一种基于BDS-3公开服务的多频非组合融合定位方法及系统与流程

本发明涉及卫星导航定位，具体是一种基于bds-3公开服务的多频非组合融合定位方法及系统。

背景技术：

1、bds-3是我国自主建设、独立运行并面向全球提供公开服务的卫星导航系统。基于广播星历和伪距观测值的标准单点定位（spp）具有算法简单、成本低、定位速度快且无整周模糊度等优势，广泛应用于车辆导航、移动终端、物联网定位和应急保障等场景。由于成本考虑，大众市场多采用低成本单频接收机，因此bds-3开放位置服务通常基于单频spp实现。电离层延迟引起的距离误差可以高达100m，是spp定位误差的主要来源。对于单频用户，通常需要采用广播电离层延迟模型改正电离层延迟。然而，电离层延迟的大小与太阳活动、地磁条件、观测纬度和信号频率密切相关，在电离层活跃时期或低纬度地区表现出明显的空间和时间变化。对于单频定位而言，广播电离层延迟模型只能给出经验性或区域性改正，难以完全适应实时电离层扰动，因而限制了标准单点定位精度的进一步提升。

2、随着bds-3公开服务信号体制不断完善，用户可接收b1i、b3i、b1c、b2a、b2b等多个频点的伪距观测值。，随着接收机硬件技术的发展，多频接收机的成本和价格与单频接收机并没有显著差异，目前市面上大多数接收机已具备接收多频观测值的能力，这为多频spp的普及提供了硬件基础。相较于单频spp，多频spp能够通过多频观测值实时估计电离层延迟，从而突破广播电离层延迟模型建模精度的限制，可以作为广播电离层延迟模型的替代方案，还能够显著增加观测冗余，提升spp的定位精度和可靠性。现有多频伪距定位模型中，非组合模型具有更好的通用性与可扩展性，更适用于bds-3多频公开服务场景。

3、然而，在多频非组合伪距定位中还存在若干工程问题需要解决。第一，bds-3广播星历卫星钟差以b3i频率为基准，需要处理其它频点的存在卫星端伪距偏差。第二，不同频率在接收机端存在不同的接收机端伪距硬件延迟，前两个频率的接收机端延迟可以由接收机钟差和电离层延迟参数共同吸收，需要处理从第三个频率开始引入的频间偏差。第三，基于公开服务实时终端的定位算法应保持计算简单和部署方便等优势，避免依赖复杂外部产品或非公开信号。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种基于bds-3公开服务的多频非组合融合定位方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明的第一方面提供如下技术方案：

3、一种基于bds-3公开服务的多频非组合融合定位方法，包括以下步骤：

4、步骤1、用户终端获取bds-3公开服务多频伪距观测值和广播星历，并进行观测完整性质量控制，所述多频伪距观测值应至少包括b1i、b2i、b3i、b1c、b2a、b2b中的两个频点；

5、步骤2、基于广播星历计算卫星位置和钟差，采用先验模型对流层延迟进行改正，并对非b3i频点的观测值进行伪距码偏差改正；

6、步骤3、基于构造的多频非组合spp模型和高度角模型，通过加权最小二乘法逐历元解算接收机坐标及其它待估参数项，并输出定位结果。

7、优选地，步骤1具体包括：

8、步骤101、多频观测数据获取：接收机在目标历元同步接收广播星历和bds-3公开服务多频伪距观测值，若接收机仅在某一历元获取部分频点，则根据已获取频点自动形成对应的观测方程集合；若某颗卫星缺少参与解算所需的基础频点，则该卫星在该历元予以剔除；

9、步骤102、观测值质量控制：对各频点伪距观测值进行完整性和质量指标检查，包括剔除高度角低于阈值的卫星、剔除信噪比低于阈值的观测量、剔除伪距为零的观测量、剔除卫星健康状态异常的观测量。

10、优选地，步骤2具体包括：

11、步骤201、卫星状态计算：依据广播星历计算发射时刻卫星位置和卫星钟差；对于不健康卫星、星历龄期超过阈值的卫星或位置计算异常的卫星，不将其纳入当前历元定位；

12、步骤202，卫星端码偏差一致化改正：设卫星和接收机，数据处理时采用的频率为，则原始的伪距观测方程可以表示为：

13、   （1）；

14、公式（1）中：表示原始伪距观测值，表示接收机到卫星间的几何距离，和分别表示接收机钟差和卫星钟差，表示斜路径电离层延迟，表示信号传播路径上的对流层延迟，和分别表示接收机端和卫星端伪距硬件延迟，表示伪距观测值的测量噪声；

15、对于非b3i频率的观测值进行伪距码偏差改正：bds-3广播星历中提供两个信号群延迟参数tgd，分别用于b1i和b2i频率的伪距码偏差改正；

16、对于b1c、b2a和b2b，采用igs发布的差分码偏差dcb产品，通过两个频率包含的卫星端硬件延迟之差进行改正：

17、   （2）；

18、公式（2）中：表示第频率和第频率间的dcb产品改正值；

19、通过卫星端伪距码偏差改正后，bds-3各频率伪距观测值中包含的卫星端伪距硬件延迟将与广播星历卫星钟差保持一致。

20、优选地，步骤2具体包括：

21、步骤301，观测量减计算量构建：以接收机近似坐标为线性化点，计算接收机到卫星的几何距离，并从经卫星端伪距码偏差改正后的伪距观测值中扣除几何距离、对流层延迟以及对流层延迟改正项，同时加入广播卫星钟差项，形成观测量减计算量：

22、   （3）；

23、   （4）；

24、公式（3）中：表示伪距观测值减去计算值，表示接收机至卫星视线方向的单位向量，表示接收机的三维坐标，表示吸收了第频率接收机端伪距硬件延迟的接收机钟差；

25、步骤302，多频非组合观测方程构建：对于双频非组合spp模型，将第一个频率上的电离层延迟作为待估计参数，与接收机钟差共同吸收接收机端的伪距硬件延迟；

26、对于三频以上非组合spp的第个频率，>2，为第个频率引入频间偏差参数，构建的多频非组合spp模型表示为：

27、   （5）；

28、   （6）；

29、   （7）；

30、公式（5）中：表示吸收了前两个频率消电离层组合接收机端伪距硬件延迟的接收机钟差，表示吸收了接收机端伪距硬件延迟的第一个频率上的电离层延迟，表示第频率的频间偏差参数，其在吸收和所引入的前两个频率的接收机端伪距硬件延迟的同时也吸收了第频率的接收机端伪距硬件延迟；表示电离层延迟比例因子；

31、公式（7）中：表示频率观测值所占的权重比例，表示频率观测值所占的权重比例，表示第

i个频率的载波频率值的平方，表示第

j个频率的载波频率值的平方；

32、步骤303，定权模型建立：采用高度角函数定权，定权模型表示为：

33、   （8）；

34、公式（8）中：表示观测值方差，表示卫星总数，表示频率总数；

35、高度角函数的表示如下：

36、   （9）；

37、公式（9）中：代表高度角，由卫星位置和测站的概略坐标计算得到；和为常数；

38、步骤304，加权最小二乘估计：将将所有伪距观测按照公式（5）建立观测方程，堆叠形成观测向量、设计矩阵和权阵，建立法方程并求解待估参数的增量，按照加权最小二乘估计原理，原始观测方程线性化后的观测误差方程表示为：

39、  （10）；

40、公式（10）中：为伪距观测值的改正数向量，，为各个待估参数的系数组成的系数矩阵，为待估参数向量，为常数项矩阵；

41、待估参数向量表示为：

42、   （11）；

43、公式（10）中：为接收机三维坐标的增量，为接收机钟差项，为颗卫星对应的第一个频率上的斜路径电离层延迟，为第三个及以上频率的接收机频间偏差参数；当时，不设置频间偏差参数；

44、基于构建的误差方程和定权模型，使用最小二乘平差准则求解待估参数向量：

45、  （12）；

46、当求解获得接收机三维坐标的增量后，更新接收机近似坐标，并重新计算接收机至卫星视线方向的单位向量、接收机到卫星间的几何距离和观测量减计算值，直至接收机三维坐标的增量和接收机钟差项的增量满足收敛阈值；

47、对于连续动态定位，上一历元坐标解可作为当前历元初值，从而减少迭代次数；

48、步骤305，结果输出：输出接收机地心地固坐标或经纬度高坐标，选择性地输出接收机钟差、每颗卫星斜路径电离层延迟估计值、频间偏差参数估计值。

49、本发明的第二方面提供了一种基于bds-3公开服务的多频非组合融合定位系统，包括：

50、多频接收模块：所述多频接收模块用于接收bds-3公开服务多频伪距观测值和广播星历；

51、数据预处理模块：所述数据预处理模块用于进行对各频点伪距观测值进行完整性检查、卫星高度角检核和载噪比检核；

52、误差改正模块：所述伪距码偏差改正模块用于对流层延迟和非b3i频率的观测值进行伪距码偏差改正；

53、参数解算模块：所述估计解算模块用于通过加权最小二乘逐历元估计接收机三维坐标、接收机钟差、斜路径电离层延迟和频间偏差参数；

54、结果输出模块：所述结果输出模块用于输出用户终端定位坐标。

55、本发明的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如前文所述的基于bds-3公开服务的多频非组合融合定位方法。

56、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

57、（1）利用bds-3公开服务多频信号自身的观测冗余实时估计电离层延迟，克服广播电离层延迟模型的精度限制，进而起到增强用户定位精度的作用；

58、（2）引入频间偏差参数，使第三个及以上频点能够稳定纳入统一模型，提高多频扩展能力；

59、（3）采用加权最小二乘逐历元解算，计算量小，适合工程实时部署；

60、（4）多频观测冗余提高了对随机噪声和粗差的抑制能力，适用于静动态场景的连续定位；

61、（5）构造多频非组合的实时导航定位数学模型，利用多个频点原始伪距测量的冗余观测可规避单频定位误差受电离层模型精度影响的弊端，又克服了双频无电离层组合观测定位误差受放大的多路径及噪声影响。