一种系统间共频信号差分的GNSS/INS组合定位方法

一种系统间共频信号差分的gnss/ins组合定位方法
技术领域
1.本发明涉及gnss/ins组合定位数据处理领域，尤其涉及一种系统间共频信号差分的gnss/ins组合定位方法。


背景技术：

2.高精度定位技术带动了一系列产业的迅速发展，是无人驾驶、智慧交通、智慧农业等美好愿景能够顺利实现的前提。基于全球卫星导航系统(global navigation satellite system,gnss)定位技术和惯性导航技术(inerital navigation system,ins)的gnss/ins组合技术毫无疑问是目前室外场景中使用最为广泛的高精度定位手段。虽然该技术投入实际工程使用已将近40年，但仍存在着一些急需解决的问题。特别是对于民用gnss/ins组合系统而言，由于其严重依赖于gnss信号，需要gnss提供足够的信息用于抑制ins误差的累积，当gnss信号受到干扰或遮挡时，ins误差将快速累积，这将导致组合系统在此类场景中也无法保持长时间高精度的定位定姿。学者们提出了许多办法来改善此情形下gnss/ins组合系统的定位性能，比如利用车辆载体信息约束、加入其它类型传感器辅助等等。这些方法本质上都是为了引入新的观测信息，代替gnss观测值用于抑制ins误差的发散。引入新的信息必须考虑新增设备的成本以及信息融合的问题，这将导致实现gnss/ins组合系统的难度进一步提升。
3.一方面，目前已有中国的bds，美国的gps，欧盟的galileo和俄罗斯的glonass四大卫星导航系统可为全球用户提供pnt服务，并且日本的qzss，印度的navic两个区域导航系统可为亚太用户提供pnt服务。为了增加与其他卫星系统的兼容与互操作性，目前各gnss系统均有意播发了部分与其他卫星系统频率重叠的信号，考虑到相同频率的卫星信号可以共用射频前端从而减少接收机的硬件成本，以及相同频率信号之间优良的兼容与互操作性，可以预见，支持多系统重叠频率将是未来gnss接收机的发展趋势。
4.另一方面，目前商用gnss/ins组合定位算法通常是基于(realtime kinematic,rtk) ins的组合，在该类rtk算法中，每个卫星系统会单独使用一颗参考卫星，该类rtk也被称为gnss系统间松组合rtk(gnss between-system loose combination rtk,lrtk)。与之相对应的，还有一类rtk模式被称为gnss系统间紧组合rtk(gnss between-system tight combination rtk,trtk)，在该rtk模式中，所有的卫星系统将共用一颗参考卫星。当然，由于不同卫星系统的观测值对应的波长、硬件延迟以及初始相位偏差可能存在差异，导致trtk比lrtk实现起来更为麻烦。基于重叠频率的trtk仅需要考虑不同卫星系统间差分硬件延迟(differential inter-system bias,disb)的影响，disb在时域上具有非常好的稳定性，这使得基于重叠频率的trtk比lrtk能够更加充分的利用gnss观测信息。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对目前gnss/ins组合定位算法的痛点问题，提供一种系统间共频信号差分的gnss/ins组合定位方法，用于提高gnss/ins组合系统在复杂环境中的定
位性能。
6.为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
7.一种系统间共频信号差分的gnss/ins组合定位方法，包括如下步骤：
8.步骤s1：将待测试设备与基准站分别放置在超短基线的两端，静止并同步采集10-60分钟的共频数据；
9.步骤s2：单历元估计disb，根据disb时间序列得到disb的先验值；
10.步骤s3：接收并解码组合导航模块产生的imu观测值、gnss观测值，以及基准站播发的gnss改正数；
11.步骤s4：利用事先校正得到的disb信息，根据组合导航模块中内嵌的组合定位算法，进行gnss/ins松组合或紧组合解算，待估参数滤波解算，模糊度参数固定与传递。
12.所述步骤s1包括：
13.步骤s11：将待测试设备与基准站布设为超短基线；
14.步骤s12：接收并解码待测试设备10-60分钟的gnss共频观测值；
15.步骤s13：接收并解码基准站10-60分钟的gnss共频观测值。
16.所述步骤s2包括：
17.步骤s21：预处理gnss观测数据；
18.数据预处理包括但不限于异常数据的监测与剔除、周跳的探测与修复、监测站与参考站的单点定位、卫星截止高度角设置、数据截止信噪比设置、异步差分最大时差设置、参考卫星选取策略设置、按照高度角定权；
19.采用的高度角定权公式为：
[0020][0021]
其中，θi表示第i颗卫星的高度角，σ0是验前单位权中误差，σ是第i颗卫星观测值的验前标准差；
[0022]
步骤s22：构建双差观测方程；
[0023]
首先，已知gnss原始观测值写作
[0024][0025][0026]
其中，上下标s,k,j,r分别代表卫星、卫星所属系统、频率、以及接收机；φ,p分别表示载波相位与伪距观测值，单位为米；ρ,τ,ι分别表示卫地距、对流层延迟与电离层延迟；其中代表频率j；dtr,则分别表示接收机钟差和卫星钟差；表示接收机端相位硬件延迟与卫星端相位硬件延迟；表示接收机端伪距硬件延迟与卫星端伪距硬件延迟；λj表示波长；表示模糊度；和分别表示相位与伪距的观测噪声；参数的上下标反映了该参数受哪些因素的影响；
[0027]
如果此时有一属于系统q的卫星v，并且卫星v也播发频率j上的信号，那么卫星s与v之间的双差观测值则为：
[0028][0029][0030]
为了推导的方便，这里以双系统单频短基线的情况为例进行推导，即忽略电离层与对流层延迟的影响，并且分别假设观测到了系统q,k中的n,m颗卫星；那么单历元trtk观测方程写为：
[0031][0032]
其中，
[0033][0033]
具有类似的结构，为待估的坐标改正值；
[0034]
步骤s23：估计参数浮点解；
[0035]
对于式(4)，利用
[0036][0037]
进行等价变化，得到trtk与lrtk之间的关系
[0038][0039]
其中
[0040][0041]
即为lrtk单历元的观测方程；trtk相比于lrtk在引入两个新的观测值的同时，也引入了三个待估参数；由于disbs参数在时域上具有非常好的稳定性，并且模糊度参数在没
有周跳发生的情况下，在时域上也保持常数特性，因此，随着观测时间的累积，trtk将比lrtk拥有越来越多的多余观测信息；但是由于trtk中与成线性相关的关系，这两个参数将无法同时正确估计出来；为了能够正确计算出相位disb的值，将与进行参数合并；用来代替该合并之后的参数，则式(5)写为
[0042][0043]
最后利用最小二乘计算出每个历元中所有参数的浮点值；
[0044]
步骤s24：获取disb参数；
[0045]
disb参数按照定义指的是和但是由于在参数估计时和无法分离，使得无法估计出来，因此通常的做法是将的小数部分看为等效的相位disb；首先计算出每个历元中与的值，为了减少观测值噪声对disb的影响，通过长时间取平均来获得最终的disb。
[0046]
所述步骤s3包括：
[0047]
步骤s31：接收并解码imu观测值，提供给s4；
[0048]
步骤s32：接收并解码组合系统中gnss观测值，提供给s4；
[0049]
步骤s33：接收并解码基准站gnss改正数，提供给s4。
[0050]
所述步骤s4包括：
[0051]
步骤s41：预处理imu数据，依次进行异常数据的监测与剔除、单位转换、坐标转换；提供给s42；
[0052]
同时，预处理gnss观测数据，依次进行异常数据的监测与剔除、周跳的探测与修复、监测站与参考站的单点定位、卫星截止高度角设置、数据截止信噪比设置、异步差分最大时差设置、参考卫星选取策略设置、按照高度角定权；提供给s42；
[0053]
步骤s42：对ins进行初始化：通过gnss spp解算出组合系统的大致位置、速度与姿态，设定滤波系统的初始方差协方差矩阵与过程噪声矩阵，进入s43；
[0054]
步骤s43：进行ins机械编排，进入s44；
[0055]
步骤s44：结合固定模糊度参数以构建gnss/ins松/紧组合方程，包括：
[0056]
根据空间向量的关系，得到：
[0057][0058]
其中下上标b,e分别代表imu自身坐标系和地心地固坐标系，代表e系下gnss
天线相位中心处的坐标，代表e系下imu质心处的坐标，代表从b系到e系的坐标变换矩阵，lb代表在imu坐标系下gnss天线相位中心与imu质心之间的空间距离，为常数；式(8)描述了理想情况下gnss解算的位置与ins解算的位置之间的关系，由于实际中解算过程不可避免的将引入误差，因此对上式(8)进行误差扰动分析得到gnss解算的位置误差与ins解算的位置误差的关系
[0059][0060]
其中δ表示误差，φ表示姿态的误差；那么基于trtk的gnss/ins紧组合方程写为
[0061][0062]
基于trtk的gnss/ins松组合方程写为
[0063][0064]
其中(～)代表观测值，代表速度误差，b
ω
,bf分别代表陀螺仪与加速度计的零偏，s
ω
,sf分别代表陀螺仪与加速度计的比例因子；
[0065]
进入步骤s45；
[0066]
步骤s45:待估参数滤波解算，输出最终的位置、速度、姿态结算结果，同时把结算结果提供给s46，用于进一步循环迭代：
[0067]
根据参数的性质分别建立不同的随机游走模型，利用kalman滤波对所有待估参数进行解算；
[0068]
进入步骤s46；
[0069]
步骤s46：模糊度参数固定与传递：
[0070]
采用lambda方法对模糊度参数进行固定，待模糊度正确固定后，得到固定模糊度；同时对固定的模糊度参数进行记录，用于后续历元，执行s44，直到所有数据解算完成。
[0071]
综上所述，本发明系统间共频信号差分的gnss/ins组合定位方法，能够挖掘多系统gnss的信息，在不额外增强成本的情况下，为gnss/ins组合系统创造新的观测信息，从而有效提高组合系统在复杂环境下的定位性能。
[0072]
具体的，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0073]
现有的gnss/ins组合定位算法，严重依赖于gnss信息，当gnss信号受到干扰或遮挡时，将无法抑制ins误差的累积，从而导致组合系统定位性能的下降。现有的gnss/ins组合定位改善技术需要引入新的外部传感器，一方面增强了组合系统的硬件成本，另一方面也使得融合算法的实现难度进一步提高。本发明借助了disb在时域上优越的稳定性，充分挖掘了多系统gnss的信息，显著增加了组合系统可用信息的个数，能够有效的提升目前gnss/ins组合系统在复杂环境中的定位性能。
附图说明
[0074]
图1系统间共频信号差分的gnss/ins组合定位方法流程示意图；
具体实施方式
[0075]
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
[0076]
参考图1，本发明一优选实施例中，一种系统间共频信号差分的gnss/ins组合定位方法包括：
[0077]
步骤s1：将待测试设备(可用与待测试设备型号相同的设备替代)与基准站分别放置在超短基线的两端，静止并同步采集10-60分钟的共频数据；
[0078]
具体的，步骤s1包括：
[0079]
步骤s11：将待测试设备与基准站布设为超短基线；
[0080]
步骤s12：接收并解码待测试设备10-60分钟的gnss共频观测值；
[0081]
步骤s13：接收并解码基准站10-60分钟的gnss共频观测值；
[0082]
步骤s2：单历元估计disb，根据disb时间序列得到disb的先验值；具体的，步骤s2包括：
[0083]
步骤s21：预处理gnss观测数据；
[0084]
数据预处理包括但不限于异常数据的监测与剔除、周跳的探测与修复、监测站与参考站的单点定位、卫星截止高度角设置、数据截止信噪比设置、异步差分最大时差设置、参考卫星选取策略设置、按照高度角定权。
[0085]
优选的，采用的高度角定权公式为：
[0086][0087]
其中，θi表示第i颗卫星的高度角，σ0是验前单位权中误差，σ是第i颗卫星观测值的验前标准差。
[0088]
步骤s22：构建双差观测方程；
[0089]
首先，已知gnss原始观测值可以写作
[0090][0091][0092]
其中，上下标s,k,j,r分别代表卫星、卫星所属系统、频率、以及接收机；φ,p分别表示载波相位与伪距观测值，单位为米；ρ,τ,ι分别表示卫地距、对流层延迟与电离层延迟；其中代表频率j；dtr,则分别表示接收机钟差和卫星钟差；表示接收机端相位硬件延迟与卫星端相位硬件延迟；表示接收机端伪距硬件延迟与卫星端伪距硬件延迟；λj表示波长；表示模糊度；和分别表示相位与伪距的观测噪声。需要强调的是，参数的上下标反映了该参数受哪些因素的影响。
[0093]
如果此时有一属于系统q的卫星v，并且卫星v也播发频率j上的信号，那么卫星s与v之间的双差观测值则为：
[0094][0095][0096]
为了推导的方便，我们这里以双系统单频短基线的情况为例进行推导，即忽略电离层与对流层延迟的影响，并且分别假设观测到了系统q,k中的n,m颗卫星。那么单历元trtk观测方程可以写为：
[0097][0098]
其中，其中，具有类似的结构，为待估的坐标改正值。
[0099]
步骤s23：估计参数浮点解；
[0100]
对于上式(4)，可以利用
[0101][0102]
进行等价变化，得到trtk与lrtk之间的关系
[0103][0104]
其中
[0105][0106]
即为lrtk单历元的观测方程。可以看到，trtk相比于lrtk在引入两个新的观测值的同时，也引入了三个待估参数。貌似trtk拥有更少的多余观测数，但是幸运的是，由于disbs参数在时域上具有非常好的稳定性，并且模糊度参数在没有周跳发生的情况下，在时域上也保持常数特性。因此，随着观测时间的累积，trtk将比lrtk拥有越来越多的多余观测信息。但是由于trtk中与成线性相关的关系，因此这两个参数将无法同时正确估计出来。为了能够正确计算出相位disb的值，我们不妨将与进行参数合并。用来代替该合并之后的参数，则式(5)可以写为
[0107][0108]
最后利用最小二乘即可计算出每个历元中所有参数的浮点值。
[0109]
步骤s24：获取disb参数；
[0110]
disb参数按照定义指的是和但是由于在参数估计时和无法分离，使得无法估计出来，因此通常的做法是将的小数部分看为等效的相位disb。首先计算出每个历元中与的值，为了减少观测值噪声对disb的影响，可以通过长时间取平均来获得最终的disb。
[0111]
步骤s3：接收并解码组合导航模块产生的imu观测值、gnss观测值，以及基准站播发的gnss改正数；具体的，步骤s3包括：
[0112]
步骤s31：接收并解码imu观测值，提供给s4。
[0113]
步骤s32：接收并解码组合系统中gnss观测值，提供给s4。
[0114]
步骤s33：接收并解码基准站gnss改正数，提供给s4。
[0115]
步骤s4：利用事先校正得到的disb信息，根据组合导航模块中内嵌的组合定位算法，进行gnss/ins松组合或紧组合解算，进入s45；具体的，步骤s4包括：
[0116]
对gnss、imu数据进行数据预处理、ins初始化、ins机械编排、构建gnss/ins松/紧组合方程、待估参数滤波解算、模糊度参数固定与传递。
[0117]
步骤s41：预处理imu数据，依次进行(包括但不限于)异常数据的监测与剔除、单位转换、坐标转换；提供给s42；
[0118]
同时，预处理gnss观测数据，依次进行(包括但不限于)异常数据的监测与剔除、周跳的探测与修复、监测站与参考站的单点定位、卫星截止高度角设置、数据截止信噪比设置、异步差分最大时差设置、参考卫星选取策略设置、按照高度角定权；提供给s42。
[0119]
步骤s42：对ins进行初始化，进入s43：
[0120]
通过gnss spp解算出组合系统的大致位置、速度与姿态，设定滤波系统的初始方差协方差矩阵与过程噪声矩阵。
[0121]
步骤s43：进行ins机械编排，进入s44。该技术为gnss/ins组合导航技术中的基础内容，可在现有文献及开源程序中找到，此处不再赘述。
[0122]
步骤s44：结合s46固定模糊度参数以构建gnss/ins松/紧组合方程，包括：
[0123]
根据空间向量的关系，可以得到：
[0124][0125]
其中下上标b,e分别代表imu自身坐标系和地心地固坐标系。代表e系下gnss天线相位中心处的坐标，代表e系下imu质心处的坐标，代表从b系到e系的坐标变换矩阵，lb代表在imu坐标系下gnss天线相位中心与imu质心之间的空间距离，可以看为常数。上式描述了理想情况下gnss解算的位置与ins解算的位置之间的关系，由于实际中解算过程不可避免的将引入误差，因此对上式(8)进行误差扰动分析即可得到gnss解算的位置误差与ins解算的位置误差的关系
[0126][0127]
其中δ表示误差，φ表示姿态的误差。那么基于trtk的gnss/ins紧组合方程可以写为
[0128][0129]
类似的，基于trtk的gnss/ins松组合方程可以写为
[0130][0131]
其中(～)代表观测值，代表速度误差，b
ω
,bf分别代表陀螺仪与加速度计的零偏，s
ω
,sf分别代表陀螺仪与加速度计的比例因子。
[0132]
步骤s45:待估参数滤波解算，输出最终的位置、速度、姿态结算结果，同时把结算结果提供给s46，用于进一步循环迭代：
[0133]
根据参数的性质分别建立不同的随机游走模型，利用kalman滤波对所有待估参数进行解算。
[0134]
步骤s46：模糊度参数固定与传递：
[0135]
采用lambda方法对模糊度参数进行固定，待模糊度正确固定后，得到固定模糊度。同时对固定的模糊度参数进行记录，用于后续历元，直到所有数据解算完成。
[0136]
综上所述，本发明系统间共频信号差分的gnss/ins组合定位方法，通过深入挖掘多系统gnss的信息，为gnss/ins组合系统创造新的观测信息，能够有效提高组合系统在复杂环境下的定位性能。
[0137]
具体的，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0138]
现有的gnss/ins组合定位算法，严重依赖于gnss信息，当gnss信号受到干扰或遮挡时，将无法抑制ins误差的累积，从而导致组合系统导航性能的下降。现有的gnss/ins组合定位改善技术需要引入新的外部传感器，一方面增加了组合系统的硬件成本，另一方面
也使得融合算法的实现难度进一步提高。本发明充分挖掘多系统gnss的信息，利用disb在时域上优越的稳定性，显著增加组合系统可用信息的个数，能够有效提升gnss/ins组合系统在复杂环境中的定位性能。
[0139]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。