一种基于差分气压高度约束的小型无人机rtk相对定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于差分气压高度约束的小型无人机RTK相对定位方法，属于卫 星导航定位技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，小型无人机已经在测绘、航拍、监控、侦查、通信中继等领域得到广泛应用， 实时定位导航系统是小型无人机的一个关键系统。由于全球导航卫星系统(GNSS)具有全球 性、全天候和连续的精密三维定位能力，因此近十余年，以GPS和北斗为代表的卫星导航系 统已经广泛应用于各种领域。GNSS接收机采用单点定位技术，精度一般为3至10米，但其缺 点是无法实现亚厘米级的高精度导航应用，从而限制了无人机在一些精密测量领域的应 用。
[0003] GNSS不仅能够实现单点定位，还可以实现两个观测点之间的相对定位，精度可达 亚厘米级，实时动态亚厘米级的相对定位技术，即RTK技术，目前主要应用在测绘领域。目前 RTK技术具备基本三个典型特征：（1)采用差分技术削减GNSS观测量中的电离层和对流层误 差、轨道误差、卫星和接收机时钟误差；（2)采用具有多径抑制功能的测量型接收机，削减多 路径误差；（3)采用多个历元的数据进行递归估计，利用递归估计得到的整周模糊度浮点解 及其方差协方差矩阵求解整周模糊度固定解，通常采用LAMBDA算法。
[0004] 但是，由于成本和体积的限制，小型无人机通常配备导航型接收机，而无法配备具 有多径抑制功能的测量型接收机，因此无法削减多路径误差，进而导致采用LAMBDA算法求 解整周模糊度的成功率大幅降低。整周模糊度一旦解算错误，将会导致米级的定位误差，无 法有效保证RTK的定位精度。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于差分气压高度约束的小型无 人机RTK相对定位方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明提供的基于差分气压高度约束的小型无人机RTK相对 定位方法包括按顺序进行的下列步骤：
[0007] 1)在基准站上安装GNSS接收机、GNSS天线、气压测高传感器和接收电台，其中GNSS 天线和气压测高传感器处于同一高度，利用GNSS接收机和GNSS天线获取基准站GNSS原始观 测值，同时利用气压测高传感器测量基准站气压高度；
[0008] 2)在流动站即小型无人机上安装与步骤1)所述的同种型号的GNSS接收机、GNSS天 线、气压测高传感器和发射电台，其中GNSS天线和气压测高传感器处于同一高度，利用GNSS 接收机和GNSS天线获取流动站GNSS原始观测值，同时利用气压测高传感器测量流动站气压 高度；
[0009] 3)通过流动站上的发射电台将流动站GNSS原始观测值和气压高度信息发送至无 线信道；
[0010] 4)利用基准站上的接收电台接收上述信息，并将其中的气压高度与基准站气压高 度进行实时差分运算，得到差分高度；
[0011] 5)将流动站GNSS原始观测值与基准站GNSS原始观测值进行差分运算，得到差分观 测值；
[0012] 6)基于上述差分观测值，利用递归加权最小二乘法，实时估计整周模糊度的浮点 解i及其方差协方差矩阵仏、基线矢量浮点解I以及整周模糊度解算的成功率P;
[0013] 7)判断上述整周模糊度解算的成功率P是否高于预定门限值，若高于预定门限值， 则进入步骤8)，否则重复步骤4)一7);
[0014] 8)利用步骤4)所述差分高度和步骤6)所述整周模糊度的浮点解3及其方差协方差 矩阵达、基线矢量浮点解I，完成整周模糊度估计和检验。
[0015] 在步骤6)中，所述的基于上述差分观测值，利用递归加权最小二乘法，实时估计整 周模糊度的浮点解I及其方差协方差矩阵& \基线矢量浮点解S以及整周模糊度解算的成 功率P的具体步骤如下：
[0016] 6.1)定义基准站和流动站之间的相对位置为基线矢量b，假定第k个历元的卫星可 见数m k大于4颗，基于步骤5)所述差分观测值，建立GNSS标准基线模型如下：
[0017]
[0018]
[0019] 其中，y表示步骤5)所述差分观测值的矢量形式，维度为2mk_2;a为整周模糊度矢 量，其维度为mk_l;A和B分别为整周模糊度矢量a和基线矢量b的系数矩阵，维度分别为(2m k-2) X (mk-1)和(2mk-2) X3;v为差分观测值的矢量形式y的观测噪声矢量;Qy为其方差协方差 矩阵，下标k表示所有观测向量和矩阵均属于第k个历元；
[0020] 6.2)基于式(b)，利用递归加权最小二乘法，实时估计整周模糊度的浮点解I及其 方差协方差矩阵
[0021] 6.3)利用递归加权最小二乘法，实时估计基线矢量浮点解f
[0022]
[0023] 6.4)利用步骤6.2)所述方差协方差矩阵仏，计算其模糊度精度因子AD0P:
[0024]
[0025] 其中η为方差协方差矩阵&的维数，然后计算整周模糊度解算的成功率P:
[0026]
[0027] 在步骤8)中，所述的利用步骤4)所述差分高度和步骤6)所述整周模糊度的浮点解 i及其方差协方差矩阵込、基线矢量浮点解完成整周模糊度估计和检验的具体步骤如 下：
[0028] 8.1)基于步骤6)所述整周模糊度的浮点解^及其方差协方差矩阵达，采用LAMBDA 算法筛选出N个优选整周模糊度候选值(N为经验值，一般可以取N>10);
[0029] 8.2)针对步骤8.1)所述N个优选整周模糊度候选值，分别计算出每个模糊度候选 值对应的基线矢量固定解，包括北向分量、东向分量和天向分量，对应有N个基线矢量固定 解；
[0030] 8.3)分别求出步骤6)所述基线矢量浮点解与步骤8.2)所述N个基线矢量固定解之 差，对应得到N个差值矢量；
[0031] 8.4)针对步骤8.3)所述N个差值矢量，比较各个差值矢量的北向分量和东向分量 的绝对值之和，并对N个基线矢量固定解进行重新排序；
[0032] 8.5)依次检验步骤8.4)重新排序后的N个基线矢量固定解，如果第i个基线矢量固 定解的天向分量满足步骤4)所述差分高度，则该基线矢量固定解为最终所求的相对位置， 如果N个基线矢量固定解的天向分量均不满足步骤4)所述差分高度，则当前历元无输出，利 用下一个历元的观测数据继续重复步骤3) - 8)。
[0033]本发明与现有技术相比的优点在于:第一，传统RTK方法采用带有多路径抑制功能 的测量型接收机，本发明不需要接收机具有多路径抑制功能;第二，【背景技术】中所用的差分 高度信息来源于同一类型的气压测高传感器，在小型无人机作业的地理范围内，通过差分 运算可以削减公共的传感器系统误差以及环境误差，差分观测值仅包含测量噪声，利用高 精度的气压测高传感器，测量所得的相对高度与真值之间的误差可以达到分米级，为整周 模糊度候选值的识别提供了约束条件;第三，由于基线矢量浮点解的水平分量可以随时间 更快速地逼近到正确的模糊度候选值对应的基线矢量，多径主要影响在天向分量上，利用 最后一个步骤所述方法能够进一步减小多径影响。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明提供的基于差分气压高度约束的小型无人机RTK相对定位方法流程 图；
[0035] 图2为本发明方法中整周模糊度估计和检验方法流程图。
【具体实施方式】
[0036] 如图1所示，本发明提供的基于差分气压高度约束的实时动态相对定位方法包括 按顺序进行的下列步骤：
[0037] 1)在基准站上安装GNSS接收机、GNSS天线、气压测高传感器和接收电台，其中GNSS 天线和气压测高传感器处于同一高度，利用GNSS接收机和GNSS天线获取基准站GNSS原始观 测值，同时利用气压测高传感器测量基准站气压高度H base3，高度测量精度为;
[0038] 2)在流动站即小型无人机上安装与步骤1)所述的同种型号的GNSS接收机、GNSS天 线、气压测高传感器和发射电台，其中GNSS天线和气压测高传感器处于同一高度，利用GNSS 接收机和GNSS天线获取流动站GNSS原始观测值，同时利用气压测高传感器测量流动站气压 高度Hrover，高度测量精度为σ Η ;
[0039] 3)通过流动站上的发射电台将流动站GNSS原始观测值和气压高度信息发送至无 线信道；
[0040] 4)利用基准站上的接收电台接收上述信息，并将其中的气压高度与基准站气压高 度进行实时差分运算，得到差分高度dHk:
[0041] dHk = Hrover-Hbase (a)
[0042] 5)将流动站GNSS原始观测值与基准站GNSS原始观测值进行差分运算，得到差分观 测值；
[0043] 6)基于上述差分观测值，利用递归加权最小二乘法，实时估计整周模糊度的浮点 解0及其