一种INS辅助BDS单频接收机的模糊度快速解算方法

摘要

本发明公开了一种INS辅助BDS单频接收机的模糊度快速解算方法，在BDS的一个历元内,由INS提供的短时高质量定位信息代替伪距快速固定模糊度，模糊度固定以后得到的BDS高精度定位信息要去更新INS定位信息，是一个闭合的耦合环。本技术采用扩展卡尔曼滤波来实现两种导航系统的融合，而扩展卡尔曼滤波器作为卫星导航系统常用的耦合滤波方法，能够自动调整两个导航系统的在组合系统中的权重，使得组合系统误差最小。本发明利用INS高精度定位信息对应的卫星接收机几何距离代替精度低的伪距，减小模糊度搜索范围，加快模糊度的固定，提供BDS接收机的实时性指标。

说明书

技术领域

本发明一种INS辅助BDS单频接收机的模糊度快速解算方法，属于卫星导航定位技术领域。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)是提供时间和空间基准的基础设施，随着物联网，无人驾驶，智慧城市等新兴技术的发展。GNSS变得越来越重要，它不仅可以为飞机，舰船，车辆等提供导航服务，也可以为大地测量，地震监测，测绘遥感等行业提供高精度定位信息，还可以为电力，通信等领域提供精准的授时和校频服务。正因为GNSS如此重要，各个大国都在尽力发展自己的GNSS，包括美国的全球定位系统(GPS)，中国的北斗卫星导航系统(BDS)，欧盟的伽利略系统和俄罗斯的格洛纳斯系统。随着各种高新技术对定位导航服务的需求越来越高，不仅需要有高精度的定位，而且定位速度也要求具有相当的实时性和稳定性。

近年来，各个GNSS都在不断完善和现代化，包括增加频点观测值信息，例如：GPS现代化的重要内容就是增加L5频点。BDS全星座提供三个频点的观测值信息，多频点观测值可以组合形成具有长波长，低电离层延迟误差，低噪声等优良特性的虚拟观测值，对模糊度解算有诸多有利条件，提高GNSS接收机的实时性指标。然而，多频接收机成本也随着频点数的增加不断提高，会影响接收机的广泛推广和应用。为了解决这个问题，很多研究人员进行了相关研究，包括将BDS和GPS单频观测值进行融合解算，利用各种先验信息约束模糊度，缩小模糊度搜索空间，提供模糊度的解算速度，这些先验信息可以是电离层先验信息，例如全球电离层建模参数，也可以是静态定位下的多径周期性先验量，还可以是对流层建模对应的大气延迟参数。以上先验信息虽然都可以在一定程度上缩小模糊度搜索范围，但是由于未完全建模等因素，时间作用有限。

载波相位模糊度的一般求解方法是利用伪距和载波相位测量值中几何距离相等的条件，将没有模糊度的伪距观测值代入载波相位观测值方程即可求取模糊度。由于定位信息是由东(E)、北(N)、天(U)三个维度组成，并且接收机时钟偏差差分之前被当作未知参数处理，所以至少由四个线性无关方程求解四个模糊度。四个模糊度的浮点解实际上并不是完全独立的，由于卫星所处的位置和多种误差源的影响，即使是双差之后。载波相位观测值之间也由相互关系，这种相互关系就体现在它们所组成的矩阵协方差中。为了解决这个问题，现在流行得做法是采用最小二乘模糊度降相关平差法(LAMBDA),但是在城市峡谷等环境中，卫星信号受到建筑物遮挡导致几何结构不好，多径效应严重，特别是伪码多径，有时码多误差高达10m，这使得模糊度解算的收敛时间无法满足实时性需求。

惯性导航系统(INS)具有高输出率的短时高精度信息，是一种不受外界干扰的独立导航系统，它与GNSS具有很强的优势互补性。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种INS辅助BDS单频接收机的模糊度快速解算方法，利用INS的高精度定位信息对应的卫星接收机几何距离代替精度低的伪距，大大缩小了模糊度解算范围，加快了模糊度的解算速度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种INS辅助BDS单频接收机的模糊度快速解算方法，包括如下步骤：

获取BDS参考站和流动站的伪距和载波相位测量值，针对短基线情况，差分解算得到伪距和载波相位的双差观测值，进行模糊度固定解算，得到BDS定位信息；

所述伪距和载波相位的双差观测值的求解过程，包括如下步骤：

确定在t时刻BDS伪距和载波相位测量值的观测值方程为：

P＝ρ+T+I+c(dt^s-dt_r)+ε_P

Φ＝ρ+T-I+c(dt^s-dt_r)+λ·N+ε_Φ

其中，P表示伪距测量值，Φ表示载波相位测量值，ρ表示卫星与接收机之间的几何距离，T表示对流层延迟误差，I表示电离层延迟误差，c表示光在真空中的传播速度，dt^s表示卫星端时钟偏差，dt_r表示接收机端时钟偏差，ε_P表示伪距其他综合误差，ε_Φ表示载波相位的其他综合误差；

经过参考站b与流动站r做差可以消除公共的卫星端时钟偏差dt^s，由于本技术主要应用于短基线情况，相对于距离地球两万公里的中轨道MEO卫星或者三万六千公里的高轨道GEO和IGSO卫星来说，基准站和流动站可以近似看作是一个点，因此消除电离层延迟误差I和对流层延迟误差T；

选取一个高仰角，具有高信噪比观测值的卫星作为参考卫星，与其他卫星的观测值再次做差，消除接收机端的公共时钟偏差dt_r，经过两次差分后，伪距和载波相位的双差观测值方程表示为：

其中，表示双差后的伪距测量值，分别表示双差后的载波相位测量值，表示双差后的卫星与接收机之间的几何距离，表示双差后的载波相位测量值，表示双差后的伪距其他综合误差，表示双差后的载波相位其它综合误差。

在伪距观测值误差大，特别是信号受到遮挡导致伪距多径效应严重的情况下，采用INS辅助BDS进行单频模糊度快速解算，利用高精度INS定位信息和精密星历求得的卫星和接收机间几何距离代替伪距，提高模糊度浮点解精度，加快模糊度固定速度；

所述INS辅助BDS进行单频模糊度快速解算的过程为缩小搜索空间进行解算的过程，包括如下步骤：

确定模糊度解算公式为：

其中表示模糊度浮点解，是载波相位的确定测量值，是伪距的确定测量值，λ表示载波波长；模糊度浮点解的精度取决于双差后的载波相位其它综合误差和双差后的伪距其他综合误差的精度主要取决于

用高精度INS定位信息和精密星历求得的卫星和接收机间几何距离代替伪距，得到模糊度浮点解的公式为：

上式中表示改进后的模糊度浮点解，是载波相位的确定测量值，λ表示载波波长；表示INS对应的卫星与接收机之间的几何距离，表示双差后的载波相位其它综合误差，表示INS对应的几何距离误差；因为多径效应严重环境中得码多径误差远大于惯导精度，即所以的精度远大于搜索空间会大幅度缩小，由于提高模糊度浮点解能缩小模糊度搜索空间和加快模糊度固定,模糊度固定速度将大幅度提高；

采用取整法直接固定模糊度，即：

式中表示模糊度整数解。

在BDS的一个历元内,由INS提供的短时高质量定位信息代替伪距快速固定模糊度，模糊度固定以后得到的BDS高精度定位信息去更新INS定位信息，形成一个闭合的耦合环；利用扩展卡尔曼滤波器自动调整两个导航系统的在组合系统中的权重，使得组合系统误差最小。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明利用INS的高精度定位信息对应的卫星接收机几何距离代替精度低的伪距，大大缩小了模糊度解算范围，加快了模糊度的解算速度。用高精度INS定位信息和精密星历求得的卫星和接收机间几何距离代替伪距，由于INS和精密产生的误差远小于伪距误差，那么模糊度浮点解精度随之大幅度提高，减小模糊度搜索范围，加快模糊度的固定，提供BDS接收机的实时性指标。

INS虽然可以高频输出短时高精度定位信息，而且具有不受外界干扰的优势，可以解决BDS卫星信号被遮挡的问题，但是INS也有误差会随时间累积的缺点，在误差允许的时间范围内，必须有一个精度满足要求的定位信息对INS的定位信息进行更新，它才能继续工作。本发明通过将BDS的高精度定位结果用于更新INS由于误差累积导致的精度下降的定位信息；另一方面，由于INS的输出频率一般为100Hz或者200Hz，而BDS的输出频率为1Hz。也就是在BDS的一个历元(1s)内,由INS提供的短时高质量定位信息代替伪距快速固定模糊度，模糊度固定以后得到的BDS高精度定位信息要去更新INS定位信息，是一个闭合的耦合环。本技术采用扩展卡尔曼滤波来实现两种导航系统的融合，而扩展卡尔曼滤波器作为卫星导航系统常用的耦合滤波方法，能够自动调整两个导航系统的在组合系统中的权重，使得组合系统误差最小。

附图说明

图1为本发明算法流程图；

图2为没有惯导辅助的北斗接收机模糊度浮点解；

图3为有惯导辅助的北斗接收机模糊度浮点解。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

实施例1

一种INS辅助BDS单频接收机的模糊度快速解算方法，包括如下步骤：

获取BDS参考站和流动站的伪距和载波相位测量值，针对短基线情况，差分解算得到伪距和载波相位的双差观测值，进行模糊度固定解算，得到BDS定位信息；

所述伪距和载波相位的双差观测值的求解过程，包括如下步骤：

确定在t时刻BDS伪距和载波相位测量值的观测值方程为：

P＝ρ+T+I+c(dt^s-dt_r)+ε_P

Φ＝ρ+T-I+c(dt^s-dt_r)+λ·N+ε_Φ

其中，P表示伪距测量值，Φ表示载波相位测量值，ρ表示卫星与接收机之间的几何距离，T表示对流层延迟误差，I表示电离层延迟误差，c表示光在真空中的传播速度，dt^s表示卫星端时钟偏差，dt_r表示接收机端时钟偏差，ε_P表示伪距其他综合误差，ε_Φ表示载波相位的其他综合误差；

经过参考站b与流动站r做差可以消除公共的卫星端时钟偏差dt^s，由于本技术主要应用于短基线情况，相对于距离地球两万公里的中轨道MEO卫星或者三万六千公里的高轨道GEO和IGSO卫星来说，基准站和流动站可以近似看作是一个点，因此可以消除电离层延迟误差I和对流层延迟误差T；

选取一个高仰角，具有高信噪比观测值的卫星作为参考卫星，与其他卫星的观测值再次做差，消除接收机端的公共时钟偏差dt_r，经过两次差分后，伪距和载波相位的双差观测值方程表示为：

其中，表示双差后的伪距测量值，分别表示双差后的载波相位测量值，表示双差后的卫星与接收机之间的几何距离，表示双差后的载波相位测量值，表示双差后的伪距其他综合误差，表示双差后的载波相位其它综合误差。

载波相位模糊度N的一般求解方法是利用伪距和载波相位测量值中几何距离ρ相等的条件，将没有模糊度的伪距观测值代入载波相位观测值方程即可求取模糊度N。由于定位信息是由东(E)、北(N)、天(U)三个维度组成，并且接收机时钟偏差差分之前被当作未知参数处理，所以至少由四个线性无关方程求解四个模糊度。四个模糊度的浮点解实际上并不是完全独立的，由于卫星所处的位置和多种误差源的影响，即使是双差之后。载波相位观测值之间也由相互关系，这种相互关系就体现在它们所组成的矩阵协方差中。为了解决这个问题，现在流行得做法是采用最小二乘模糊度降相关平差法(LAMBDA),但是在城市峡谷等环境中，卫星信号受到建筑物遮挡导致几何结构不好，多径效应严重，特别是伪码多径，有时码多误差高达10m，这使得模糊度解算的收敛时间无法满足实时性需求。

在伪距观测值误差大，特别是信号受到遮挡导致伪距多径效应严重的情况下，采用INS辅助BDS进行单频模糊度快速解算，利用高精度INS定位信息和精密星历求得的卫星和接收机间几何距离代替伪距，提高模糊度浮点解精度，提高模糊度固定速度；

所述INS辅助BDS进行单频模糊度快速解算的过程为缩小搜索空间进行解算的过程，搜索空间的大小由模糊度浮点解的方差-协方差矩阵决定：

其中W表示模糊度组合的搜索范围，∝表示正比关系，n表示历元数目，λ表示载波波长，表示模糊度浮点解精度。三个影响因素中，由于实时性要求n不能太大，改进空间很有限。λ是固有频率的波长，无法改变，只能通过提高模糊度浮点解缩小模糊度搜索空间，进而加快模糊度固定。

而模糊度解算公式为：

其中表示模糊度浮点解，是载波相位的确定测量值，是伪距的确定测量值，λ表示载波波长；模糊度浮点解的精度取决于双差后的载波相位其它综合误差和双差后的伪距其他综合误差的精度主要取决于

伪距观测值误差大，特别是信号受到遮挡导致伪距多径效应严重的情况下，根据误差传播定律，低精度的伪距测量值低会给模糊度浮点解精度直接带来消极影响，通过传统的LAMBDA方法搜索求解需要很长时间。

本发明用高精度INS定位信息和精密星历求得的卫星和接收机间几何距离代替伪距，得到模糊度浮点解的公式为：

上式中表示改进后的模糊度浮点解，是载波相位的确定测量值，λ表示载波波长；表示INS对应的卫星与接收机之间的几何距离，表示双差后的载波相位其它综合误差，表示INS对应的几何距离误差；因为多径效应严重环境中得码多径误差远大于惯导精度，即所以的精度远大于根据式可知,搜索空间会大幅度缩小，模糊度固定速度将大幅度提高；

实际上，浮点模糊度确定为整数组合有三种方法，分别是取整法，自举法和LAMBDA法，在浮点解精度大幅度提高的情况下，采用取整法直接固定模糊度，即：

式中表示模糊度整数解，这样可以进一步加快模糊度的固定，当然如果采用取整法固定，就需要比较严格的F-Ratio方法进行验证，尽量确保整周模糊度固定的成功率。

BDS频点B1的频率是1561.098MHz，相应的波长为0.192m，模糊度固定为整数后。按照观测值误差1％波长计算，理论上定位精度为2mm。INS虽然可以高频输出短时高精度定位信息，而且具有不受外界干扰的优势，可以解决BDS卫星信号被遮挡的问题，但是INS也有误差会随时间累积的缺点，在误差允许的时间范围内，必须有一个精度满足要求的定位信息对INS的定位信息进行更新，它才能继续工作。

本发明通过将BDS的高精度定位结果用于更新INS由于误差累积导致的精度下降的定位信息；并且，由于INS的输出频率一般为100Hz或者200Hz，而BDS的输出频率为1Hz，所以在BDS的一个历元内,由INS提供的短时高质量定位信息代替伪距快速固定模糊度，模糊度固定以后得到的BDS高精度定位信息去更新INS定位信息，形成一个闭合的耦合环；

本发明利用扩展卡尔曼滤波器作为卫星导航系统常用的耦合滤波方法，自动调整两个导航系统的在组合系统中的权重，使得组合系统误差最小。

为了证明算法的科学性和有效性，使用北斗接收机在多径效应严重的城市街道中进行车载实验。搜集6分钟(360历元)的数据处理，如图2显示的是没有惯导辅助的北斗接收机模糊度浮点解，图3显示的是有惯导辅助的模糊度浮点解。对比两图可以看出，惯导辅助可以明显提高模糊度浮点解精度，进而提高模糊度解算的成功率和定位的精度。

本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。