CN118348564A - 一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，包括以下步骤：伪卫星布设；时间同步；RTK数据处理；精度分析；输出结果。所述时间同步包括时间驯服和时间同步纠正算法，从硬件和算法两个方面保证了时间同步以达到高精度定位要求，解决了地面伪卫星发射器采用廉价晶振用作时间基准以及伪卫星与真实卫星系统之间存在的时钟同步问题；所述精度分析从定位精度和DOP值两个方面进行分析，找出问题并解决问题，保证了伪卫星联合单北斗进行高精度定位结果的顺利输出。充分利用北斗单系统多频点结合伪卫星自定义频点进行实时探测，优化了恶劣环境中卫星的空间几何构型，也保证了定位结果的高精度输出。

Description

一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法

技术领域

本发明涉及测绘科学与技术领域，尤其涉及一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法。

背景技术

随着科技不断发展，GNSS以应用于我们生活的方方面面，但受制于卫星数量及遮挡等因素的影响，在如隧道、山谷等遮挡严重复杂区域环境中，GNSS的应用性能会大大折扣。为此发展出了伪卫星技术，迄今为止伪卫星技术已得到了初步应用，而对于高精度形变监测定位等领域，伪卫星暂时还缺乏成型的应用案例。

在形变监测领域，目前RTK技术已经得到了广泛的应用，利用GNSS多模多频信号可以求解出毫米级高精度定位结果，然而，考虑到GPS等国外导航系统可能在关键时间点对我们产生不利影响，结合我国自研的北斗卫星导航系统在我国境内相较于其它系统，其精度更高、稳定性更好，并且覆盖面更广，所以对于大坝等一些重要基础设施的监测，利用单北斗进行高精度定位也将成为一种更安全的选择。但在复杂环境中，其也会面临可见卫星数目少和卫星空间几何构型不佳的影响，为此引入伪卫星，在很大程度上可以消去这种影响，保证了复杂环境中定位结果的高质量输出。但在实际运用过程中，还存在以下问题：

(一)对于地面伪卫星发射器，由于受成本的限制，普遍使用廉价的晶振来作为时间基准，因而伪卫星与真实卫星系统之间存在时钟同步问题，

(二)在进行伪卫星与北斗联合数据处理后，伪卫星的可靠性无法得到验证，在伪卫星的多路径误差和或导航定位中的定位误差的影响下，影响输出结果的精确性。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，以解决现有技术中的一个或多个问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，包括以下步骤：

伪卫星布设；

时间同步；

RTK数据处理；

精度分析；

输出结果。

进一步的，所述伪卫星布设包括导航电文格式确定、自身位置获取和伪卫星频率确定。

进一步的，所述时间同步包括以下步骤：

时间驯服；

时间同步纠正算法；

时间偏差判定，若伪卫星与真实卫星的时间偏差ΔT不大于给定阈值，则进行下一步RTK数据处理，若大于给定阈值，则返回时间驯服。

进一步的，所述时间驯服包括驯服晶振，所述驯服晶振包括以下步骤：

测出本地频标和参考信号的相位差；

将相位差转化为电压值或数字信号；

对晶振进行压控调整或数字调整；

保持输出频率和参考信号频率同步，完成驯服。

进一步的，所述时间同步纠正算法计算公式如下式所示：

式中，为卫星与真实卫星间的钟差，为伪卫星观测真实卫星得到的伪距测量值，为伪卫星观测真实卫星时的电离层传播延迟误差等伪距误差，ρ为伪卫星与真实卫星的距离真值，(x_PL,y_PL,z_PL)为伪卫星三维位置坐标，(x_s,y_s,z_s)为真实卫星三维位置坐标。

进一步的，所述RTK数据处理包括以下步骤：

建立单北斗和伪卫星观测方程；

建立高精度定位中单北斗和伪卫星观测方程；

RTK定位解算。

进一步的，单北斗观测方程如下式所示：

上式中，表示第i颗北斗卫星的伪距观测值，r_i表示卫星与接收机之间的直线距离，c代表光速，Δt_u代表接收机钟差，Δt^BDS代表北斗卫星钟差，ε_j表示卫星的测量噪声，T_i与I_i分别表示北斗卫星的对流层误差与电离层误差；

伪卫星观测方程如下式所示：

上式中，表示第j颗伪卫星的伪距观测值，r_j表示卫星与接收机之间的直线距离，c代表光速，Δt_u代表接收机钟差，Δt^PL为伪卫星钟差，ε_i分别表示卫星的测量噪声，T_j表示北斗卫星的对流层误差，δ_j为伪卫星多路径误差；

高精度定位中单北斗观测方程如下式所示：

上式中，λ代表波长，N为整周模糊度。

高精度定位中伪卫星观测方程如下式所示：

上式中，λ代表波长，N为整周模糊度。

进一步的，所述精度分析包括以下步骤：

定位精度分析，若通过精度公式计算后，北斗伪卫星组合定位结果大于等于单北斗定位结果或北斗伪卫星组合定位结果在时间序列中波动振幅大于单北斗定位结果，则返回RTK数据处理，若符合，则输出结果；

DOP值检验，若通过DOP值公式计算后，北斗伪卫星组合定位的DOP值大于等于单北斗定位的DOP值，则返回伪卫星布设，若符合，则输出结果。

进一步的，所述精度公式如下式所示：

上式中，x_i为观测值，为观测平均值，n为观测值数量。

进一步的，所述DOP值公式如下式所示：

上式中，GDOP为几何精度因子，PDOP为位置精度因子，HDOP为水平精度因子，VDOP为高程精度因子，q₁₁、q₂₂、q₃₃、q₄₄为权系数阵Q中元素。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

(一)通过引入时间驯服晶振以及使用了时间同步算法，解决了地面伪卫星发射器采用廉价晶振用作时间基准以及伪卫星与真实卫星系统之间存在的时钟同步问题，从硬件和算法两个方面保证了时间同步以达到高精度定位要求。

(二)通过对RTK数据处理后验证伪卫星的可靠性，从定位精度和DOP值两个方面进行分析，找出问题并解决问题，保证了伪卫星联合单北斗进行高精度定位结果的顺利输出。

附图说明

图1示出了本发明实施例一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

步骤1：伪卫星布设，请参阅图1，所述伪卫星布设包括导航电文格式确定、自身位置获取和伪卫星频率确定。

当GPS等其他国外卫星导航系统产生信号干扰时，由于B1C/L1/E1、B2a/L5/E5a、B2b/G3/E5b这些频点是完全重合的，即不可能只接收B1C信号而不接收L1/E1信号，所以对于单北斗定位而言，为了避免其他系统的信号干扰，尽量只能使用其特有频点B1I与B3I。同理，伪卫星的频率选择也应考虑信号干扰问题，同时也降低法规风险。

用户接收机通过对接收到的卫星信号进行载波解调和伪码扩解，得到50bps的数据码，然后按照导航电文的格式可最终将数据码编译成导航电文。导航电文中含有时间、卫星运行轨道、电离层延时等用于定位的重要信息。卫星将导航电文以帧与子帧的结构形式编排成数据流。每颗卫星一帧接着一帧地发送导航电文，而在发送每帧电文时，卫星又以一子帧接着一子帧的形式进行。每帧导航电文长1500bit，计30s，依次由5个子帧组成。常规卫星前三个子帧包括了卫星轨道参数、时间以及各类改正数等，后两个子帧包括了所以卫星的历书参数、电离层延时校正参数以及卫星健康状况等数据信息。

伪卫星既可以模拟真实卫星，即利用获取的星历数据，模拟受环境等因素影响而无法直接接收的低高度角区间卫星信号，其轨道参数与真实卫星类似；也可以模拟不存在的卫星，即伪卫星的位置保持稳定不变，其发射的信号为静止信号，通过伪卫星的已知位置求解出监测站位置。为了便于解算，可视伪卫星为静止的卫星，此时只需知道其精确位置，而无需提供各类卫星运行的轨道信息，在这种情况下，为了便于用户接收机的解调，其电文设计可采用真实卫星导航电文，即可设计为电文速率50bps，每6秒播发300bit为1子帧，共计5个子帧，考虑应用的扩展性，通过第4子帧播发伪卫星的坐标和系统时延，其他子帧预留。

对于伪卫星定位而言，获取其自身位置的精确坐标尤为重要，所以在伪卫星布设之前，应对伪卫星架设的位置进行事先标定，为了防止伪卫星站在运行期间位置发生偏移而产生系统粗差，可在伪卫星站布置高精度定位模块。伪卫星和接收机的位置应尽量保持通视，避开反射物。同时，可以采用特殊设计的伪卫星发射天线，如螺旋天线和微带天线等，通过控制天线的螺旋长度来规范其信号的传播角度。

步骤2：时间同步，请继续参阅图1，进一步的，根据导航定位原理可知，卫星之间的时间必须是同步的，否则将会给定位引入时间同步误差。同样地，伪卫星不仅互相之间应时间同步也需要与系统时间保持同步。

步骤2.1：时间驯服，结合北斗时BDS time，对于地面伪卫星发射器，由于受成本的限制，普遍使用廉价的晶振来作为时间基准，因而伪卫星与真实卫星系统之间存在时钟同步问题。而对于高精度定位而言，需要使用高精度授时模块，该模块可接收真实卫星的时钟信息，然后提供pps秒信号，至伪卫星内部驯服晶振，驯服晶振参考这个pps秒信号，同时基于内部的恒温晶振，然后计算输出个更加准确的pps秒信号和时钟信号，即达到伪卫星与真实卫星系统时间保持同步效果。

所述驯服晶振的工作方式可以大致分为以下几个步骤：

鉴相：首先，驯服系统会对输入本地频标和参考信号进行鉴相，通过高精度时间间隔测量，测量出两信号的相位差。

转换：将相位差转换为电压值或数字信号，这个值代表了晶振输出频率与参考信号频率之间的偏差。

调整：通过晶振的调整端对晶振进行压控调整或数字调整，使其输出频率向参考信号频率靠拢。

锁定：通过锁相环等控制电路，使晶振的输出频率与参考信号频率保持同步，完成驯服过程。

在整个驯服过程中，驯服单元会根据实际频率偏离标称值的程度来实时调整晶振的输出频率，这是一个闭环反馈调整的动态过程。通过这种方式，驯服晶振可以显著提高系统的时间测量精度和守时稳定性。

步骤2.2：时间同步纠正算法，上述过程即为硬件过程的时间同步，而硬件本身具有时延，所以为了保证更精确的时间同步，现使用了时间同步纠正算法如下式1所示：

式中，为卫星与真实卫星间的钟差，为伪卫星观测真实卫星得到的伪距测量值，为伪卫星观测真实卫星时的电离层传播延迟误差等伪距误差，ρ为伪卫星与真实卫星的距离真值，(x_PL,y_PL,z_PL)为伪卫星三维位置坐标，(x_s,y_s,z_s)为真实卫星三维位置坐标。

由于伪卫星架设的位置可以事先标定，即伪卫星位置精确已知，伪卫星内置高精度授时模块可接收真实卫星信号，则利用上式只需要观测一颗真实卫星即可解算出在接收到多颗卫星的信号时，也可实时监测伪卫星站位置变化，同时解算出钟差

步骤2.3：时间偏差判定，根据实际使用表明，上述时间同步方法时间同步精度可达到纳秒级，对于不同的应用，所需的时间同步精度即伪卫星与真实卫星的时间偏差ΔT可能不同，正常来说20纳秒能满足大部分应用需求。若ΔT不能满足应用要求，即大于给定阈值，则返回时间驯服，首先应考虑硬件问题，对于选用的高精度授时模块性能进行分析，研究其是否能满足所需应用需求，若不大于给定阈值，则进入下一步RTK数据处理。

步骤3：RTK数据处理，结合北斗数据BDS data，请继续参阅图1，进一步的，在解决时间同步问题后，即可利用伪卫星与单北斗观测数据联立观测方程，因为伪卫星和BDS信号传播路径的不同，伪卫星和BDS组合定位的观测方程略有差异：

步骤3.1，所述单北斗观测方程如下式2所示：

上式中，表示第i颗北斗卫星的伪距观测值，r_i表示卫星与接收机之间的直线距离，c代表光速，Δt_u代表接收机钟差，Δt^BDS代表北斗卫星钟差，ε_j表示卫星的测量噪声，T_i与I_i分别表示北斗卫星的对流层误差与电离层误差。

所述伪卫星观测方程如下式3所示：

上式中，表示第j颗伪卫星的伪距观测值，r_j表示卫星与接收机之间的直线距离，c代表光速，Δt_u代表接收机钟差，Δt^PL为伪卫星钟差，ε_i分别表示卫星的测量噪声，T_j表示北斗卫星的对流层误差，δ_j为伪卫星多路径误差。

因为伪卫星和GNSS信号传播路径的不同,伪卫星信号的传播路径不经过电离层，所以伪卫星的观测方程里没有电离层误差。此外，由于来自于伪卫星的多路径干扰信号，比来自于真实卫星的多路径干扰信号要强得多，所以在伪卫星的观测方程中又单独引入了多路径误差δ_j。

步骤3.2，在高精度定位中，主要用到载波相位，所述高精度定位中单北斗观测方程如下式4所示：

上式中，λ代表波长，N为整周模糊度。

所述高精度定位中伪卫星观测方程如下式5所示：

上式中，λ代表波长，N为整周模糊度。

整周模糊度的精确确定直接决定了定位精度的好坏。联立完观测方程后，对各未知量进行精确求解，在大坝等进行形变监测，主要应用了RTK定位算法。

步骤4：精度分析，请继续参阅图1，进一步的，数据处理完成后，为了验证伪卫星的加入对于整个形变监测系统精度及几何空间构型的优化情况，需要对解算结果经行可靠性分析。

步骤4.1，定位精度分析，定位精度能直观反映北斗伪卫星组合定位的效果情况，在复杂环境中，仅靠北斗B1I与B3I双频，可能会导致定位不稳定，且存在较大波动，考虑是存在较大定位误差。在进行RTK数据处理时，可分别解算单北斗定位与北斗伪卫星组合定位，对比两组解的差异，在复杂遮挡严重环境中，引入伪卫星后，由于卫星数的增加与卫星几何构型的改善，其定位结果会趋于平稳。

精度公式如下式6所示：

上式中，x_i为观测值，为观测平均值，n为观测值数量。

若通过精度公式计算后，北斗伪卫星组合定位结果大于等于单北斗定位结果或北斗伪卫星组合定位结果在时间序列中波动振幅大于单北斗定位结果，则应考虑RTK数据处理时对伪卫星多路径误差没有准确消除，则返回RTK数据处理，若符合，则等待输出结果。

伪卫星的多路径干扰信号相较于真实卫星要强的多，多路径误差消除的好坏直接决定了伪卫星定位结果的好坏，当伪卫星和用户设备都处在静止的环境时,多路径干扰可以近似理解为常值偏差,可以通过构建相关多路径误差消去模型进行预先估计。

步骤4.2，DOP值检验。在导航定位中，定位误差最终可表示为测距误差与DOP值的乘积，其中DOP值表示卫星/用户的相对几何布局对定位误差的复合影响，数值越小，精度越高，用于评估定位系统的定位精度和系统的完好性。在卫星导航中，接收机位置和时间误差可以如下式7至9所示：

ΔX＝(G^TG)^-1G^T·Δρ#(7)

其中：

式中即为第i颗卫星的方向余弦。

又ΔX＝(G^TG)^-1G^T·Δρ可得权系数阵Q，如下式10所示：

元素q_ij是评价卫星定位结果的依据，其精度因子DOP即可如下式11至14所示：

上式中，GDOP为几何精度因子，PDOP为位置精度因子，HDOP为水平精度因子，VDOP为高程精度因子，q₁₁、q₂₂、q₃₃、q₄₄为权系数阵Q中元素。

在复杂环境中，引入低高度角区间的伪卫星可以明显改善卫星的几何构型，其中又以VDOP值改善最为明显，为检验伪卫星引入后对精度的提升情况，可分别解算单北斗定位与北斗伪卫星组合定位的DOP值。

若通过DOP值公式计算后，北斗伪卫星组合定位的DOP值大于等于单北斗定位的DOP值，则返回伪卫星布设，考虑伪卫星布设选点是否存在问题，若符合，则等待输出结果。

步骤5：当定位精度分析和DOP值检验均符合时，输出结果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于包括以下步骤：

伪卫星布设；

时间同步；

RTK数据处理；

精度分析；

输出结果。

2.如权利要求1所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：所述伪卫星布设包括导航电文格式确定、自身位置获取和伪卫星频率确定。

3.如权利要求1所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：所述时间同步包括以下步骤：

时间驯服；

时间同步纠正算法；

时间偏差判定，若伪卫星与真实卫星的时间偏差ΔT不大于给定阈值，则进行下一步RTK数据处理，若大于给定阈值，则返回时间驯服。

4.如权利要求3所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：所述时间驯服包括驯服晶振，所述驯服晶振包括以下步骤：

测出本地频标和参考信号的相位差；

将相位差转化为电压值或数字信号；

对晶振进行压控调整或数字调整；

保持输出频率和参考信号频率同步，完成驯服。

5.如权利要求3所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：所述时间同步纠正算法计算公式如下式所示：

式中，为卫星与真实卫星间的钟差；为伪卫星观测真实卫星得到的伪距测量值；为伪卫星观测真实卫星时的电离层传播延迟误差等伪距误差；ρ为伪卫星与真实卫星的距离真值；(x_PL,y_PL,z_PL)为伪卫星三维位置坐标，(x_s,y_s,z_s)为真实卫星三维位置坐标。

6.如权利要求1所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：所述RTK数据处理包括以下步骤：

建立单北斗和伪卫星观测方程；

建立高精度定位中单北斗和伪卫星观测方程；

RTK定位解算。

7.如权利要求6所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：单北斗观测方程如下式所示：

上式中，表示第i颗北斗卫星的伪距观测值，r_i表示卫星与接收机之间的直线距离，c代表光速，Δt_u代表接收机钟差，Δt^BDS代表北斗卫星钟差，ε_j表示卫星的测量噪声，T_i与I_i分别表示北斗卫星的对流层误差与电离层误差；伪卫星观测方程如下式所示：

上式中，表示第j颗伪卫星的伪距观测值，r_j表示卫星与接收机之间的直线距离，c代表光速，Δt_u代表接收机钟差，Δt^PL为伪卫星钟差，ε_i分别表示卫星的测量噪声，T_j表示北斗卫星的对流层误差，δ_j为伪卫星多路径误差；

高精度定位中单北斗观测方程如下式所示：

上式中，λ代表波长，N为整周模糊度；

高精度定位中伪卫星观测方程如下式所示：

上式中，λ代表波长，N为整周模糊度。

8.如权利要求1所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：所述精度分析包括以下步骤：

定位精度分析，若通过精度公式计算后，北斗伪卫星组合定位结果大于等于单北斗定位结果或北斗伪卫星组合定位结果在时间序列中波动振幅大于单北斗定位结果，则返回RTK数据处理，若符合，则输出结果；

DOP值检验，若通过DOP值公式计算后，北斗伪卫星组合定位的DOP值大于等于单北斗定位的DOP值，则返回伪卫星布设，若符合，则输出结果。

9.如权利要求8所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：所述精度公式如下式所示：

上式中，x_i为观测值，为观测平均值，n为观测值数量。

10.如权利要求8所述的一种复杂环境下单北斗与伪卫星组合定位方法，其特征在于：所述DOP值公式如下式所示：

上式中，GDOP为几何精度因子,PDOP为位置精度因子，HDOP为水平精度因子，VDOP为高程精度因子,q₁₁、q₂₂、q₃₃、q₄₄为权系数阵Q中元素。