终端概略位置估算各颗卫星双差伪距残差值，根据各颗卫星双差伪距残差值建立各颗卫星双差伪距观测量的定权模型。
进一步，所述根据参考站与智能手机的综合载噪比指标优选卫星，构建观测值最优卫星子集包括：
计算参考站与智能手机端观测得到的对应卫星载噪比观测值之和，建立每颗卫星综合载噪比标量；
选择综合载噪比标量最大的前N颗卫星，构建所述观测值最优卫星子集。
进一步，所述将最优卫星子集结合载噪比随机模型建立伪距差分方程，通过伪距差分计算得到智能手机概略位置包括：
基于所述观测值最优卫星子集，采用每颗卫星的单频伪距观测值，建立伪距差分方程；
根据伪距差分方程计算得到手机终端概略空间三维坐标。
进一步，所述基于所述观测值最优卫星子集，采用每颗卫星的单频伪距观测值，建立伪距差分方程包括：
获取观测值P，手机终端三维坐标初值X°(x°,y°,z°)，计算站星几何近似距离ρ°，结合星际站际差分算子建立伪距差分方程；
根据观测值改正数V、手机终端坐标初值的改正数δX(δx，δy，δz)、对应的系数矩阵B、站星几何距离误差L构建所述伪距差分方程的误差方程，所述误差方程为：V＝B·δX-L。
进一步，所述站星几何距离误差L为：
进一步，所述根据伪距差分方程计算得到手机终端概略空间三维坐标包括：
选用常规载噪比随机模型作为权重因子；
根据最小二乘原理，计算得到方程的解，即手机终端坐标初值的改正数为：
手机终端概略空间三维坐标为：/>
进一步，所述通过手机终端概略位置估算各个卫星双差伪距残差值，根据各个卫星双差伪距残差值建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型包括：
根据所述手机终端概略位置，估算各个卫星i双差伪距残差值
将各个卫星双差伪距残差值绝对值的倒数作为权重因子Fi，建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型。
进一步，所述根据所述手机终端概略位置，估算各个卫星i双差伪距残差值包括：
根据所述手机终端概略位置计算得到站星几何距离
将各个卫星所述伪距差分基本观测值减去站星几何距离/>得到所述各个卫星双差伪距残差值/>
进一步，所述将各个卫星双差伪距残差绝对值的倒数作为权重因子Fi，建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型包括：
将各个卫星双差伪距残差绝对值的倒数作为权重因子Fi，所述权重因子
将所述伪距差分观测方程中的观测值的权矩阵设为所述权重因子Fi，建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型。
本发明的有益效果：
一是通过参考站与终端端的综合载噪比优选卫星，能够快速有效构建观测值质量较优的卫星子集，特别是在城市复杂环境下，相比利用全星座定位，基于最优卫星子集定位，能够避免观测质量差的卫星对定位结果影响。
二是基于最优卫星子集定位结果估计的卫星双差伪距残差，在一定程度上能够反映出观测值中多路径及非视距等大粗差影响，以双差伪距残差绝对值的倒数作为权重因子，遵循了观测值质量高对定位解算贡献率大的原则，一定程度上可提高智能终端的定位精度，该方法易于实际应用。
三是本发明方法可用于智能终端GNSS伪距差分定位中，满足人们日常生活中实时较高精度定位需求，无需初始化收敛时间，特别在城市高楼复杂环境下，相对于常规等权、高度角定权或载噪比定权等定权方法，本发明可以有效提高终端GNSS伪距差分定位的效果，具有一定的实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法流程图。
图2是基于华为MATE40智能手机的定权方法定位误差比较图。
图3是基于华为P40智能手机的定权方法定位误差比较图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述，应了解到，在本实施例中所提及的步骤，除特别说明其顺序的，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于最优卫星子集的智能终端伪距差分定位定权方法，包括：
S1根据参考站与智能手机端的综合载噪比指标优选卫星，构建观测值最优卫星子集；
S101计算参考站与智能手机端观测得到的对应卫星载噪比观测值之和，建立每颗卫星综合载噪比标量；
S102选择综合载噪比标量最大的前N颗卫星，构建所述观测值最优卫星子集。
在本步骤中，选取了北斗/GPS真实观测数据验证本发明的可靠性。参考站采用测地型接收机，设置于楼顶空旷环境。移动站分别为华为Mate40Pro和华为P40Pro两种类型终端，设置于一高层建筑旁，终端的卫星信号易被遮挡，易产生多径误差。终端与参考站相距十几米，同步静态采集近2小时GNSS观测数据，采样间隔为1秒。
以下首先将选取华为Mate40终端其中某一秒的观测数据为例说明采用本发明方法的具体实施过程，而后通过图表进一步说明在近2小时观测数据中，采用本发明方法的整体定位结果情况，并与常规载噪比定权法的定位结果进行对比。
如表1所示，这一秒(历元)中共观测GPS/北斗卫星21颗，表1中列出了各卫星在终端、参考站观测到的载噪比(载噪比是用来标示载波与载波噪声关系的标准测量尺度)以及两者之和——综合载噪比，选择综合载噪比最大的前9颗卫星，分别为：G08、G21、C01、C07、C10、C24、C26、C44、C59，构建了该历元观测值质量较优的卫星子集。
表1不同智能终端的卫星载噪比情况
S2将所述最优卫星子集结合载噪比随机模型建立伪距差分方程，采用每颗卫星的单频伪距观测值，通过伪距差分方程计算得到手机终端概略位置；
S201基于所述观测值最优卫星子集，采用每颗卫星的单频伪距观测值，建立伪距差分方程；
S2011获取观测值P，手机终端三维坐标初值X°(x°,y°,z°)，计算站星几何近似距离ρ°，结合星际站际差分算子建立伪距差分方程；
在本步骤中，结合星际站际差分算子建立伪距差分方程为：
由于本步骤采用星际站际差分，考虑手机终端与参考站距离较近，且所选卫星存在多路径误差的可能小，方程中忽略信号传输路径上的电离层延迟误差I、对流层延迟误差T、多路径误差M、卫星轨道误差O以及伪距观测噪声εP的影响，因此式(1)中，其中ρ为站星几何距离。
S2012根据观测值改正数V、手机终端坐标初值的改正数δX(δx,δy,δz)、对应的系数矩阵B、站星几何距离误差L构建所述伪距差分方程的误差方程，所述误差方程为：
V＝B·δX-L 式(2)
在本步骤中，由于观测值存在一定的误差，因此需要构建伪距差分方程的误差方程；其中，所述站星几何距离误差L为：
S202根据伪距差分方程计算得到手机终端概略空间三维坐标。
S2021选用常规载噪比随机模型作为权重因子；
S2022根据最小二乘原理，计算得到方程的解，即手机终端坐标初值的改正数为：
S2023手机终端概略空间三维坐标为：
在本步骤中，手机终端三维坐标初值X°为(-2730780.031，5118590.044，2641448.407)，根据公式(3)计算得到手机终端坐标初值的改正数δX为(4.409，-11.893，-1.872)，根据公式(4)计算得到手机终端概略空间三维坐标(-2730775.622，5118578.151，2641446.535)。
S3通过所述手机终端概略位置估算各颗卫星双差伪距残差值，根据各颗卫星双差伪距残差值建立各颗卫星双差伪距观测量的定权模型。
S301根据所述手机终端概略位置，估算各个卫星i双差伪距残差值
S3011根据所述手机终端概略位置、参考站已知坐标以及各卫星坐标计算得到站星几何距离
S3012将各个卫星所述伪距差分基本观测值Pi减去站星几何距离得到所述各个卫星双差伪距残差值/>所述各个卫星双差伪距残差值：
在本步骤中，根据质量较优的卫星子集获得手机终端概略位置结合所有卫星的站星几何距离计算得到各个卫星i双差伪距残差值，在一定程度上能够反映出观测值中多路径及非视距等大粗差影响，减少质量较差的卫星子集带来的误差影响。双差伪距残差值主要反映了手机终端观测噪声及多径误差情况。
S302将各个卫星双差伪距残差值绝对值的倒数作为权重因子Fu，建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型。
S3021将各个卫星双差伪距残差绝对值的倒数作为权重因子Fu，所述权重因子Fu：
S3022将所述伪距差分观测方程中的观测值的权矩阵设为所述权重因子Fi，建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型。
在本步骤中，以双差伪距残差绝对值的倒数作为权重因子，遵循了观测值质量高对定位解算贡献率大的原则，一定程度上可提高智能终端的定位精度，该方法易于实际应用。采用步骤S2的方法步骤，建立所有卫星伪距差分观测方程，在根据最小二乘解方程时，采用式(6)建立的双差伪距残差定权模型，从而计算获得该时刻手机端的最终位置(-2730768.038，5118575.548，2641440.453)。
此外，式(6)中，若权阵F采用载噪比定权法，则同样可以获得该定权方法下手机终端的坐标。将定位的坐标与参考准确值比较，可以进一步分析不同定权方法的定位效果。
以华为Mate40手机其中某一秒的观测数据为例说明采用本发明方法的具体实施过程，不同手机每一秒的实施过程都是相同的。图2、图3分别为华为Mate40、华为P40两款手机近2小时的观测数据中，分别采用基于载噪比定权、基于最优卫星子集的双差伪距残差定权两种定权模型在N(北)、E(东)、U(垂直)三个方向上的定位误差情况。在遮挡环境下，手机端受多路径及NLOS等误差的影响，观测值质量较差，两款手机单历元单频伪距相对定位精度均较低，水平N、E方向误差主要集中在[-5m,+5m]，U方向误差较大，集中在[-10m,+10m]。对比两种定权模型，图3中明显可以看出，基于最优子集的双差伪距残差定权方法，在N、E、U三个方向误差的波动范围明显小于载噪比定权法，特别是在某些时段，例如，P40手机实验中前2000个历元，N方向上载噪比定权法定位精度大部分都超过了10m，而基于双差伪距残差定权法，大部分定位精度能控制在5m之内。因此，本发明方法定位效果明显优于常规载噪比定权法。
表2为各定位模式下的均方根误差RMS值，反映了整体定位精度情况。可以看出，对于Mate40手机终端，相比载噪比定权法，基于双差伪距残差的定权法在N、E方向RMS值减小了2m左右，特别在U方向减小了近6m，三方向定位精度分别提升了30％、32％及34％。同样，对应华为P40终端，三个方向的定位精度也分别提升了26％、33％及24％。两款手机采用不同定权模型定位结果的变化规律总体上是一致的。在遮挡恶劣环境下，个别卫星载噪比不能有效反映观测量受多径误差影响，采用载噪比定权模型受到一定的局限性。对于本发明方法——双差伪距残差定权法，在基于最优卫星子集的概略位置上，能够探测多路径及NLOS产生的大粗差信号并降低对应观测值权重，一定程度上提高了定位精度。
表2遮挡环境下不同随机模型定位结果RMS值
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (9)

1.一种基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，其特征在于，包括：
根据参考站与智能手机端的综合载噪比指标优选卫星，构建观测值最优卫星子集；
将所述最优卫星子集结合载噪比随机模型建立伪距差分方程，采用每颗卫星的单频伪距观测值，通过伪距差分方程计算得到手机终端概略位置；
通过所述手机终端概略位置估算各颗卫星双差伪距残差值，根据各颗卫星双差伪距残差值建立各颗卫星双差伪距观测量的定权模型。
2.根据权利要求1所述的基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，其特征在于，所述根据参考站与智能手机的综合载噪比指标优选卫星，构建观测值最优卫星子集包括：
计算参考站与智能手机端观测得到的对应卫星载噪比观测值之和，建立每颗卫星综合载噪比标量；
选择综合载噪比标量最大的前N颗卫星，构建所述观测值最优卫星子集。
3.根据权利要求1所述的基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，其特征在于，所述将最优卫星子集结合载噪比随机模型建立伪距差分方程，通过伪距差分计算得到智能手机概略位置包括：
基于所述观测值最优卫星子集，采用每颗卫星的单频伪距观测值，建立伪距差分方程；
根据伪距差分方程计算得到手机终端概略空间三维坐标。
4.根据权利要求3所述的基于最优卫星子集的智能手机终端伪距差分定位定权方法，其特征在于，所述基于所述观测值最优卫星子集，采用每颗卫星的单频伪距观测值，建立伪距差分方程包括：
获取观测值P，手机终端三维坐标初值X°(x°,y°,z°)，计算站星几何近似距离ρ°，结合星际站际差分算子建立伪距差分方程；
根据观测值改正数V、手机终端坐标初值的改正数δX(δx,δy,δz)、对应的系数矩阵B、站星几何距离误差L构建所述伪距差分方程的误差方程，所述误差方程为：V＝B·δX-L。
5.根据权利要求4所述的基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，其特征在于，所述站星几何距离误差L为：
6.根据权利要求3或4所述的基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，其特征在于，所述根据伪距差分方程计算得到手机终端概略空间三维坐标包括：
选用常规载噪比随机模型作为权重因子；
根据最小二乘原理，计算得到方程的解，即手机终端坐标初值的改正数为：
手机终端概略空间三维坐标为：/>
7.根据权利要求1所述的基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，其特征在于，所述通过手机终端概略位置估算各个卫星双差伪距残差值，根据各个卫星双差伪距残差值建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型包括：
根据所述手机终端概略位置，估算各个卫星i双差伪距残差值
将各个卫星双差伪距残差值绝对值的倒数作为权重因子Fi，建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型。
8.根据权利要求7所述的基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，其特征在于，所述根据所述手机终端概略位置，估算各个卫星i双差伪距残差值包括：
根据所述手机终端概略位置计算得到站星几何距离
将各个卫星所述伪距差分基本观测值减去站星几何距离/>得到所述各个卫星双差伪距残差值/>
9.根据权利要求7所述的基于最优卫星子集的智能手机伪距差分定位定权方法，其特征在于，所述将各个卫星双差伪距残差绝对值的倒数作为权重因子Fi，建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型包括：
将各个卫星双差伪距残差绝对值的倒数作为权重因子Fi，所述权重因子
将所述伪距差分观测方程中的观测值的权矩阵设为所述权重因子Fi，建立各个卫星双差伪距观测量的定权模型。
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