一種多頻gnss觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，包括步驟：獲取多頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；構(gòu)建單差觀測(cè)方程，形成站間單差觀測(cè)值；根據(jù)基線及固定的雙差模糊度，對(duì)單差觀測(cè)方程進(jìn)行參數(shù)重整；利用單歷元多顆衛(wèi)星的單差觀測(cè)值的平均值作為重整后參數(shù)的最小二乘解，每顆衛(wèi)星的單差觀測(cè)值減去該最小二乘解，得到單差觀測(cè)噪聲；利用提取到的觀測(cè)噪聲，計(jì)算單歷元多頻GNSS不同類型觀測(cè)值的非差觀測(cè)值的精度、不同類型觀測(cè)值的交叉相關(guān)系數(shù)以及同類觀測(cè)值的時(shí)間相關(guān)性系數(shù)；獲得每顆衛(wèi)星觀測(cè)值精度與高度角的關(guān)系；建模，并輸出模型參數(shù)，建立方差-協(xié)方差矩陣。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有計(jì)算過程簡(jiǎn)單、可靠件等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于測(cè)繪與導(dǎo)航的定位技術(shù)，尤其是涉及一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī) 特性建模方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 從上世紀(jì)80年代GPS民用化以來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工 程測(cè)量、氣象監(jiān)測(cè)、地球動(dòng)力學(xué)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的確定等領(lǐng)域。GPS的現(xiàn)代化一直在持續(xù)地進(jìn) 行，首顆GPS IIR-M型衛(wèi)星自2005年9月26日成功發(fā)射進(jìn)入軌道運(yùn)行，成為第一顆在L2 頻道上播放民用C/A碼導(dǎo)航電文（L2C)的衛(wèi)星。截止目前為止，已發(fā)射8顆Block IIR-M 衛(wèi)星。與此同時(shí)，在新發(fā)射的Block IIF型衛(wèi)星上加播L5頻率信號(hào)，是GPS現(xiàn)代化中最具 標(biāo)志性的工程。為了推翻美國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)上的壟斷地位，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都積極發(fā)展、 優(yōu)化獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，俄羅斯計(jì)劃在2017年完成GLONASS的更新?lián)Q代，升級(jí)為 GLONASS-Μ和GL0NASS-K系統(tǒng)，以提高定位精度，從之前的20米提高至米級(jí)。我國(guó)于19世 紀(jì)80年代決定建設(shè)獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年，北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)建成，標(biāo)志著我 國(guó)成為第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，自2012年12月27日開始，北斗二代衛(wèi)星導(dǎo) 航系統(tǒng)正式向亞太大部分地區(qū)獨(dú)立提供連續(xù)的定位、授時(shí)服務(wù)，并計(jì)劃于2020年左右具有 全球覆蓋能力。除此之外，還有歐盟也在加緊建立Galileo系統(tǒng)。不久的將來(lái)，用戶將面臨 4大系統(tǒng)（GPS、GLONASS、GALILEO、BeiDou) 100余顆導(dǎo)航衛(wèi)星并存，同時(shí)可以為用戶使用的 局面，GNSS定位將進(jìn)入一個(gè)新的階段。
[0003] 隨機(jī)模型一直以來(lái)都是數(shù)據(jù)處理研究的熱點(diǎn)，目前被廣泛研究和應(yīng)用的是方 差-協(xié)方差分量估計(jì)。方差-協(xié)方差分量估計(jì)（VCE)就是合理地確定觀測(cè)值的方差陣和協(xié) 方差矩陣。從Helmert利用間接平差模型導(dǎo)出了利用殘差估計(jì)分類觀測(cè)數(shù)據(jù)方差分量的無(wú) 偏估計(jì)公式開始，許多學(xué)者對(duì)方差-協(xié)方差分量估計(jì)做了大量的研究，先后提出了最小范 數(shù)二次無(wú)偏估計(jì)，極大似然估計(jì)和最優(yōu)不變二次估計(jì)等方法。在GNSS測(cè)量及其各項(xiàng)應(yīng)用 中，隨機(jī)模型是否合理對(duì)于定位結(jié)果和各項(xiàng)精度估計(jì)都至關(guān)重要。
[0004] 大量研究表明，無(wú)論是零/短基線還是中長(zhǎng)基線，衛(wèi)星的高度角都會(huì)對(duì)觀測(cè)精度 產(chǎn)生影響，采用等權(quán)的高度角模型得到的結(jié)果并不可靠，尤其是當(dāng)多顆衛(wèi)星處于低高度角 時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致模糊度的固定出現(xiàn)偏差，也會(huì)影響定位精度。而衛(wèi)星高度角定權(quán)的方法并不 適用于所有接收機(jī)的所有觀測(cè)類型，因此隨機(jī)模型應(yīng)根據(jù)接收機(jī)及觀測(cè)類型的不同而進(jìn)行 改善，以提高定位精度。接收機(jī)采用的濾波技術(shù)導(dǎo)致觀測(cè)值存在較強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性，考慮時(shí) 間相關(guān)性對(duì)定位結(jié)果將會(huì)有所改善；接收機(jī)不同類型觀測(cè)值之間存在相關(guān)性，這種相關(guān)性 大小因接收機(jī)而異，不同類型觀測(cè)值之間的交叉相關(guān)性會(huì)對(duì)觀測(cè)精度產(chǎn)生影響，而且兩個(gè) 不同頻率之間的相關(guān)性比較明顯。綜上所述，衛(wèi)星高度角、觀測(cè)值的時(shí)間相關(guān)性以及觀測(cè)值 類型之間的相關(guān)性都會(huì)對(duì)GNSS的結(jié)算結(jié)果和精度產(chǎn)生影響，建立正確的隨機(jī)模型對(duì)于模 糊度固定效率、固定可靠性以及精密定位都起到至關(guān)重要的作用。
[0005] 隨著GNSS的發(fā)展，越來(lái)越多的系統(tǒng)和頻率上的觀測(cè)值可以被用戶利用，想要合理 利用原有及新增信號(hào)必須先確定它們的隨機(jī)模型。研究不同類型接收機(jī)、不同觀測(cè)值類型 以及不同觀測(cè)環(huán)境下的觀測(cè)值的隨機(jī)特性，對(duì)于定位結(jié)果和各項(xiàng)精度估計(jì)都至關(guān)重要。目 前，針對(duì)GNSS現(xiàn)有和新增觀測(cè)值的隨機(jī)模型評(píng)估方面的方法相對(duì)匱乏，為彌補(bǔ)此方面的缺 失，本發(fā)明給出了一套完整的GNSS隨機(jī)特性數(shù)據(jù)處理方法，使得用戶能夠得到GNSS觀測(cè)值 的隨機(jī)特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種計(jì)算過程簡(jiǎn)單、 可靠性的多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，以便實(shí)現(xiàn)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、適用范圍廣的 用于高精度測(cè)繪與導(dǎo)航的定位。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，包括以下步驟：
[0009] (a)獲取多頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；
[0010] (b)構(gòu)建單差觀測(cè)方程，形成站間單差觀測(cè)值，包括單差相位觀測(cè)值和單差偽距觀 測(cè)值；
[0011] (c)判斷基線是否已知，若是，則直接執(zhí)行步驟（d)，若否，則在單差的基礎(chǔ)上形成 站星雙差觀測(cè)值，固定雙差模糊度，求解基線，然后執(zhí)行步驟（d);
[0012] (d)根據(jù)基線及固定的雙差模糊度，對(duì)單差觀測(cè)方程進(jìn)行參數(shù)重整；
[0013] (e)利用單歷元多顆衛(wèi)星的單差觀測(cè)值的平均值作為重整后參數(shù)的最小二乘解， 每顆衛(wèi)星的單差觀測(cè)值減去該最小二乘解，得到單差觀測(cè)噪聲；
[0014] (f)利用步驟（e)提取到的觀測(cè)噪聲，計(jì)算單歷元多頻GNSS不同類型觀測(cè)值的非 差觀測(cè)值的精度；
[0015] (g)利用連續(xù)多個(gè)歷元的觀測(cè)噪聲求解每顆衛(wèi)星的觀測(cè)值精度，記錄對(duì)應(yīng)的高度 角信息，得到精度與高度角的關(guān)系；
[0016] (h)利用步驟（e)提取到的觀測(cè)噪聲，計(jì)算不同類型觀測(cè)值的交叉相關(guān)系數(shù)以及 同類觀測(cè)值的時(shí)間相關(guān)性系數(shù)；
[0017] (i)根據(jù)步驟（g)和（h)建模，并輸出模型參數(shù)，建立方差-協(xié)方差矩陣。
[0018] 所述的步驟（a)中，獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，基線兩端采用相同類型的接收機(jī)和天線，且 天線指向相同。
[0019] 步驟（a)中，所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理包括設(shè)置衛(wèi)星截止高度角、時(shí)標(biāo)校正、相位觀測(cè)值 周跳探測(cè)與修復(fù)以及粗差探測(cè)與處理。
[0020] 步驟（b)中，所述的單差觀測(cè)方程如下：
[0021 ] ▽從+ ▽各't.i,，+ ▽汾c*i_( + ▽私.<
[0022] = + ν^Μ +νδ?^++V4,
[0023] 式中，V為單差算子，下標(biāo)t和上標(biāo)j分別表示歷元和衛(wèi)星號(hào)，λ i為載波L1的頻率 波長(zhǎng)，，和分別表示單差偽距觀測(cè)值和單差相位觀測(cè)值，vy為單差衛(wèi)地距，和 ▽也,分別為偽距、相位對(duì)應(yīng)的單差接收機(jī)鐘差，和為偽距、相位對(duì)應(yīng)的硬件延遲， ▽4,,和為偽距、相位對(duì)應(yīng)的單差觀測(cè)噪聲，▽柯,,為L(zhǎng)1的單差模糊度。
[0024] 步驟（c)中，所述的雙差觀測(cè)值為：
[0025] Δ^,(=^,(+Δ4(
[0026] 其中，Λ為雙差算子，雙差模糊度- ，▽<,為參考衛(wèi)星單差模糊度， 為雙差觀測(cè)噪聲。
[0027] 步驟（d)中，所述的參數(shù)重整的過程為：?jiǎn)尾顐尉嘤^測(cè)值減去單差衛(wèi)地距，同時(shí)將 單差接收機(jī)鐘差和單差硬件延遲合并為一個(gè)參數(shù)；單差相位觀測(cè)值減去固定的雙差模糊度 和單差衛(wèi)地距，同時(shí)將單差接收機(jī)鐘差、單差硬件延遲和基準(zhǔn)衛(wèi)星的單差模糊度合并為一 個(gè)參數(shù)，公式表示為：
[0028] =▽私,=(▽?,+▽噸,) + ▽<
[0029] ▽4·,-V +Λ^Λ^,)+ν4,
[0030] 步驟（f)中，所述的非差觀測(cè)值的精度為：
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，包括以下步驟： (a) 獲取多頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理； (b) 構(gòu)建單差觀測(cè)方程，形成站間單差觀測(cè)值，包括單差相位觀測(cè)值和單差偽距觀測(cè) 值； (c) 判斷基線是否已知，若是，則直接執(zhí)行步驟（d)，若否，則在單差的基礎(chǔ)上形成站星 雙差觀測(cè)值，固定雙差模糊度，求解基線，然后執(zhí)行步驟（d); (d) 根據(jù)基線及固定的雙差模糊度，對(duì)單差觀測(cè)方程進(jìn)行參數(shù)重整； (e) 利用單歷元多顆衛(wèi)星的單差觀測(cè)值的平均值作為重整后參數(shù)的最小二乘解，每顆 衛(wèi)星的單差觀測(cè)值減去該最小二乘解，得到單差觀測(cè)噪聲； (f) 利用步驟（e)提取到的觀測(cè)噪聲，計(jì)算單歷元多頻GNSS不同類型觀測(cè)值的非差觀 測(cè)值的精度； (g) 利用連續(xù)多個(gè)歷元的觀測(cè)噪聲求解每顆衛(wèi)星的觀測(cè)值精度，記錄對(duì)應(yīng)的高度角信 息，得到精度與高度角的關(guān)系； (h) 利用步驟（e)提取到的觀測(cè)噪聲，計(jì)算不同類型觀測(cè)值的交叉相關(guān)系數(shù)以及同類 觀測(cè)值的時(shí)間相關(guān)性系數(shù)； (i) 根據(jù)步驟（g)和（h)建模，并輸出模型參數(shù)，建立方差-協(xié)方差矩陣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，所 述的步驟（a)中，獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，基線兩端采用相同類型的接收機(jī)和天線，且天線指向相 同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，步驟 (a) 中，所述的數(shù)據(jù)預(yù)處理包括設(shè)置衛(wèi)星截止高度角、時(shí)標(biāo)校正、相位觀測(cè)值周跳探測(cè)與修 復(fù)以及粗差探測(cè)與處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，步驟 (b) 中，所述的單差觀測(cè)方程如下：
式中，▽為單差算子，下標(biāo)t和上標(biāo)j分別表示歷元和衛(wèi)星號(hào)，為載波L1的頻率波 長(zhǎng)，▽疼，和▽私，分別表示單差偽距觀測(cè)值和單差相位觀測(cè)值，為單差衛(wèi)地距，V外u和 ▽外.,，分別為偽距、相位對(duì)應(yīng)的單差接收機(jī)鐘差，為偽距、相位對(duì)應(yīng)的硬件延 遲，為偽距、相位對(duì)應(yīng)的單差觀測(cè)噪聲，▽巧μ為L(zhǎng)1的單差模糊度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，步驟 (c) 中，所述的雙差觀測(cè)值為： 其中，Λ為雙差算子，雙差模f，為參考衛(wèi)星單差模糊度， 為雙差觀測(cè)噪聲。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，步 驟（d)中，所述的參數(shù)重整的過程為：?jiǎn)尾顐尉嘤^測(cè)值減去單差衛(wèi)地距，同時(shí)將單差接收機(jī) 鐘差和單差硬件延遲合并為一個(gè)參數(shù)；單差相位觀測(cè)值減去固定的雙差模糊度和單差衛(wèi)地 距，同時(shí)將單差接收機(jī)鐘差、單差硬件延遲和基準(zhǔn)衛(wèi)星的單差模糊度合并為一個(gè)參數(shù)，公式 表示為：
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，步驟 (f) 中，所述的非差觀測(cè)值的精度為：
式中，為歷元t時(shí)的單差觀測(cè)噪聲，m為衛(wèi)星顆數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，步驟 (g) 中，所述的每顆衛(wèi)星的觀測(cè)值精度為：
其中，為第j顆衛(wèi)星在歷元t的L1單差觀測(cè)值殘差，r為多余觀測(cè)分量，其值為 (m-l)/m, η為連續(xù)的歷元個(gè)數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，所述 的步驟（h)中，用交叉相關(guān)系數(shù)來(lái)表示不同類型觀測(cè)值之間的交叉相關(guān)性。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多頻GNSS觀測(cè)值隨機(jī)特性建模方法，其特征在于，所述 的步驟（h)中，用自相關(guān)系數(shù)表示同類觀測(cè)值的時(shí)間相關(guān)性。
【文檔編號(hào)】G01S19/23GK104102822SQ201410310623
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】李博峰, 樓立志, 沈云中, 王儷霏 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)