Gnss接收機靜態(tài)模式下的高精度相對定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種主要用于大地精確測量，GNSS接收機靜態(tài)模式下的高精度相對 定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于衛(wèi)星導航系統(tǒng)的相對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 于偽碼測量值或載波相位測量值都可以實現(xiàn)相對定位，但是由于GNSS接收機載波相位的 測量精度遠高于偽碼相位的測量精度，因此目前采取的主要方法是基于載波相位的雙差測 量值來實現(xiàn)高精度的相對定位。
[0003] 現(xiàn)有的基于載波相位的高精度相對定位方法其大致分為以下幾個步驟：首先，對 兩站接收機測量的載波相位測量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后將可用衛(wèi)星的載波相位測量值進行 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 數(shù)解；其次，將其實數(shù)解送入各種整周模糊數(shù)求取模塊實現(xiàn)模糊數(shù)的取整，其中最小二乘模 糊度去相關(guān)平差法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)的一致認可；然后利用獲得的載波相位雙差整周模糊數(shù)來求取兩站站間 基線向量的高精度測量。
[0004] 現(xiàn)有的基于載波相位的高精度相對定位方法由于其直接將載波相位雙差模糊數(shù) 作為待求解量來求解，因此其無法應(yīng)用于基于頻分的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)。為此一些學 者提出了將單差模糊數(shù)作為待估量進行相關(guān)處理，并將副站的絕對位置、速度等也作為待 估量來進行濾波估計。由于該濾波模型具有非線性特性，因此擴展卡爾曼濾波作為一種較 為簡單且成熟的濾波算法被采用。但是在處理非線性系統(tǒng)的濾波估計時，擴展卡爾曼濾波 存在一階線性化截斷誤差且需計算復(fù)雜的雅克比矩陣等不足，因此其濾波精度較低，從而 導致載波相位整周模糊數(shù)浮點解的求取不夠精確，進而無法快速、準確地求解出載波相位 整周模糊數(shù)的整數(shù)解，最終導致無法實現(xiàn)主、副站站間基線向量的高精度測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種主、副測站靜態(tài)工作模 式下，濾波精度高，且無需計算雅克比矩陣的基于容積卡爾曼濾波狀態(tài)估計的高精度相對 定位方法，該方法可以有效的解決GNSS接收機在實現(xiàn)高精度相對定位過程中，采用擴展卡 爾曼濾波算法求解載波相位整周模糊數(shù)浮點解時濾波精度較低的問題。
[0006] 本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題所采用的方案是：一種GNSS接收機靜態(tài)模式下的高精 度相對定位方法，其特征在于包括如下步驟：首先，將主、副兩測站GNSS接收機的觀測數(shù)據(jù) 通過高度截止角約束、載波相位周跳探測及兩測站共視星篩選比對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取 出同一時刻主、副兩測站可用的觀測數(shù)據(jù)；利用主、副兩測站同一觀測時刻的觀測數(shù)據(jù)進行 參考星搜索，再基于該參考星搜索數(shù)據(jù)求取主、副兩測站GNSS接收機各頻點偽距與載波相 位的雙差測量值；其次，根據(jù)靜態(tài)模式下相對定位工作原理，建立相對定位系統(tǒng)濾波模型； 基于所建立的濾波模型設(shè)計容積卡爾曼濾波器，并將上述雙差測量值送入該濾波器中進行 相關(guān)參數(shù)估計；然后，將上述相關(guān)參數(shù)估計值中的單差載波相位整周模糊數(shù)與參考星所對 應(yīng)的單差載波相位整周模糊數(shù)進行作差處理，求取雙差載波相位整周模糊數(shù)的浮點解及其 所對應(yīng)的協(xié)方差矩陣；將所獲得的雙差載波相位整周模糊數(shù)浮點解及其協(xié)方差矩陣送入載 波相位整周模糊數(shù)求解模塊，求取載波相位整周模糊數(shù)的整數(shù)解，從而實現(xiàn)主、副兩站站間 基線向量的高精度測量。
[0007] 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：
[0008] 具有更高精度。本發(fā)明基于靜態(tài)模式下相對定位系統(tǒng)的濾波模型，通過高度截止 角約束、載波相位周跳探測及兩測站共視星篩選數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取出同一時刻主、副兩 測站可用的觀測數(shù)據(jù)，并采用容積卡爾曼濾波器來實現(xiàn)對載波相位整周模糊數(shù)浮點解的濾 波估計，相比于傳統(tǒng)的擴展卡爾曼濾波器，該濾波器不存在一階線性化誤差，且無需計算雅 克比矩陣，因此其濾波精度相對較高。高精度的載波相位整周模糊數(shù)浮點解為其整數(shù)解的 最終確定提供了有力的保證，進而實現(xiàn)主、副兩測站站間基線向量的尚精度測量。
【附圖說明】
[0009] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0010] 圖1為本發(fā)明GNSS接收機靜態(tài)模式下高精度相對定位方法原理流程框圖。
【具體實施方式】
[0011] 參閱圖1。在以下描述的實施例中，根據(jù)本發(fā)明，基于容積卡爾曼濾波的靜態(tài)相對 定位原理：首先，將主、副兩測站GNSS接收機的觀測數(shù)據(jù)通過高度截止角約束、載波相位周 跳探測及兩測站共視星篩選數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取出同一時刻主、副兩測站可用的觀測數(shù) 據(jù)；利用主、副兩測站同一觀測時刻的觀測數(shù)據(jù)進行參考星搜索，再基于該參考星搜索數(shù)據(jù) 求取主、副兩測站GNSS接收機各頻點偽距與載波相位的雙差測量值；其次，根據(jù)靜態(tài)模式 下相對定位工作原理，建立相對定位系統(tǒng)濾波模型；基于所建立的濾波模型設(shè)計容積卡爾 曼濾波器，并將上述雙差測量值送入該濾波器中進行相關(guān)參數(shù)估計；然后，將上述相關(guān)參數(shù) 估計值中的單差載波相位整周模糊數(shù)與參考星所對應(yīng)的單差載波相位整周模糊數(shù)進行作 差處理，求取雙差載波相位整周模糊數(shù)的浮點解及其所對應(yīng)的協(xié)方差矩陣；將所獲得的雙 差載波相位整周模糊數(shù)浮點解及其協(xié)方差矩陣送入載波相位整周模糊數(shù)求解模塊實現(xiàn)載 波相位整周模糊數(shù)整數(shù)解的求取，從而實現(xiàn)主、副兩站站間基線向量的高精度測量。
[0012] 具體步驟包括：
[0013] (1)主、副兩測站GNSS接收機的觀測數(shù)據(jù)通過高度截止角約束、載波相位周跳探 測及兩測站共視星比對等數(shù)據(jù)，采用預(yù)處理手段提取出同一時刻主、副兩測站可用的觀測 數(shù)據(jù)，其中高度截止角選取10°~12°，載波相位周跳探測采用雙頻TurboEdit方法；
[0014] (2)基于GNSS接收機相對于衛(wèi)星仰角最大原則，對同一觀測時刻的觀測數(shù)據(jù)進行 參考星搜索，并基于所選參考星求取各頻點偽距與載波相位的雙差量測值；
[0015] (3)基于靜態(tài)模式下GNSS接收機相對定位工作原理，建立相對定位系統(tǒng)的濾波模 型，其中包括系統(tǒng)狀態(tài)方程與量測方程的建立，具體步驟如下：
[0016] 1)建立相對定位系統(tǒng)濾波模型的狀態(tài)方程
[0017] 設(shè)靜態(tài)模式下相對定位系統(tǒng)的狀態(tài)向量為X=:frT，lb?x, ，式中 r = (rx, ry, rz)T表示副站在地心地固坐標系中的位置坐標向量，X、y及z分別表示地心地固坐 標系的叉軸"軸及乙軸^表示向量的轉(zhuǎn)置：/^^^^^上士…^丨^表示^頻點單差 電離層延遲向量，式中：Ion代表1^頻點單差電離層延遲，上標m代表可用衛(wèi)星數(shù)，下標r代 表副站，下標b代表主站；JV 1 =^Ka,·.·,#: Γ表示1^頻點可用衛(wèi)星單差載波相位整 周模糊數(shù)向量；麗2 表示頻點可用衛(wèi)星單差載波相位整周模糊數(shù) 向量。
[0018] 則靜態(tài)模式下相對定位系統(tǒng)濾波模型狀態(tài)方程的具體表達式為：
[0019]
[0020] 其中：xk表示k時刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量；X k i表示k時刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量；f ( ·)表 示系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；$為k-Ι到k時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，其具體表達式為：
[0021]
[0022] 式中I3x3表示3維單位矩陣；I ^xni表示m維單位矩陣；I > 3W3ni 3)表示3m-3維單 位矩陣。wk i為系統(tǒng)過程噪聲，其協(xié)方差矩陣為：
[0023]
[0024] 其中O3x3表示3維零值矩陣；Qlcin表示m維單差電離層延遲過程噪聲矩陣； 〇加 3)xw 3)表示維3m-3維零值矩陣。
[0025] 2)建立相對定位系統(tǒng)濾波模型的量測方程
[0026] 設(shè)相對定位系統(tǒng)的量測量為z，其表達式為：
[0027]
[0028] 式中：h( ·)表示系統(tǒng)量測函數(shù)；Ii4n1表示L i頻點的載波相位雙差測量向量；h φ,2 表示L2頻點的載波相位雙差測量向量；h Pi i表示L ^頻點的偽距雙差測量向量；h Ρι2表示L 2頻 點的偽距雙差測量向量，Vk表示系統(tǒng)量測噪聲。則相對定位系統(tǒng)濾波模型量測方程的具體 表達式為：
[0029] - ... /. .、. /: \
[0030]
[0031] 式中：I^i表示1^頻點的載波相位雙差測量向量；hPii表示1^頻點的偽距雙差測量 值；P,Y'表示兩測站對參考星與第m顆可用衛(wèi)星的雙差幾何距離；i = 1，2 ; γ 1= λ