一种利用单接收机自主进行基于GNSS的高精度相对导航方法与流程

本发明涉及一种对运动载体利用单个gnss(globalnavigationsatellitesystem)接收机进行自主相对导航方法，属于导航技术领域。

背景技术：

全球导航卫星系统(gnss，globalnavigationsatellitesystem)是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的卫星导航系统，如美国的全球定位系统(gps，globalpositioningsystem)、俄罗斯的glonass、欧洲的galileo、中国的北斗卫星导航系统以及相关的增强系统，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。

基于gnss的导航技术已应用到各个领域中。一般来讲，单点定位方法所用的测量量是伪距，其精度相对载波测量而言较差，而用载波测量进行单点定位又会涉及模糊度解算的难题。目前相对导航的技术都是基于站际-星际双差模型，即同一颗星对不同接收机的测量结果先作差，不同星的差的结果再作差。而该模型也会存在模糊度解算的难题，而模糊度的解算对于动态飞行器依然具有很高的挑战性，且由于飞行环境会受到周跳因素的影响。相对导航必须同时采用两个接收机数据实现相对位置解算，这对于进一步的应用具有一定的限制。

相对于双差观测模型，单差观测模型的建立更加容易，所需数据量少。历元单差模型可实现基于单个接收机对不同时刻的实时相对定位解算，且该模型消去了模糊度项，因此其计算简单，使用了载波测量作为观测量，历元单差削弱了对流层和电离层延迟误差的影响，相对于伪距单点定位具有更高的精度，与惯性导航相比其精度漂移更慢，可实现单系统或者多系统信息融合gnss的高精度单个接收机自主相对导航，在未来基于gnss系统相对导航应用中具有很高的实用价值和应用前景。

技术实现要素：

(一)发明目的：相对于传统的利用双接收机甚至多个接收机进行相对导航的方法，本发明提出了一种利用单个gnss接收机而不依赖于其他接收机对自身进行自主相对导航的方法。该方法不需要两个甚至多个接收机，仅采用单个接收机，以载波作为测量量，建立了历元单差自主相对导航模型，利用该模型可以实现相对位置的高精度实时导航，而且能避免模糊度解算、周跳检测与修复等难题。

(二)技术方案

本发明提出了一种利用单个gnss接收机进行自主相对导航方法，其步骤如下：

步骤一：准备工作

准备一种利用接收机伪距观测量进行单点定位的方法。

对于单个接收机，t1，t2两个相邻的历元，如果t1时刻的位置和接收机钟差已经求得，那么这个历元的载波观测量就可表示为：

其中λf是信号波长，是载波测量值，是t1历元接收机到m的真实几何距离，n^m是模糊度，是载波测量误差，符合方差为的白噪声，c是真空中的光速。

而t2时刻：

符合方差为的白噪声。

载波历元间差分观测方程如下

综上所述，准备工作分两步，第一步准备一种已知的利用伪距进行单点定位方法；

第二步，建立载波历元差分模型。

步骤二：确定初始时刻接收机位置及钟差

对于初始时刻采用准备工作中所准备的单点定位方法来确定初始时刻位置和钟差。利用结果是得到初始时刻的接收机位置和钟差。

步骤三：寻找当前历元时刻与上一个历元时刻的公共可见卫星

在当前历元时刻所搜索到的可见卫星中寻找上一个时刻同样搜索到的卫星，将其卫星的识别号记下来备用，其公共卫星数量用n表示。

步骤四：构建载波历元单差模型

对t2历元时刻，设卫星位置向量为r^m＝(x^m，y^m，z^m)^t，接收机位置向量为r2＝(x2，y2，z2)^t，则

将(2)式对接收机位置在处线性化为：

其中，为从gps卫星m到t2时刻接收机的单位方向向量：

是用接收机估计的位置到卫星的距离：

是接收机钟差的估计值，δr2是接收机估计位置的修正向量：

δr2＝(δx2，δy2，δz2)^t(8)

是接收机估计钟差的修正值。则，(5)式减去(1)式得：

其中

其中d表示方差，符合方差为的白噪声。将(9)式已知量移到左边为

令

则(12)式为

对于n个卫星的数据测量，(13)式为

观测噪声的方差阵为：

则建立的载波历元单差模型如(14)式所示。

以上给出了载波历元单差的模型，用于解算当前时刻相对于上一个时刻的相对位置，只要知道了第一个时刻的接收机位置，后面所有时刻的接收机位置都可以用本发明所提出的历元单差模型进行解算。下面是具体解算方法。

步骤五：设置当前时刻初始估计值及计算常数

已知上一个历元时刻的接收机位置和钟差，对于当前时刻，取当前时刻接收机位置的估计值为上个时刻接收机的位置向量：取接收机钟差的初始估计值噪声方差取经验值则观测量噪声的方差阵为：

步骤六：计算当前时刻的接收机位置和钟差

接收机估计位置到卫星的距离为：

卫星到接收机的单位方向向量为：

观测量为：

利用最小二乘方法求解当前时刻的接收机位置估计值的修正量和钟差估计值的修正量δr2和为：

那么当前时刻接收机位置r2和钟差δt2为：

步骤七：判断计算结果是否满足要求

这里设置精度δ＝0.001，如果||δr2||≤δ，那么此时的r2和δt2就是算得的当前时刻接收机位置和钟差，进行步骤九，否则进行步骤八。

步骤八：更新位置估计值及钟差估计值

更新接收机位置的估计值和钟差的估计值

再进行步骤六。

步骤九：判断当前时刻是否是最后一个历元

如果当前时刻是最后一个历元，那么所有时刻的接收机位置都已算出，导航定位结束，否则，进入下一个时刻的数据进行定位，进行步骤五。

整个流程可参照附图1自主导航流程图。

通过上述流程提出了一种利用单个gnss接收机进行自主相对导航方法。该方法通过构建载波历元单差模型，辅以单点定位方法，用相对定位实现了导航的高精度，并且该方法的实现仅仅依靠单个接收机来实现，所以其条件要求简易，成本低廉，利于普及和推广运用。

(三)优点

①本发明中提出的相对导航方法采用单个gnss接收机，条件要求简单，成本低廉。

②本发明建立的历元单差模型，避免了模糊度解算的难题，削弱了对流层电离层延迟影响，定位精度相对较高；

③本发明的自主相对导航方法相比惯性导航技术具有误差漂移呈线性分布的优势。

附图说明

图1是本发明基于gnss的高精度自主相对导航流程图。

具体实施方式

下面将结合附图1和技术方案对本发明的具体实施过程做进一步的详细说明。

步骤一：确定初始时刻接收机位置及钟差

对于初始时刻采用准备工作中所准备的单点定位方法来确定初始时刻位置和钟差。利用结果是得到初始时刻的接收机位置和钟差。

该步骤对应附图1中的第一个方框。

步骤二：寻找当前历元时刻与上一个历元时刻的公共可见卫星

在当前历元时刻所搜索到的可见卫星中寻找上一个时刻同样搜索到的卫星，将其卫星的识别号记下来备用，其公共卫星数量用n表示。

该步骤对应附图1中的第二个方框。

步骤三：构建载波历元单差模型

对t2历元时刻，设卫星位置向量为r^m＝(x^m，y^m，z^m)^t，接收机位置向量为r2＝(x2，y2，z2)^t，则

将(2)式对接收机位置在处线性化为：

其中，为从gps卫星m到t2时刻接收机的单位方向向量：

是用接收机估计的位置到卫星的距离：

是接收机钟差的估计值，δr2是接收机估计位置的修正向量：

δr2＝(δx2，δy2，δz2)^t(29)

是接收机估计钟差的修正值。则，(5)式减去(1)式得：

其中

其中d表示方差，符合方差为的白噪声。将(9)式已知量移到左边为

令

则(12)式为

对于n个卫星的数据测量，(13)式为

观测噪声的方差阵为：

则建立的载波历元单差模型如(14)式所示。

以上给出了载波历元单差的模型，用于解算当前时刻相对于上一个时刻的相对位置，只要知道了第一个时刻的接收机位置，后面所有时刻的接收机位置都可以用本发明所提出的历元单差模型进行解算。

该步骤对应附图1中的第三个方框。

步骤四：设置当前时刻初始估计值及计算常数

已知上一个历元时刻的接收机位置和钟差，对于当前时刻，取当前时刻接收机位置的估计值为上个时刻接收机的位置向量：取接收机钟差的初始估计值噪声方差取经验值则观测量噪声的方差阵为：

该步骤对应附图1中的第四个方框。

步骤五：计算当前时刻的接收机位置和钟差

接收机估计位置到卫星的距离为：

卫星到接收机的单位方向向量为：

观测量为：

利用最小二乘方法求解当前时刻的接收机位置估计值的修正量和钟差估计值的修正量δr2和为：

那么当前时刻接收机位置r2和钟差δt2为：

该步骤对应附图1中的第五个方框。

步骤六：判断计算结果是否满足要求

这里设置精度δ＝0.001，如果||δr2||≤δ，那么此时的r2和δt2就是算得的当前时刻接收机位置和钟差，进行步骤八，否则进行步骤七。

该步骤对应附图1中的第六个框。

步骤七：更新位置估计值及钟差估计值

更新接收机位置的估计值和钟差的估计值

再进行步骤五。

该步骤对应附图1中右侧方框。

步骤八：判断当前时刻是否是最后一个历元

如果当前时刻是最后一个历元，那么所有时刻的接收机位置都已算出，导航定位结束，否则，进入下一个时刻的数据进行定位，进行步骤四。

该步骤对应附图1中的第七个方框。

通过上述流程提出了一种利用单个gnss接收机进行自主相对导航方法。该方法通过构建载波历元单差模型，辅以单点定位方法，用相对定位实现了导航的高精度，并且该方法的实现仅仅依靠单个接收机来实现，所以其条件要求简易，成本低廉，利于普及和推广运用。