一种基于伪距观测噪声的伪距差分定位分区定权方法

1.本发明属于全球导航卫星定位技术领域，特别涉及一种基于卫星伪距观测噪声的伪距差分定位分区定权方法。


背景技术：

2.在全球导航卫星定位技术中，伪距差分定位能够有效消除或削弱时钟、大气等误差影响，提高定位的精度和时效性，另一方面，相对于载波相位差分定位，伪距差分定位时间短，效率高，放宽了使用限制。特别对于单频gnss接收机，因无需解算周跳和模糊度，只需具有简单的差分功能即可实现定位，且终端价格相对低廉，若能达到分米级的定位精度，将具有广阔的市场应用前景。
3.在伪距差分定位中，观测值的权阵，即随机模型影响着线性(或线性化)观测方程的参数估值及其精度评定，一个合适的定权方法可有效降低各种系统残余误差的影响，提高导航定位的精度。目前，较常用的定权方法有等权法、基于高度角、载噪比或信噪比定权。等权模型认为所有的卫星观测值有相同的精度，赋予其相同的权重，该定权方法计算简单，主要应用在观测环境较好的情况；高度角定权法是根据卫星的高度不同，赋予不同的权重，通常高度角较小的观测值受电离层、对流层和多路径误差的影响更大，其观测质量不如高度角大的观测值，此时可降低其权重，反之亦然。由于卫星观测值受影响因素很多，等权法及高度角定权不能准确地评估观测值的质量，在实际应用中具有一定的局限性。对于信噪比或信噪比定权法，主要利用了载波能量与噪声能量的比值来定权，通常用于载波相位定位中。因此，在伪距差分定位中，如何实时构建观测值合适的权阵以提升定位精度一直是该领域众多学者关注的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的，在于提供一种基于伪距观测噪声的伪距差分定位分区定权方法，能够有效评估双差伪距观测量的质量，提高导航定位的精度。
5.为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
6.一种基于伪距观测噪声的伪距差分定位分区定权方法，包括如下步骤：
7.步骤1，基于载波、伪距双差观测量构建几何无关组合观测量l；
8.步骤2，利用滑动窗口取平均法获得电离层及载波观测量模糊度固定值δln(k)，并进一步分离出伪距观测噪声
9.步骤3，以观测噪声越小对定位解算贡献率越大为原则，结合各卫星观测噪声所在区间，将观测噪声绝对值的倒数作为主要权重因子，建立各卫星双差伪距观测量的定权模型。
10.上述步骤1中，载波双差观测量表达式是：
[0011][0012]
伪距双差观测量表达式是：
[0013][0014]
其中，为星际站际差分算子；λ为对应的载波波长；分别为双差载波、伪距观测量；ρ为站星几何距离；n为载波观测量模糊度；i1、t分别为电离层、对流层误差；分别为双差载波、伪距观测噪声；
[0015]
则忽略双差载波观测噪声的影响，几何无关组合观测量l的表达式是：
[0016][0017]
上述步骤2中，设置时间窗口n，多历元取观测量l的平均值，获得每个历元k中的常数δl：
[0018][0019]
然后采用累积移动平均值，得到：
[0020][0021]
当k＜n时，滑动窗口的历元数取n＝k。
[0022]
上述步骤2中，分离得到的双差伪距观测噪声是：
[0023][0024]
上述步骤3中，得到的权阵f模型是：
[0025][0026]
其中，为双差伪距观测噪声，i为每颗卫星的序号。
[0027]
采用上述方案后，本发明的主要优点在于：
[0028]
①
基于载波、伪距双差观测量构建几何无关组合，并利用滑动窗口取平均法进一步分离出双差伪距观测噪声，所获得的伪距观测噪声值实时性高且较准确，能够有效评估双差伪距观测量的质量；
[0029]
②
根据各卫星观测噪声所在不同区域，以观测噪声绝对值的倒数作为主要权重因子，建立了观测噪声分区定权随机模型，较好遵循了观测值质量高对定位解算贡献率大的原则，易于实际应用。
[0030]
本发明的有益效果是：
[0031]
本发明可用于伪距差分定位中，满足人们日常生活中快速实时分米级定位需求，无需初始化收敛时间，相对于常规等权及高度角定权等定权方法，本发明可以有效评估用户伪距差分定位的效果，具有一定的实际应用价值。
附图说明
[0032]
图1是本发明的流程图。
[0033]
图2是本发明实施例中，北斗/gps两颗代表卫星几何无关观测量l情况；
[0034]
图3是本发明实施例中，北斗/gps两颗代表卫星双差伪距观测噪声情况；
[0035]
图4是本发明实施例中，基于三种定权方法所求待定点在n、e平面及u方向的定位误差；
[0036]
其中，(i)表示平面方向，(ii)表示垂直方向；(a)对应单位权，(b)对应高度角定权，(c)对应观测噪声定权；
[0037]
图5是本发明实施例中，三种定权方法在三条不同距离实施例中，所有历元点位误差在三个误差区间的分布统计情况；
[0038]
其中，(a)对应szjt-jint-28km，(b)对应taoy-szjt-46km，(c)对应szjt-snan-76km。
具体实施方式
[0039]
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
[0040]
本发明提供一种基于伪距观测噪声的伪距差分定位分区定权方法，首先，基于载波、伪距双差观测量构建几何无关组合观测量l；然后，利用滑动窗口取平均法获得电离层及载波观测量模糊度固定值δln(k)，并进一步分离出伪距观测噪声最后，以观测噪声越小对定位解算贡献率越大为原则，结合各卫星观测噪声所在区间，将观测噪声绝对值的倒数作为主要权重因子，建立各卫星双差伪距观测量的定权模型f。在此基础上，结合伪距差分定位基本模型，实现基于卫星伪距观测噪声的分区定权的实时定位解算，实现具体流程参见图1，具体步骤如下：
[0041]
步骤1，在差分定位中，主要采用观测值的双差形式作为基本模型，观测值在星间、站间求差过程中完全消除了接收机及卫星的钟误差，忽略卫星轨道、多路径误差影响，对于l1频率，卫星双差载波及伪距基本观测方程分别为：
[0042][0043][0044]
式中，为星际站际差分算子；λ为对应的载波波长；分别为双差载波、伪距观测量；ρ为站星几何距离；n为载波观测量模糊度；i1、t分别为电离层、对流层误差；分别为双差载波、伪距观测噪声。
[0045]
根据式(1)、(2)构建几何无关组合观测量l，鉴于载波观测噪声远小于伪距，为此忽略其影响，观测量l表示为：
[0046][0047]
步骤2，对于几何无关组合观测量l，鉴于在短时间内，电离层延迟误差变化小，载波观测量模糊度为常数，通过设置时间窗口n，通常取n＞10，多历元取观测量l的平均值消除观测噪声，在每一历元k获得常数δl：
[0048][0049]
为了便于计算，采用累积移动平均值
[0050][0051]
当k＜n时，滑动窗口的历元数取n＝k；进一步分离出双差伪距观测噪声
[0052][0053]
步骤3，根据非差伪距观测噪声通常为
±
0.3m，结合误差传播定律其双差观测噪声为
±
0.6m。为了加大观测噪声小、质量相对较优卫星对定位解算的贡献，借鉴抗差估计中分区定权的思路，以观测噪声越小对定位解算贡献率越大为原则，基于各卫星双差伪距观测量观测噪声，将观测噪声绝对值的倒数作为主要权重因子，构造如下权阵f模型，其中，i表示每颗卫星的序号：
[0054][0055]
实施例1：选取了北斗/gps真实观测数据验证本发明的可靠性。实验中将两接收机安置于已知准确坐标的站点a、b上，其中站点a作为基准站，b作为待定点，两站点相距61km，连续观测15分钟时间，数据采样率1秒，共计900个历元。以下将采用本发明方法构建基于卫星伪距观测噪声的伪距差分分区定权，同时结合伪距差分定位模型单历元解算站点b坐标，并同已知准确值比较。
[0056]
1.构建几何无关组合观测量l
[0057]
将北斗/gps载波、伪距双差观测值(已知)相减构建几何无关组合观测量l：
[0058][0059]
选取北斗卫星c09及gps卫星g01为例，图2为两卫星每个历元(每一秒)几何无关组合观测量l的情况。可以看出，鉴于电离层延迟误差变化小，载波模糊度为常数，两卫星几何无关组合观测量l受观测噪声影响总体上围绕一固定常数上下波动。
[0060]
2.分离双差伪距观测噪声
[0061]
根据上述无关组合观测量l，通过设置一定宽度的时间窗口n，例如n＝100，即取连续100个历元观测量l的平均值，消除观测噪声，获得常数δl：
[0062][0063]
为了便于计算，采用累积移动平均值：
[0064][0065]
当k＜100时，滑动窗口的历元数取n＝k；进一步分离出每颗卫星的双差伪距观测噪声：
[0066][0067]
同样，以北斗卫星c09及gps卫星g01为例，图3为两卫星每个历元(每一秒)双差伪距观测噪声的情况。可以看出，几何无关组合观测量l剔除常数δl后，获得了较为精确的伪距观测噪声，两卫星双差伪距观测噪声主要在-1m至1m范围波动。
[0068]
3.基于观测噪声分区定权
[0069]
在每个历元中，根据每颗卫星的观测噪声值，结合式(5)对每颗卫星的双差伪距观测量进行定权。如，在第10个历元中，北斗卫星c09及gps卫星g01的观测噪声分别为0.697m及0.223m，对应的权重根据式(5)计算可得权重分别为2.867及17.908，及卫星c09的观测噪声大，质量较差，其对应的权重小，反之，卫星g01卫星权重大。
[0070][0071]
4.基于观测噪声分区定权的伪距差分定位
[0072]
结合北斗/gps伪距差分定位基本模型：
[0073][0074]
式(6)线性化后对应误差方程可表示为：
[0075]
v＝bx-l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0076]
其中，未知数为待定点位置近似值改正数，x＝[δx δy δz]，b为对应的线性化系数矩阵，ρ
°
为基于待定点近似值计算获得的站星几何距离。则根据最小二乘原理有：
[0077]
x＝(b
t
fb)-1bt
fl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0078]
通过求解方程(8)即可获得t时刻待定点b的坐标，并将其同准确值比较。此外，式(8)中，若权阵f采用高度角定权法或等权法，则同样可以获得该定权方法下对应的待定点b的坐标。
[0079]
图4为利用等权(即单位权)、高度角定权及观测噪声定权三种定权方法获得的待定点b坐标与准确值在平面与垂直方向上的误差情况。从图4可以看出，三种定权方法平面精度均在分米级，高程精度在1米左右。基于观测噪声分区定权法定位误差在南北n、东西e、垂直u方向主要集中在-0.3～0.5m，-0.1～0.6m，0～1.5m，误差分布相对集中，内符合精度较高，对应的均方根误差分别为0.14m，0.12m，0.28m，总体上无论在平面还是高程方向定位精度明显优于其他两种方法定权方法。
[0080]
实施例2：为了进一步检验伪距观测噪声定权的适用性，实验从不同长度基线定位情况进行验证分析。选取苏州cors中szjt、jint、taoy以及snan四个参考站，其中szjt作为基准站(坐标已知)，其余三个参考站作为待定点，形成长度分别为28km、46km以及76km的三条基线；并选择采样率为1s的25分钟gnss观测数据，在该时段共可观测12颗北斗卫星，其中c08卫星仰角最大，解算中选为参考卫星。
[0081]
表1列出了三种定权方法在不同长度距离下的n、e、u三个方向以及最终点位p的均方根误差，可以看出，在平面方向(n、e方向)，基于观测噪声分区定权法定位的均方根误差约0.15m，优于其他两种方法5～10cm，而在垂直方向上定位精度提升更明显，优于20～30cm。结合图3中所有历元点位误差在三个误差区间的分布统计情况，对于观测噪声分区定权法，点位误差主要控制在1米之内，三条不同长度距离中点位误差在0.5米之内的比例均达到60％以上，特别对于中短基线szjt-jint(28km)，超过80％点位误差在0.5米之内，而其他两种定权方法点位误差在0.5米之内的比例约为50％，因此，观测噪声分区定权法定位误差的稳定性优于其他两种定权方法。此外，综合对比三条不同距离定位效果，总体上，随着相对距离的增加，点位误差逐渐增大。综上分析，鉴于观测噪声作为伪距相对定位的主要误差之一，基于观测噪声定权法，能够根据每个历元中各卫星的观测噪声灵活调整各观测量信息的贡献率，一定程度上削弱了观测噪声的影响，有效提高了定位精度。
[0082]
表1三种定权方法在不同长度基线下的定位效果情况单位：m
[0083][0084]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。