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灾害应急环境下智能终端高精度北斗增强定位方法.docx
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灾害应急环境下智能终端高精度北斗增强定位方法.docx
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中国的北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)具有可靠性
好、覆盖范围广等优点。但受观测值精度、大气延迟误差、钟差等影响,其标准定位精度
为 20 m 左右,如果采用低成本的接收设备,接收终端的观测数据质量较差,定位精度会
更低。北斗增强定位可利用参考站网的差分定位方式降低用户的观测误差影响,是提高定
位精度、实现实时动态高精度定位的主要手段。
在灾害环境和应急场景下,观测环境较复杂,定位影响因素的不确定性大,用户从附
近的外部卫星定位辅助设施获得支持比较困难。专用导航定位接收设备在灾害应急环境下
的适用性和可操作性不一定能够满足定位需求。因此,需要一种方便定位操作,且定位算
法高效、数据利用率高,便于实现的增强定位算法,以满足灾害应急环境下用户对高精度
定位的需求。采用通用、大众化的接收设备能够更好地满足用户对定位方便、高效、容易
实现的需求。以民众广泛持有的智能手机为定位和操作载体,融合专用型接收设备和大众
化导航定位设备为一体,实现高精度定位,是灾害环境下用户定位的关键技术问题。大众
化的智能手机终端作为定位和数据处理载体,对满足灾害应急环境下用户定位的需求更具
有普及性和可行性。但是通用设备的观测值精度较低、观测噪声较大,完全不能满足灾害
环境下对高精度定位的需求,特别是伪距观测值的噪声较大限制了伪距定位的精度。同
时,在灾害环境下,由于周围环境遭到破坏及其他影响,用户周围的参考站网存在损坏的
风险,能够提供增强定位信息的参考站网可能距离用户较远,即需要采用长距离参考站。
但随着参考站与用户之间距离的增加,参考站与用户电离层延迟误差、对流层延迟误差等
误差的空间相关性减弱,降低了用户误差改正和定位的精度。为了满足灾害应急环境下的
高精度定位需求,需要解决长距离参考站网提供增强定位改正数的精度问题。
目前,卫星增强定位方面的研究成果较多
[1-8]
。这些增强定位方法主要采用数十千米站
间距的参考站网进行实验,并实现了 GPS、BDS 的高精度定位。而长距离增强定位参考
站间距超过 100 km,参考站间距较大,观测误差的空间相关性小,高精度误差改正数计算
困难。已有的智能终端定位研究成果对智能手机的数据质量、定位精度以及传统的定位算
法进行了分析
[9-17]
,但缺乏对智能终端长距离增强定位方面的研究,多是将智能手机作为定
位源,没有作为用户定位的操作载体使用。北斗伪距观测值精度低于载波相位观测值精
度,伪距观测值噪声较大,一般通过相位平滑伪距降低噪声的影响
[18-19]
。高精度增强定位
多是采用载波相位观测数据,实现高精度定位的前提是模糊度的准确求解,参数求解的过
程较复杂,在灾害应急环境中影响定位的因素较多,不能够保证完全满足解算要求。同
时,智能终端的数据处理能力有限,需要使用方便数据处理、计算效率高的算法进行增强
定位。
因此,本文研究了一种基于智能终端、适用于灾害应急环境下的长距离北斗系统增强
定位方法,并在智能终端融合了针对专用接收机设备的增强定位数据处理方法,实现了集
成 BDS、通信网等多种手段为一体的空间位置获取技术,智能终端即可作为观测数据源,
又可作为用户定位的操作载体。采用长距离参考站网的非差误差改正数进行用户伪距和载
波相位观测值的改正,增强定位的实现更灵活,用户数据处理简单、效率高。该方法能够
根据观测值类型的不同和各类观测值的优点,实现长距离的伪距增强定位、载波相位增强
定位以及载波相位平滑伪距增强定位等多种增强定位方式,通过分类误差改正的处理方法
生成高精度非差误差改正数。
1. 北斗伪距和载波相位观测方程
智能终端增强定位采用的北斗系统观测值包括伪距观测值和载波相位观测值,北斗系
统有 B1、B2、B3 频率的观测数据,非差伪距和载波相位的观测方程为:
CSiu=RSu+HSδX+ctu−ctS+ISiu+TSuCiuS=RuS+HSδX+ctu−ctS+IiuS+TuS
(1)
λiφSiu=RSu+HSδX+λiNSiu+ctu−ctS−ISiu+TSuλiφiuS=RuS+HSδX+λiNiuS+ctu−ctS−IiuS+TuS
(2)
式中,C、φ 表示卫星 S 频率 i 的伪距观测值和载波相位观测值;R 为接收机到卫星
的几何距离;δX 为位置参数;H 为测站位置参数的系数;λ 为载波相位的波长;N 为载波
相位观测值的整周模糊度;c 为光速;t
u
为接收机钟差;t
S
为卫星钟差;I
iu
S
表示电离层延
迟误差;T
u
S
表示以对流层延迟、卫星轨道误差为主的非色散性误差;上标 S 表示卫星;
下标 u 表示测站。
2. 灾害应急环境下增强定位误差改正数的计算
传统增强定位多采用双差观测模型,造成了测站和卫星间的相关性,增加了数据处理
难度,降低了定位算法的兼容性,且需要考虑模糊度承接以及法方程变换的问题。在灾害
应急环境中智能终端的数据处理能力有限,应使用最方便计算、效率最高的数据处理算法
进行增强定位。因此,采用非差观测误差改正数的方式进行灾害应急环境下用户观测值的
误差改正,使用远离灾害发生区域的参考站发送包含模糊度和误差改正信息的改正数,可
消除卫星钟差的影响,削弱大气误差和卫星轨道误差,用户数据处理简单,兼容性强。
2.1 长距离参考站非差改正数的计算
以参考站 A 为例,计算伪距和载波相位观测值的非差误差改正数。根据式(1)和式
(2),参考站 A 的伪距和载波相位非差误差改正数为:
OSi,c,A=CSi,A−RSA=TSA+ISi,A+c(tA−tS)Oi,c,AS=Ci,AS−RAS=TAS+Ii,AS+c(tA−tS)
(3)
OSi,A=λiφSi,A−RSA=λiNSi,A+TSA−ISi,A+c(tA−tS)Oi,AS=λiφi,AS−RAS=λiNi,AS+TAS−Ii,AS+c(tA−tS)
(4)
式中,O
S
i,A
、O
A
S
为伪距和载波相位观测值的非差改正数;下标 A 表示参考站。采
用相同的方式可得到其他卫星参考站的非差误差改正数。用户获得了一个参考站的误差改
正数,则直接改正非差观测值,根据式(1)-(4)可得经非差改正数改正后的用户观测方程
为:
CSiu−OSi,c,A=RSu+HSδX+ctu−ctS+ISiu+TSu−OSi,c,ACiuS−Oi,c,AS=RuS+HSδX+ctu−ctS+IiuS+TuS−Oi,c,AS
(5)
λiφSiu−OSi,A=RSu+HSδX+λiNSiu+ctu−ctS−ISiu+TSu−OSi,AλiφiuS−Oi,AS=RuS+HSδX+λiNiuS+ctu−ctS−IiuS+TuS−Oi,AS
(6)
经过非差改正数改正后,用户消除了卫星钟差及硬件延迟误差,削弱了电离层延迟误
差、对流层延迟误差以及轨道误差。仍存在用户接收机钟差和参考站钟差的影响,则用户
非差观测方程表示为:
CSiu−OSi,c,A=RSu+HSδX+ct+δISiu+δTSuCiuS−Oi,c,AS=RuS+HSδX+ct+δIiuS+δTuS
(7)
λiφSiu−OSi,A=RSu+HSδX+λiNSiuA+ct−δISiu+δTSuλiφiuS−Oi,AS=RuS+HSδX+λiNiuAS+ct−δIiuS+δTuS
(8)
式中,接收机钟差为 t = t
u
- t
A
,将两个接收机钟差合并进行参数估计;δT 和 δI 分别
表示对流层误差和电离层误差的残差,模糊度参数包含了参考站模糊度信息。以单颗卫星
为对象进行误差改正,式(8)中的载波相位整周模糊度是非组合模糊度,用户观测值通
过非差误差改正数的改正之后,恢复了载波相位模糊度的整数特性,可以进行载波相位整
周模糊度的解算。
2.2 长距离参考站网分类误差改正数的计算
在灾害应急环境下,如果使用远离灾害发生区域的单个参考站提供的非差误差改正
数,不需要进行误差改正数的内插计算,可直接使用单个参考站的非差误差改正数。但在
灾害发生的长距离增强定位时,还需要采用远离灾害区域的长距离参考站网中由多个参考
站提供的增强定位信息。北斗长距离增强定位方法实现高精度定位的关键是通过参考站网
计算出非差误差改正数,以削弱用户观测误差的影响,使残差不影响用户载波相位整周模
糊度的准确确定和高精度定位的实现。增强定位一般是采用综合处理各类观测误差的方式
进行用户误差改正,在长距离情况下,使用综合误差处理方式不能准确求出用户所在空间
位置的误差改正数。因此,按照误差性质对观测误差改正信息进行分类处理。将电离层延
迟误差和以对流层延迟误差为主的非色散误差分离,分别内插计算非差改正数,误差分类
非差内插方法示意图见图 1,A、B、C 为 3 个远离灾害发生区域的参考站,U 为灾害应急
环境下的用户,即智能终端。
图 1 分类误差内插示意图
Figure 1. Diagram of Classified Error Interpolation
下载: 全尺寸图片 幻灯片
图 1 中,误差内插面 1 为参考站网和用户所在的地球表面,在该内插面上对与频率
无关的非色散性误差进行内插计算;误差内插面 2 的高度为中心电离层高度,在该内插面
上进行用户电离层延迟误差的内插计算。内插面 2 上 I 点为用户卫星的电离层穿刺点。
设参考站 A、卫星 S 的非差电离层延迟误差为 I
SA
i
, 除电离层延迟误差以外的与频率
无关的非色散性误差为 T
A
S
。类似地,可得参考站 A、B、C 与卫星 S 的非差电离层延迟
误差改正数、与频率无关的非色散性误差改正数。通过内插计算得到用户的非差电离层延
迟误差改正数和非色散性误差改正数分别为:
IOSiu=aIA⋅IiSA+aIB⋅IiSB+aIC⋅ISiCTOSiu=aA⋅TSA+aB⋅TSB+aC⋅TSCIiuOS=aAI⋅IiAS+aBI⋅IiBS+aCI⋅IiCSTiuOS=aA⋅TAS+aB⋅TBS+aC⋅TCS
(9)
式中,a
A
I
、a
B
I
、a
C
I
为非差电离层延迟误差的内插系数,利用各测站每颗卫星的电离
层穿刺点位置坐标计算得到;a
A
、a
B
、a
C
为非差非色散性误差内插的系数,可以根据用户
与参考站网各站地球表面的位置计算得到。用户非差误差内插系数的关系为 a
A
I
+a
B
I
+a
C
I
=
1,a
A
+a
B
+a
C
= 1。非差误差改正数的使用与式(5)、式(6)相同,得到与式(7)、式
(8)一致的用户观测方程。不同的是长距离参考站网提供的是非色散性误差改正数和非
差电离层延迟误差改正数,是由多个参考站内插计算的,式(5)、式(6)使用的是一个
包含模糊度信息的非差误差改正数。
3. 灾害应急环境下用户增强定位的实现
根据外部长距离参考站提供的误差改正数,灾害应急环境下用户可实现不同类型的增
强定位。北斗用户的主要观测数据是伪距和载波相位,本文采用的长距离增强定位方法由
参考站提供了伪距观测值和载波相位观测值的非差误差改正数。因此,智能终端增强定位
采用伪距观测值和载波相位观测值两种类型,增强定位数据处理也是基于伪距观测值和载
波相位观测值。
3.1 伪距增强定位
伪距观测值不涉及模糊度,数据处理简单/快速, 且实时性高,是灾害环境下用户定位
的首选。但是伪距单点定位的误差影响较大,定位精度低,不能满足灾害应急中用户定位
精度的需求。因此,利用参考站提供的非差误差改正数对用户观测误差进行改正,根据非
差误差改正数计算方法,可得非差观测误差改正之后的伪距观测方程为:
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪C1iu−O1i,c=R1u+H1δX+ct+δI1iu+δT1u⋮CSiu−OSi,c=RSu+HSδX+ct+δISiu+δ
TSu{Ciu1−Oi,c1=Ru1+H1δX+ct+δIiu1+δTu1⋮CiuS−Oi,cS=RuS+HSδX+ct+δIiuS+δTuS
(10)
式中,上标 1、S 为卫星编号。
如果是采用参考站网计算增强定位信息,则式(10)中的非差误差改正数 O
i,c
为式
(9)计算出的分类误差改正数总和。不管是单个参考站的非差误差改正,还是长距离参
考站网的分类非差观测误差改正,都能够消除卫星钟差的影响,削弱卫星轨道、对流层延
迟误差、电离层延迟误差等空间相关误差的影响。非差误差改正之后的电离层延迟误差残
余 δI
iu
和对流层延迟误差残余 δT
u
都较小,对于伪距观测值量级的定位,可提高智能终端伪
距定位的精度,定位精度主要受伪距观测值精度和观测噪声的影响。
3.2 载波相位增强定位
虽然基于非差误差改正数的伪距增强定位数据处理简单,但是灾害应急环境下智能终
端使用伪距定位时,观测噪声影响大,伪距增强定位只能在观测噪声较小(采用专业接收
设备)的情况下满足灾害环境下用户定位精度的需求。因此,采用载波相位增强定位是保
证用户定位精度的主要方法,利用长距离参考站提供的非差误差改正数对用户误差进行改
正,可得用户非差误差改正之后的载波相位观测方程为:
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪λiφ1iu−O1i=R1u+H1δX+λiN1iu+ct−δI1iu+δT1u⋮λiφSiu−OSi=RSu+HSδX+λiNSiu+ct−δISiu+δ
TSu{λiφiu1−Oi1=Ru1+H1δX+λiNiu1+ct−δIiu1+δTu1⋮λiφiuS−OiS=RuS+HSδX+λiNiuS+ct−δIiuS+δTuS
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