本發(fā)明屬于衛(wèi)星導航定位領(lǐng)域，具體地說是一種基于綜合分析法的北斗高精度測量方法。

背景技術(shù)：

北斗高精度測量是指利用北斗導航衛(wèi)星技術(shù)獲得高精度的監(jiān)測點坐標，進而分析判斷出監(jiān)測點處的位移或沉降，其在橋梁、電塔、大壩等健康監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)有的導航衛(wèi)星高精度測量技術(shù)均采用“靜態(tài)相對定位方法”，該方法就是將一臺接收機(基準站)安置在已知坐標的地面點上，另一臺或多臺接收機(監(jiān)測站)安置在未知坐標的地面點上，并保持各接收機固定不動，通過采集長時間的、大量的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)用最小二乘平差原理求解基準站和監(jiān)測站之間的基線矢量。由于該方法進行了長時間連續(xù)觀測，取得了充分的觀測數(shù)據(jù)，因而可獲得毫米級的定位結(jié)果L′。

然而，在長時間的觀測過程中，外部環(huán)境的變化，例如衛(wèi)星分布、天氣、接收機工作狀態(tài)等，都會影響衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。因此，必然會出現(xiàn)某些時段衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好，而某些時段衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的情況。傳統(tǒng)方法并不區(qū)分這種數(shù)據(jù)質(zhì)量的差異性，籠統(tǒng)地利用長時段內(nèi)的所有衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)計算定位結(jié)果，從而導致了定位結(jié)果誤差增大，難以滿足高精度應(yīng)用需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種基于綜合分析法的北斗高精度測量方法，以期能綜合分析影響定位精度的各項元素，細化定位計算過程，從而有效減小定位結(jié)果誤差，特別是在監(jiān)測時段內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生明顯變化的情況下定位精度優(yōu)勢顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

本發(fā)明一種基于綜合分析法的北斗高精度測量方法，是應(yīng)用于由北斗導航衛(wèi)星、基準站、流動站和服務(wù)器組成的監(jiān)測系統(tǒng)中；所述基準站與流動站分別接收所述北斗導航衛(wèi)星發(fā)送的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X并發(fā)送給服務(wù)器；其特點是，所述北斗高精度測量方法按如下步驟進行：

步驟1、對所述服務(wù)器接收到的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X按照時間段進行分割，獲得N個子時間段的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)，記為X＝{X₁,X₂,…,X_n,…,X_N}；X_n表示所述服務(wù)器接收的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X中第n個子時間段的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)，1≤n≤N；

步驟2、對所述N個子時間段的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X分別采用靜態(tài)相對定位方法進行計算，獲得N個定位結(jié)果，記為L＝{L₁,L₂,…,L_n,…,L_N}；L_n表示所述服務(wù)器接收的第n個子時間段的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X_n的定位結(jié)果；

步驟3、利用綜合分析法獲得N個子時間段的定位準確度Q＝{Q₁,Q₂,…Q_n,…Q_N}；

步驟3.1、構(gòu)建綜合分析層次模型；

將所述定位結(jié)果L＝{L₁,L₂,…,L_n,…,L_N}作為所述綜合分析層次模型的“對象層”，將對定位結(jié)果L產(chǎn)生影響的三個元素，即DOP值、大氣誤差、歷元數(shù)量作為所述綜合分析層次模型的“中間層”；將所述定位準確度Q＝{Q₁,Q₂,…Q_n,…Q_N}作為所述綜合分析層次模型的“應(yīng)用層”；

步驟3.2、建立三元素的模糊互補關(guān)系矩陣；

定義所述模糊互補關(guān)系矩陣為F＝(f_ij)_m×m，且F滿足f_ji+f_ij＝1，i,j∈{1,…,m}，m為模糊互補關(guān)系矩陣階數(shù)；f_ij表示第i個元素相對于第j個元素對所述“應(yīng)用層”重要的隸屬度，并采用“0-1”標度法進行取值；若f_ij＝0.5表示第i個元素與第j個元素相對“應(yīng)用層”同樣重要；0≤f_ij＜0.5表示第j個元素比第i個元素重要；0.5＜f_ij≤1表示第i個元素比第j個元素重要；

步驟3.3、建立三元素的模糊一致關(guān)系矩陣；

對所述模糊互補關(guān)系矩陣F按如下步驟轉(zhuǎn)換為模糊一致關(guān)系矩陣F′：

步驟a、利用式(1)對所述模糊互補關(guān)系矩陣F按行求和，獲得所述模糊互補關(guān)系矩陣F中第i行元素的和f_i′；

步驟b、利用式(2)獲得模糊一致關(guān)系矩陣F′中的第i行第j列元素f_ij′，從而獲得所述模糊一致關(guān)系矩陣F′；

步驟3.4、計算三元素的權(quán)重；

利用式(3)獲得所述模糊一致關(guān)系矩陣F′中第i個元素的權(quán)重w_i：

式(3)中，α為一正數(shù)且滿足α≥(m-1)/2；

步驟3.5、三元素的歸一化；

步驟3.5.1、將服務(wù)器接收到的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)的第n個子時間段的幾何精度因子的平均值、大氣誤差的平均值、歷元數(shù)量分別記為DOP_n、Δe_n、K_n；

步驟3.5.2、利用式(4)、式(5)和式(6)分別對所述“中間層”的三個元素進行歸一化處理，得到第n個子時間段的幾何精度因子的歸一化值DOP_n′、大氣誤差的歸一化值Δe′_n、歷元數(shù)量的歸一化值K_n′：

式(4)、式(5)和式(6)中，DOP^*、Δe^*、K^*分別表示所述幾何精度因子的最佳值、大氣誤差的最佳值、歷元數(shù)量的最佳值；

步驟3.6、綜合三元素計算出各子時段的定位準確度；

利用式(7)計算第n個子時間段的定位結(jié)果L_n的定位準確度Q_n，進而獲得N個子時間段的定位準確度Q＝{Q₁,Q₂,···,Q_n,···,Q_N}；

Q_n＝[DOP_n′,Δe′_n,K_n′]·[w₁,w₂,w₃]^T (7)

步驟4、利用式(8)加權(quán)計算出整個時段的最終定位結(jié)果L^*：

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明將一個較長時段得到的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)劃分成多個子時段，利用各個子時段的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)分別計算出各子定位結(jié)果，根據(jù)各子時段衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的差異性分配給各子定位結(jié)果不同的權(quán)重，從而提高了定位精度。

2、本發(fā)明引入了綜合分析法，將影響定位結(jié)果精度的三大元素通過構(gòu)造三元素模糊互補關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)化為定量計算問題，從而能得到各子定位結(jié)果的定位準確度。

3、本發(fā)明提出了定位準確度這一概念，定位準確度高則說明該時段衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量好，定位準確度低則說明該時段衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量差，根據(jù)各子時段定位準確度的差異來分配子定位結(jié)果的權(quán)重，并以加權(quán)計算的方式求解出最終定位結(jié)果，從而提高了定位精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于綜合分析法的北斗高精度測量方法流程圖；

圖2為本發(fā)明綜合分析法步驟示意圖；

圖3為本發(fā)明綜合分析層次模型圖。

具體實施方式

本實施例中，一種基于綜合分析法的北斗高精度測量方法，該方法將監(jiān)測時段劃分成多個子時段，分別計算出各子時段的定位結(jié)果，綜合分析了影響定位精度的各項元素。該方法應(yīng)用于由北斗導航衛(wèi)星、基準站、流動站和服務(wù)器組成的監(jiān)測系統(tǒng)中；基準站與流動站分別接收北斗導航衛(wèi)星發(fā)送的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)并發(fā)送給服務(wù)器；服務(wù)器接收基準站與流動站發(fā)來的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)，記為X；

如圖1所示，北斗高精度測量方法按如下步驟進行：

步驟1、對服務(wù)器接收的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X按照時間段進行分割，獲得N個子時間段的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)，記為X＝{X₁,X₂,…,X_n,…,X_N}；X_n表示服務(wù)器接收的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X中第n個子時間段的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)，1≤n≤N；

步驟2、對N個子時間段的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X＝{X₁,X₂,…,X_n,…,X_N}分別采用靜態(tài)相對定位方法進行計算，獲得N個定位結(jié)果，記為L＝{L₁,L₂,…,L_n,…,L_N}；L_n表示服務(wù)器接收的第n個子時間段的衛(wèi)星歷元數(shù)據(jù)X_n的定位結(jié)果；靜態(tài)相對定位方法在《GPS原理及應(yīng)用》一書中有詳細介紹；

步驟3、利用綜合分析法獲得N個子時間段的定位準確度Q＝{Q₁,Q₂,…Q_n,…Q_N}；

根據(jù)步驟2得到了定位結(jié)果L＝{L₁,L₂,…,L_n,…,L_N}，這些結(jié)果的定位準確度是存在差異的，它與多方面元素有關(guān)，例如DOP值、大氣誤差、歷元數(shù)量等。如果可以綜合以上元素且能通過定量分析得到各結(jié)果的定位準確度，將有助于提高定位結(jié)果L′的精度。

由于需要綜合分析多個元素，因此本文引入綜合分析法得到L＝{L₁,L₂,…,L_n,…,L_N}的定位準確度，記為Q＝{Q₁,Q₂,···,Q_n,···,Q_N}。

綜合分析法包括構(gòu)建綜合分析層次模型、建立三元素模糊互補關(guān)系矩陣、建立三元素的模糊一致關(guān)系矩陣、計算三元素的權(quán)重、三元素數(shù)據(jù)歸一化以及綜合三元素計算出各子時段的定位準確度六部分。其步驟如圖2所示。

步驟3.1、構(gòu)建綜合分析層次模型；

根據(jù)上述分析，將N個定位結(jié)果L＝{L₁,L₂,…,L_n,…,L_N}作為綜合分析層次模型的“對象層”，將對定位結(jié)果L精度產(chǎn)生影響的幾何精度因子、大氣誤差和歷元數(shù)量作為綜合分析層次模型的“中間層”；將定位準確度Q＝{Q₁,Q₂,…Q_n,…Q_N}作為綜合分析層次模型的“應(yīng)用層”，構(gòu)建綜合分析層次模型如圖3所示。

其中，“中間層”三大元素內(nèi)容如下：

(1)幾何精度因子DOP

它反映了監(jiān)測站和衛(wèi)星之間的空間幾何關(guān)系。DOP值與監(jiān)測站到衛(wèi)星單位矢量端點所形成的多面體體積成反比，多面體體積越大的衛(wèi)星組合的DOP值越小。在觀測誤差一定時，DOP值越小，定位精度越高。

(2)大氣誤差Δe

它反映了監(jiān)測站上空大氣變化對定位結(jié)果的影響。大氣誤差越小，定位結(jié)果精度越高；反之，定位結(jié)果精度越低。

(3)歷元數(shù)量K

歷元數(shù)量是否充足直接決定了定位結(jié)果的精度。對于靜態(tài)相對定位，歷元數(shù)量越大，定位結(jié)果精度越高；反之，定位結(jié)果精度越低。

步驟3.2、建立三元素的模糊互補關(guān)系矩陣；

定義1.三元素模糊互補關(guān)系矩陣F＝(f_ij)_m×m是用于描述三個元素之間相對重要性的矩陣形式，F(xiàn)應(yīng)滿足f_ji+f_ij＝1，i,j∈{1,…,m}，m為模糊互補關(guān)系矩陣階數(shù)，取m＝3；

其中f_ij表示第i個元素相對于第j個元素對所述“應(yīng)用層”重要的隸屬度，采用“0-1”標度法進行取值。f_ij＝0.5表示第i個元素與第j個元素相對“應(yīng)用層”同樣重要；0≤f_ij＜0.5表示第j個元素比第i個元素重要，且f_ij越小，第j個元素比第i個元素越重要；0.5＜f_ij≤1表示第i個元素比第j個元素重要，且f_ij越大，第i個元素比第j個元素越重要。顯然，f_ii＝0.5，f_ji＝1-f_ij，i,j∈{1,2,3}；

根據(jù)三個元素的相對重要性建立三元素模糊互補關(guān)系矩陣F＝(f_ij)_3×3。三行與三列分別表示幾何精度因子DOP、大氣誤差Δe和歷元數(shù)量K；

例：

上例中f₁₂＝0.1表示幾何精度因子DOP相對于大氣誤差Δe對應(yīng)用層的重要的隸屬度為0.1；其他同理；

步驟3.3、建立三元素的模糊一致關(guān)系矩陣；

定義2.對于模糊互補關(guān)系矩陣F，若滿足對任意k(k∈{1,…,m}),有f_ij＝f_ik-f_jk+0.5，那么它就是模糊一致關(guān)系矩陣；

在模糊決策的過程中，決策者構(gòu)造的矩陣通常只是模糊互補關(guān)系矩陣而不是模糊一致關(guān)系矩陣，此時可采用如下步驟將模糊互補關(guān)系矩陣F改造成模糊一致關(guān)系矩陣F′：

步驟a、利用式(1)對模糊互補關(guān)系矩陣F＝(f_ij)_3×3按行求和，獲得模糊互補關(guān)系矩陣F中第i行元素的和f_i′；

步驟b、利用式(2)獲得模糊一致關(guān)系矩陣F′中的第i行第j列元素f_ij′，從而獲得所述模糊一致關(guān)系矩陣F′＝(f_ij′)_3×3；

上例中，按上述步驟，將模糊互補關(guān)系矩陣F＝(f_ij)_3×3進行轉(zhuǎn)換后得到模糊一致關(guān)系矩陣F′＝(f_ij′)_3×3：

步驟3.4、計算三元素的權(quán)重；

上述構(gòu)造的模糊一致關(guān)系矩陣F′中隱含了各元素的權(quán)重。記第1,2,3個元素的權(quán)重為{w₁,w₂,w₃}。

采用如下的方法來計算各元素的權(quán)重：

f_ij′＝α(w_i-w_j)+0.5 (3)

式(3)中固定i可得

式(4)中對k求和，有

由歸一化條件根據(jù)式(3)得

在式(3)中，α為一正數(shù)且滿足α≥(m-1)/2，在實際應(yīng)用中可令α＝(m-1)/2，其中m＝3，關(guān)于上述α需滿足的條件及取值在模糊層次分析法相關(guān)理論中有論述；

按照式(6)得到三個元素的權(quán)重{w₁,w₂,w₃}；

上例中，通過式(6)計算得到三元素的權(quán)重為{0.28,0.45,0.27}，可將0.28,0.45,0.27分別作為最終幾何精度因子DOP、大氣誤差Δe、歷元數(shù)量K三個元素對某子時間段的定位結(jié)果的權(quán)重。

步驟3.5、三元素的歸一化；

各元素的單位量綱不同，其量值也會有較大的差異，因此需要進行數(shù)據(jù)的歸一化。

步驟3.5.1、將服務(wù)器接收的第n個子時間段的幾何精度因子求得的平均值、高空大氣誤差求得的平均值、歷元數(shù)量分別記為DOP_n、Δe_n、K_n；

將幾何精度因子的最佳值、大氣誤差的最佳值、歷元數(shù)量的最佳值分別記為DOP^*、Δe^*、K^*,且通過大量實驗研究，分別令DOP^*＝3、Δe^*＝1.5、K^*＝7200(當子時段為兩小時，數(shù)據(jù)輸出頻率為1Hz時)；

步驟3.5.2、利用式(7)、式(8)和式(9)分別對三個元素進行歸一化處理，得到第n個子時段的幾何精度因子的歸一化值DOP_n′、大氣誤差的歸一化值Δe′_n、歷元數(shù)量的歸一化值K_n′：

步驟3.6、綜合三元素計算出各子時段的定位準確度；

利用式(10)計算第n個子時間段的定位結(jié)果L_n的定位準確度Q_n，進而獲得N個子時間段的定位準確度Q＝{Q₁,Q₂,···,Q_n,···,Q_N}；

Q_n＝[DOP_n′,Δe′_n,K_n′]·[w₁,w₂,w₃]^T (10)

假設(shè)步驟3.5中第n個子時段幾何精度因子的歸一化值DOP_n′、大氣誤差的歸一化值Δe′_n、歷元數(shù)量的歸一化值K_n′分別為0.8,0.7,0.6，與上例中得到的權(quán)重{0.28,0.45,0.27}通過式(10)進行計算，得到第n個子時段的定位結(jié)果L_n的定位準確度Q_n＝0.70。

步驟4、利用式(11)加權(quán)計算出整個時段最終的定位結(jié)果L^*。