本發(fā)明涉及一種定位方法，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航高精度非差定位領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：在傳統(tǒng)GPS靜態(tài)定位中，絕對(duì)定位的精度在20m左右，滿足不了精密導(dǎo)航和測(cè)量用戶的需求，一般都采用相對(duì)定位方式，通過(guò)組成雙差觀測(cè)值消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差及削弱對(duì)流層延遲、電離層延遲等相關(guān)性強(qiáng)的誤差影響，來(lái)達(dá)到提高精度的目的。這種觀測(cè)方式無(wú)需考慮復(fù)雜的誤差模型，具有解算模型簡(jiǎn)單、定位精度高等優(yōu)勢(shì)；但也存在一些不足，如觀測(cè)時(shí)至少有一臺(tái)接收機(jī)置于已知站上，影響了作業(yè)效率，提高了作業(yè)成本；另外，隨著距離的增加，對(duì)流層延遲、電離層延遲等誤差的相關(guān)性減弱，必須相應(yīng)地延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，才能達(dá)到預(yù)期精度。精密單點(diǎn)定位技術(shù)，與單點(diǎn)定位相比，其靜態(tài)定位精度可達(dá)到厘米級(jí)，定位精度高；與RTK技術(shù)相比，無(wú)需與其它組配或架設(shè)基準(zhǔn)站，只需要單機(jī)作業(yè)，從而節(jié)約成本，且提高工作效率，同時(shí)不受距離約束，數(shù)據(jù)解算可快速完成，數(shù)據(jù)處理更加簡(jiǎn)單；其厘米級(jí)的定位結(jié)果又可以滿足一般導(dǎo)航和測(cè)量用戶的需求，因此，在測(cè)量的各領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前的精密單點(diǎn)定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是基于GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。但GPS作為一種基于衛(wèi)星的定位技術(shù)，系統(tǒng)的可用性、定位結(jié)果的可靠性和精度很大程度上取決于觀測(cè)到的衛(wèi)星的數(shù)量。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)于2012年底正式提供亞太地區(qū)區(qū)域性服務(wù)，BDS加入GNSS行列，研究BDS與其他系統(tǒng)之間的組合定位尤為重要，特別是在單系統(tǒng)受所處環(huán)境影響導(dǎo)致可視衛(wèi)星顆數(shù)較少時(shí)，組合系統(tǒng)能夠有效的提高單系統(tǒng)的定位精度。利用多系統(tǒng)融合，可以增加觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)，有助于提高定位精度，增加惡劣環(huán)境下的可用性。GPS+GLONASS+BDS在可用性、連續(xù)性和完好性方面的保障遠(yuǎn)比單一系統(tǒng)好，研究利用GPS+GLONASS+BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位，將使可視衛(wèi)星數(shù)比單一GPS系統(tǒng)大大增加。首先，將有助于提高精密定位的精度；其次將有效的解決在城市、山區(qū)等遮擋嚴(yán)重的地方，觀測(cè)GPS衛(wèi)星數(shù)少于4顆，導(dǎo)航定位無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，彌補(bǔ)了單一GPS系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目不足的問(wèn)題；有效的降低用戶對(duì)某一系統(tǒng)的依賴性，解決單一系統(tǒng)導(dǎo)航定位安全性不足的問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于GPS+GLONASS+BDS融合的精密單點(diǎn)定位方法，三系統(tǒng)組合精密定位的時(shí)間系統(tǒng)和空間系統(tǒng)，建立了精密單點(diǎn)定位非差組合模型，相比單一系統(tǒng)而言，GPS+GLONASS+BDS無(wú)論是從連續(xù)性、可用性、可靠性、精度以及效率等各方面都更具優(yōu)勢(shì)。GPS、GLONASS及BDS作為三個(gè)完全獨(dú)立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，三者的融合可以大大改善衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度，能顯著提高定位系統(tǒng)的自主完備性，有效縮短定位收斂時(shí)間以及提高在單系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)較少或者衛(wèi)星星座分布較差時(shí)的定位精度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：(1)讀取GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，包括RINEX格式原始觀測(cè)數(shù)據(jù)、廣播星歷，精密星歷和精密鐘差；(2)對(duì)GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)采用M-W組合探測(cè)法進(jìn)行周跳檢測(cè)及粗差剔除；用檢測(cè)過(guò)周跳的載波相位來(lái)平滑剔除粗差的偽距，對(duì)GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)時(shí)空基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一處理；(3)通過(guò)拉格朗日插值方法內(nèi)插精密星歷、鐘差，構(gòu)建GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)觀測(cè)方程，采用雙頻偽距和載波相位觀測(cè)值的消電離層組合方法進(jìn)行誤差改正；(4)對(duì)于同一系統(tǒng)的不同衛(wèi)星，基于高度角的先驗(yàn)定權(quán)方法，建立隨機(jī)模型；對(duì)于不同系統(tǒng)下的衛(wèi)星，采用的是Helmert驗(yàn)后方差估計(jì)的方法進(jìn)行定權(quán)，建立隨機(jī)模型；(5)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行模糊度和坐標(biāo)求解。本發(fā)明的有益效果是：融合定位系統(tǒng)收斂時(shí)間相比單系統(tǒng)收斂時(shí)間有所減少，這對(duì)于改善單系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位需要長(zhǎng)時(shí)間收斂時(shí)間具有重要意義。融合定位系統(tǒng)能夠有效的提高單系統(tǒng)的可視衛(wèi)星顆數(shù)，改善組合系統(tǒng)的空間衛(wèi)星分布。特別是在環(huán)境惡劣情況下，單系統(tǒng)衛(wèi)星顆數(shù)較少時(shí)，融合定位系統(tǒng)能夠發(fā)揮明顯優(yōu)勢(shì)。利用全天原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施，全天時(shí)間中GPS平均可視衛(wèi)星顆數(shù)5.7顆；BDS平均可視衛(wèi)星數(shù)6.3顆；GLONASS平均可視衛(wèi)星數(shù)5.0顆；三系統(tǒng)融合定位的平均可視衛(wèi)星顆數(shù)最高，達(dá)到17顆。本發(fā)明能顯著提高定位系統(tǒng)的自主完備性和精度。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的流程示意圖；圖2是實(shí)施例的定位結(jié)果X分量誤差示意圖；圖3是實(shí)施例的定位結(jié)果Y分量誤差示意圖；圖4是實(shí)施例的定位結(jié)果Z分量誤差示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。本發(fā)明包括以下步驟：(1)讀取原始數(shù)據(jù)說(shuō)明：原始數(shù)據(jù)包括：GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)RINEX格式原始觀測(cè)數(shù)據(jù)、廣播星歷，精密星歷、精密鐘差。(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理說(shuō)明：對(duì)GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)采用M-W組合探測(cè)法進(jìn)行周跳檢測(cè)及粗差剔除。用檢測(cè)過(guò)周跳的載波相位來(lái)平滑剔除粗差的偽距，對(duì)GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)時(shí)空基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一處理。(3)建立精密單點(diǎn)定位模型說(shuō)明：通過(guò)拉格朗日插值方法內(nèi)插精密星歷、鐘差，構(gòu)建GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)觀測(cè)方程，采用雙頻偽距和載波相位觀測(cè)值的消電離層組合方法進(jìn)行誤差改正。(4)建立隨機(jī)模型說(shuō)明：對(duì)于同一系統(tǒng)的不同衛(wèi)星，基于高度角的先驗(yàn)定權(quán)方法，對(duì)于不同系統(tǒng)下的衛(wèi)星，采用的是Helmert驗(yàn)后方差估計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行定權(quán)。(5)解算結(jié)果說(shuō)明：采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)進(jìn)行模糊度和坐標(biāo)求解。本發(fā)明的實(shí)施例如圖1所示，其步驟如下：步驟1：讀取RINEX格式原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和廣播星歷文件，精密星歷、精密鐘差。步驟2：對(duì)步驟1讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理(1)剔除粗差、周跳檢測(cè)、平滑偽距對(duì)所述原始觀測(cè)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行剔除粗差、周跳檢測(cè)、和平滑偽距處理，生成預(yù)處理后的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。采用M-W組合探測(cè)法進(jìn)行周跳檢測(cè)及粗差剔除。用檢測(cè)過(guò)周跳的載波相位來(lái)平滑剔除粗差的偽距，提高其精度，減少初始化的時(shí)間。1)時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一√時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一GPS的時(shí)間系統(tǒng)(tGPS)屬于原子時(shí)系統(tǒng)，它的秒長(zhǎng)和原子時(shí)秒長(zhǎng)相同，但它和國(guó)際原子時(shí)存在著不同的原點(diǎn)，并且在任一時(shí)刻它們二者之間都存在一個(gè)常量偏差(19s)。北斗系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)為北斗時(shí)(tBDS)。tSDB采用國(guó)際單位制(SI)秒為基本單位連續(xù)累計(jì)，不閏秒，起始?xì)v元為2006年1月1日協(xié)調(diào)世界時(shí)(tUTC)00時(shí)00分00秒，采用周和周內(nèi)秒計(jì)數(shù)。tBDS與tUTC之間的閏秒信息在導(dǎo)航電文中傳播。GLONASS時(shí)間系統(tǒng)(tGLONASS)屬于UTC時(shí)間系統(tǒng)，它是基于GLONASS同步中心(CS)時(shí)間產(chǎn)生的，由于GLONASS控制部分本身存在的特性，使得tGLONASS與俄羅斯維持的協(xié)調(diào)世界時(shí)tUTC(SU)存在的整數(shù)差為3h，此外它們之間還存在有1ms以內(nèi)的系統(tǒng)誤差τr。tGPS與tGLONASS之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：tGPS＝tGLONASS+τc+τu+τg+τr式中，τc＝tUTC(SU)-tGLONASS；τu＝tUTC-tUTC(SU)；τg＝tGPS-tUTCτr為GPS觀測(cè)值與GLONASS觀測(cè)值間的接收機(jī)鐘差。tGPS與tBDS之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：tGPS＝tBDS+τc+τg+τr，τc＝tUTC-tBDS，τg＝tGPS-tUTC，τr為GPS觀測(cè)值與BDS觀測(cè)值間的接收機(jī)鐘差?！套鴺?biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一GPS坐標(biāo)系統(tǒng)采用的是WGS-84坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系是地心空間直角坐標(biāo)系，它的原點(diǎn)為地球質(zhì)心，Z軸指向國(guó)際時(shí)間服務(wù)機(jī)構(gòu)(BIH)1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向(BIH)1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系。BDS坐標(biāo)系統(tǒng)采用的是我國(guó)2000大地坐標(biāo)系統(tǒng)(CGCS2000)，它的定義和國(guó)際地球參考系統(tǒng)(ITRS)相一致。GLONASS的蘇聯(lián)1985標(biāo)系(SGS85)，1993年以后改為使用PZ90.02坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系是由俄羅斯進(jìn)行地面網(wǎng)與空間網(wǎng)聯(lián)合平差后所建立的。GPS與BDS兩個(gè)坐標(biāo)系的主要不同在于參考橢球的扁率f有微小的差異，而這種差異在當(dāng)前的測(cè)量精度水平中可以忽略，對(duì)于在坐標(biāo)系定義上的比較，可以認(rèn)為在同一歷元下CGCS2000和WGS-84在坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)精度范圍內(nèi)，兩者的坐標(biāo)是一致的。當(dāng)前，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為使用俄羅斯MCC計(jì)算得到的七參數(shù)作為二個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度最高，該七參數(shù)是通過(guò)全球激光跟蹤測(cè)軌數(shù)據(jù)計(jì)算得到，PZ90.02與WGS-84之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為XwYwZwWGS-84=-0.47-0.51-1.56+(1+22×10-9)1-1.728×10-6-0.017×10-61.728×10-610.076×10-60.017×10-6-0.076×10-61XpYPZPPZ90.02]]>假設(shè)空間一點(diǎn)P在一個(gè)直角坐標(biāo)系PZ90.02中的位置坐標(biāo)為(x，y，z)，那么該點(diǎn)在另一個(gè)不同卻幾乎平行的直角坐標(biāo)系WGS-84中的位置坐標(biāo)(x′，y′，z′)為x′y′z′=ΔxΔyΔz+(1+δPZWGS)1δω-δψ-δω1δϵδψ-δϵ1xyz]]>坐標(biāo)平移量(Δx，Δy，Δz)為坐標(biāo)系PZ90.02的原點(diǎn)在坐標(biāo)系WGS-84中的坐標(biāo)，δε、δψ、δω為坐標(biāo)系PZ90.02分別繞X、Y、Z坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)而能得到WGS-84相應(yīng)坐標(biāo)軸的所需旋轉(zhuǎn)角度，δPZWGS體現(xiàn)為坐標(biāo)尺度因子。步驟3：利用拉格朗日插值法內(nèi)插精密星歷和鐘差，采用非差模型進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位，建立精密單點(diǎn)定位的誤差方程如下：Pg(Li)=ρg+c(dtg-dTg)+dgord+dgtrop-dgion/Li+dgmpath/P(Li)+ϵg(P(Li))---(1)]]>Pl(Li)＝ρl+c(dtl-dTl)+dlorb+dltrop-dlion/Li+dlmpath/P(Li)+εl(P(Li))(3)Pc(Li)＝ρc+c(dtc-dTc)+dcorb+dctrop-dcion/Li+dcmpath/P(Li)+εc(P(Li))(5)Φ(Li)是Li上的載波觀測(cè)值(m)；ρ是幾何距離，(Xs,Ys,Zs)是衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻t的坐標(biāo)，(x,y,z)是接收機(jī)坐標(biāo)；c是光速(m/s)；dt是衛(wèi)星鐘差(s)；dT是接收機(jī)鐘差(s)；dorb是衛(wèi)星軌道誤差(m)；dtrop是對(duì)流層延遲(m)；dion/Li為L(zhǎng)i上的電離層延遲(m)；λi是Li的波長(zhǎng)(m)；Ni是Li的整周模糊度(周)；是接收機(jī)振蕩器的初始相位；是衛(wèi)星振蕩器的初始相位；dmpath/P(Li)是Li上的偽距測(cè)量值的多路徑效應(yīng)(m)；dmpath/φ(Li)是Li上的載波相位測(cè)量值的多路徑效應(yīng)(m)；ε(·)是測(cè)量噪聲。其中，g表示GPS衛(wèi)星，L表示GLONASS衛(wèi)星，c表示BDS衛(wèi)星。將對(duì)流層延遲dtrop表示成對(duì)流層延遲zpd與其映射函數(shù)M的積。采用雙頻無(wú)電離層非差觀測(cè)值組合來(lái)消除電離層的一階影響，定位的數(shù)學(xué)模型將變?yōu)椋篜IFg=f12Pg(L1)-f22Pg(L2)f12-f22=ρg-cdTg+dgord+M·zpd+dmpath/Pg(L1+L2)+ϵ(Pg(L1+L2))---(7)]]>ΦIFg=f12φg(L1)-f22φg(L2)f12-f22=ρg-cdTg+M·zpd+λgNg+dmpath/φg(L1+L2)+ϵ(φg(L1+L2))---(8)]]>PIF1=f12Pl(L1)-f22Pl(L2)f12-f22=ρl-cdTl+dlorb+M·zpd+dmpath/Pl(L1+L2)+ϵ(Pl(L1+L2))---(9)]]>ΦIFl=f12φl(L1)-f22φl(L2)f12-f22=ρl-cdTl+M·zpd+λlNl+dmpath/φl(L1+L2)+ϵ(φl(L1+L2))---(10)]]>PIFc=f12Pc(L1)-f22Pc(L2)f12-f22=ρc-cdTc+dcorb+M·zpd+dmpath/Pc(L1+L2)+ϵ(Pc(L1+L2))---(11)]]>ΦIFc=f12φc(L1)-f22φc(L2)f12-f22=ρc-cdTc+M·zpd+λcNc+dmpath/φc(L1+L2)+ϵ(φc(L1+L2))---(12)]]>步驟4：進(jìn)行定位解算時(shí)，必須對(duì)偽距測(cè)量值進(jìn)行電離層、相對(duì)論效應(yīng)等誤差改正，從而消除絕大部分偽距測(cè)量值和載波相位觀測(cè)值的誤差，但有部分誤差有所殘留，鑒于不同系統(tǒng)的不同偽距誤差，就有必要對(duì)每顆衛(wèi)星的權(quán)值進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于同一系統(tǒng)的不同衛(wèi)星，基于高度角的先驗(yàn)定權(quán)方法，對(duì)于不同系統(tǒng)下的衛(wèi)星，采用的是Helmert驗(yàn)后方差估計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行定權(quán)。觀測(cè)值的精度可以通過(guò)高度角來(lái)間接反映。當(dāng)出現(xiàn)衛(wèi)星高度角偏低的情況，電離層、對(duì)流層、多路徑等誤差就對(duì)觀測(cè)值出現(xiàn)比較大的影響，這就出現(xiàn)精度降低的情況。所以必須適當(dāng)?shù)靥岣咝l(wèi)星高度角。以衛(wèi)星高度角定權(quán)的一種隨機(jī)模型形式為：σ2C＝Sigma2c/sin2(E)，σ2Φ＝Sigma2Φ/sin2(E)式中：下標(biāo)C表示為偽距觀測(cè)方程；下標(biāo)Φ表示為相位觀測(cè)方程；E為衛(wèi)星高度角；Sigma表示觀測(cè)值天頂方向測(cè)量精度。計(jì)算時(shí)觀測(cè)值先驗(yàn)精度設(shè)置為：GPS：SigmaC：3m，SigmaΦ：0.02m；GLONASS：SigmaC：3.5m；SigmaΦ：0.025m；BDS：SigmaC：3.2m，SigmaΦ：0.02m。步驟5：三系統(tǒng)融合定位中，觀測(cè)方程為非線性，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)進(jìn)行模糊度和坐標(biāo)積累，快速收斂。構(gòu)造方程如下：系統(tǒng)方程：xi＝(xi,yi,zi,zpdi,Ni)(13)測(cè)量方程：yi＝(PIF,i,ΦIF,i)(14)系統(tǒng)預(yù)測(cè)方程：x^i(+)=x^i(-)+Ki(yi-h(x^i(-)))---(15)]]>系統(tǒng)預(yù)測(cè)方程協(xié)方差：Pi(+)=(I-KiH(x^i(-)))Pi(-)---(16)]]>增益方程：Ki=Pi(-)H(x^(-))(H(x^i(-))Pi(-)H(x^i(-))T+Ri)-1---(17)]]>式中：與Pi分別為在歷元tk時(shí)的待估計(jì)狀態(tài)量及其相關(guān)系數(shù)矩陣；(—)與(+)分別為EKF觀測(cè)更新前與觀測(cè)更新后；h(x)、H(x)與R(x)分別為觀測(cè)模型量、偏導(dǎo)數(shù)和觀測(cè)誤差的協(xié)方差矩陣。當(dāng)觀測(cè)方程經(jīng)過(guò)線性化后，狀態(tài)量與其相關(guān)系數(shù)矩陣的時(shí)間更新為x^i+1(-)=Fii+1x^i(+)Pi+1(-)=Fii+1Pi(+)Fii+1+Qii+1]]>式中，與分別為歷元tk到tk+1時(shí)系統(tǒng)噪聲的轉(zhuǎn)移矩陣及其相關(guān)系數(shù)矩陣。定位結(jié)果如圖2、3、4所示：融合定位系統(tǒng)能夠減少收斂時(shí)間；融合系統(tǒng)的定位精度比單系統(tǒng)的定位精度高。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3