一种融合选星与完好性检测的多系统兼容定位方法与流程

本发明涉及融合选星与完好性检测的多系统兼容定位方法。更具体地，涉及一种融合选星与完好性检测的多卫星导航系统兼容定位方法。

背景技术：

随着多卫星导航系统的逐步建立，对于接收机的信息处理也带来了挑战，除了保证有良好的卫星子集组合外，还需要确保参与定位的卫星健康。目前选星和完好性检测(raim)算法一般都是独立分开的，在多卫星导航系统时代，这种先选星再做完好性检测的处理方式，对于低成本接收机以及消费电子将是很大的挑战。

随着卫星导航星座的增加，同时多个故障卫星的可能性正在增加，尤其是不能忽视两个故障的概率。而传统的完好性检测方法都集中在单一的故障，其中，经典检测单一故障的raim算法包括伪距比较法、最小二乘残差法和奇偶矢量法。现有改进的raim算法大多是基于遍历的想法，进行复杂运算并多次验证，以确定多个卫星故障，运算量大、时间长且故障星越多越容易出错。这些算法的检出率相对较高，但所消耗的时间也很长。还有一些方法如gs和owas，这些方法可以检测同一个星座的多个故障，而两个星座的多故障就无效了。现有完好性兼容定位方法存在以下缺点：

a)故障卫星检测数量有限：大多数方法针对单一卫星系统或单一故障卫星进行检测；

b)运算量大且时间长：多个卫星故障的算法大多是基于遍历的想法，运算量大、时间长，满足不了卫星接收机实时定位的需求；

c)多系统检测概率低：可以检测同一个星座的多个故障，而两个星座的多故障就无效了。

因此，需要提供一种融合选星与完好性检测的多系统兼容定位方法，解决现有方法中故障卫星检测数量有限、运算量大且时间长和多系统检测概率低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种融合选星与完好性检测的多系统兼容定位方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种融合选星与完好性检测的多系统兼容定位方法，包括：

s1、对多卫星导航系统中的所有卫星进行卫星分组并构造各组的凸包集合；

s2：利用奇偶矢量算法得到含卫星测距误差信息的距离残差矢量及残差敏感矩阵；

s3：依据距离残差矢量判断有误故障卫星，依据残差敏感矩阵剔除故障卫星；

s4：使用礼品包装技术计算整个系列的凸包，实现同时完成多个卫星导航系统的选星和完好性监测；

s5：进行时间系统统一和坐标系统统一；

s6：进行多系统兼容定位。

优选地，步骤s1进一步包括如下子步骤：

s101、设a＝{b1，…，bk}为所有卫星的集合，若k/m为整数，根据卫星分组将集合a分为个组，每个组中卫星的数量为m，为对k/m的值进行向上取整操作，设j＝1；

s102、计算凸包的划痕，找到布局平面图中第j组的左顶点对第j组中的其他点以关于左顶点的方位角大小顺序标记为删除靠近的点；

s103、设i＝2、判断是否是逆时针方向，若是则将放入第j组的凸包集合b^j；

s104、i++后转入步骤s13，遍历完第j组中所有的点后转入步骤s15；

s105、j++后判断是否成立，若是则转入步骤s12，若否则步骤s1流程结束。

优选地，步骤s1进一步包括如下子步骤：

s106、设a＝{b1，…，bk}为所有卫星的集合，若k/m不为整数，根据卫星分组将集合a分为个组，每个组中卫星的数量最大为m，为对k/m的值进行向上取整操作，设j＝1；

s107、计算凸包的划痕，找到布局平面图中第j组的左顶点对第j组中的其他点以关于左顶点的方位角大小顺序标记为删除靠近的点；

s108、设i＝2、判断是否是逆时针方向，若是则将放入第j组的凸包集合b^j；

s109、i++后转入步骤s108，遍历完第j组中所有的点后转入步骤s110；

s110、j++后判断是否成立，若是则转入步骤s107，若否则转入步骤s111；

s111、计算第组凸包的划痕，第组卫星数量为找到布局平面图中第组的左顶点对第j组中的其他点以关于左顶点的方位角大小顺序标记为删除靠近的点，执行步骤s108、s109，步骤s1流程结束。

优选地，步骤s2进一步包括以下步骤：

s201：建立卫星导航系统观测方程式：

δρ＝gδx+ε，

其中，δρ为真实伪距与近似伪距偏离的差值向量，g为卫星与用户之间的几何观测矩阵，δx为用户位置相对于真实位置的偏差向量，ε为伪距测量误差向量；

s202：确定随机误差项εunite各分量相互独立且服从相同分布，σ＝σ1＝σ2…＝σn，协方差阵为σ²in，其中，σ、σ1、…σn为随机误差项各分量的标准差，in为n维单位矩阵；

s203：根据测量方程，得出δxunite的最小二乘估值：

其中，为δxunite的最小二乘估值，gunite为多系统卫星与用户之间的几何观测矩阵，为gunite的转置，δρunite为多系统卫星真实伪距与近似伪距偏离的差值向量，δxunite为多系统定位用户位置相对于真实位置的偏差向量；

s204：计算δρunite的最小二乘估值：

s205：计算距离残差矢量w：

其中，s为残差敏感矩阵。

优选地，步骤s3进一步包括以下步骤：

s301：对几何观测矩阵gunite进行qr分解：gunite＝qr；

s302：取q的最后(n-5)列组成奇偶变换矩阵v，且有

p＝v^tw＝v^tδρunite＝v^tεunite，

s＝vv^t，

p^tp＝w^tw，

其中，p为奇偶矢量；

s303：无故障卫星时，p的协方差矩阵为：

其中，n为参与定位解算的卫星数，且n＞7；

s304：判断p^tp与检验门限t的大小，若p^tp>t，则检测到有卫星故障，否则无卫星故障；

s305：若检测到有卫星故障，利用下式对卫星进行识别，以剔除故障卫星：

其中，vi为奇偶变换矩阵v的第i行，比较各fi的大小，最大者判断为故障卫星，进行剔除。

进一步优选地，基于允许的虚警率和漏警率确定检验统计量得检验门限t。

优选地，步骤s4进一步包括以下步骤：

s401：在凸包集合b中选出最小x坐标b0；

s402：画通过b0的一条垂直线，对于任一bi极值点，沿着这条线绕着b0逆时针旋转时最先遇到的点为下一点；

s403：给定bi和bi+1，下一点bi+2点应属于b且使∠bibi+1bi+2最大；

s404：重复上述步骤s401～s403，直至回到出发点b0。

优选地，步骤s5进一步包括以下步骤：

s501：通过接收机的基带信息处理系统跟踪到卫星后，通过测量卫星信号的到达时间可获得初步时间，进行接收机的时延自校准；

s502：当跟踪到多颗卫星后，通过定位处理计算出卫星时间，完成授时以北斗时为基准；

s503：在面向用户显示时，根据计算出来的时间差，进行时间转换输出各个卫星系统时间；

s504：在兼容定位算法中，将坐标系统统一到北斗的cgcs2000坐标上，当用户位置、卫星位置或者通过界面输入坐标需要转换时，通过布尔沙模型或者莫洛金斯基模型进行转换。

优选地，多系统兼容定位时，通过在最小二乘法的基础上增加权矩阵，对不同的卫星系统赋予不同的权重值来权衡各个系统对定位结果的影响，获得卫星数量和整体精度上的平衡，完成多系统兼容定位。

本发明的有益效果如下：

本发明中融合选星与完好性检测的多系统兼容定位方法，利用分组的思想将系统分开，屏蔽了系统间差异，有助于提高剔除多系统多故障卫星的概率。本发明实现了在选出最优星座结构的基础上，减少了卫星接收机待处理信号的通道数，降低了计算量，加快了选星的速度，提高了故障的检测概率和可检测个数，有助于定位性能的提高，解决了选星后若所选用卫星有故障会严重影响定位的问题。

本发明对新一代接收机硬件要求降低，成本减少，可推广应用于已老一代接收机的算法升级，避免了老一代接收机的硬件淘汰。对于导航的消费类电子应用以及对于通道少的接收机完成兼容多系统有重大参考意义。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出融合选星与完好性检测的多系统兼容定位方法步骤图。

图2示出时间系统统一过程示意图。

图3示出坐标系统统一过程示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

选星与完好性检测都是为了提高卫星导航定位性能而提出的，目前由于两者单独使用，而造成计算量大和性能受影响。目前各个系统的可用性门限和故障监测门限情况不一，所以在考虑多系统多故障的时候，如果能将系统进行分组监测，那么可以根据不同系统的不同状况，确定相对应合理门限。

本发明将包装技术选星方法融入到奇偶矢量raim算法中，即在多系统定位前，利用包装技术选星进行卫星分组，分组后进行奇偶矢量raim算法检测，然后将筛选后的卫星分组进行组合选星，从而达到多系统快速正确的定位。

如图1所示，一种融合选星与完好性检测的多系统兼容定位方法，包括：

s1、对多卫星导航系统中的所有卫星进行卫星分组并构造各组的凸包集合。根据k/m是否为整数，可以判断是否所有分组中卫星数量均为m，具体分为以下两种情况：

情况一若k/m为整数：

s101、设a＝{b1，…，bk}为所有卫星的集合，根据卫星分组将集合a分为个组，每个组中卫星的数量为m，为对k/m的值进行向上取整操作，设j＝1；

s102、计算凸包的划痕，找到布局平面图中第j组的左顶点对第j组中的其他点以关于左顶点的方位角大小顺序标记为删除靠近的点；

s103、设i＝2、判断是否是逆时针方向，若是则将放入第j组的凸包集合b^j；

s104、i++后转入步骤s13，遍历完第j组中所有的点后转入步骤s15；

s105、j++后判断是否成立，若是则转入步骤s12，若否则步骤s1流程结束。

情况二若k/m不为整数：

s106、设a＝{b1，…，bk}为所有卫星的集合，根据卫星分组将集合a分为个组，每个组中卫星的数量最大为m，为对k/m的值进行向上取整操作，设j＝1；

s107、计算凸包的划痕，找到布局平面图中第j组的左顶点对第j组中的其他点以关于左顶点的方位角大小顺序标记为删除靠近的点；

s108、设i＝2、判断是否是逆时针方向，若是则将放入第j组的凸包集合b^j；

s109、i++后转入步骤s108，遍历完第j组中所有的点后转入步骤s110；

s110、j++后判断是否成立，若是则转入步骤s107，若否则转入步骤s111；

s111、计算第组凸包的划痕，第组卫星数量为找到布局平面图中第组的左顶点对第j组中的其他点以关于左顶点的方位角大小顺序标记为删除靠近的点，执行步骤s108、s109，步骤s1流程结束。

s2：利用奇偶矢量算法得到含卫星测距误差信息的距离残差矢量及残差敏感矩阵。

s201：建立卫星导航系统观测方程式：

δρ＝gδx+ε，

其中，δρ为真实伪距与近似伪距偏离的差值向量，g为卫星与用户之间的几何观测矩阵，δx为用户位置相对于真实位置的偏差向量，ε为伪距测量误差向量；

s202：确定随机误差项εunite各分量相互独立且服从相同分布，

σ＝σ1＝σ2…＝σn，协方差阵为σ²in，其中，σ、σ1、…σn为随机误差项各分量的标准差，in为n维单位矩阵；

s203：根据测量方程，得出δxunite的最小二乘估值：

其中，为δxunite的最小二乘估值，gunite为多系统卫星与用户之间的几何观测矩阵，为gunite的转置，δρunite为多系统卫星真实伪距与近似伪距偏离的差值向量，δxunite为多系统定位用户位置相对于真实位置的偏差向量；

s204：计算δρunite的最小二乘估值：

s205：计算距离残差矢量w：

其中，s为残差敏感矩阵。

s3：依据距离残差矢量判断有误故障卫星，依据残差敏感矩阵剔除故障卫星。

s301：对几何观测矩阵gunite进行qr分解：gunite＝qr；

s302：取q的最后(n-5)列组成奇偶变换矩阵v，且有

p＝v^tw＝v^tδρunite＝v^tεunite，

s＝vv^t，

p^tp＝w^tw，

其中，p为奇偶矢量；

s303：无故障卫星时，p的协方差矩阵为：

其中，n为参与定位解算的卫星数，且n＞7；

s304：判断p^tp与检验门限t的大小，若p^tp>t，则检测到有卫星故障，否则无卫星故障；

s305：若检测到有卫星故障，利用下式对卫星进行识别，以剔除故障卫星：

其中，vi为奇偶变换矩阵v的第i行，比较各fi的大小，最大者判断为故障卫星，进行剔除。

s4：使用礼品包装技术计算整个系列的凸包，实现同时完成多个卫星导航系统的选星和完好性监测。

s401：在凸包集合b中选出最小x坐标b0；

s402：画通过b0的一条垂直线，对于任一bi极值点，沿着这条线绕着b0逆时针旋转时最先遇到的点为下一点；

s403：给定bi和bi+1，下一点bi+2点应属于b且使∠bibi+1bi+2最大；

s404：重复上述步骤s401～s403，直至回到出发点b0。

s5：进行时间系统统一和坐标系统统一。

s501：通过接收机的基带信息处理系统跟踪到卫星后，通过测量卫星信号的到达时间可获得初步时间，进行接收机的时延自校准；

s502：当跟踪到多颗卫星后，通过定位处理计算出卫星时间，完成授时以北斗时为基准；

s503：在面向用户显示时，根据计算出来的时间差，进行时间转换输出各个卫星系统时间；

s504：在兼容定位算法中，将坐标系统统一到北斗的cgcs2000坐标上，当用户位置、卫星位置或者通过界面输入坐标需要转换时，通过布尔沙模型或者莫洛金斯基模型进行转换。

s6：进行多系统兼容定位。

多系统兼容定位时，通过在最小二乘法的基础上增加权矩阵，对不同的卫星系统赋予不同的权重值来权衡各个系统对定位结果的影响，获得卫星数量和整体精度上的平衡，完成多系统兼容定位。

本发明中选择一种计算量小且能选出较优星座的凸包选星算法，选星过程中其需要进行分组，此时改进的算法引入经典的奇偶矢量法进行raim监测排除故障星，之后进行最后融合并给出较优且健康的卫星组合。本发明中将多系统选星和完好性检测结合的方法，不仅降低了计算量，同时也尽可能的选出最优的星座结构，有助于定位性能的提高。该方法利用分组的思想将系统分开屏蔽了系统间差异，有助于提高剔除多系统多故障卫星的概率。

本发明的定位方法原理如下：

首先，b＝{b1,...,bn}是所有卫星集合，根据卫星分组卫星集合b被区分为组，每个大小至多为m，计算凸包的划痕，找到最左边的最顶点b0，对所有其他的点以关于b0的角度分别标记为{b1,...,bm}，为了防止约束，删除靠近b0的点。然后，d1←b1，d2←b2，i←2这时判断di,di-1,bi是逆时针方向，则bi属于集合d，i++。最后，依次类推得到凸包集合d。其次，利用奇偶矢量算法得到距离残差矢量含卫星测距误差信息，可用作判断有无故障星的依据和残差敏感矩阵剔除故障卫星。最后，使用的礼品包装技术计算整个系列的凸包，即同时完成了多个卫星导航系统的选星和完好性监测。对于通道较少的接收机使用此算法，可以采用分时复用的方式工作，大大节约了硬件成本。

利用奇偶矢量算法得到距离残差矢量含卫星测距误差信息，可用作判断有无故障星的依据和残差敏感矩阵剔除故障卫星，具体过程如下：

根据最小二乘原理，卫星导航系统观测方程式：

δρ＝gδx+ε，

其中，δρ为真实伪距与近似伪距偏离的差值向量；g为卫星与用户之间的几何观测矩阵；δx为用户位置相对于真实位置的偏差向量；ε为伪距测量误差向量。

奇偶矢量法基于以下假设：假设随机误差项εunite各分量相互独立且服从相同分布，即σ＝σ1＝σ2…＝σn，协方差阵为σ²in。根据测量方程，得出δxunite的最小二乘估值：

于是有

得到距离残差矢量w

其中，s为残差敏感矩阵。

对几何观测矩阵gunite进行qr分解，即gunite＝qr，取q的最后(n-5)列组成奇偶变换矩阵v。显然，v中各列相互正交，大小归一，并且与gunite的各列相互正交。因此，存在下式：

p＝v^tw＝v^tδρunite＝v^tεunite，

可以证明：

s＝vv^t，

因此，下式成立：

p^tp＝w^tw，

无故障卫星时，p的协方差矩阵为：

当参与定位解算的卫星数大于7颗时，各距离残差的平方和p^tp服从自由度为(n-5)的χ²分布。当有一颗卫星出现故障时，各距离残差的平方和w^tw服从自由度为(n-5)的非中心χ²分布。当系统为三个系统时，自由度为(n-6)，单系统情形自由度为(n-4)。

raim算法用各距离残差的平法和作为检验统计量，基于允许的虚警率和漏警率可以确定检验统计量得检验门限t。若p^tp>t，则检测到有卫星故障，否则无卫星故障。

若检测到有卫星故障，利用下式对卫星进行识别，以剔除故障卫星。

其中，vi为奇偶变换矩阵v的第i行，比较各fi的大小，最大者判断为故障卫星，应当剔除。

利用礼品包装技术计算整个系列的凸包时，全新集合里选出最小x坐标b0，也就是集合里的一个顶点。画通过b0的一条垂直线以找到下一个点。对于任一bi极值点，沿着这条线绕着b0逆时针旋转时最先遇到的点就是要找的点。给定b0和b1，下一点b2点应属于b且使∠b0b1li最大。继续这些包装步骤，直到又回到出发点b0。每个包装的步骤可以通过在每个子集bi上执行极值查询。每次查询扫描所有的m个点。如此循环反复，凸包的构造将短时间内完成。

如图2和图3所示，时间系统统一和坐标系统的统一过程如下：

多系统兼容接收机具有已知的三维位置(x，y，z)，通过接收到任何一颗可用的北斗二代卫星、gps卫星、galileo卫星或者glonass卫星的信号，进而测量卫星信号的到达时间则可与该颗卫星建立一个一维方程，解算这个方程，即可得出用户接收机的时间t。解算出的t是锁定于卫星时基的，用于控制用户接收机的定时输出。若接收到一颗以上的卫星，则可以具备有一定的容错性并改善授时的精度。多个卫星导航系统的时间差可以通过多方程组求解或者利用采用电文里播发的时间差信息来补偿修正。

北斗卫星导航系统参考坐标系为cgcs2000，gps卫星导航系统参考坐标系为wgs84，glonass卫星导航系统参考坐标系为pz-90，galileo卫星导航系统参考坐标系为ctrf。galileo地面参考框架ctrf是国际地球参考时itrs的一个独立实现，与wgs84一样，ctrf通过一系列伽利略地面监控站的坐标来实现。两个系统之间的差异是厘米级的，可以忽略。北斗与gps的轨道参数只有非常细小的区别，两者坐标系的差异也很小，唯一与其他三个卫星导航系统参考坐标系差别最大的是glonass。以pz-90转换成wgs84坐标系统为例，它们间存在一定的平移与旋转。确定坐标系转换参数的数学模型中，一般用布尔沙模型(bursamodel)或者莫洛金斯基模型(molodenskymodel)，可以认为两种模型的转换结果是等价的，以下参数采用的是bursa模型。则坐标转换的七参数布尔沙模型为：

其中：为坐标系a到坐标系b的三个旋转参数；为坐标系a到坐标系b的三个平移参数；为坐标系a到坐标系b之间的尺度参数。

兼容定位包含了信息处理策略和兼容加权定位。多个卫星导航系统的兼容接收机最大可见星数从单系统的8、9颗提高到接近40颗，频点数由原来的1～3个频点增加到11个频点。应用模式的多样需要信息处理策略的多样，这给信息处理的各个方面都提出了挑战。多系统兼容接收机用户端算法首先从单一系统来看(以北斗导航系统为例)，当通过信号前端接收处理后给出了b1、b2、b3各个频点的观测数据，数据经过电文解析和伪距生成，即可解算卫星位置以及处理伪距(载波相位平滑伪距和多频组合伪距)，再进行定位和完好性处理。然后，在进行多系统兼容算法前实现时空统一。最后在兼容定位中，由于多个卫星导航系统观测值分别来自于不同系统，其精度取决于码速率以及环路算法实现和环境的影响，测距精度各不相同。往往对确定权矩阵所基于的观测值噪声特性了解不多，很难适当地确定权矩阵，通常赋予一个简单的权阵比如单位阵，这样可能会对复杂的数据噪声过于简单化。因此，将使得最小二乘解失去它的最小方差性质，导致不合理的单点定位结果。为提高定位精度，采用加权最小二乘法进行解算，通过在最小二乘法的基础上增加权矩阵，对不同的卫星系统赋予不同的权重值来权衡各个系统对定位结果的影响，获得卫星数量和整体精度上的平衡，完成多系统兼容定位。

本发明对于多系统采用分组处理的方法不仅能够加快选星的速度，而且也能提高故障的检测概率和可检测个数。该算法不仅将多星座选星和raim监测融合，通过新的选星算法加快raim检测算法且提高检测概率，而且解决了选星后若所选用卫星有故障会严重影响定位的缺点。本发明不仅减少了卫星接收机待处理信号的通道数，且接收机运算量降低，对新一代接收机硬件要求降低，成本减少。同时，也可推广应用于已老一代接收机的算法升级，避免了老一代接收机的硬件淘汰。对于导航的消费类电子应用以及对于通道少的接收机完成兼容多系统有重大参考意义。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。