一种基于模糊置信度滤波的北斗变形监测定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星导航定位领域，具体地说是一种基于模糊置信度滤波的北斗变形 监测定位方法。
【背景技术】
[0002] 北斗变形监测是指利用北斗导航卫星"静态相对定位技术"获取监测点高精度坐 标(毫米级），从而分析判断大坝、桥梁、地基等的位移或沉降，具有重要的应用价值。
[0003] 目前，采用导航卫星(GPS、GL0NASS、北斗)技术进行大地变形监测时，均采用"静态 相对定位方法"。该方法认为监测站静止不动，通过采集长时间的、大量的卫星观测数据，应 用最小二乘平差原理求解基准站和监测站之间的基线矢量。因为拥有大量的卫星观测数 据，所以可以通过迭代计算逐步求精，解算出高精度的基线矢量，从而得到"毫米级"的定位 结果，进而可以对缓慢变形的对象(大坝、桥梁、地基等)进行长期监测。
[0004] 如图1所示，传统的静态相对定位方法是利用一个较长时段的所有卫星观测数据， 以后处理的方式计算出定位结果L。由于在这个时段内卫星空间分布会变化，天气也会变 化，因此接收到卫星数据质量是变化的，有些子时段卫星数据质量好，有些子时段卫星数据 质量一般或者差。传统方法并不区分这种数据质量的差异性，笼统地利用所有卫星数据计 算定位结果，从而导致了定位结果误差增大，难以满足高精度应用需求。
【发明内容】
[0005] 本发明是为克服上述现有技术的不足之处，提出了一种基于模糊置信度滤波的北 斗变形监测定位方法，以期能提高定位结果的精度，特别是在监测时段内天气变化的情况 下定位精度优势显著。
[0006] 本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
[0007] 本发明一种基于模糊置信度滤波的北斗变形监测定位方法，是应用于由北斗导航 卫星、基准站和流动站组成的监测环境中；所述基准站接收所述北斗导航卫星发送的基准 站卫星历元数据并发送给流动站;所述流动站接收所述北斗导航卫星发送的流动站卫星历 元数据和所述基准站发送的基准站卫星历元数据并进行差分处理，获得差分定位数据，记 为X;其特点是，所述北斗变形监测定位方法按如下步骤进行：
[0008] 步骤1、对所述流动站的差分定位数据对安照时间段进行分割，获得N个子时间段的 差分定位数据，记为x= {Xi，x2，…，xn，…，Xn} ; xn表示流动站的差分定位数据X中第η个子时 间段的差分定位数据;1<η<Ν;
[0009] 步骤2、对所述N个子时间段的差分定位数据X分别采用静态相对定位算法进行计 算，获得N个定位结果，记为L= {Li，L2，…，Ln，…，Ln} ;Ln表示流动站第η个子时间段的差分定 位数据χη的定位结果；
[0010] 步骤3、离线建立置信度的参数矩阵SmX3;
[0011] 流动站的定位结果的可信程度主要受三个参数的影响，它们可计算如下：
[0012]步骤3.1、利用式（1)获得第η个子时间段的定位结果Ln的几何精度因子平均值 GDOP ；
[0014] 式（1)中，//D6^;表示流动站第η个子时间段的定位结果匕的水平分量精度因子 平均值；表示流动站第η个子时间段的定位结果L n的垂直分量精度因子平均值； .....η 7.DO厂,表示流动站第η个子时间段的定位结果Ln的钟差精度因子平均值；
[0015] 步骤3.2、利用式（2)获得第η个子时间段的定位结果Ln的高空大气误差平均值 Δ |
[0017]式（2)中，表示流动站第η个子时间段的定位结果Ln的电离层误差平均值； 表示流动站第η个子时间段的定位结果匕的对流层误差平均值；
[0018]步骤3.3、统计流动站第η个子时间段内的卫星历元数量Νη;
[0019]步骤3.4、定义置信度1^{1，2，一，」，一，!11}表示定位结果的可信程度，其中111是正 整数;定义置信度的参数向量为S= {Sl，S2，···，Sj，···，Sm} ;Sj表示置信度T = j所对应的参数 向量;并有4 ;彳表示几何精度因子参数值，通过式(3)计算得到；4表示高空 大气误差参数值，通过式(4)计算得到； < 表示卫星历元数量参数值，通过式(5)计算得到。
[0023] 式(3)中，GDOP"表示几何精度因子的最佳值；Ο?Ο/5":表示置信度T = j的几何精 度因子;式(4)中，^#表示高空大气误差的最佳值；表示置信度T = j的高空大气误差； 式(5)中，N*表示卫星历元数量的最佳值;表示置信度T = j的卫星历元数量；
[0024] 步骤3.5、建立置信度的参数矩阵.
[0025]步骤4、建立定位结果的评价矩阵ENX3;
[0026]步骤4.1、定义定位结果评价向量为Ε = {Ει，Ε2，···，En，···，En} ;En表示流动站第η个 子时间段定位结果的评价向量;并有Ε" &表示流动站第η个子时间段的几何 精度因子评价值，通过式(6)计算得到； < 表示流动站第η个子时间段的高空大气误差评价 值，通过式(7)计算得到；表示流动站第η个子时间段的卫星历元数量评价值，通过式(8) 计算得到；
[0030] 步骤4.2、建立定位结果的评价矩阵
[0031] 步骤5、利用式(9)建立隶属度函数?);
[0033]式(9)中，，气(E") e [0J];
[0035]步骤7、利用式(10)获得阈值λ;
[0037]步骤8、利用式(11)对所述关系矩阵R进行处理，获得布尔矩阵
[0040] 式（11)中，(E")=1表示流动站第η个子时间段差分定位数据χη的定位结果匕的 置信度T = j;
[0041] 步骤9、利用式（12)对流动站的N个定位结果进行加权滤波处理，获得最终定位结 果ΙΛ
[0043] 式(12)中，T(k)表示流动站第k个子时间段的定位结果Lk的置信度。
[0044] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0045] 1、本发明将一个较长监测时段划分成多个子时段，利用各个子时段的卫星观测数 据分别计算出各自子时段的定位结果，细化了定位计算过程，避免了传统定位方法的"笼 统"的计算理念，有助于利用各个子时段卫星数据质量的差异性，以提高定位精度。
[0046] 2、本发明引入置信度的概念，依据各个子时段的卫星数据质量参数(卫星分布几 何精度因子、高空大气误差、卫星历元数量）的变化划分不同的置信度等级，充分考虑了卫 星空间分布变化，天气变化等各项因素对定位结果的影响，提高了定位结果的可靠性；同 时，采用了模糊集合理论确定各个子时段定位结果的置信度，并以加权滤波的方式求解出 最终定位结果，从而提高了定位结果的精度，具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0047]图1为传统静态相对定位方法；
[0048]图2为本发明的方法原理；
[0049]图3为本发明由数据质量确定定位结果置信度的内在关联图；
[0050]图4为本发明基于模糊置信度滤波的北斗变形监测定位方法流程图；
[0051 ]图5为本发明方法与传统静态相对定位方法的实验结果比较。
【具体实施方式】
[0052] -种基于模糊置信度滤波的北斗变形监测定位方法，是应用于由北斗导航卫星、 基准站和流动站组成的监测环境中；基准站接收北斗导航卫星发送的基准站卫星历元数据 并发送给流动站;流动站接收北斗导航卫星发送的流动站卫星历元数据和基准站发送的基 准站卫星历元数据，二者进行差分处理获得差分定位数据，记为X;
[0053] 如图4所示，北斗变形监测定位方法按如下步骤进行：
[0054] 步骤1、对流动站的差分定位数据对安照时间段进行分割，获得N个子时间段的差分 定位数据，例如将24小时观测时段划分成12个子时段，每个子时段2小时；记为XiUi， X2，…，Xn，…，Xn} ; Xn表示流动站的差分定位数据X中第η个子时间段的差分定位数据；1 < η <Ν；
[0055] 步骤2、对Ν个子时间段的差分定位数据X分别采用静态相对定位算法进行计算，获 得Ν个定位结果，记为L= {Li，L2，…，Ln，…，Ln} ; Ln表示流动站第η个子时间段的差分定位数 据Χη的定位结果;静态相对定位算法的内容见可参考"王成.载波相位差分动态定位的方法 研究[D].西安:长安大学，2010."
[0056] 步骤3、离线建立置信度的参数矩阵SmX3;
[0057] 流动站的定位结果的可信程度主要受三个参数的影响，它们可计算如下：
[0058] 步骤3.1、利用式（1)获得第η个子时间段的定位结果Ln的几何精度因子平均值 它反映了监测站和卫星之间的空间几何关系。值与监测站到卫星单位矢 量端点所形成的多面体体积成反比，多面体体积越大的卫星组合的^^值越小。在观测 误差一定时，GDOP,值越小，定位精度越高。
[0060] 式（1)中，//D〇t表示流动站第η个子时间段的定位结果Ln的水平分量精度因子 平均值；FDO/V表示流动站第η个子时间段的定位结果U的垂直分量精度因子平均值； TDOP,表示流动站第η个子时间段的定位结果匕的钟差精度因子平均值;它们可通过指令 从接收机获取。在流动站第η个子时间段内，G'DOf丨/作为该子时段定位结果可信程度的评 价参数之一。
[0061] 大量实验结果表明：当<3_时，定位算法解算的结果精度高；否则，定位算 法解算的结果误差较大;因此，本实施例中，令最佳值=3 ,
[0062] 步骤3.2、利用式(2)获得第η时间段的定位结果匕的高空大气误差平均值E，它 反映了监测站上空大气变化对定位结果的影响。