基于GNSS的差分定位方法及其定位系统与流程
本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种基于gnss的差分定位方法及其定位系统。
背景技术：
随着物联网的发展及共享经济的来临，市场对定位设备的需求越来越大，如共享单车这类产品。共享单车是采用卫星定位终端进行定位。
传统卫星定位方法，采用的是：根据卫星到定位终端的距离观测值，利用空间后方距离交会原理，计算出待测点的位置，但是由于卫星信号在传输过程中受到多种因素的干扰，诸如电离层，对流层，接收机钟差，卫星钟差，多路径，随机噪声等的影响，使得计算出的卫星到定位终端的距离存在误差，从而导致定位终端输出的位置与真实位置没有统一。
电离层，对流层，卫星钟差，接收机钟差这几种误差都有相应的数学方法可以估算，但是多路径误差呈现一定随机性，至今没有完善的数学模型可以估算它的大小。
申请号为201710121094.1、专利名称为“一种基站设备、终端及定位方法”的专利，使用窗口平滑hatch滤波进行定位以降低了多路径误差的影响，使用加权最小二乘法求取定位结果，每秒数据都是独立解算，以降低误差较大的观测值带来的影响但是，如果此时观测值的误差均较大，则该时刻定位误差会陡然变大。
因此，亟需提供一种新的基于gnss的差分定位方法及其定位系统以解决上述技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于gnss的差分定位方法及其定位系统，其采用卡尔曼滤波，显著提高了定位精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于gnss的差分定位方法，包括如下步骤：
s1、通过定位终端接收卫星发射的卫星信号，从所述卫星信号中解析出伪距观测量；
s2、对解析出的所述伪距观测量进行分段平滑滤波，得到平滑后的所述伪距观测量；
s3、接收并解码外接的rtcm2.3标准格式编码的电离层和对流层的伪距差分校正量，获得当前时间的伪距校正量；
s4、根据平滑后的所述伪距观测量和当前时间的所述伪距校正量，得到修正后的伪距观测量；
s5、对修正后的所述伪距观测量使用最小二乘法，获取一个初始位置坐标；
s6、对所述初始位置坐标采用卡尔曼滤波，输出定位结果。
优选的，在步骤s1中，所述伪距观测量ρ由下述公式计算得到：
ρ＝c*(tu-ts)
其中，ts为卫星信号的发射时间，tu为定位终端接收卫星信号的时间，c为光速。
优选的，在步骤s2中，采用hatch滤波法对所述伪距观测量进行平滑滤波。
优选的，在步骤s2中，当平滑计数器k不大于平滑滤波常数m时，平滑后的伪距观测量
优选的，所述平滑滤波常数m为最佳平滑常数，通过对常数mtemp取整得到，其中，常数mtemp通过下列公式计算得到：
其中，q为变量，p为固定常数项，
优选的，在步骤s3中，解码步骤依次包括：字节扫描、字节滚动、取补码、搜索同步字以及奇偶校验。
优选的，在步骤s4中，修正后的伪距观测量pr_final(i)通过下列公式得到：
pr_final(i)＝prc(i)+pr(i)
其中，prc(i)为卫星i的伪距校正值，pr(i)为平滑后的伪距观测量。
优选的，在步骤s6中，卡尔曼滤波具体包括如下步骤：
s61、进行系统状态矢量和状态协方差矩阵的时间更新；
s62、将更新后的结果对观测量进行预测；
s63、用经过修正的后观测量和预测观测量计算伪距残差；
s64、计算卡尔曼增益矩阵；
s65、对时间更新后的系统状态矢量进行观测量更新以及更新状态协方差矩阵。
本发明还提供了一种基于gnss的差分定位系统，包括：
定位终端，用于接收卫星发射的卫星信号；
信号解析模块，用于从接收的所述卫星信号中解析出伪距观测量；
平滑滤波模块，用于对解析出的所述伪距观测量进行分段平滑滤波，得到平滑后的所述伪距观测量；
解码模块，用于接收并解码外接的rtcm2.3标准格式编码的电离层和对流层的伪距差分校正量，获得当前时间的伪距校正量；
修正模块，用于根据平滑后的所述伪距观测量和当前时间的所述伪距校正量，得到修正后的伪距观测量；
滤波模块，用于对所述初始位置坐标采用卡尔曼滤波并输出定位结果。
与相关技术相比较，本发明提供基于gnss的差分定位方法及其定位系统具有如下有益效果：
1、选择合适的平滑滤波常数，有效降低了多路径误差；
2、采用分段平滑滤波，保证平滑的稳定性；
3、采用外接数据流的方式，修正电离层和对流层误差；
4、采用卡尔曼滤波，有效利用伪距观测量，提高定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明基于gnss的差分定位方法的流程图；
图2为本发明基于gnss的差分定位方法中解码步骤的流程图；
图3为本发明基于gnss的差分定位方法中rtcm2.3解码过程图；
图4为本发明基于gnss的差分定位方法中卡尔曼滤波的流程图；
图5为本发明基于gnss的差分定位系统的框架图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于gnss的差分定位方法，包括如下步骤：
s1、通过定位终端接收卫星发射的卫星信号，从所述卫星信号中解析出伪距观测量；
所述伪距观测量ρ由公式ρ＝c*(tu-ts)计算得到，其中，ts为卫星信号的发射时间，tu为定位终端接收卫星信号的时间，c为光速。
s2、对解析出的所述伪距观测量进行分段平滑滤波，得到平滑后的所述伪距观测量；
所谓多路径，是指定位终端的接收机天线不仅接收到卫星直射波信号，还收到了反射波信号，这会导致计算伪距观测量时存在误差，误差大小在米级，且误差不可估计。定位终端的接收机除了可以计算伪据观测量外，还可以计算载波观测量。尽管载波观测量存在整周模糊度问题，但是锁定后的载波观测值的变化量和伪距观测值的变化量的大小和方向是一致，并且载波观测量的多路径误差，误差大小仅为毫米级，远小于伪距观测量的多路径，因此，可以用载波观测量的变化量去修正伪距观测值的变化量，降低多路径带来的误差。因此，本发明采用hatch滤波法对所述伪距观测量进行平滑滤波。
hatch滤波需要较好的伪距初始值，才可以有效降低多路径误差的影响，否则，会导致滤波后伪距质量更差。故采用分段平滑滤波来逐步加大载波变化量的权重，可以有效防止发散情况的发生。
当平滑计数器k不大于平滑滤波常数m时，平滑后的伪距观测量
对于平滑滤波常数m的选择，通常直接设置为100，但是这并不是一个最佳平滑常数。由于每定位终端的接收机的机器特性不同，并且当平滑常数过大时，会增大电离层误差，过小时，又会残留大量伪距观测值的多路径误差，使平滑失去意义。根据下面公式可以得出一个相对合理的最佳平滑常数mtemp，因此，平滑常数设定为100，并不适合所有接收机。
因此，本发明采用的所述平滑滤波常数m为最佳平滑常数，通过对常数mtemp取整得到，其中，常数mtemp通过下列公式计算得到：
其中，q为变量，p为固定常数项，
s3、接收并解码外接的rtcm2.3标准格式编码的电离层和对流层的伪距差分校正量，获得当前时间的伪距校正量；
现有的定位终端，对于电离层与对流层误差采用模型估算。但是，估算出的误差值与实际误差值总有较大差距，对误差的修正大量残留，导致定位不准。因此，采用外接修正数据的方式，实时读取电离层与对流层的修正量。可以有效降低电离层对流层误差。由于电离层与对流层具有空间相关性，因此，在一个已知高精度位置的基站，可以计算出电离层对流层误差，并且实时发送出去。这种数据类型称为rtcm(国际海运事业无线电技术委员会)2.3格式，发送出来的数据叫做伪距差分校正量，并且为了方便传输，对信息量进行了相应压缩。为了获取该码流中的信息，需要对传输的字节进行解码。
rtcm2.3中，一条差分信息由(2+n)个字组成，每个字占30bit，前24bit包含信息，后6bit为奇偶校验位。前2个字称为字头，后面n个字包含差分信息，字头信息如表1所示。
表1
字头1包含信息：
引导字固定为01100110，说明这是一条差分信息的开头。
数据类型取值范围为1～63，说明该条信息类型。
基准站id，说明当前的基站的编号。
字头2包含信息：
修正z计数，为整数，乘以系数0.6s后，可得到该差分信息的时间t0。
序列号，说明本条差分信息在一组差分信号数据中的位置。
帧长度，说明本条差分的长度，配合序列号，可对下一条差分数据起始端定位。
基站健康状态，表明当前基准站是否工作正常。
一条差分信息的后n个字节，根据不同的类型，包含不同类型的数据。根据定义，type1的差分数据如表2所示。
表2type1单颗卫星差分信息
根据表2所示，一颗卫星的差分信息占据40bit。表2中的比例因子占1bit，当为0时，伪距校正值与距离变化率校正值的系数分别为0.02m和0.002m/s；为1时，伪距校正值与距离变化率校正值的系数分别为0.32与0.032m/s。用户差分距离误差与字头的健康系数配合使用，表明伪距校正值的可靠度。数据龄期主要表明该条卫星伪距校正值的时效性，差分信息的数据龄期应该与广播星历的数据龄期一致才可以使用。3颗卫星恰好占用5个字，当差分信息中的卫星数目不是3的倍数时，剩余的空间采用1，0交替占位。在使用数传电台时，差分数据通常会延迟几分钟甚至十分钟以上，因此，距离变化率校正值用来修正延时造成的误差。
请参阅图2，解码流程具体分为以下几个步骤。
s30、字节扫描；
为了防止传输中出现错误，对于一个字节中的数据，rtcm2.3只采用其中的6bit，规定最高位为空格，次高位为1。因此，一个字节转化为十进制后，取值范围在64～127之间视为有效字节，否则舍去。
s31、字节滚动；
使用一个有效字节时，需要舍去高2位，同时将低位的6bit进行逆排序。对于一个字，需要5个字节的数据去构成，第5个字节为奇偶校验位。
s32、取补码；
当前一个字的第30位为1时，当前字的前24需要取补码。但是每个字的后6位为奇偶校验位，无需取补码。
s33、搜索同步字；
搜索同步字时，应注意上一字节为1时的影响。当尝试搜索同步字时，若失败，应将已经取补码的24bit还原，然后再逻辑左移，补充新的数据。
s34、奇偶校验。
当确定找到同步字后，再进行奇偶校验，如果奇偶校验不通过，则重新搜索，进行左移。当每个字的奇偶校验通过后，即可开始对type1差分信息进行解码。解码过程如图3所示。
s4、根据平滑后的所述伪距观测量和当前时间的所述伪距校正量，得到修正后的伪距观测量；
经过解码后，获得卫星i当前时间的伪距校正量prc(i)。此时的伪距观测量经过载波平滑，已经消除了大部分多径误差，得到卫星i平滑后的伪距观测量pr(i)。再将平滑后的伪距观测量pr(i)加上当前的校正量prc(i)，经过公式prfinal(i)＝prc(i)+pr(i)运算得到修正后的伪距观测量prfinal(i)。从式中可以看出，经过平滑和修正后，电离层对流层以及多路径误差基本消失。
s5、对修正后的所述伪距观测量使用最小二乘法，获取一个初始位置坐标；
具体的，本发明只需要对修正后的所述伪距观测量使用一次最小二乘法。
s6、对所述初始位置坐标采用卡尔曼滤波，输出定位结果。
请参阅图4，假设在tk时刻，系统状态矢量为
s60、进行系统状态矢量xm和状态协方差矩阵pk|k的时间更新；
s61、将更新后的结果对观测量进行预测；
其中，(xsi,ysi,zsi)为卫星i的当前坐标，为已知量，bk+1|k为更新后的钟差。
s62、用经过修正的后观测量和预测观测量计算伪距残差；
s63、计算卡尔曼增益矩阵；
其中rk+1是观测量方差矩阵，也是卡尔曼滤波的核心。
s64、对时间更新后的
pk+1|k+1＝(i-kk+1hk+1)pk+1|k
更新后
在卡尔曼滤波中，增益矩阵km的设置决定了定位质量的好坏。如果km的设置与实际不符，则会造成最终定位结果发散。
根据式
本发明基于实际环境考虑，从多方面确定观测噪声方差矩阵rm，根据信噪比以及残留的多路径误差确定了观测噪声方差矩阵rm。
由于信噪比对卫星观测值误差影响较大，因此，根据每颗卫星当前的信噪比确定每颗卫星的一部分观测噪声方差。
由于经过平滑，大部分多路径误差消失，但是仍需考虑残留的多路径误差带来的影响，但是由残留多径带来的影响影响小于信噪比带来的影响，因此两者方差的数量级不同。
请参阅图5，本发明还提供了一种基于gnss的差分定位系统100，包括：定位终端1、信号解析模块2、平滑滤波模块3、解码模块4、修正模块5以及滤波模块6。
所述定位终端1可以为手机、电脑及ipad等设备，用于接收卫星发射的卫星信号。
所述信号解析模块2用于从接收的所述卫星信号中解析出伪距观测量。
所述平滑滤波模块3用于对解析出的所述伪距观测量进行分段平滑滤波，得到平滑后的所述伪距观测量。
所述解码模块4用于接收并解码外接的rtcm2.3标准格式编码的电离层和对流层的伪距差分校正量，获得当前时间的伪距校正量。
所述修正模块5用于根据平滑后的所述伪距观测量和当前时间的所述伪距校正量，得到修正后的伪距观测量。
所述滤波模块6用于对所述初始位置坐标采用卡尔曼滤波并输出定位结果。
与相关技术相比较，本发明提供基于gnss的差分定位方法及其定位系统具有如下有益效果：
1、选择合适的平滑滤波常数，有效降低了多路径误差；
2、采用分段平滑滤波，保证平滑的稳定性；
3、采用外接数据流的方式，修正电离层对流层误差；
4、采用卡尔曼滤波，有效利用伪距观测量，提高定位精度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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