一种非差非组合精密单点定位完好性监测方法与流程

1.本发明涉及卫星导航定位技术领域，具体涉及一种非差非组合精密单点定位完好性监测方法。


背景技术：

2.精密单点定位(precise point positioning,ppp)技术具有作业灵活、无需基站辅助的优势，可为海洋开发等多种场景提供分米级甚至厘米级的高精度位置服务。ppp的定位性能虽然可以满足大部分场景的要求，但在卫星信号接收受限的海上作业环境下，如钻井平台上的建筑物遮挡，船舶远洋航行受船体及冰山遮挡，以及一些海上的极端天气影响，会导致部分频点丢失以及显著多路径频发的现象，其位置服务的可靠性难以得到保障。
3.现有技术中，为保障ppp位置服务的可靠性，可以通过将raim(receiver autonomous integrity monitoring)引入ppp建立ppp-raim算法。虽然这一算法进行故障检测时能够一定程度上提高可靠性，但与ppp模型相关性较弱。为进一步提升与ppp模型契合度，基于sbas校正信息的双频ppp算法，结合araim(advanced raim)完好性算法，可产生10米以内的保护水平，但构建的保护水平(protection level,pl)过于保守，超出高精度位置服务应用允许的误差界限范围。基于扩展卡尔曼滤波估计的ppp完好性监测算法可以实现米级至分米级高完好性保证的误差界限，但使用环境受限于开阔收星条件下的航空环境，在卫星受限的海洋作业环境中收到一定的限制。因此，面向卫星受限及显著多径频发的海上作业环境下ppp可靠性保障问题亟待解决。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的非差非组合精密单点定位完好性监测方法。
5.根据本发明的一个方面，提供了一种非差非组合精密单点定位完好性监测方法，包括：
6.建立基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型；
7.基于所述非差非组合ppp函数模型，输入当前历元处的可用观测量，所述可用观测量包含单频点观测量和双频点观测量；
8.基于多重假设解分离理论，列出所有故障子集；
9.针对每个故障子集，进行所述故障子集的时间更新和测量值更新；
10.根据更新后的测量值，计算每个故障子集的保护水平，进而得到所述当前历元的整体保护水平；
11.根据所述当前历元的整体保护水平进行可用性判断。
12.在一种可选的方式中，所述建立基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型进一步包括：
13.根据gnss观测量与待估参数，构建原始伪距与载波相位基本观测方程；
14.引入精密卫星轨道和种差改正，对所述原始伪距与载波相位基本观测方程进行参数规整，建立基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型。
15.在一种可选的方式中，所述原始伪距与载波相位基本观测方程为：
[0016][0017]
其中，为原始伪距；为载波相位；上标s和q分别表示卫星的prn号和卫星系统；下标r和j分别表示接收机id和观测值频段号；表示卫星与测站之间的几何距离；表示频率fj对应的载波波长；c表示真空中的光速；dtr和dt
s,q
分别表示接收机和卫星钟差；表示与卫星高度角有关的湿投影函数；zw表示测站的天顶湿延迟；表示频率相关的电离层延迟方法因子；和分别表示与频率相关的接收机和卫星端的非校正伪距硬件延迟；和分别表示频率相关的接收机和卫星端的非校正相位硬件延迟；表示载波相位整周模糊度；为伪距噪声；为载波相位的噪声；为f1频段上对应的斜向电离层延迟误差。
[0018]
在一种可选的方式中，所述非差非组合ppp函数模型为：
[0019][0020]
其中，下标j表示观测值频段号，取值为1或者2；和分别表示伪距和载波的观测量减去计算量；为方向余弦；x为相对于初始坐标的三维位置增量；为频率相关放大因子；为频率相关的卫星端差分码偏差；为卫星ucd的无电离层组合，包含于外部提供的精密卫星钟差改正；为频率fj对应的载波波长；c表示真空中的光速；dtr和为接收机和卫星钟差；为与卫星高度角有关的湿投影函数；zw为测站的天顶湿延迟；是频率相关的电离层延迟方法因子和为频率相关的接收机和卫星端的非校正相位硬件延迟；为载波相位整周模糊度；为伪距的噪声；为载波相位的噪声；为f1频段上对应的斜向电离层延迟误差。
[0021]
在一种可选的方式中，在所述基于多重假设解分离理论，列出所有故障子集之后，所述方法还包括：
[0022]
进行状态更新；所述状态包含：误差、对流层湿延迟、电离层消息和载波相位模糊状态；
[0023]
其中，利用对偶膨胀算法对多路径误差进行膨胀处理，以形成多路径误差的高斯边界。
[0024]
在一种可选的方式中，所述对偶膨胀算法包含一对cdf高斯边界g
l
,gr，分别在实际误差分布的左侧和右侧，具体描述为：
[0025][0026]
其中，g
l
为基于对偶膨胀算法建立的基于多路径误差的高斯左边界；gr为基于对偶膨胀算法建立的基于多路径误差的高斯右边界；ga为实际多径误差cdf分布；x表示多径误差。
[0027]
在一种可选的方式中，所述时间更新进一步包括：
[0028]
对故障子集状态和协方差矩阵分别进行从上一个历元到当前历元的传播。
[0029]
在一种可选的方式中，所述测量值更新进一步包括：
[0030]
执行误差处理，以产生预测的伪距和载波相位观测值。
[0031]
在一种可选的方式中，所述整体保护水平pl为：
[0032][0033]
其中，pli和ti分别为故障子集i的保护水平和检测门限；n为故障子集数量；p
ap
(hi)为故障子集i所对应的先验故障概率；q-1
为正态分布的逆；σ(i)为故障子集i的标准差；phmi表示危险误导信息概率。
[0034]
在一种可选的方式中，所述根据所述当前历元的整体保护水平进行可用性判断进一步包括：
[0035]
基于所述整体保护水平pl和所需导航性能确立的告警极限al进行可用性判断；其中，当pl≥al时，表示当前历元不可用；当pl《al时，表示当前历元可用。
[0036]
根据本发明提供的方案，建立基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型；基于所述非差非组合ppp函数模型，输入当前历元处的可用观测量，所述可用观测量包含单频点观测量和双频点观测量；基于多重假设解分离理论，列出所有故障子集；针对每个故障子集，进行所述故障子集的时间更新和测量值更新；根据更新后的测量值，计算每个故障子集的保护水平，进而得到所述当前历元的整体保护水平；根据所述当前历元的整体保护水平进行可用性判断。本发明有效抑制了显著多路径效应对ppp函数模型完好性监测算法的影响，对海上常见危险源有很强的适应性，显著提升了ppp位置服务的可靠性。
[0037]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0038]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0039]
图1示出了根据本发明一个实施例的非差非组合精密单点定位完好性监测方法的流程示意图；
[0040]
图2示出了根据本发明另一个实施例的非差非组合精密单点定位完好性监测方法的流程示意图。
具体实施方式
[0041]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0042]
在实施本发明实施例之前，对下文中涉及的技术术语在此进行统一解释：
[0043]
gnss：全球导航卫星系统(global navigation satellite system，gnss)，泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的gps、俄罗斯的glonass、欧洲的galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的waas(广域增强系统)、欧洲的egnos(欧洲静地导航重叠系统)和日本的msas(多功能运输卫星增强系统)等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。
[0044]
ppp：精密单点定位(precise point positioning,ppp)指的是利用全球若干地面跟踪站的gps观测数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差,对单台gps接收机所采集的相位和伪距观测值进行定位解算。
[0045]
非差非组合模型：非差非组合模型是一种统一的gnss数据处理模型，任何gnss系统任何频率的观测值均能按照这种模型建立观测方程。
[0046]
非差非组合ppp模型：非差非组合ppp模型使用原始伪距和载波相位观测值并参数化倾斜方向电离层延迟，不会放大观测值噪声，利于单频、双频、多频(三频及以上)模型的统一表达。
[0047]
图1示出了根据本发明一个实施例的非差非组合精密单点定位完好性监测方法的流程示意图。本方法采用非差非组合ppp函数模型，避免了线性组合导致的噪声放大，同时在处理多频观测信息时更具有弹性，并在此基础上，利用多重假设解分离理论建立完好性监测算法，在最大限度的保留原始观测信息的同时，基于该模型的完好性算法可以获得更平滑的协方差和保护水平。以北斗系统为例，具体地，如图1所示，该方法包括如下步骤：
[0048]
步骤s101，建立基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型。
[0049]
本实施例中，构建基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型，不仅可支持双频点观测量，而且还支持在部分频点缺失后的单频观测量，并可最大化利用观测信息，以提升观测冗余。
[0050]
建立基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型，可执行包括但不限于以下处理步骤：
[0051]
步骤一，根据gnss观测量与待估参数之间的关系，将原始伪距和载波相位结合而构建原始伪距与载波相位基本观测方程。
[0052]
步骤二，在构建的原始伪距与载波相位基本观测方程的基础上，引入精密卫星轨道和钟差改正，对原始观测方程进行参数规整。
[0053]
步骤三，在所述原始伪距与载波相位基本观测方程参数规整的同时，针对部分频点缺失导致观测冗余降低情况，建立基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型。
[0054]
具体地，步骤一所述原始伪距与载波相位基本观测方程为：
[0055][0056]
其中，为原始伪距；为载波相位；上标s和q分别表示卫星的prn号和卫星系统；下标r和j分别表示接收机id和观测值频段号；表示卫星与测站之间的几何距离；表示频率fj对应的载波波长；c表示真空中的光速；dtr和dt
s,q
分别表示接收机和卫星钟差；表示与卫星高度角有关的湿投影函数；zw表示测站的天顶湿延迟；表示频率相关的电离层延迟方法因子；和分别表示与频率相关的接收机和卫星端的非校正伪距硬件延迟；和分别表示频率相关的接收机和卫星端的非校正相位硬件延迟；表示载波相位整周模糊度；为伪距噪声；为载波相位的噪声；为f1频段上对应的斜向电离层延迟误差。
[0057]
具体地，步骤三所述基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型为：
[0058][0059]
其中，下标j表示观测值频段号，取值为1或者2；和分别表示伪距和载波的观测量减去计算量；为方向余弦；x为相对于初始坐标的三维位置增量；为频率相关放大因子；为频率相关的卫星端差分码偏差；为卫星ucd的无电离层组合，包含于外部提供的精密卫星钟差改正；为频率fj对应的载波波长；c表示真空中的光速；dtr和为接收机和卫星钟差；为与卫星高度角有关的湿投影函数；zw为测站的天顶湿延迟；是频率相关的电离层延迟方法因子和为频率相关的接收机和卫星端的非校正相位硬件延迟；为载波相位整周模糊度；为伪距的噪声；为载波相位的噪声；为f1频段上对应的斜向电离层延迟误差。
[0060]
步骤s102，基于非差非组合ppp函数模型，输入当前历元处的可用观测量，可用观测量包含单频点观测量和双频点观测量。
[0061]
构建基于单双频点混合的非差非组合ppp函数模型，不仅支持双频点观测量，还支持在部分频点缺失后的单频观测量，以最大化利用gnss观测信息和提升观测冗余。
[0062]
为计算可用观测量的整体保护水平pl，并与告警极限al进行可用性判断，首先需要采集所有的观测历元处的可用观测量。
[0063]
具体地，基于所构建的单双频点混合的非差非组合ppp函数模型，输入当前历元处的可用观测量，其中，可用观测量包含单频点观测量和双频点观测量，在执行完毕后续的步骤后，并继续依次遍历所有观测历元处的可用观测量。
[0064]
步骤s103，基于多重假设解分离理论，列出所有故障子集。
[0065]
在构建所述单双频点混合的非差非组合ppp函数模型的同时，基于多重假设解分离理论，列出当前历元处的所有子集，其中，每个子集对应于一个故障模式。
[0066]
具体地，包括以下步骤：对每个子集建立索引，其中，索引为0的对应于全视图模式；依次遍历每个子集；如果添加了新的观测值，则更新子集和新状态，新状态包括误差、对流层湿延迟、电离层消息和载波相位模糊状态。
[0067]
可选地，同时利用对偶膨胀算法对多路径误差进行膨胀处理，以形成多路径误差的高斯边界，以补偿因多径误差畸变带来的不确定性影响，并建立适应复杂海洋作业环境下的威胁模型，以保证在显著多径效应引起的较大测距误差环境下误差界限的完好性。
[0068]
步骤s104，针对每个故障子集，进行故障子集的时间更新和测量值更新。
[0069]
所述时间更新是指对故障子集状态和协方差矩阵分别进行从上一个历元到当前历元的传播，可以选择对每个子集状态和协方差分别进行矩阵乘法操作，该操作具有较低的计算复杂度。
[0070]
可选地，在准备测量值更新时，执行多个误差处理，以产生预测的伪距和载波相位观测值，从而进一步建立适应卫星信号接收受限环境下可信的正态模型及威胁模型，进一步地，为了排查异常值，测量值更新步骤还包括检查测量残差。
[0071]
具体的，依次遍历当前历元处的每个故障子集，并分别更新每个故障子集的时间和测量值。
[0072]
步骤s105，根据更新后的测量值，计算每个故障子集的保护水平，进而得到当前历元的整体保护水平。
[0073]
为对当前历元的整体保护水平进行可用性判断，根据更新后的测量值，计算当前历元的每个故障子集的保护水平，并保留所有故障子集保护水平的最大值，进而得到所述当前历元的整体保护水平。
[0074]
步骤s106，根据当前历元的整体保护水平进行可用性判断。
[0075]
基于当前历元的整体保护水平pl和所需导航性能确立的告警极限al进行可用性判断；其中，当pl≥al时，表示当前历元不可用，同时，将告警标识设置在当前历元处；当pl《al时，表示当前历元可用。
[0076]
本发明上述实施例提供的方案，建立基于gnss观测量单双频点混合的非差非组合ppp函数模型；基于所述非差非组合ppp函数模型，输入当前历元处的可用观测量，所述可用观测量包含单频点观测量和双频点观测量；基于多重假设解分离理论，列出所有故障子集；针对每个故障子集，进行所述故障子集的时间更新和测量值更新；根据更新后的测量值，计算每个故障子集的保护水平，进而得到所述当前历元的整体保护水平；根据所述当前历元的整体保护水平进行可用性判断。本发明有效抑制了显著多路径效应对ppp函数模型完好性监测算法的影响，对海上常见危险源有很强的适应性，显著提升了ppp位置服务的可靠性。
[0077]
图2示出了根据本发明另一个实施例的非差非组合精密单点定位完好性监测方法的流程示意图。本方法在基于非差非组合ppp函数模型，依次遍历所有历元处的可用观测量，并对当前历元处的可用观测量，基于多重假设解分离理论，列出所有故障子集，并进行当前历元的每个故障子集进行状态更新，同时利用对偶膨胀算法(paired overbounding,pb)对多路径误差进行膨胀处理，以形成多路径误差的高斯边界，根据更新后的测量值，计
算每个故障子集的保护水平，进而得到当前历元的整体保护水平，根据当前历元的整体保护水平进行可用性判断，以北斗系统为例，具体地，如图2所示，该方法包括以下步骤：
[0078]
步骤s201，基于非差非组合ppp函数模型，输入当前历元处的可用观测量。
[0079]
基于单双频点混合的非差非组合ppp函数模型，输入当前历元处的可用观测量，其中，可用观测量包含单频点观测量和双频点观测量，在执行完毕后续的步骤后，并继续依次遍历所有观测历元处的可用观测量。
[0080]
步骤s202，基于多重假设解分离理论，列出所有故障子集。
[0081]
基于多重假设解分离理论，列出当前历元的所有故障子集，总数为n，其中，每个子集对应于一个故障模式。对每个子集建立索引i，其中，子集索引i为0对应于全视图模式。
[0082]
步骤s203，进行状态更新。
[0083]
进行状态更新，其中，如果添加了新的观测值，则更新每个子集和状态，同时利用对偶膨胀算法对多路径误差进行膨胀处理，以形成多路径误差的高斯边界。
[0084]
所述状态包含：误差、对流层湿延迟、电离层消息和载波相位模糊状态。
[0085]
进一步的，利用对偶膨胀算法对多路径误差进行膨胀处理，以形成多路径误差的高斯边界，以补偿因多径误差畸变带来的不确定性影响。
[0086]
所述对偶膨胀算法包含一对cdf高斯边界g
l
,gr，分别在实际误差分布的左侧和右侧，具体描述为：
[0087][0088]
其中，g
l
为基于对偶膨胀算法建立的基于多路径误差的高斯左边界；gr为基于对偶膨胀算法建立的基于多路径误差的高斯右边界；ga为实际多径误差cdf分布；x表示多径误差。
[0089]
步骤s204，判断当前子集i是否小于总故障子集数n。
[0090]
如果i小于总故障子集数n，则跳转到步骤s205，更新当前子集的时间和测量值；否则，跳转到步骤s207。
[0091]
步骤s205，更新当前子集的时间和测量值。
[0092]
依次遍历当前历元处的每个故障子集，并分别更新每个故障子集的时间和测量值。其中，时间更新是指状态和协方差矩阵从上一个时间历元到当前历元的传播，时间更新是对每个故障子集状态和协方差分别进行。
[0093]
所述测量值更新进一步包括：
[0094]
执行误差处理，以产生预测的伪距和载波相位观测值。
[0095]
步骤s206，根据更新后的测量值，计算当前子集的保护水平。
[0096]
根据更新后的测量值，计算当前子集的保护水平，并跳转到步骤s204，直至遍历完所有当前历元的每个子集。
[0097]
步骤s207，计算当前历元的整体保护水平pl。
[0098]
根据当前历元的每个故障子集的保护水平，并保留所有故障子集保护水平的最大值，进而得到所述当前历元的整体保护水平。
[0099]
具体地，所述整体保护水平pl为：
[0100][0101]
其中，pli和ti分别为故障子集i的保护水平和检测门限；n为故障子集数量；p
ap
(hi)为故障子集i所对应的先验故障概率；q-1
为正态分布的逆；σ(i)为故障子集i的标准差；phmi表示危险误导信息概率。
[0102]
步骤s208，判断pl是否超过告警极限al。
[0103]
判断当前历元的整体保护水平pl是否小于告警极限al，如果pl超过了al的约束，则表示当前历元不可用，并跳转到步骤s209；如果pl未超过al的约束，则表示当前历元可用，并跳转到步骤s210。
[0104]
步骤s209，在当前历元处设置告警标志。
[0105]
在当前历元处设置告警标志，继续执行步骤s210，即进行历元更新并继续遍历下一个历元。
[0106]
步骤s210，进行当前历元更新并继续遍历下一个历元。
[0107]
继续遍历下一个历元，检测新的测量值，跳转到步骤s201，直至遍历完所有的历元。
[0108]
本发明上述实施例提供的方案，利用对偶膨胀方法确立多径误差高斯边界，以补偿因多径误差畸变带来的不确定性影响，建立适应复杂海洋作业环境下的威胁模型，以保证在显著多径效应引起的较大测距误差环境下误差界限的完好性。并在此基础上，利用多重假设解分离理论建立完好性监测算法，在最大限度的保留原始观测信息的同时，基于该模型的完好性算法可以获得更平滑的协方差和保护水平，有效抑制了显著多路径效应对ppp函数模型完好性监测算法的影响，对海上常见危险源有很强的适应性，显著提升了ppp位置服务的可靠性。
[0109]
在此提供的算法或显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明实施例也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
[0110]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0111]
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
[0112]
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地
改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
[0113]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0114]
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本发明实施例的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
[0115]
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。上述实施例中的步骤，除有特殊说明外，不应理解为对执行顺序的限定。