一种顾及Doppler的北斗修正伪距单点定位方法、系统与设备与流程

一种顾及doppler的北斗修正伪距单点定位方法、系统与设备
技术领域
1.本发明属于北斗卫星导航系统数据预处理技术领域，具体涉及一种顾及doppler的北斗修正伪距单点定位方法、系统与设备。


背景技术：

2.目前，由于全球导航卫星系统(gnss，global navigation satellite system)伪距单点定位模块具有全天时、全天候、体积小、便于携带等优点，伪距单点定位技术已广泛应用于各个领域。
3.北斗卫星导航系统(bds,beidou navigation satellite system)于2020年7月31日正式开通，标志着北斗迈入全球服务新时代，也意味着北斗伪距单点定位技术将具有更加广阔的应用前景
4.然而，由于伪距观测值受多种误差源的影响，该定位精度难以保证，个别定位误差大于百米，成为制约北斗伪距定位技术推广应用的瓶颈。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种顾及doppler的北斗修正伪距单点定位方法、系统与设备，基于改善北斗伪距观测值的精度，计算北斗伪距单点定位，提高北斗伪距单点定位的精度与可靠性。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种顾及doppler的北斗修正伪距单点定位方法，具体包括以下步骤：
7.获取多普勒观测值和原始伪距观测值；
8.构建顾及doppler的平滑伪距观测值表达式：
[0009][0010]
其中，ω为平滑因子；λ为载波波长；p为原始伪距观测值，为平滑伪距观测值，单位为米，下标为历元标识；d为多普勒观测值，k是平滑窗口，dt为doppler观测值积分区间[t
k
‑1,t
k
]；
[0011]
向所述平滑伪距观测值表达式中引入权重因子η调整原始伪距观测值与平滑伪距观测值的权重，则修正伪距为：
[0012][0013]
其中，η为权重因子；
[0014]
基于所述修正伪距观测值进行单点定位计算，得到地面接收机的空间三维坐标值，即地面接收机的单点定位值。
[0015]
将平滑伪距观测值表达式中的平滑因子设定为平滑窗口的倒数ω＝1/k，则平滑伪距观测值的表达式为：
[0016][0017]
其中t＝t
k
‑
t
k
‑1,表示采样间隔。
[0018]
将卫星高度角的影响引入平滑伪距观测值表达式中，平滑伪距观测值表达式为：
[0019][0020]
其中，θ为卫星高度角。
[0021]
平滑伪距的方差为：
[0022][0023]
其中，为原始伪距观测值噪声；为doppler观测值噪声；采样间隔决定平滑伪距的方差值，平滑窗口大小及原始伪距与doppler的噪声水平；随着平滑窗口的增大，平滑伪距的方差值降低；获取最优平滑窗口值，f1对k求导：
[0024][0025]
是一个关于k的三次方程，即k取值有3个，包括1个实数解与2个共轭复数解；平滑窗口值应为有效的正整数，对1实数解进行四舍五入取整，则参与平滑的历元数据的数量为
[0026][0027]
的最小值为2，即保证至少有2个历元数据参与平滑。
[0028]
依据误差传播定律，计算修正伪距的方差值：
[0029][0030]
f2对k求导，得到权重因子的计算值：
[0031][0032]
其中，τ、μ均为替换字符，无实义，将所述权重因子计算值引入所述修正伪距的表达式中得到修正伪距
[0033]
本发明还提供一种顾及doppler的北斗修正伪距单点定位系统，包括数据获取模块，数据处理模块以及定位模块，其中数据获取模块用于获取多普勒观测值和原始伪距观测值，数据处理模块基于所述多普勒观测值和原始伪距观测值对原始伪距观测值进行修
正，具体如下：
[0034]
获取多普勒观测值和原始伪距观测值；
[0035]
构建顾及doppler的平滑伪距观测值表达式：
[0036][0037]
其中，ω为平滑因子；λ为载波波长；p为原始伪距观测值，为平滑伪距观测值，单位为米，下标为历元标识；d为多普勒观测值，k是平滑窗口，dt为doppler观测值积分区间[t
k
‑1,t
k
]；
[0038]
向所述平滑伪距观测值表达式中引入权重因子η调整原始伪距观测值与平滑伪距观测值的权重，则修正伪距为：
[0039][0040]
其中，η为权重因子；
[0041]
定位模块基于所述修正伪距观测值进行单点定位计算，得到地面接收机的空间三维坐标值，即地面接收机的单点定位值。
[0042]
为解决上述技术问题，本发明还提出一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述顾及doppler的北斗修正伪距单点定位方法的步骤。
[0043]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所述顾及doppler的北斗修正伪距单点定位方法的步骤。
[0044]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：充分发挥独立观测值doppler的作用，削弱北斗原始伪距观测值的误差，修正伪距观测值的精度，权重因子的取值取决于卫星高度角、平滑窗口k和采样间隔t；当卫星高度角与平滑窗口k确定后，权重因子的大小主要由采样间隔t决定，即采样间隔t越大，τ值越大，权重因子η越小，平滑伪距的权重越小，原始观测值p
κ
的权重越大，该趋势符合权重因子的最初设定，即抑制doppler积分累计误差的影响，由于采样间隔一般不超过30秒，故权重因子η不会无限接近于0，即平滑伪距总能发挥修正作用保证北斗伪距单点定位的精度与可靠性，由于修正后的伪距观测值精度优于原始伪距观测值，基于修正伪距进行单点定位的坐标精度优于原始伪距单点定位，为北斗伪距单点定位技术的推广应用奠定基础。
附图说明
[0045]
图1a是原始伪距噪声水平随采样间隔变化图，图中，不同颜色(蓝、绿、红)分别对应代表北斗b1、b2和b3频点观测值。
[0046]
图1b是平滑伪距噪声水平随采样间隔变化图，图中，不同颜色(蓝、绿、红)分别对应代表北斗b1、b2和b3频点观测值。
[0047]
图1c是修正伪距噪声水平随采样间隔变化图，图中，不同颜色(蓝、绿、红)分别对应代表北斗b1、b2和b3频点观测值。
具体实施方式
[0048]
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
[0049]
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述，获取多普勒观测值和原始伪距观测值
[0050]
步骤1：构建顾及doppler的平滑伪距观测值表达式：
[0051][0052]
需指出，式(1)采用递归方式获取平滑伪距其中，ω为平滑因子；λ为载波波长；p与分别为原始伪距观测值与平滑伪距观测值，单位为米，下标为历元标识；d为多普勒观测值，k是平滑窗口，dt为doppler观测值积分区间[t
k
‑1,t
k
]。
[0053]
进一步的，平滑因子可设定为平滑窗口的倒数(ω＝1/k)，则平滑伪距观测值表达式为：
[0054][0055]
需指出，随着平滑窗口的增大，平滑因子变小，原始伪距观测值的比重降低，doppler观测值的比重变大，其在平滑伪距中发挥的作用增大。
[0056]
卫星高度角用于表征观测数据质量，将卫星高度角的影响引入平滑伪距观测值表达式中，平滑伪距可表示为
[0057][0058]
其中，θ为卫星高度角，由于doppler观测值与时间的相关性可忽略，采用误差传播定律计算平滑伪距的方差值：
[0059][0060]
需指出，在采样间隔固定，原始伪距与doppler观测值噪声水平一定的情况下，平滑伪距的方差值主要取决于平滑窗口的大小。由于k既为分子项，又为分母项，故随着平滑窗口的增大，平滑伪距方差值降低，但二者并非线性负相关。
[0061]
更进一步的，为确定平滑窗口大小，f1对k求导，则有
[0062][0063]
需指出，式(5)是关于k的三次方程，即k有3个根。考虑到该函数理论上与x轴仅有一个交点，故该方程的根包括1个实数解与2个共轭复数解。由于平滑窗口必为正整数，需对实数解进行四舍五入取整，则有
[0064][0065]
需指出，为保证平滑作用起效果，的最小值为2，即至少有2个历元数据参与平滑。
[0066]
步骤2：引入权重因子构建修正伪距观测值表达式：
[0067][0068]
式(7)旨在通过引入权重因子η调整原始伪距观测值p
κ
与平滑伪距观测值的权重，其目的在于抑制doppler观测值的积分累计误差。随着采样间隔的增大，doppler积分累计误差显著增大，需要通过权重因子降低平滑伪距值的权重，保证修正伪距观测值的精度。
[0069]
进一步的，依据误差传播定律，修正伪距的方差值可表示为：
[0070][0071]
更进一步的，式(8)对k求导并赋值为可得到权重因子的计算值：
[0072][0073]
式(9)中，权重因子的取值主要取决于卫星高度角、平滑窗口k和采样间隔t。当卫星高度角与平滑窗口k固定后，权重因子的大小主要由采样间隔t决定，即采样间隔t越大，权重因子η越小，平滑伪距的权重越小，原始观测值p
κ
的权重越大。由此可知，采样间隔越大，平滑伪距观测值发挥的作用越小，则doppler积分累计误差的影响也会越小；τ、μ均为替换字符，无实义，κ为开尔文。
[0074]
参考图1a、图1b和图1c，其中图示从左至右三个柱体分别表示北斗b1、b2和b3的观测值，原始伪距噪声水平随采样间隔变化图，图1b，平滑伪距噪声水平随采样间隔变化图，图1c是修正伪距噪声水平随采样间隔变化图，由图可知，随着采样间隔的增加，伪距噪声水平均增大，且b1频点伪距噪声水平大于b2与b3频点。当采样间隔不大于2秒时，由于doppler观测值积分误差较小，平滑伪距噪声水平优于原始伪距观测值。随着采样间隔持续增加，doppler观测值积分误差显著增大，平滑伪距噪声水平大于原始伪距观测值。由于权重因子的调整，修正伪距噪声水平优于原始伪距与平滑伪距观测值，且在采样间隔较小时，修正效果更佳。
[0075]
根据已有文献资料可知，doppler积分累计误差一般不超过2cm/s。当数据采样间隔不超过1s时，doppler积分累计误差水平优于原始伪距观测值噪声水平，故平滑伪距观测值精度优于原始伪距观测值，其权重将增加。随着采样间隔的增加，doppler累计积分误差增大，平滑伪距观测值权重将降低。由于采样间隔一般不超过30秒，故权重因子η不会无限接近于0，即平滑伪距总能发挥修正作用。
[0076]
本发明提供一种顾及doppler的北斗修正伪距单点定位系统，包括数据获取模块，数据处理模块以及定位模块，其中数据获取模块用于获取多普勒观测值和原始伪距观测
processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0088]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。