一种单北斗PPP-RTK联合估计方法、系统及设备与流程

本发明涉及北斗定位，具体涉及一种单北斗ppp-rtk联合估计方法、系统及设备。

背景技术：

1、ppp-rtk技术融合了精密单点定位（ppp）的广域覆盖优势与实时动态定位（rtk）的快速收敛特性，通过基准站网解算卫星轨道、钟差、大气延迟、相位偏差等修正信息并播发给用户，用户端结合观测数据与修正信息实现厘米级快速定位，是当前卫星导航高精度定位的核心技术方向。

2、随着北斗三号全球卫星导航系统全面建成，单北斗系统的自主可控高精度定位成为国家战略与行业应用的核心需求。但单北斗系统星座构型、信号频点特性与gps等多系统融合场景存在显著差异，现有ppp-rtk技术在单北斗场景下的性能短板被进一步放大。

3、现有ppp-rtk技术普遍采用“服务端滤波解算修正信息+用户端滤波解算定位结果”的双滤波架构，该架构存在无法规避的核心技术缺陷，具体如下：

4、1.违反卡尔曼滤波最优假设，丧失最小方差特性：卡尔曼滤波的最优估计（最小方差无偏估计）严格依赖“观测数据时间无关（白噪声）”的核心假设。但服务端播发的修正信息是其卡尔曼滤波的输出结果，本身带有显著的时间相关性（有色噪声）；用户端直接将该修正信息作为已知量或白噪声观测数据输入二次滤波，本质上形成双滤波嵌套，完全违背了卡尔曼滤波的标准假设，导致用户端滤波器失去最优性，定位精度出现系统性损失。

5、2.修正延迟适配性极差，弱网场景性能急剧恶化：现有方案大多忽略修正信息的时间相关性，仅为修正信息设置固定方差与权重，未对时间相关的有色噪声进行建模。当修正信息播发延迟增大（如弱网无网环境下延迟达到200ms以上），时间相关性的影响被急剧放大，传统方案的定位精度会从厘米级快速跌落至分米级甚至米级，无法满足高可靠定位需求。

6、3.未实现修正信息与用户参数的联合估计，无法从根本上解决精度损失问题：少数现有方案虽考虑了修正信息的不确定性，但仅对观测数据进行事后权重调整，未将修正信息的误差状态与用户端定位参数、大气参数、模糊度参数纳入同一滤波框架进行联合估计，双滤波的核心矛盾始终存在，无法恢复滤波器的最优估计能力。

7、4.单北斗场景适配性不足，收敛速度与定位精度短板突出：现有ppp-rtk优化方案大多针对gps/北斗多系统融合场景设计，未针对单北斗系统的星座特性、观测噪声特性进行专项优化。单北斗场景下可视卫星数量少于多系统融合场景，星座构型变化更慢，传统方案的滤波稳定性不足，模糊度固定成功率低，收敛时间长，难以实现稳定的厘米级定位。

技术实现思路

1、本发明提供一种单北斗ppp-rtk联合估计方法、系统及设备，以解决上述至少一个技术问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种单北斗ppp-rtk联合估计方法，包括：

3、s1，对服务端播发的修正信息的时间相关有色噪声特性进行建模，并融合单北斗多频观测方程，以构建考虑修正信息时间相关性的多历元单北斗ppp-rtk用户滤波模型；

4、s2，在所述多历元单北斗ppp-rtk用户滤波模型中，基于修正信息误差扩充用户滤波状态向量，以构建修正信息与用户参数的联合估计滤波框架；

5、s3，基于所述单北斗多频观测方程，实时估计修正信息的协方差矩阵，并以此动态调整所述联合估计滤波框架中的滤波权重；

6、s4，采用滤波权重动态调整的联合估计滤波框架进行联合估计，以固定单北斗ppp-rtk的整周模糊度，固定成功后更新状态向量，最终输出用户端三维厘米级定位结果。

7、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

8、进一步，所述s1具体包括：

9、s11，针对单北斗卫星的多频信号，结合用户端，构建基于非组合伪距与载波相位观测的单北斗多频观测方程；

10、s12，针对服务端播发的修正信息，采用一阶马尔可夫过程对所述修正信息进行时间相关有色噪声特性建模，得到修正信息时间相关性模型；

11、s13，将所述单北斗多频观测方程与各类修正信息时间相关性模型进行深度融合，以使各类修正信息误差特性从观测数据改正项转化为滤波模型内状态参数，进而得到所述多历元单北斗ppp-rtk用户滤波模型。

12、进一步，所述单北斗多频观测方程包括伪距观测方程和载波相位观测方程；其中，

13、所述伪距观测方程表示为：

14、；

15、所述载波相位观测方程表示为：

16、；

17、式中，为频点下的伪距观测数据，为频点下的载波相位观测数据；为单北斗卫星到用户端的几何距离，为光速，为用户端钟差，为单北斗卫星钟差，为对流层天顶延迟投影值，为电离层天顶延迟投影值，为频点下的电离层系数，、分别为频点下的用户端、单北斗卫星伪距硬件延迟，为频点下的波长，为频点下的载波相位整周模糊度，、分别为频点下的用户端、单北斗卫星相位硬件延迟，为频点下的伪距观测噪声，为频点下的载波相位观测噪声。

18、进一步，所述修正信息包括卫星钟差修正信息、卫星轨道修正信息、电离层修正信息、对流层修正信息、伪距硬件延迟修正信息和相位硬件延迟/fcb修正信息。

19、进一步，所述修正信息时间相关性模型表示为：

20、；

21、式中，为当前历元的修正信息误差，为前一历元的修正信息误差，为修正信息的时间相关系数，为当前历元的零均值高斯白噪声。

22、进一步，所述s2具体包括：

23、s21，在所述多历元单北斗ppp-rtk用户滤波模型中，于传统用户端滤波状态向量的基础上，将修正信息误差的状态作为扩充状态，形成扩充式联合状态向量；

24、s22，基于所述扩充式联合状态向量构建状态转移矩阵，以实现状态一步预测；

25、s23，在完成状态一步预测后，将单北斗卫星的原始伪距、所述多历元单北斗ppp-rtk用户滤波模型观测到的载波相位观测数据以及服务端播发的修正信息共同作为观测数据，以将修正信息与用户参数纳入同一观测更新流程，进而得到修正信息与用户参数的联合估计滤波框架。

26、进一步，所述传统用户端滤波状态向量包含用户三维地心坐标、用户端钟差、用户端钟差漂移、对流层天顶延迟以及多频下每颗可视北斗卫星的两个载波相位整周模糊度；

27、修正信息误差的状态作为扩充状态所形成的向量为扩充修正误差状态向量，所述扩充修正误差状态向量包含每颗可视北斗卫星的轨道修正误差、钟差修正误差、电离层修正误差、对流层修正误差、多频伪距硬件延迟修正误差以及多频相位硬件延迟修正误差。

28、进一步，所述s3具体包括：

29、s31，基于所述单北斗多频观测方程观测的单北斗多频观测数据前多个历元的滤波残差序列，采用极大似然估计方法，实时求解所述联合估计滤波框架中修正信息的时间相关系数和过程噪声方差；

30、s32，基于实时求解的修正信息的时间相关系数和过程噪声方差，更新状态转移矩阵与过程噪声协方差矩阵，并构建包含历元间互协方差项的观测值协方差矩阵；

31、s33，基于所述观测值协方差矩阵，更新卡尔曼滤波增益矩阵，并以此动态调整原始观测值与修正信息的滤波权重，从而实现所述联合估计滤波框架中滤波权重的动态调整。

32、基于上述一种单北斗ppp-rtk联合估计方法，本发明还提供一种单北斗ppp-rtk联合估计系统。

33、一种单北斗ppp-rtk联合估计系统，包括：

34、时间相关有色噪声建模模块，其用于对服务端播发的修正信息的时间相关有色噪声特性进行建模，并融合单北斗多频观测方程，以构建考虑修正信息时间相关性的多历元单北斗ppp-rtk用户滤波模型；

35、状态扩展模块，其用于在所述多历元单北斗ppp-rtk用户滤波模型中，基于修正信息误差扩充用户滤波状态向量，以构建修正信息与用户参数的联合估计滤波框架；

36、滤波权重动态调整模块，其用于基于所述单北斗多频观测方程，实时估计修正信息的协方差矩阵，并以此动态调整所述联合估计滤波框架中的滤波权重；

37、定位模块，其用于采用滤波权重动态调整的联合估计滤波框架进行联合估计，以固定单北斗ppp-rtk的整周模糊度，固定成功后更新状态向量，最终输出用户端三维厘米级定位结果。

38、基于上述一种单北斗ppp-rtk联合估计方法，本发明还提供一种单北斗ppp-rtk联合估计设备。

39、一种单北斗ppp-rtk联合估计设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述所述的单北斗ppp-rtk联合估计方法。

40、本发明的有益效果是：在本发明一种单北斗ppp-rtk联合估计方法、系统及设备中，通过对服务端播发的修正信息进行时间相关性建模，从根本上解决双滤波架构导致的卡尔曼滤波最优性丧失问题，恢复单北斗ppp-rtk定位的最小方差无偏估计特性；同时，通过扩充用户端滤波状态向量构建联合估计滤波框架，将修正信息的误差状态与用户定位参数、大气参数、模糊度参数纳入同一滤波框架进行联合估计，彻底消除了双滤波嵌套带来的系统性精度损失；以及，基于北斗多频观测数据实时估计修正信息的协方差矩阵，动态调整滤波权重，解决了现有技术固定权重在大修正延迟场景下精度急剧恶化的问题；另外，基于联合估计框架大幅提升模糊度浮点解的精度与稳定性，解决了现有技术单北斗场景下收敛慢、固定成功率低、稳定性差的短板，实现了完全自主可控的单北斗厘米级高精度定位。