中長基線gnss接收機高精度相對定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種可應用于遠距離雷達組陣、大地精確測量及海洋石油勘探和平臺 定位等軍民相關技術領域，W及用于船舶運輸、公路交通、鐵路運輸、海上作業、漁業生產、 水文測報、森林防火、環境監測等眾多行業，W及軍隊、公安、海關等其他有特殊指揮調度要 求的單位的中長基線GNSS接收機高精度相對定位方法。
【背景技術】
[0002] 基于衛星導航系統的中長基線相對定位方法已在諸多工程領域獲得了廣泛的應 用。盡管基于偽碼測量值或載波相位測量值都可W實現相對定位，但是由于GNSS接收機載 波相位的測量精度遠高于偽碼相位的測量精度，因此目前采取的主要方法是基于載波相位 的雙差測量值來實現高精度的相對定位。實現基于GI^S相位觀測數據的高精度相對定位， 必須正確解算整周模糊度。靜態定位中的整周模糊度，通常可W通過長時間的觀測數據來 確定。對于動態載體一般無法通過延長觀測時間實現整周模糊度的解算，所W整周模糊度 的快速求解一直都是GPS研究的難點和熱點問題之一。利用GPS載波相位進行測量時，整 周模糊度的正確解算是實現厘米級或亞厘米級定位精度的關鍵問題，因此快速準確地確 定整周模糊度對于高精度GI^S定位顯得尤為重要。相對于偽噪聲碼觀測量而言，GI^S載波 相位觀測量能提供非常精確的相對定位。但由于GI^S載波相位測量存在整周模糊數較難解 算的問題，致使它在快速定位及導航中的應用受到了限制。因此，快速而準確地求解GPS 載波相位測量的整周模糊度就成了它在快速定位及導航中應用的關鍵問題。整周模糊度 求解的理論及其實用研究是近一、二十年的研究熱點和難點。許多學者提出了一些解算方 法，其中雙頻P碼偽距法、整周模糊度函數法、最小二乘捜索法和整周模糊度協方差法應用 較廣泛。
[0003] 現有的基于載波相位的高精度相對定位方法其大致分為W下幾個步驟；首先，對 兩站接收機測量的載波相位測量數據進行預處理，然后將可用衛星的載波相位測量值進行 雙差處理，并利用最小二乘法或卡爾曼濾波算法直接求取雙差載波相位的整周模糊數的實 數解；其次，將其實數解送入各種整周模糊數求取模塊實現模糊數的取整，其中LAMBDA整 周模糊數求取方法由于其具有較為完善的理論基礎且求解精度較高獲得了業內的一致認 可；然后利用獲得的載波相位雙差整周模糊數來求取兩站之間的相對距離。LAMBDA算法是 目前公認求解整周模糊度效果最好的方法，該算法主要包括模糊度去相關處理狂變換） 和整周模糊度捜索，其中Z變換對高度相關的整周模糊度進行降相關處理是LAMBDA算法 的核屯、內容。
[0004] 現有的基于載波相位的高精度相對定位方法由于其直接將載波相位雙差模糊數 作為待求解量來求解，因此其無法應用于基于頻分的格洛納斯衛星導航系統。為此一些學 者提出了將單差模糊數作為帶估量進行相關處理，并將副站的絕對位置、速度等也作為待 估量來進行濾波估計。由于該濾波模型具有非線性特性，因此擴展卡爾曼濾波作為一種較 為簡單且成熟的濾波算法被采用。但是在實際工作中，由于接收機本身及工作環境等影響 往往會造成觀測值出現異常，從而導致觀測值與濾波模型不符而出現濾波精度下降甚至發 散，進而無法實現高精度相對定位。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的是針對現有技術存在的不足之處，提供一種主、副兩站中長基線條 件下，通過將抗差濾波理論與擴展卡爾曼濾波相結合的高精度相對定位方法，該方法可W 有效的解決接收機觀測數據存在異常時利用擴展卡爾曼濾波算法實現高精度相對定位出 現的濾波精度低或濾波發散的問題。
[0006] 本發明解決現有技術問題所采用的方案是；一種中長基線GNSS接收機高精度相 對定位方法，其特征在于包括如下步驟：首先，將主、副兩站GNSS接收機的測量數據通過最 低仰角約束、載波相位周跳檢測及主、副兩站共視星比對數據預處理手段提取出同一時刻 兩站可用的測量數據；其次，利用主、副兩站同一測量時刻的測量數據進行參考星捜索，基 于參考星求取主、副兩站雙頻偽距與載波相位的雙差測量值；將上述雙差測量值送入抗差 擴展卡爾曼濾波器進行相關參數估計，求得貼近真實整數解的整周模糊數浮點解；然后，將 上述參數估計值中單差載波相位模糊數浮點解及其協方差矩陣送入采用最小二乘模糊度 去相關平差法LAMBDA的整周模糊度求解模塊求取載波相位整周模糊數的整數解，從而實 現主、副兩站站間相對距離的高精度測量。
[0007] 本發明相比于現有技術具有如下有益效果：
[000引本發明利用長基線相對定位系統狀態方程與量測方程的數學模型，在抗差擴展卡 爾曼濾波器中采用雙因子方差膨脹模型來求解方差膨脹因子，所求得的合理整周模糊數浮 點解，保證了整周模糊數整數解的快速準確求解，可W有效地抑制異常觀測數據對濾波性 能的影響，進而實現主、副兩站站間局精度相對定位。
[0009] 抗差擴展卡爾曼濾波通過適當擴大異常觀測數據的方差W降低異常觀測數據對 參數估計的影響，而擴展卡爾曼濾波則無法對異常數據進行識別，因此會造成濾波精度下 降或濾波發散。
【附圖說明】
[0010] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[ocm] 圖1為本發明中長基線GNSS接收機高精度相對定位方法工作原理流程框圖。【具體實施方式】
[0012] 參閱圖1。本發明基于抗差擴展卡爾曼濾波的中長基線相對定位工作原理是，首 先，將主、副兩站GNSS接收機的測量數據通過最低仰角約束、載波相位周跳檢測及兩站共 視星比對等數據預處理手段提取出同一時刻主、副兩站可用的測量數據；其次，利用主、畐U 兩站同一測量時刻的測量數據進行參考星捜索，基于參考星求取主、副兩站雙頻偽距與載 波相位的雙差測量值；將其雙差測量值送入抗差擴展卡爾曼濾波器進行相關參數估計，求 得貼近真實整數解的整周模糊數浮點解；然后，將上述參數估計值中單差載波相位模糊數 浮點解及其協方差矩陣送入采用最小二乘模糊度去相關平差法LAMBDA的整周模糊度求解 模塊求取載波相位整周模糊數的整數解，從而實現主、副兩站站間相對距離的高精度測量。
[0013] 具體步驟包括：
[0014] (1)主、副兩站GNSS接收機的測量數據通過最低仰角約束、載波相位周跳檢測及 兩站共視星比對等數據預處理手段提取出同一時刻主、副兩站可用的測量數據；
[0015] (2)基于接收機相對于衛星仰角最大原則，對同一測量時刻的測量數據進行參考 星捜索，并基于所選參考星求取雙頻偽距與雙頻載波相位的雙差測量值；
[0016] (3)將步驟（2)所獲取的雙差量測值送入抗差擴展卡爾曼濾波器中進行相關參數 估計，具體包括W下幾個步驟：
[0017] 1)建立長基線相對定位系統狀態方程
[001引設長基線相對定位系統的狀態向量為x= (rT,i(MiT，iVlT，iV2T)f，式中r=(;ry，;ry，;rJ) T表示副站在地屯、地固坐標系中的位置坐標向量；/0? = 佔請表示Li頻點單 差電離層延遲向量，式中；I0n代表Li頻點單差電離層延遲，上標m代表可用衛星數，下標r代表副站，下標b代表主站；表示Li頻點可用衛星單差載波相位 整周模糊數向量；^2=(^,1^，^,^2，...，7^;,^表示1^2頻點可用衛星單差載波相位整周模糊 數向量。
[0019] 則長基線相對定位系統狀態方程的具體表達式為：
[0020]
[0021] 其中F/"為k到k+1時刻的狀態轉移矩陣，其具體表達式為：
[0022]
[002引式中I3X康示3維單位矩陣；Imxm表示m維單位矩陣；I(3m-3)x(3m-S表示3m-3維單 位矩陣。
[0024] Wk為系統過程噪聲，其協方差矩陣為：
[0025]
[0026] 其中03X3表示3維零值矩陣；Qi。。表示m維單差電離層延遲過程噪聲矩陣； 〇03m_3>xC3m_3>表示維3m-3維零值矩陣。
[0027] 2)建立量測方程
[00測設長基線相對定位系統的量測量為J二候，，祐，咕，唔)T，式中Vi表示L1頻點 的載波相位雙差測量向量；V康示L2頻點的載波相位雙差測量向量；hp,康示Li頻點的 偽距雙差測量向量；表示L2頻點的偽距雙差測量向量。則系統量測方程的具體表達式 是：
[0031] 式中；V康示Li頻點的載波相位雙差測量向量；hp,康示Li頻點的偽距雙差測 量值；'表示兩站對參考星與第m顆可用衛星的雙差幾何距離；丫 1=Ai/A1，入i表示Li 頻點載波波長，A1表示L1頻點載波波長；表示兩站相對于參考星在Li頻點的單差電 離層延遲因子；表示兩站相對于第m顆可用星在Li頻點的單差電離層延遲因子；/〇誠 表示兩站相對于參考星在Li頻點的單差天頂電離層延遲；/on;^表示兩站相對于第m