一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法，包括：通过融合伪距和载波相位的非差非组合观测量、以及无电离层组合观测量，构建组合/非组合信息的混合观测模型；根据所述组合/非组合信息的混合观测模型，利用Kalman滤波器对精密单点定位状态参数进行递推估计；所述精密单点定位状态参数包括：接收机的三维坐标、接收机钟差、对流层延迟、各卫星斜路径上的电离层延迟、各卫星L1频率信号载波相位模糊度和L2频率信号载波相位模糊度。该方法融合了组合和非组合观测模型各自的优点，提高了精密单点定位算法的适应性和定位性能。

A precise single point location method based on combined and non combined observation model

【技术实现步骤摘要】
一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法
本专利技术涉及卫星精密导航定位领域，特别涉及一种通过融合非组合和组合观测量建立组合/非组合混合观测模型，提高精密单点定位算法的适应性和定位性能的一种方法，具体为一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法。
技术介绍
精密单点定位是一种基于精密星历和钟差产品实现高精度定位的一种技术方法。由于PPP技术在精密定位方面有很多优势，例如只需要单台接收机、无需架设地面基准站、作业距离不受限制和成本低等，因此在广域精密单点定位、地震监测、水汽反演和电离层监测等方面具有广阔的应用前景，并已逐渐成为卫星导航领域的热点研究方向之一。在精密单点定位中，观测函数模型反映观测量与待估参数之间的函数关系，它是实现精密定位解算的关键。无电离层组合模型是最早提出一种精密单点定位观测函数模型，它通过对双频观测数据的线性组合消除了电离层延迟，是目前应用最为广泛也是应用最为成熟的一种函数模型。但由于该模型需要双频观测数据，使其只能用于双频GNSS接收机。此外，由于该模型对双频观测数据进行了线性组合，放大了观测噪声同时也降低了观测量利用效率。近年来，研究人员针对传统无电离层组合模型存在的问题，又先后提出来多种PPP定位函数模型，例如Uofc模型、历元间差模型、星间差模型、星间历元间差模型以及非差非组和模型等。在众多观测模型中，非差非组合模型由于采用原始伪距和载波相位的观测方程避免了观测量之间线性组合放大观测噪声的弊端，同时在仅有单频观测数据时也能进行精密定位解算，对观测信息具有较高的利用效率。基于上述优点，非差非组合模型近年来得到广泛的关注和研究。然而，非差非组合模型由于额外增加了对电离层延迟参数的估计，目前其实际定位性能并不稳定。总而言之，上述中提到的各种函数模型均有各自的优缺点，在实际应用中通常是根据应用对象的不同选择单一函数模型进行PPP定位解算，这使得PPP算法的场景适应性较弱，定位性能也有待提高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法，以解决采用单一函数模型精密定位算法的适应性差的问题，并进一步改善精密单点定位算法的定位性能。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法，包括以下步骤：S1：通过融合伪距和载波相位的非差非组合观测量、以及无电离层组合观测量，构建组合/非组合信息的混合观测模型；S2：根据所述组合/非组合信息的混合观测模型，利用Kalman滤波器对精密单点定位状态参数进行递推估计；所述精密单点定位状态参数包括：接收机的三维坐标、接收机钟差、对流层延迟、各卫星斜路径上的电离层延迟、各卫星L1频率信号载波相位模糊度和L2频率信号载波相位模糊度。进一步地，步骤S1中，融合伪距和载波相位的非差非组合观测量，包括：根据非差非组合模型，采用原始伪距和载波相位观测量，融合为非差非组合观测；所述非差非组合模型的观测方程分别为：式中，i为信号频率编号；Pi和Li分别为GNSS接收机解码得到的fi频率上的原始伪距和载波相位测量值；c为光速；ρ为卫星到接收机天线相位中心之间的几何距离；Δtr为修正的接收机钟差，其包含了实际的接收机钟差和接收机端硬件码延迟的组合；Δts为修正的卫星钟差；Tr为对流层延迟；I为修正的f1频率信号电离层延迟，包含了实际的电离层延迟及差分码偏差项；为电离层频间系数；Bi为修正的模糊度参数，由整周模糊度、接收机端伪距/相位硬件延迟组合和卫星端伪距/相位硬件延时组合构成；mi和Mi分别为伪距和相位观测量多路径；和分别为伪距和相位观测噪声。进一步地，步骤S1中，所述无电离层组合观测量通过无电离层组合模型获得；所述无电离层组合模型通过对双频伪距和载波相位观测量的线性组合来消除观测量中的一阶电离层延迟，其观测方程为：式中，PIF＝γ1P1-γ2P2和LIF＝γ1L1-γ2L2分别为无电离层组合伪距和载波相位观测量，其中BIF＝γ1B1-γ2B2为无电离层组合载波相位偏差；mIF和MIF分别为无电离层组合伪距和相位观测量多路径；和分别为无电离层组合伪距和载波相位观测量的噪声。进一步地，步骤S1中，所述组合/非组合信息的混合观测模型融合了组合和非组合观测模型，当GNSS接收机接收到n颗卫星的双频伪距和载波相位的观测数据时，得到的组合/非组合混合观测方程为：yk＝Hkxk+εk，εk～N(0,Rk)(5)(5)式中，N表示正态分布；yk、Hk、xk和εk分别为第k历元时刻的观测向量、观测矩阵、状态向量和观测噪声向量；观测向量yk为：yk＝(P1,P2,L1,L2,PIF,LIF)T(6)观测矩阵Hk为：(7)式中，Mwet为NMF湿分量投影函数；为卫星与接收机之间的单位观测矢量；状态参数向量xk为：(8)式中，rr＝(x,y,z)为接收机坐标；bclk＝cΔtr为接收机的钟差；Zwet为天顶对流层湿分量延迟；Im(m＝1,...,n)为第m颗卫星f1频率信号的斜路径电离层延迟；为第m颗卫星fi频率信号载波相位偏差；εk对应的观测噪声协方差矩阵Rk为：(9)式中，和分别为原始伪距和相位观测量的噪声协方差矩阵；和分别为无电离层组合伪距和载波相位观测量的噪声协方差矩阵。进一步地，所述步骤S2，包括：S21、根据所述组合/非组合信息的混合观测模型建立精密单点定位Kalman滤波状态方程；S22、根据所述Kalman滤波状态方程，实现对精密单点定位状态参数进行递推估计；其中，所述定位Kalman滤波状态方程：取接收机的三维坐标rr＝(x,y,z)、接收机钟差bclk、对流层延迟Zwet、各卫星斜路径上的电离层延迟I1,...,In、各卫星L1频率信号载波相位模糊度和各卫星L2频率信号载波相位模糊度作为状态变量并形成离散形式的Kalman滤波状态方程为：xk＝Φk,k-1xk-1+Γk-1wk-1(10)(10)式中，Φk,k-1为状态转移矩阵；Γk-1为系统噪声转移矩阵；wk-1为系统噪声向量；状态转移矩阵Φk,k-1和系统噪声转移矩阵Γk-1的表达式为：(11)式中，I为单位矩阵；wk-1对应的过程噪声协方差矩阵为：(12)式中，为对流层随机游走过程噪声；为电离层随机游走过程噪声；为载波相位模糊度偏差随机游走过程噪声；τ为相邻历元间隔。进一步地，所述步骤S22，包括：S221：利用前一时刻的状态估值和对应的协方差矩阵预测当前时刻的状态向量和协方差矩阵(13)和(14)式中，为预测状态向量；为预测状态协方差矩阵。S222：利用当前时刻的观测量yk更新当前时刻的状态向量和对应的协方差矩阵(15)～(17)式中，Kk本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：通过融合伪距和载波相位的非差非组合观测量、以及无电离层组合观测量，构建组合/非组合信息的混合观测模型；/nS2：根据所述组合/非组合信息的混合观测模型，利用Kalman滤波器对精密单点定位状态参数进行递推估计；所述精密单点定位状态参数包括：接收机的三维坐标、接收机钟差、对流层延迟、各卫星斜路径上的电离层延迟、各卫星L1频率信号载波相位模糊度和L2频率信号载波相位模糊度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过融合伪距和载波相位的非差非组合观测量、以及无电离层组合观测量，构建组合/非组合信息的混合观测模型；
S2：根据所述组合/非组合信息的混合观测模型，利用Kalman滤波器对精密单点定位状态参数进行递推估计；所述精密单点定位状态参数包括：接收机的三维坐标、接收机钟差、对流层延迟、各卫星斜路径上的电离层延迟、各卫星L1频率信号载波相位模糊度和L2频率信号载波相位模糊度。


2.如权利要求1所述的一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法，其特征在于，步骤S1中，融合伪距和载波相位的非差非组合观测量，包括：
根据非差非组合模型，采用原始伪距和载波相位观测量，融合为非差非组合观测；所述非差非组合模型的观测方程分别为：






式中，i为信号频率编号；Pi和Li分别为GNSS接收机解码得到的fi频率上的原始伪距和载波相位测量值；c为光速；ρ为卫星到接收机天线相位中心之间的几何距离；Δtr为修正的接收机钟差，其包含了实际的接收机钟差和接收机端硬件码延迟的组合；Δts为修正的卫星钟差；Tr为对流层延迟；I为修正的f1频率信号电离层延迟，包含了实际的电离层延迟及差分码偏差项；ai＝f12/fi2为电离层频间系数；Bi为修正的模糊度参数，由整周模糊度、接收机端伪距/相位硬件延迟组合和卫星端伪距/相位硬件延时组合构成；mi和Mi分别为伪距和相位观测量多路径；和分别为伪距和相位观测噪声。


3.如权利要求2所述的一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述无电离层组合观测量通过无电离层组合模型获得；
所述无电离层组合模型通过对双频伪距和载波相位观测量的线性组合来消除观测量中的一阶电离层延迟，其观测方程为：






式中，PIF＝γ1P1-γ2P2和LIF＝γ1L1-γ2L2分别为无电离层组合伪距和载波相位观测量，其中BIF＝γ1B1-γ2B2为无电离层组合载波相位偏差；mIF和MIF分别为无电离层组合伪距和相位观测量多路径；和分别为无电离层组合伪距和载波相位观测量的噪声。


4.如权利要求3所述的一种基于组合和非组合混合观测模型的精密单点定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述组合/非组合信息的混合观测模型融合了组合和非组合观测模型，当GNSS接收机接收到n颗卫星的双频伪距和载波相位的观测数据时，得到的组合/非组合混合观测方程为：
yk＝Hkxk+εk，εk～N(0,Rk)(5)
(5)式中，N表示正态分布；yk、Hk、xk和εk分别为第k历元时刻的观测向量、观测矩阵、状态向量和观测噪...

【专利技术属性】
技术研发人员：周建华，赵龙，胡彩波，张且且，李跃跃，韦官余，薛润民，
申请(专利权)人：中国人民解放军六一零八一部队，北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11