附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法和装置。方法包括：获取码伪距和多普勒观测值；根据码伪距和多普勒观测值，形成单点定位观测误差方程；利用上一时刻位置速度的状态估值建立系统匀速运动状态模型；根据单点定位观测误差方程和系统匀速运动状态模型建立抗差自适应滤波模型，由抗差自适应滤波模型得到当前状态初始估值；利用正交函数拟合先前时刻状态估值并建立约束条件，由约束条件对当前状态初始估值进行约束修正。可以在不增加成本的前提下，充分利用接收机先前运动信息，挖掘新的尚可利用的约束条件，使在不良遮挡环境中，可视卫星空间分布不佳的条件下，也能极大地缩小定位偏移，平滑接收机的运动轨迹，提高定位结果的准确度，增强滤波的稳定性。

Constrained filter algorithm and device for fitting orthogonal functions

The invention discloses a method and a device for solving constrained filtering based on fitting conditions of orthogonal functions. Methods include: Obtaining code pseudo-range and Doppler observations; Forming single-point positioning observation error equation based on code pseudo-range and Doppler observations; Establishing uniform motion state model based on the state estimation of position velocity at the previous time; Establishing robust based on single-point positioning observation error equation and uniform motion state model of the system. Adaptive filtering model, the robust adaptive filtering model to get the current state initial estimation; using orthogonal function to fit the previous time state estimation and establish constraints, the current state initial estimation is modified by constraints. Under the premise of not increasing the cost, we can make full use of the previous motion information of the receiver and excavate the new available constraints. Under the condition of poor spatial distribution of the visible satellite in unfavorable occlusion environment, the positioning offset can be greatly reduced, the motion trajectory of the receiver can be smoothed, and the accuracy of the positioning results can be improved. To enhance the stability of filtering.

【技术实现步骤摘要】
附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法及装置
本专利技术属于GNSS(全球导航卫星系统)定位与导航
，特别涉及一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法和一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算装置。
技术介绍
随着无人机、共享单车、滴滴打车、无人驾驶汽车等大众导航新兴产业的发展，对于利用全球卫星导航定位技术实现米级至亚米级导航定位的需求正日趋旺盛。在大众导航领域采用的卫星接收机大都是价格低廉、功能单一、数据质量不稳定的单频接收机。尤其在这类接收机短暂经过城市高楼、高架桥、高大绿化植物时，卫星信号被遮挡而可视卫星空间分布差，使定位结果往净空条件好的一侧偏移。国内外很多学者都对可视卫星空间分布差使得定位结果发生偏移的问题进行了分析，有实验表明，基于3D建筑模型将阴影匹配技术与卫星定位技术组合的定位算法；也有其他学者利用车轮进动信息将航位推算(DR)系统与全球定位(GPS)系统组合，使得在信号遮挡时也可连续可靠定位的方法；还有学者基于惯性导航系统(INS)不受净空环境干扰的特点，实现了GPS/INS组合定位的算法。值得指出的是，以上研究成果加入了其他测量设备，极大地增加了硬件成本，难以满足低成本的大众导航现实需求。因此，一些学者提出了通过附加条件的方法对定位算法进行优化。附加航向条件的方法就是通过现有地图或已知的道路航向构建条件，缺点是需要提前获知准确的航向信息；附加基线条件的方法是利用两个或多个天线间相对距离始终保持固定而建立的，但采用多天线在一定程度上增加硬件成本。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法和一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算装置。为了实现上述目的，本专利技术的第一方面，提供了一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法，包括：步骤S110、获取码伪距和多普勒观测值；步骤S120、根据所述码伪距和所述多普勒观测值，形成单点定位观测误差方程；步骤S130、利用上一时刻位置速度的状态估值建立系统匀速运动状态模型；步骤S140、根据所述单点定位观测误差方程和所述系统匀速运动状态模型建立抗差自适应滤波模型，由所述抗差自适应滤波模型得到当前状态初始估值；步骤S150、利用正交函数拟合先前时刻状态估值并建立约束条件，由所述约束条件对所述当前状态初始估值进行约束修正。可选地，所述步骤S120中，根据下述关系式形成所述单点定位观测误差方程：Vk＝AkXk-Lk；其中，Lk、Xk、Ak、Vk中的下标为第k时刻；Lk为接收机观测向量，其中各项的下标P和D分别代表码伪距和多普勒观测值，P或D的上标为卫星序号；Xk为待估参数向量，其中的前三项代表位置参数，接着三项为速度参数，最后两项为接收机钟差参数及接收机钟漂参数；Ak为设计矩阵，其中的α、β、γ、l、m、n分别是站星距和站星距变化率的一阶泰勒展开式系数，它们的上标为卫星序号；Vk为观测值残差向量，其中的前三项为各轴向的位置残差，接着三项为速度残差，最后两项分别为接收机钟差残差及接收机钟漂残差。可选地，所述步骤S130中，根据下述关系式建立所述系统匀速运动状态模型：其中，Φk，k-1中的下标k为第k时刻，即当前时刻，k-1为第k-1时刻，即当前时刻的上一时刻；为上一时刻状态估值向量，其中的前三项为位置、接着三项为速度，最后两项为钟差和钟漂；Φk，k-1为系统匀速运动的一步状态转移矩阵，其中的Δt为一步状态转移的时间间隔；为系统匀速运动的一步预测向量，其中的前三项为位置、接着三项为速度，最后两项为钟差和钟漂。可选地，所述步骤S140的步骤包括：根据所述系统匀速运动状态模型，计算系统匀速运动的一步预测协方差矩阵；其中，协方差矩阵满足下述关系式：其中，Wk为系统匀速运动状态模型的噪声矩阵；为上一时刻系统状态估值的协方差；为系统一步预测向量的协方差。根据所述单点定位观测误差方程和所述系统匀速运动的一步预测协方差矩阵，计算抗差自适应滤波模型的增益矩阵；其中，抗差自适应滤波模型的增益矩阵满足下述关系式：其中，为抗差估计得到的观测向量协方差矩阵；αk为自适应因子；为抗差自适应滤波模型的增益矩阵。根据所述单点定位观测误差方程和所述抗差自适应滤波模型的增益矩阵，计算当前状态向量初始估值和当前状态向量初始估值的协方差矩阵；其中，当前状态向量初始估值和当前状态向量初始估值的协方差矩阵满足下述关系式：其中，I为单位矩阵；Pk为未经抗差估计的原始观测向量协方差矩阵为当前状态向量初始估值；；为当前状态向量初始估值的协方差矩阵。可选地，所述步骤S150包括：根据当前时刻倒推j个时刻的状态估值以及对应的时间节点{tk-1，tk-2，…，tk-j}，计算离散的正交多项式；其中，离散的正交多项式满足下述关系式：式中，n＜j为多项式的幂指数，j为窗口宽度且：建立正规方程组：根据所述正规方程组，计算得到拟合函数的系数{a0，a1，…，an}；其中，拟合函数满足下述关系式：根据所述拟合函数，获取得到当前时刻状态约束值以及当前时刻状态拟合残差平方和均值；其中，当前时刻状态拟合残差平方和均值满足下述关系式：根据Dk和Rk，建立约束条件；其中，约束条件满足下述关系式：其中，B为设计的单位矩阵；vk是约束值残差向量。根据所述约束条件，获得附加正交函数拟合条件的约束滤波模型，其中，附加正交函数拟合条件的约束滤波模型满足下述关系式：其中，I为单位矩阵；为经过拟合条件约束修正的当前状态向量估值；为经过拟合条件约束修正的当前状态向量估值的协方差矩阵。本专利技术的第二方面，提供了一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算装置，包括：获取模块，用于获取码伪距和多普勒观测值；形成模块，用于根据所述码伪距和所述多普勒观测值，形成单点定位观测误差方程；建立模块，用于利用上一时刻位置速度的状态估值建立系统匀速运动状态模型；初始化模块，用于根据所述单点定位观测误差方程和所述系统匀速运动状态模型建立抗差自适应滤波模型，由所述抗差自适应滤波模型得到当前状态初始估值；修正模块，用于利用正交函数拟合先前历元状态估值并建立约束条件，并根据所述约束条件对所述当前状态向量初始估值进行修正。可选地，所述形成模块根据下述关系式形成所述单点定位观测误差方程：Vk＝AkXk-Lk；其中，Lk、Xk、Ak、Vk中的下标为第k时刻；Lk为接收机观测向量，其中各项的下标P和D分别代表码伪距和多普勒观测值，P或D的上标为卫星序号；Xk为待估参数向量，其中的前三项代表位置参数，接着三项为速度参数，最后两项为接收机钟差参数及接收机钟漂参数；Ak为设计矩阵，其中的α、β、γ、l、m、n分别是站星距和站星距变化率的一阶泰勒展开式系数，它们的上标为卫星序号；Vk为观测值残差向量，其中的前三项为各轴向的位置残差，接着三项为速度残差，最后两项分别为接收机钟差残差及接收机钟漂残差。可选地，所述建立模块，用于根据上一时刻位置速度的状态估值建立系统匀速运动状态模型：其中，Φk，k-1中的下标k为第k时刻，即当前时刻，k-1为第k-1时刻，即当前时刻的上一时刻；为上一时刻状态估值向量，其中的前三项为位置、接着三项为速度，最后两项为钟差和钟漂；Φk，k-1为系统匀速运动的一步状态转移矩阵，其中的Δt为一步状态转移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法，其特征在于，包括：步骤S110、获取码伪距和多普勒观测值；步骤S120、根据所述码伪距和所述多普勒观测值，形成单点定位观测误差方程；步骤S130、利用上一时刻位置速度的状态估值建立系统匀速运动状态模型；步骤S140、根据所述单点定位观测误差方程和所述系统匀速运动状态模型建立抗差自适应滤波模型，由所述抗差自适应滤波模型得到当前状态初始估值；步骤S150、利用正交函数拟合先前时刻状态估值并建立约束条件，由所述约束条件对所述当前状态初始估值进行约束修正。

【技术特征摘要】
1.一种附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法，其特征在于，包括：步骤S110、获取码伪距和多普勒观测值；步骤S120、根据所述码伪距和所述多普勒观测值，形成单点定位观测误差方程；步骤S130、利用上一时刻位置速度的状态估值建立系统匀速运动状态模型；步骤S140、根据所述单点定位观测误差方程和所述系统匀速运动状态模型建立抗差自适应滤波模型，由所述抗差自适应滤波模型得到当前状态初始估值；步骤S150、利用正交函数拟合先前时刻状态估值并建立约束条件，由所述约束条件对所述当前状态初始估值进行约束修正。2.根据权利要求1所述的附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法，其特征在于，所述步骤S120中，根据下述关系式形成所述单点定位观测误差方程：Vk＝AkXk-Lk；其中，Lk、Xk、Ak、Vk中的下标为第k时刻；Lk为接收机观测向量，其中各项的下标P和D分别代表码伪距和多普勒观测值，P或D的上标为卫星序号；Xk为待估参数向量，其中的前三项代表位置参数，接着三项为速度参数，最后两项为接收机钟差参数及接收机钟漂参数；Ak为设计矩阵，其中的α、β、γ、l、m、n分别是站星距和站星距变化率的一阶泰勒展开式系数，它们的上标为卫星序号；Vk为观测值残差向量，其中的前三项为各轴向的位置残差，接着三项为速度残差，最后两项分别为接收机钟差残差及接收机钟漂残差。3.根据权利要求2所述的附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法，其特征在于，所述步骤S130中，根据下述关系式建立所述系统匀速运动状态模型：其中，Φk，k-1中的下标k为第k时刻，即当前时刻，k-1为第k-1时刻，即当前时刻的上一时刻；为上一时刻状态估值向量，其中的前三项为位置、接着三项为速度，最后两项为钟差和钟漂；Φk，k-1为系统匀速运动的一步状态转移矩阵，其中的Δt为一步状态转移的时间间隔；为系统匀速运动的一步预测向量，其中的前三项为位置、接着三项为速度，最后两项为钟差和钟漂。4.根据权利要求3所述的附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法，其特征在于，所述步骤S140包括：根据所述系统匀速运动状态模型，计算系统匀速运动的一步预测协方差矩阵；其中，协方差矩阵满足下述关系式：其中，Wk为系统匀速运动状态模型的噪声矩阵；为上一时刻系统状态估值的协方差；为系统一步预测向量的协方差。根据所述单点定位观测误差方程和所述系统匀速运动的一步预测协方差矩阵，计算抗差自适应滤波模型的增益矩阵；其中，抗差自适应滤波模型的增益矩阵满足下述关系式：其中，为抗差估计得到的观测向量协方差矩阵；αk为自适应因子；为抗差自适应滤波模型的增益矩阵。根据所述单点定位观测误差方程和所述抗差自适应滤波模型的增益矩阵，计算当前状态向量初始估值和当前状态向量初始估值的协方差矩阵；其中，当前状态向量初始估值和当前状态向量初始估值的协方差矩阵满足下述关系式：其中，I为单位矩阵；Pk为未经抗差估计的原始观测向量协方差矩阵为当前状态向量初始估值；；为当前状态向量初始估值的协方差矩阵。5.根据权利要求4所述的附加正交函数拟合条件的约束滤波解算方法，其特征在于，所述步骤S150包括：根据当前时刻倒推j个时刻的状态估值以及对应的时间节点{tk-1，tk-2，…，tk-j}，计算离散的正交多项式；其中，离散的正交多项式满足下述关系式：式中，n＜j为多项式的幂指数，j为窗口宽度且：建立正规方程组：根据所述正规方程组，计算得到拟合函数的系数{a0，a1，…，an}；其中，拟合函数满足下述关系式：根据所述拟合函数，获取得到当前时刻状态约束值以及当前时刻状态拟合残差平方和均值；其中，当前时刻状态拟合残差平方和均值满足下述关系式：根据Dk和Rk，建立约束条件；其中，约束条件满足下述关系式：其中，B为设计的单位矩阵；vk是约束值残差向量。根据所述约束条件，获得附加正交函数拟合条件的约束滤波模型，其中，附加正交函数拟合条件的约束滤波模型满足下述关系式：其中，I为单位矩阵；为经过拟合条件约束修正的当前状态向量估值；为经过拟合条件约束修正的当前状态向量估值的协方差矩阵。...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘树国，闫志跃，刘国良，喻国荣，张建，张瑞成，王彦恒，
申请(专利权)人：东南大学，南京康帕斯导航科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32