中長(zhǎng)基線gnss接收機(jī)高精度相對(duì)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種可應(yīng)用于遠(yuǎn)距離雷達(dá)組陣、大地精確測(cè)量及海洋石油勘探和平臺(tái) 定位等軍民相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，W及用于船舶運(yùn)輸、公路交通、鐵路運(yùn)輸、海上作業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)、 水文測(cè)報(bào)、森林防火、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多行業(yè)，W及軍隊(duì)、公安、海關(guān)等其他有特殊指揮調(diào)度要 求的單位的中長(zhǎng)基線GNSS接收機(jī)高精度相對(duì)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中長(zhǎng)基線相對(duì)定位方法已在諸多工程領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng) 用。盡管基于偽碼測(cè)量值或載波相位測(cè)量值都可W實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位，但是由于GNSS接收機(jī)載 波相位的測(cè)量精度遠(yuǎn)高于偽碼相位的測(cè)量精度，因此目前采取的主要方法是基于載波相位 的雙差測(cè)量值來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的相對(duì)定位。實(shí)現(xiàn)基于GI^S相位觀測(cè)數(shù)據(jù)的高精度相對(duì)定位， 必須正確解算整周模糊度。靜態(tài)定位中的整周模糊度，通?？蒞通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái) 確定。對(duì)于動(dòng)態(tài)載體一般無(wú)法通過(guò)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間實(shí)現(xiàn)整周模糊度的解算，所W整周模糊度 的快速求解一直都是GPS研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題之一。利用GPS載波相位進(jìn)行測(cè)量時(shí)，整 周模糊度的正確解算是實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)或亞厘米級(jí)定位精度的關(guān)鍵問(wèn)題，因此快速準(zhǔn)確地確 定整周模糊度對(duì)于高精度GI^S定位顯得尤為重要。相對(duì)于偽噪聲碼觀測(cè)量而言，GI^S載波 相位觀測(cè)量能提供非常精確的相對(duì)定位。但由于GI^S載波相位測(cè)量存在整周模糊數(shù)較難解 算的問(wèn)題，致使它在快速定位及導(dǎo)航中的應(yīng)用受到了限制。因此，快速而準(zhǔn)確地求解GPS 載波相位測(cè)量的整周模糊度就成了它在快速定位及導(dǎo)航中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。整周模糊度 求解的理論及其實(shí)用研究是近一、二十年的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。許多學(xué)者提出了一些解算方 法，其中雙頻P碼偽距法、整周模糊度函數(shù)法、最小二乘捜索法和整周模糊度協(xié)方差法應(yīng)用 較廣泛。
[0003] 現(xiàn)有的基于載波相位的高精度相對(duì)定位方法其大致分為W下幾個(gè)步驟；首先，對(duì) 兩站接收機(jī)測(cè)量的載波相位測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后將可用衛(wèi)星的載波相位測(cè)量值進(jìn)行 雙差處理，并利用最小二乘法或卡爾曼濾波算法直接求取雙差載波相位的整周模糊數(shù)的實(shí) 數(shù)解；其次，將其實(shí)數(shù)解送入各種整周模糊數(shù)求取模塊實(shí)現(xiàn)模糊數(shù)的取整，其中LAMBDA整 周模糊數(shù)求取方法由于其具有較為完善的理論基礎(chǔ)且求解精度較高獲得了業(yè)內(nèi)的一致認(rèn) 可；然后利用獲得的載波相位雙差整周模糊數(shù)來(lái)求取兩站之間的相對(duì)距離。LAMBDA算法是 目前公認(rèn)求解整周模糊度效果最好的方法，該算法主要包括模糊度去相關(guān)處理狂變換） 和整周模糊度捜索，其中Z變換對(duì)高度相關(guān)的整周模糊度進(jìn)行降相關(guān)處理是LAMBDA算法 的核屯、內(nèi)容。
[0004] 現(xiàn)有的基于載波相位的高精度相對(duì)定位方法由于其直接將載波相位雙差模糊數(shù) 作為待求解量來(lái)求解，因此其無(wú)法應(yīng)用于基于頻分的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為此一些學(xué) 者提出了將單差模糊數(shù)作為帶估量進(jìn)行相關(guān)處理，并將副站的絕對(duì)位置、速度等也作為待 估量來(lái)進(jìn)行濾波估計(jì)。由于該濾波模型具有非線性特性，因此擴(kuò)展卡爾曼濾波作為一種較 為簡(jiǎn)單且成熟的濾波算法被采用。但是在實(shí)際工作中，由于接收機(jī)本身及工作環(huán)境等影響 往往會(huì)造成觀測(cè)值出現(xiàn)異常，從而導(dǎo)致觀測(cè)值與濾波模型不符而出現(xiàn)濾波精度下降甚至發(fā) 散，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種主、副兩站中長(zhǎng)基線條 件下，通過(guò)將抗差濾波理論與擴(kuò)展卡爾曼濾波相結(jié)合的高精度相對(duì)定位方法，該方法可W 有效的解決接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)存在異常時(shí)利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)定位出 現(xiàn)的濾波精度低或?yàn)V波發(fā)散的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是；一種中長(zhǎng)基線GNSS接收機(jī)高精度相 對(duì)定位方法，其特征在于包括如下步驟：首先，將主、副兩站GNSS接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)最 低仰角約束、載波相位周跳檢測(cè)及主、副兩站共視星比對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理手段提取出同一時(shí)刻 兩站可用的測(cè)量數(shù)據(jù)；其次，利用主、副兩站同一測(cè)量時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參考星捜索，基 于參考星求取主、副兩站雙頻偽距與載波相位的雙差測(cè)量值；將上述雙差測(cè)量值送入抗差 擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)估計(jì)，求得貼近真實(shí)整數(shù)解的整周模糊數(shù)浮點(diǎn)解；然后，將 上述參數(shù)估計(jì)值中單差載波相位模糊數(shù)浮點(diǎn)解及其協(xié)方差矩陣送入采用最小二乘模糊度 去相關(guān)平差法LAMBDA的整周模糊度求解模塊求取載波相位整周模糊數(shù)的整數(shù)解，從而實(shí) 現(xiàn)主、副兩站站間相對(duì)距離的高精度測(cè)量。
[0007] 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：
[000引本發(fā)明利用長(zhǎng)基線相對(duì)定位系統(tǒng)狀態(tài)方程與量測(cè)方程的數(shù)學(xué)模型，在抗差擴(kuò)展卡 爾曼濾波器中采用雙因子方差膨脹模型來(lái)求解方差膨脹因子，所求得的合理整周模糊數(shù)浮 點(diǎn)解，保證了整周模糊數(shù)整數(shù)解的快速準(zhǔn)確求解，可W有效地抑制異常觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)濾波性 能的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主、副兩站站間局精度相對(duì)定位。
[0009] 抗差擴(kuò)展卡爾曼濾波通過(guò)適當(dāng)擴(kuò)大異常觀測(cè)數(shù)據(jù)的方差W降低異常觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì) 參數(shù)估計(jì)的影響，而擴(kuò)展卡爾曼濾波則無(wú)法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，因此會(huì)造成濾波精度下 降或?yàn)V波發(fā)散。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 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。
[ocm] 圖1為本發(fā)明中長(zhǎng)基線GNSS接收機(jī)高精度相對(duì)定位方法工作原理流程框圖。【具體實(shí)施方式】
[0012] 參閱圖1。本發(fā)明基于抗差擴(kuò)展卡爾曼濾波的中長(zhǎng)基線相對(duì)定位工作原理是，首 先，將主、副兩站GNSS接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)最低仰角約束、載波相位周跳檢測(cè)及兩站共 視星比對(duì)等數(shù)據(jù)預(yù)處理手段提取出同一時(shí)刻主、副兩站可用的測(cè)量數(shù)據(jù)；其次，利用主、畐U 兩站同一測(cè)量時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參考星捜索，基于參考星求取主、副兩站雙頻偽距與載 波相位的雙差測(cè)量值；將其雙差測(cè)量值送入抗差擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)估計(jì)，求 得貼近真實(shí)整數(shù)解的整周模糊數(shù)浮點(diǎn)解；然后，將上述參數(shù)估計(jì)值中單差載波相位模糊數(shù) 浮點(diǎn)解及其協(xié)方差矩陣送入采用最小二乘模糊度去相關(guān)平差法LAMBDA的整周模糊度求解 模塊求取載波相位整周模糊數(shù)的整數(shù)解，從而實(shí)現(xiàn)主、副兩站站間相對(duì)距離的高精度測(cè)量。
[0013] 具體步驟包括：
[0014] (1)主、副兩站GNSS接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)最低仰角約束、載波相位周跳檢測(cè)及 兩站共視星比對(duì)等數(shù)據(jù)預(yù)處理手段提取出同一時(shí)刻主、副兩站可用的測(cè)量數(shù)據(jù)；
[0015] (2)基于接收機(jī)相對(duì)于衛(wèi)星仰角最大原則，對(duì)同一測(cè)量時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參考 星捜索，并基于所選參考星求取雙頻偽距與雙頻載波相位的雙差測(cè)量值；
[0016] (3)將步驟（2)所獲取的雙差量測(cè)值送入抗差擴(kuò)展卡爾曼濾波器中進(jìn)行相關(guān)參數(shù) 估計(jì)，具體包括W下幾個(gè)步驟：
[0017] 1)建立長(zhǎng)基線相對(duì)定位系統(tǒng)狀態(tài)方程
[001引設(shè)長(zhǎng)基線相對(duì)定位系統(tǒng)的狀態(tài)向量為x= (rT,i(MiT，iVlT，iV2T)f，式中r=(;ry，;ry，;rJ) T表示副站在地屯、地固坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)向量；/0? = 佔(zhàn)請(qǐng)表示Li頻點(diǎn)單 差電離層延遲向量，式中；I0n代表Li頻點(diǎn)單差電離層延遲，上標(biāo)m代表可用衛(wèi)星數(shù)，下標(biāo)r代表副站，下標(biāo)b代表主站；表示Li頻點(diǎn)可用衛(wèi)星單差載波相位 整周模糊數(shù)向量；^2=(^,1^，^,^2，...，7^;,^表示1^2頻點(diǎn)可用衛(wèi)星單差載波相位整周模糊 數(shù)向量。
[0019] 則長(zhǎng)基線相對(duì)定位系統(tǒng)狀態(tài)方程的具體表達(dá)式為：
[0020]
[0021] 其中F/"為k到k+1時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，其具體表達(dá)式為：
[0022]
[002引式中I3X康示3維單位矩陣；Imxm表示m維單位矩陣；I(3m-3)x(3m-S表示3m-3維單 位矩陣。
[0024] Wk為系統(tǒng)過(guò)程噪聲，其協(xié)方差矩陣為：
[0025]
[0026] 其中03X3表示3維零值矩陣；Qi。。表示m維單差電離層延遲過(guò)程噪聲矩陣； 〇03m_3>xC3m_3>表示維3m-3維零值矩陣。
[0027] 2)建立量測(cè)方程
[00測(cè)設(shè)長(zhǎng)基線相對(duì)定位系統(tǒng)的量測(cè)量為J二候，，祐，咕，唔)T，式中Vi表示L1頻點(diǎn) 的載波相位雙差測(cè)量向量；V康示L2頻點(diǎn)的載波相位雙差測(cè)量向量；hp,康示Li頻點(diǎn)的 偽距雙差測(cè)量向量；表示L2頻點(diǎn)的偽距雙差測(cè)量向量。則系統(tǒng)量測(cè)方程的具體表達(dá)式 是：
[0031] 式中；V康示Li頻點(diǎn)的載波相位雙差測(cè)量向量；hp,康示Li頻點(diǎn)的偽距雙差測(cè) 量值；'表示兩站對(duì)參考星與第m顆可用衛(wèi)星的雙差幾何距離；丫 1=Ai/A1，入i表示Li 頻點(diǎn)載波波長(zhǎng)，A1表示L1頻點(diǎn)載波波長(zhǎng)；表示兩站相對(duì)于參考星在Li頻點(diǎn)的單差電 離層延遲因子；表示兩站相對(duì)于第m顆可用星在Li頻點(diǎn)的單差電離層延遲因子；/〇誠(chéng) 表示兩站相對(duì)于參考星在Li頻點(diǎn)的單差天頂電離層延遲；/on;^表示兩站相對(duì)于第m