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1、(10)申请公布号 CN 104076381 A (43)申请公布日 2014.10.01 CN 104076381 A (21)申请号 201410287579.4 (22)申请日 2014.06.24 G01S 19/43(2010.01) (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武 汉大学 (72)发明人 施闯 楼益栋 宋伟伟 易文婷 辜声峰 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所 ( 特殊普通合伙 ) 42222 代理人 胡艳 (54) 发明名称 实时精密单点定位方法 (57) 摘要 本发明公开了一种实时精密单点定位方法, 包括步骤 : 步骤 。
2、1, 对 GPS 观测数据依次进行预处 理、 误差改正、 Kalman 滤波 ; 步骤 2, 在 Kalman 滤 波后的数据中选定窗口样本, 并根据定位精度需 要, 采用时间序列分析法分析窗口样本, 具体为 : 取窗口样本的收敛判定指标为样本数据, 对样本 数据的统计学特性进行相关性检验分析, 获得可 靠性概率 ; 根据可靠性概率判断是否定位收敛。 本发明实现了精密单点定位的实时收敛判定, 可 实时了解定位结果是否收敛到需求精度, 并大大 提高了作业效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权。
3、利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104076381 A CN 104076381 A 1/1 页 2 1. 实时精密单点定位方法, 其特征在于, 包括步骤 : 步骤 1, 对 GPS 观测数据依次进行预处理、 误差改正、 Kalman 滤波 ; 步骤 2, 在 Kalman 滤波后的数据中选定窗口样本, 并根据定位精度需要, 采用时间序列 分析法分析窗口样本, 本步骤进一步包括子步骤 : 2.1 取窗口样本的收敛判定指标为样本数据, 对样本数据的统计学特性进行相关性检 验分析, 获得可靠性概率fi(x) 分别表示样本数据的最大值、 最小值、 均 值及均方根误差的相。
4、关系数 ; i为 fi(x) 相应的权值, 为经验值 ; 所 述 的 收 敛 判 定 指 标其 中, GDOP 为 卫 星 空 间 几 何 构 形 ; P和 分 别 为 卫 星 的 伪 距 验 后 残 差 和 相 位 验 后 残 差 ; n 表示观测历元数, dt 表示观测时 长, v 表示采样间隔, ADOP 为整周模糊度几何构形, PP、 P分别表示伪距观测值和相位观测 值的权, 根据常用测量型接收机伪距观测值和相位观测值精度设定, 即p 和 分 别为接收机的伪距观测值精度和相位观测值精度 ; 所述的样本数据的统计学特性包括样本数据的最大值、 最小值、 均值和均方根误差 STD ; 2.2。
5、 根据可靠性概率判断是否定位收敛, 若可靠性概率大于设定阈值, 则收敛, 输出定 位结果 ; 否则, 结束本历元数据处理, 进行下一历元数据处理 ; 所述的设定阈值通过将定位 精度需要代入概率统计理论公式获得。 2. 如权利要求 1 所述的实时精密单点定位收敛方法, 其特征在于 : 子步骤 2.1 中所述的 i设置为等权。 权 利 要 求 书 CN 104076381 A 2 1/5 页 3 实时精密单点定位方法 技术领域 0001 本发明属于全球导航技术领域, 尤其涉及一种实时精密单点定位方法。 背景技术 0002 目前实时精密单点定位技术日趋成熟, 实时精密单点定位的应用需求也不断增 加。。
6、实时动态非差精密单点定位完全收敛后, 其外符合精度可以达到平面 5cm、 高程 10cm。 但是影响单点定位参数解算收敛时间的因素很多, 如观测数据质量、 采样间隔、 误差估计模 型、 卫星空间几何构型以及用户所要求达到的精度等。在单点定位中, 待估参数主要包括 4 类, 即 : 位置参数、 接收机钟差、 对流层延迟和模糊度参数, 对于不同待估参数的收敛时间和 收敛稳定性有不同的改善措施。许多学者进行了一些卓有成效的研究工作, 有学者研究了 待估参数个数和数据质量对收敛时间和稳定性的影响, 不同卫星高度角情况下对流层干延 迟的估计精度, 并将湿延迟部分作为待估参数, 研究模糊度参数估计等对收敛。
7、时间的影响。 0003 RTK( 实时动态差分法 ) 技术主要是通过双差模糊度是否固定来判定是否完成初 始化过程, 而 PPP( 精密单点定位 ) 技术尚没有一种可靠的初始化判定标准, 目前 PPP 的收 敛时间是基于大量观测数据处理统计得到的一个经验值, 实际定位所需要的收敛时间则会 因具体的观测环境而有所不同。为了使用户获得可靠的高精度定位结果, 往往需要用户等 待更长的时间以确保定位结果达到要求的定位精度。另一方面, 实时动态定位中, PPP 与 RTK 技术实际上都没有给出定位精度, 而是采用事后分析的方法, 这显然是不合理的, 因此 研究实时 PPP 的质量评估方法也是实时 PPP 。
8、技术应用推广所亟待解决的关键问题。 0004 自 Zumberge 等人利用 IGS 精密星历和 GIPSY 软件, 成功地验证了精密单点定位技 术的可行性以来, 精密单点定位误差改正模型不断精化, 精度显著提高, 广泛应用于大气科 学、 导航定位及授时等领域。 随着实时基准站的增加和实时通信水平的提高, 实时精密单点 定位技术的研究和应用逐渐成为热点。目前实时精密单点定位收敛后可以达到静态 cm 级、 动态 dm 至 cm 级定位精度, 固定模糊度后可进一步提高定位精度。但在精密单点定位应用 技术中, 用户不仅关心导航定位可以达到的精度, 更关心精密单点定位是否已经收敛到所 需要的定位精度,。
9、 因此提出一种实时精密单点定位收敛判定方法对实时精密单点定位技术 的应用具有重要意义。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种可实现实时收敛判定的实时精密单点定位方法。 0006 为达到上述目的, 本发明采用如下的技术方案 : 0007 实时精密单点定位方法, 为基于模糊度实数解的实时动态精密单点定位方法, 包 括步骤 : 0008 步骤 1, 对 GPS 观测数据依次进行预处理、 误差改正、 Kalman 滤波 ; 0009 步骤 2, 在 Kalman 滤波后的数据中选定窗口样本, 并根据定位精度需要, 采用时间 序列分析法分析窗口样本, 本步骤进一步包括子步骤 : 说 明 书 CN 。
10、104076381 A 3 2/5 页 4 0010 2.1 取窗口样本的收敛判定指标为样本数据, 对样本数据的统计学特性进行相关 性检验分析, 获得可靠性概率fi(x) 分别表示样本数据的最大值、 最小 值、 均值及均方根误差的相关系数 ; i为 fi(x) 相应的权值, 为经验值 ; 0011 所 述 的 收 敛 判 定 指 标其 中, GDOP 为 卫 星 空 间 几 何 构 形 ; P和 分 别 为 卫 星 的 伪 距 验 后 残 差 和 相 位 验 后 残 差 ; n 表示观测历元数, dt 表示观测时 长, v 表示采样间隔, ADOP 为整周模糊度几何构形, PP、 P分别表示伪。
11、距观测值和相位观测 值的权, 根据常用测量型接收机伪距观测值和相位观测值精度设定, 即p 和 分 别为接收机的伪距观测值精度和相位观测值精度 ; 0012 所述的样本数据的统计学特性包括样本数据的最大值、 最小值、 均值和均方根误 差 STD ; 0013 2.2 根据可靠性概率判断是否定位收敛, 若可靠性概率大于设定阈值, 则收敛, 输 出定位结果 ; 否则, 结束本历元数据处理, 进行下一历元数据处理 ; 所述的设定阈值可根据 定位精度需求利用显著性检验公式获得。 0014 子步骤 2.1 中所述的 i设置为等权。 0015 和现有技术相比, 本发明具有以下优点 : 0016 1、 在实时。
12、精密单点定位应用技术中, 用户不仅关心导航定位可达到精度, 更关心 精密单点定位是否已收敛到所需要的定位精度, 本发明则解决了该问题, 实现了精密单点 定位的实时收敛判定。 0017 2、 目前实时动态达到分米级定位精度一般需要 15 30 分钟的收敛时间, 当初始 观测条件较差时收敛时间会更长 ; 在实时 PPP 初始化阶段, 由于其定位结果精度得不到保 障, 因此实时 PPP 用户需要额外等待较长初始化时间。在用户实时定位过程中, 采用本发明 可实时了解定位结果是否收敛到需求精度, 若达到需求精度, 即可按照设计作业流程完成 作业, 从而大大地提高作业效率。 附图说明 0018 图 1 为。
13、本发明实时精密单点定位方法流程图 ; 0019 图 2 为 AJAC 测站收敛判定因子与定位结果的对比效果图, 其中, 横坐标为观测时 间, 纵坐标为定位精度 ; 0020 图 3 为 JOZ2 测站收敛判定因子与定位结果的对比效果图, 其中, 横坐标为观测时 间, 纵坐标为定位精度 ; 说 明 书 CN 104076381 A 4 3/5 页 5 0021 图 4 为 PBRI 测站收敛判定因子与定位结果的对比效果图, 其中, 横坐标为观测时 间, 纵坐标为定位精度 ; 0022 图5为收敛判定效果图, 其中, 图(b)是定位误差时间序列图, 横坐标为观测时间, 纵坐标为定位精度 ; 图 (。
14、a) 表示对图 (b) 应的收敛判定效果, 横坐标为样本数, 纵坐标表示 各窗口样本的收敛可靠性。 具体实施方式 0023 下面将结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步说明。 0024 精密单点定位方法中由于采用高精度的载波相位观测值进行定位, 因而可以获得 高精度定位结果, 但是利用载波相位观测值进行高精度定位需要考虑整周模糊度的问题。 实际上, 精密单点定位过程中的定位收敛主要是整周模糊度参数的收敛, 整周模糊度参数 收敛后, 精密单点定位则主要依靠载波相位观测值进行定位。而整周模糊度参数的收敛主 要受伪距观测值的精度及卫星几何构形及其变化的影响, 因此本发明综合利用伪距相位权 比。
15、、 伪距验后残差、 相位验后残差、 DOP 值、 采样间隔等信息构造精密单点定位收敛判定指标 : 0025 0026 其中,n表示观测历元数, dt 表示观测时长, v 表示采样间隔 ; PP、 P分别表示伪距观测值和相位观测值的权, 根据常 用测量型接收机伪距观测值和相位观测值精度设定, 即p和分别为接收机的伪 距观测值精度和相位观测值精度, 本具体实施中, 接收机伪距观测值精度为 3dm, 伪距观测 值精度为 3mm, 则伪距观测值和相位观测值的权满足 0027 Kalman滤波后, 设卫星i的伪距验后残差和相位验后残差分别为和利用伪 距验后残差和相位验后残差分别计算伪距观测值精度 P和相。
16、位观测值精度 : 说 明 书 CN 104076381 A 5 4/5 页 6 0028 0029 式 (2) 中, Pi为卫星 i 的权, 根据卫星 i 的高度角确定, 一般当卫星高度角大于 30 度时, 该卫星的权 Pi 1 ; 当高度角不大于 30 度时, 该卫星的权 Pi 2*sin(EA), EA 为卫星 高度角 ; k 为卫星数。 0030 kalman 滤波后, 得到方差 - 协方差矩阵 N, 方差 - 协方差矩阵 N 反映了平差后各待 估计参数的精度信息及参数间的相关信息, 根据方差 - 协方差矩阵 N 获得卫星空间几何构 形 GDOP 为 : 0031 0032 式 (3) 。
17、中, Ni,i表示方差 - 协方差矩阵 N 中第 i 行第 i 列元素。 0033 整周模糊度几何构形 ADOP 为 : 0034 0035 式 (4) 中, Ni+4,i+4表示方差 - 协方差矩阵 N 中第 i+4 行第 i+4 列元素。 0036 本发明方法基于上述提出的收敛判定指标 实现精密单点定位, 见图 1, 本发明 实时精密单点定位方法包括步骤 : 0037 步骤 1, 对精密卫星轨道和卫星钟差进行预处理, 根据实时服务系统提供的完好性 检测方法, 分析精密卫星轨道及钟差质量, 如果精密卫星轨道和钟差质量较差, 则弃用本该 组观测数据。 0038 步骤 2, 对 GPS 观测数据。
18、进行数据预处理, 包括粗差及周跳探测, 按照精密单点定 位中常规方法, 对预处理后的 GPS 观测数据进行误差改正及 Kalman 滤波处理。 0039 步骤 3, 选定窗口样本, 本具体实施中选择 180 秒时长宽度的数据作为一个窗口样 本 ; 0040 步骤 4, 根据定位精度需要, 采用时间序列分析法分析窗口样本, 具体包括 : 0041 4.1 取各窗口样本的收敛判定指标为样本数据, 对样本数据的统计学特性进行相 关性检验分析, 并获得可靠性概率 ; 所述的样本数据的统计学特性包括样本数据的最大值、 最小值、 均值和均方根误差 STD。 0042 可靠性概率 P 公式如下 : 说 明 。
19、书 CN 104076381 A 6 5/5 页 7 0043 0044 式 (5) 中, fi(x) 分别为各窗口样本的最大值、 最小值、 均值及 STD 的相关系数, 相 关系数可按照概率统计方法理论中相关系数计算公式获得 ; i为 fi(x) 相应的权值, 根据 经验设定, 一般可设置为等权。 0045 4.2 将定位精度需要代入显著性检验有关公式获得可靠性概率的设定阈值, 若可 靠性概率大于设定阈值, 则判断收敛, 输出定位结果 ; 否则, 结束本历元数据处理, 进行下一 历元数据处理。 0046 表 1 本发明方法收敛判定成功率统计表 0047 0048 利用IGS跟踪站数据验证本发。
20、明方法的收敛效果, 见图24, 从图中可以看出, 采 用本发明方法和传统定位方法获得的定位结果较为符合, 尤其是收敛后符合程度非常高 ; 从图 5 中也可以看出收敛判定指标 收敛的概率与实际收敛过程也是较为符合的, 概率 P 越大, 定位结果 N、 E、 U 的收敛稳定性越高。而从表 1 可以看出, 利用本发明提出的收敛判定 指标收敛判定的成功率较高。 说 明 书 CN 104076381 A 7 1/3 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 104076381 A 8 2/3 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104076381 A 9 3/3 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 104076381 A 10 。