一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法，包括以下步骤：步骤1：数据预处理，导入卫星星历、当前历元伪距观测值和当前历元相位观测值；步骤2：组建GNSS双差观测方程，线性化后得到单历元法方程或与之前历元累加法方程；步骤3：用带有多个粒子值的粒子改正法方程中对应偏差，解算法方程；更新粒子滤波权，根据带权粒子，计算相位系统间偏差小数部分的数值及粒子均方根；步骤4：重复步骤1‑3，待滤波收敛后，输出对应的偏差估计值及方差；步骤5：根据误差参数的估计值，在观测值或法方程中改正偏差值，固定整周模糊度，实现精密定位。该方法可实现粒子滤波对多个GNSS偏差参数的同时估计，能够利用较少的观测卫星实现精密相对定位。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法
本专利技术涉及卫星定位系统和定位测量
，具体涉及一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法。
技术介绍
全球卫星导航系统GNSS在精密定位领域的应用越来越广泛；GNSS观测值包含对流层和电离层延迟误差、GLONASS的FDMA信号频间偏差、多系统GNSS定位系统间偏差等。在GNSS精密定位的数据处理中，相位观测值中的这些误差需要消除或估计。在GNSS相位观测值中可能同时存在多于一个的误差未知参数，比如在GLONSS系统参与的GNS多模定位中，GLONASS的频间偏差和同其他星座的系统间偏差会同时存在。在系统组合频率超过两组时，会有两个或以上的系统间偏差参数；传统的解算方法是使用基于最小二乘法的方法，而这些参数与GNSS的模糊度参数存在一定的相关性，比如相位系统间偏差与模糊度参数完全相关。此时在解算中会出现方程秩亏或近似秩亏的情况，需要较多的观测值以增强解算方程，或采用先验值以消除/减弱秩亏。而增加观测数据会延长定位时间；采用先验值的方法则要求先验值具有很高的可靠性，需要事先测定并且较难处理误差值改变的情况。
技术实现思路
本专利技术提供一种用粒子滤波同时估计GNSS多个误差项的基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法。一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法，包括以下步骤：步骤1：对卫星导航数据进行预处理，导入卫星星历、当前历元伪距观测值和当前历元相位观测值；步骤2：建立包含多个误差参数的观测值方程并线性化，得到单历元法方程或与之前历元累加法方程；步骤3：用带有多个粒子值的粒子改正法方程中对应偏差，解算法方程；通过LAMBDA方法进行模糊度固定并输出RATIO值，建立关于RATIO值的函数，用函数值更新粒子权；根据带权粒子，计算相位系统间偏差小数部分的数值及粒子均方根；步骤4：重复步骤1-3，待滤波收敛后，输出未知参数矢量的估计值，包括两个及以上误差参数的估值；步骤5：根据误差参数的估计值矢量，在观测值或法方程中改正偏差值，固定整周模糊度，实现精密定位。进一步的，所述步骤3的具体过程如下：(1)在M个维度上采样产生初始粒子集对于第k个时刻，粒子集由上一时刻滤波结果生成；其中，x为粒子数值，w为对应权值，N为粒子个数，i＝1，2…N为粒子序号；以下将记作矢量xi0，相应的xik代指(2)如误差参数含有GNSS系统间偏差参数，计算对应的粒子维度的均方根；对于每一个维度，判断均方根是否大于给定阈值stdgroup，如果大于阈值则对粒子进行聚簇分析，通过聚簇分析整合分簇粒子，其他类偏差则跳过该步骤；(3)对于每一个粒子，使用粒子的多维值，改正GNSS观测值法方程中的对应偏差；解算法方程，获得未知量的浮点解和相应的协方差阵；通过LAMBDA法进行模糊度固定，并输出对应粒子的RATIO值；(4)建立关于RATIO值的似然函数，用函数值进行粒子滤波权更新，并标准化粒子权值，作为新的粒子权值；(5)计算粒子的期望值作为未知偏差矢量的估值计算粒子的方差(6)判断粒子滤波是否收敛，判断均方根是否小于设定阈值stdthd，若是则输出相位偏差的估值和粒子的方差作为估值结果；(7)如果满足重采样条件，根据更新的权值重新采样；(8)预计下一时刻粒子，对重采样的粒子实时离散化：其中：为离散化时所加的随机噪声；推算下一历元的粒子值，转入步骤1。进一步的，所述步骤(2)中通过聚簇分析整合分簇粒子过程如下：S1：选择粒子值最大和最小的两个粒子作为起始粒子，计算其它粒子到起始粒子的距离，按照距离大小将粒子分为两个组；S2：计算两个粒子组的重心g1，g2，其定义如下：其中，h＝1，2为组号，Nh为各组的粒子个数；粒子组重心距离为：d＝|g1-g2|；S3：判断距离d与载波波长λ之间的差值小于eps，若|d-λ|＜eps成立，则将其中一组粒子通过在维度m上增加或减去一个波长转移到另一组，实现两个粒子组在维度m上合并，m＝1，2…，M；其中eps通常为一个最小值；S4：若未知参数矢量的任一元素是相位系统间偏差，则对该元素相应的粒子维度值重复步骤S1-S3。进一步的，所述步骤(4)中粒子滤波权更新过程如下：S11：建立似然函数与RATIO之间的函数关系：式中：f(RATIO)是关于RATIO值的函数；S12：根据步骤S11中建立的函数关系和第i个粒子对应的RATIO值RATIOi计算对应粒子的似然函数值S13：将似然函数值与对应粒子的权值相乘，获得更新后的粒子权S14：标准化粒子权值，即将每个粒子的权与所有粒子权之和的比值，作为新的粒子权值进一步的，所述步骤(7)中重采样过程如下：S21：根据序号累加粒子权值，获得各粒子的累积分布函数值集：S22：计算所需粒子数Nk+1：式中：n为单元方差对应的粒子个数，为最小粒子个数；S23：生成均匀的或随机的累积分布函数值：S24：依次将粒子序号对应的累积分布函数值，和均匀或随机的累积分布函数值进行对比；对于m＝1，i＝1，如则删除第i个粒子，i＝i+1，否则复制第i个粒子到新的粒子集，m＝m+1；直到m＝Nk+1，得到新的粒子集为S25：设置新的粒子集为等权：得到新的粒子集及权值。进一步的，所述步骤2中单历元法方程或与之前历元累加法方程建立过程如下：GNSS系统伪距非差观测方程为：GNSS系统相位非差观测方程为：式中：i为卫星序号，a为观测站序号，P为GNSS卫星的非差伪距观测值，Φ为GNSS卫星的非差相位观测值，c为光速，δta为GNSS观测站接收机钟差，ρ为观测站到GNSS卫星之间的距离，δti为GNSS卫星钟差，dia为接收机端伪距硬件延迟，di为GNSS卫星端伪距硬件延迟，I为电离层延迟误差，T为对流层延迟误差，ε为伪距观测值的观测噪声，μia为接收机端相位硬件延迟，μi为GNSS卫星端相位硬件延迟，λi为第i颗卫星的载波波长，Nia为整周模糊度，ζ为相位观测值的观测噪声；对于GNSS系统伪距非差观测值和GNSS系统相位非差观测值进行双差组合，消除卫星钟差、接收机钟差，改正电离层延迟误差和对流层延迟误差；得到GNSS系统内双差伪距观测方程：GNSS系统内双差载波相位观测方程：式中：s1为任一卫星系统，sw为s1之外的另一卫星系统，w＝2，3，…W，其中W为组合的卫星频带数，b为双差观测值的另一测站的测站号，j为组成双差观测值的另一GNSS卫星的卫星号，d为伪距系统间偏差，μ为相位系统间偏差，(kj-ki)Δγab为在有GLONASS系统FDMA观测值时的频间偏差，k为卫星号，Δγ为频间偏差率；GNSS系统内双差伪距观测方程和GNSS系统内双差载波相位观测方程线性化后可转化为：v＝Ax+Db+Cz+l式中：x为除模糊度和频间偏差外其他未知量包括测站坐标分量组成的矢量，b为接收机间单差模糊度未知数矢量，z为包含多个偏差的未知矢量，A、D和C分别为未知量对应系数矩阵，l为常数项矢量，P为权矩阵，v为观测值残差矢量；根据线性化方程可可单历元法方程或与之前历元累加法方程：本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术可实现使用粒子滤波对GNSS多个偏差参数的同时估计，包括GLONSS相位频间偏差、多模GNSS相位系统间偏差、对流层延迟等，实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对卫星导航数据进行预处理，导入卫星星历、当前历元伪距观测值和当前历元相位观测值；步骤2：建立包含多个误差参数的观测值方程并线性化，得到单历元法方程或与之前历元累加法方程；步骤3：用带有多个粒子值的粒子改正法方程中对应偏差，解算法方程；通过LAMBDA方法进行模糊度固定并输出RATIO值，建立关于RATIO值的函数，用函数值更新粒子权；根据带权粒子，计算相位系统间偏差小数部分的数值及粒子均方根；步骤4：重复步骤1‑3，待滤波收敛后，输出未知参数矢量的估计值，包括两个及以上误差参数的估值；步骤5：根据误差参数的估计值，在观测值或法方程中改正偏差值，固定整周模糊度，实现精密定位。

【技术特征摘要】
1.一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对卫星导航数据进行预处理，导入卫星星历、当前历元伪距观测值和当前历元相位观测值；步骤2：建立包含多个误差参数的观测值方程并线性化，得到单历元法方程或与之前历元累加法方程；步骤3：用带有多个粒子值的粒子改正法方程中对应偏差，解算法方程；通过LAMBDA方法进行模糊度固定并输出RATIO值，建立关于RATIO值的函数，用函数值更新粒子权；根据带权粒子，计算相位系统间偏差小数部分的数值及粒子均方根；步骤4：重复步骤1-3，待滤波收敛后，输出未知参数矢量的估计值，包括两个及以上误差参数的估值；步骤5：根据误差参数的估计值，在观测值或法方程中改正偏差值，固定整周模糊度，实现精密定位。2.根据权利要求1所述的一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：(1)在M个维度上采样产生初始粒子集对于第k个时刻，粒子集由上一时刻滤波结果生成；其中，x为粒子数值，w为对应权值，N为粒子个数，i＝1，2…N为粒子序号；以下将记作矢量相应的代指(2)如误差参数含有GNSS系统间偏差参数，计算对应的粒子维度的均方根；对于每一个维度，判断均方根是否大于给定阈值stdgroup，如果大于阈值则对粒子进行聚簇分析，通过聚簇分析整合分簇粒子，其他类偏差则跳过该步骤；(3)对于每一个粒子，使用粒子的多维值，改正GNSS观测值法方程中的对应偏差；解算法方程，获得未知量的浮点解和相应的协方差阵；通过LAMBDA法进行模糊度固定，并输出对应粒子的RATIO值；(4)建立关于RATIO值的似然函数，用函数值进行粒子滤波权更新，并标准化粒子权值，作为新的粒子权值；(5)计算粒子的期望值作为未知偏差矢量的估值计算粒子的方差(6)判断粒子滤波是否收敛，判断均方根是否小于设定阈值stdthd，若是则输出相位偏差的估值和粒子的方差作为估值结果；(7)如果满足重采样条件，根据更新的权值重新采样；(8)预计下一时刻粒子，对重采样的粒子实时离散化：其中：为离散化时所加的随机噪声；推算下一历元的粒子值，转入步骤1。3.根据权利要求2所述的一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过聚簇分析整合分簇粒子过程如下：S1：选择粒子值最大和最小的两个粒子作为起始粒子，计算其它粒子到起始粒子的距离，按照距离大小将粒子分为两个组；S2：计算两个粒子组的重心g1，g2，其定义如下：其中，h＝1，2为组号，Nh为各组的粒子个数；粒子组重心距离为：d＝|g1-g2|；S3：判断距离d与载波波长λ之间的差值eps，若|d-λ|＜eps成立，则将其中一组粒子通过在维度m上增加或减去一个波长转移到另一组，实现两个粒子组在维度m上合并，m＝1，2…，M；S4：若未知参数失量的任一元素是相位系统间偏差，则对该元素相应的粒子维度值重复步骤S1-S3。4.根据权利要求2所述的一种基于多维粒子滤波偏差估计的GNSS精密定位方法，其特征在于，所述步骤(4)中粒子滤波权更新过程如下：S11：建立似然函数与RATIO之间的函数关系：式中：f(RATIO)是关于RATIO值的函数；S12：根据步骤S11中建立的函数关系和第i个粒子对应的RATIO值RATIOi计算对应粒子的似然函数值S13：将似然函数值与对应粒子的权值相乘，获得更新后的粒子权S14：标准化粒子权值，即将每个粒子的权与所有粒子权之和的比值，作为新的粒子权值

【专利技术属性】
技术研发人员：田玉淼，刘志赵，葛茂荣，袁林果，黄丁发，周乐韬，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51