阅读说明：本技术 适用于机载的gnss无缝高精度定位和完好性评估方法 (Seamless high-precision positioning and integrity evaluation method of GNSS (Global navigation satellite System) suitable for airborne ) 是由 盛传贞 张京奎 郝青茹 应俊俊 惠沈盈 赵精博 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于机载平台的无缝高精度定位和完好性评估方法,适用于机载平台高精度导航定位以及相关应用领域,它在传统的RAIM算法基础上,采用RTK和RTD双引擎的实时运算结果,实现定位完好性评估,为错误固定模糊度导致的RTK定位异常提供预警；基于GNSS多普勒观测量估计的速度/加速度探测机载运动状态异常,在机载平台运动过程中,以宽巷模糊度作为虚拟观测,实现卫星运动中的短基线和中长基线RTK定位模式的无缝切换,解决机载平台定位模式切换中引擎需要重新初始化问题。(The invention discloses a seamless high-precision positioning and integrity evaluation method suitable for an airborne platform, which is suitable for the high-precision navigation positioning and related application fields of the airborne platform.A real-time operation result of an RTK (real time kinematic) and an RTD (real time kinematic) dual engine is adopted on the basis of the traditional RAIM (random access identity) algorithm to realize the positioning integrity evaluation and provide early warning for RTK positioning abnormity caused by wrong fixing ambiguity; the method is characterized in that the speed/acceleration estimated based on the GNSS Doppler observed quantity is used for detecting the airborne motion state abnormity, in the motion process of an airborne platform, the wide lane ambiguity is used as virtual observation, the seamless switching of the RTK positioning modes of the short base line and the middle and long base line in the satellite motion is realized, and the problem that an engine needs to be reinitialized in the switching of the positioning modes of the airborne platform is solved.)

适用于机载的GNSS无缝高精度定位和完好性评估方法

技术领域

本发明涉及一种基适用于机载的GNSS无缝高精度定位和完好性评估方法，属于卫星导航中的精密定位和定位完好性评估技术领域。

背景技术

GNSS作为机载平台定位的重要手段，可为其提供连续、实时的导航、定位和时间服务，随着测绘、勘察和军事侦查等光学成像对机载平台高精度定位的迫切需求，以RTK(RealTime Kinematic)技术逐渐成为机载平台高精度定位的重要形式。

目前，随着机载平台在功耗、尺寸和续航能力方面的逐步提升，其作业范围从传统的几公里扩展到当前的几十公里范围，为了适应不同距离条件下的作业，高精度定位方法需要兼备短基线RTK和中长基线RTK定位，然而，短基线RTK和中长基线RTK的在观测方程、处理思路和参数估计等方法方面存在一定的区别，因此机载平台从短基线到中长基线的临界飞行状态下，面临两种处理方法的切换，传统重新初始化的切换方法势必会增加收敛时间，导致定位性能下降，因此，本发明从两种RTK定位原理出发，提出一种适用于机载高精度定位的统一方法和无缝切换方法，解决临界状态下两种RTK定位方法无缝切换和高精度定位。

此外，高精度的位置信息作为机载平台智能控制和自主导航的基础性数据，其位置的可信度和准确度对于合理、准确的导航和控制至关重要，相比于GNSS伪距测量数据而言，载波相位测量数据更容易受到环境变化而中断，从而使得RTK高精度定位的可靠性下降，因此，本方法依据RTD和多普勒估计的速度/加速度，构建一种适用于机载的定位完好性评估方法，同时能准确探测机载平台的状态，解决机载平台的定位完好性问题。

本发明针对上述问题，提出一种适用于机载平台的无缝高精度定位和完好性评估方法，它采用RTK和RTD双引擎的实时运算结果，实现机载平台的定位完好性评估和机载运动状态异常探测，设计的RTK高精度定位统一方法和RTK无缝切换方法，实现机载平台运动过程中RTK定位模式的无缝切换，解决机载平台定位引擎重新初始化问题。

发明内容

本发明针对机载平台从短基线到中长基线飞行中RTK无缝高精度定位、机载平台的RTK定位完好性评估和机载运动状态的异常探测等问题，提出一种适用于机载的GNSS无缝高精度定位和完好性评估方法。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种适用于机载的GNSS无缝高精度定位和完好性评估方法，该方法在地面基准站观测数据的支撑下，以机载平台GNSS载波相位和伪距观测值为基础，为机载平台提供高精度定位和完好性评估，包括如下步骤：

(1)基于机载平台伪距观测值和载波相位观测值，进行单点定位并执行RAIM完好性监测，探测可能存在的异常卫星，并对存在的异常卫星进行标记并剔除；

(2)基于机载平台伪距观测值与基准站伪距观测值形成伪距双差值，进行RTD定位运算，并进行基线长度计算；同时基于机载平台上一历元的位置、速度和加速度预测当前位置，将RTD定位运算结果与预测的当前位置进行对比分析，评估RTD位置精度和探测机载平台的异常运动状态；

(3)基于机载平台载波相位观测值与基准站载波相位观测值形成载波相位双差值；依据基准站和机载平台的伪距双差值和载波相位双差值，以RTD定位位置作为初始坐标，执行RTK计算；RTK计算具体为：基线长度小于阈值时采用单频率RTK定位，基线长度等于阈值时进行定位模式的无缝切换，基线长度大于阈值时在宽巷模糊度约束下采用双频消电离层组合RTK定位；

(4)基于RTD定位结果和RTK定位结果，进行RTK定位结果完好性判别，获得最优定位结果；同时基于多普勒估计机载平台当前历元的速度和加速度。

其中，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(201)基于机载平台伪距观测值与基准站伪距观测值形成伪距双差值，其方程如下：

()^ij代表卫星i和卫星j之间的单差，()_rb代表机载平台r和基准站b之间的单差，

表示k频率的伪距双差值，表示对流层延迟的双差值，

表示k频率电离层延迟的双差值，ε_P表示伪距双差值的残差，

表示卫星与机载平台之间几何距离的双差值，其公式如下：

和

分别代表机载平台r和卫星i之间、基准站b和卫星i之间，机载平台r和卫星j之间、基准站b和卫星j之间的几何距离，其中：

和

分别代表卫星i位置的三维分量，

和

分别代表卫星j位置的三维分量，x_r、y_r和z_r代表机载平台位置的三维分量；然后进行RTD定位运算并进行基线长度计算，RTD定位运算即基于伪距双差值，求解出当前时刻机载平台的位置坐标

(x_r，y_r，z_r)；

(202)基于机载平台上一历元位置、速度和加速度预测当前时刻位置坐标，数学方程如下：

其中为预测的机载平台当前时刻t₁的位置坐标，X₀、v₀和a₀分别为前一时刻t₀估计的位置、速度和加速度值；

(203)将机载平台当前时刻RTD位置坐标(x_r，y_r，z_r)与预测的当前时刻位置坐标

进行对比分析，评估RTD位置精度和探测机载平台的异常运动状态，其过程如下：

其中，δ_X1为预测位置坐标和RTD位置坐标之间的坐标偏差，δ_p为判别阈值，当δ_X1小于δ_p时表示机载平台运动状态正常，否则表示机载平台存在变速运动，同时根据δ_X1评估RTD的定位精度。

其中，所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(301)基于机载平台载波相位观测值与基准站载波相位观测值形成载波相位的双差值，其方程如下：

表示k频率的载波相位观测值的双差值；λ_k和

分别代表k频率的波长和频率；

和分别代表k频率卫星i和j的整数模糊度的单差值；表示伪距和载波相位的双差值的残差；

(302)基于伪距和载波相位的双差值，当基线长度小于阈值时，采用单频率RTK定位，其实现过程如下：

基线长度小于阈值L0时，采用双频载波相位和伪距的双差值，并忽略电离层延迟和对流层延迟，其方程如下：

基于双频载波相位和伪距的双差值，采用单频RTK定位模式，获得实时机载平台位置

确定载波相位模糊度N₁和N₂，同时获得

N₁和N₂参数的方差阵Q，其中：

和

分别为

方差矩阵、N₁方差矩阵和N₂方差矩阵，

为

与N₁的协方差矩阵，

与互为转置，为

与N₁的协方差矩阵，

与

互为转置，

为N₁与N₂的协方差矩阵，

与互为转置；

(303)根据基线长度，当处于L0临界状态过渡时，依据状态转换矩阵D，进行单频RTK定位模式向双频消电离层组合RTK定位的无缝切换，切换方程如下：

Q_L3＝D*Q*D^T

其中I_3×3为三维的单位矩阵，I_n×n为n维的单位矩阵，N_w为宽巷模糊度，Q_L3为

N₁和N_w参数的方差阵，

为垂直对流层延迟，Q_L3的含义如下：

Q_X、Q_T、

和分别为

方差矩阵、垂直对流层延迟

方差矩阵、窄巷模糊度N₁方差矩阵和宽巷模糊度N_w方差矩阵，

为

与N₁的协方差矩阵，

与

互为转置，

为

与N_w的协方差矩阵，

与

互为转置，

为N₁与N_w的协方差矩阵，

与互为转置，Q_TX为为与

的协方差矩阵，Q_TX和Q_XT互为转置，为

与N_w的协方差矩阵，和互为转置，

为

与N₁的协方差矩阵，和

互为转置；

(304)基于伪距和载波相位的双差值，若基线长度L大于约定的阈值L0，采用双频消电离层组合RTK定位，其实现过程如下：

若基线长度大于阈值L0，RTK定位采用“两步法”；首先，基于双频伪距和载波相位的双差值组成MW组合观测量

其组合方程则的观测方程描述：

为MW组合后的电离层延迟，ε_P，L5为MW组合方程的测量噪声，宽巷模糊度

其中的

λ_w为宽巷模糊度的波长

由于电离层

和对流层延迟较小，因此，基于上述

观测方程，能快速确定宽巷模糊度N_w和方差矩阵Q_w；

然后基于双频伪距和载波相位的双差值组成伪距双频消电离层观测量

和载波的双频消电离层观测量

其组合方程如下：

和

则

和

的方程表达式如下：

和ε_P，L3代表伪距双频消电离层观测量

噪声和载波的双频消电离层观测量噪声，M_F和

分别代表投影函数和垂直对流层延迟；将上述步骤确定的宽巷模糊度N_w作为虚拟观测量即先验方差矩阵为Q_w，联合上述

和

观测方程，实时估计垂直对流层延迟

和机载平台位置

即x_r、y_r和z_r，确定窄巷模糊度N₁和宽巷模糊度N_w，同时获得当前历元N₁和N_w参数的方差阵Q_L3。

其中，所述步骤(4)的具体实现方式如下：

(401)RTK定位完好性评估的具体方程为：

其中

为RTD定位获得的机载平台当前时刻t₁的位置坐标，

为RTK定位获得的机载平台当前时刻t₁的位置坐标，δ为判别阈值，当δ_rtk小于δ时表示RTK不存在较大的定位偏差，否则表示RTK定位结果存在较大的偏差，同时根据δ_rtk评估RTK的定位完好性；

(402)基于当前历元的多普勒信息，实时估计当前历元的速度，结合前一历元时刻的速度信息，估计获得当前历元的加速度。

本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：

本发明提出的一种适用于机载平台的无缝高精度定位和完好性评估方法，针对机载平台从短基线到中长基线中的RTK切换问题，基于状态转换矩阵和宽巷模糊度的伪观测量，实现两者状态参数和随机模型的无缝切换，解决机载平台RTK定位模式切换中定位引擎重新初始化问题，设计采用位置预报、RTK和RTD双引擎实时运算结果相互验证方法，实现机载平台的定位完好性评估和机载运动状态异常探测。

附图说明

图1为本发明机载平台从短基线到中长基线的运动过程附图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图1对本发明的技术方案作进一步说明。在本具体实施方式中，将使用机载平台沿作业航线，从短基线运动至中长基线过程为实例描述(基线是指基准站和机载平台之间的水平距离)。本发明中设备包括：地面GNSS基准站和机载GNSS高精度定位设备，示意图如图1所示，基准站实时接收GNSS信号，跟踪捕获得到载波相位测量和伪距测量数据，然后实时发送给机载GNSS高精度定位设备，GNSS高精度定位设备基于此，执行机载平台高精度定位和完好性评估，包括如下步骤：

1.基于机载平台伪距观测值和载波相位观测值，进行单点定位并执行RAIM完好性监测，探测可能存在的异常卫星，并对存在的异常卫星进行标记并剔除；

(101)基于机载伪距观测值和卫星星历数据，进行单点定位运算，获得概略的机载平台位置和验后残差，若验后残差超过指定阈值且观测卫星数目大于5颗，执行接收机RAIM算法。

(102)接收机RAIM算法具体执行过程如下：循环剔除某一刻卫星后的单点定位，当删除某颗卫星后验后残差明显减少，则标记该卫星为异常卫星，在后续处理中不再使用该卫星。

2.基于机载伪距观测值，与基准站伪距观测值形成伪距双差值，进行RTD定位运算，并进行基线长度计算；同时与预测的当前位置进行对比分析(基于上一历元位置、速度和加速度)，评估RTD位置精度和探测机载平台的异常运动状态。

(201)基于机载平台伪距观测值与基准站伪距观测值形成伪距双差值，其方程如下：

()^ij代表卫星i和卫星j之间的单差，()_rb代表机载平台r和基准站b之间的单差，表示k频率的伪距双差值，

表示对流层延迟的双差值，

表示k频率电离层延迟的双差值，ε_P表示伪距双差值的残差，

表示卫星与机载平台之间几何距离的双差值，其公式如下：

和

分别代表机载平台r和卫星i之间、基准站b和卫星i之间，机载平台r和卫星j之间、基准站b和卫星j之间的几何距离，其中：

和

分别代表卫星i位置的三维分量，

和

分别代表卫星j位置的三维分量，x_r、y_r和z_r代表机载平台位置的三维分量；然后进行RTD定位运算并进行基线长度计算，RTD定位运算即基于伪距双差值，求解出当前时刻机载平台的位置坐标

(x_r，y_r，z_r)；

(202)基于机载平台上一历元位置、速度和加速度预测当前时刻位置坐标，数学方程如下：

其中

为预测的机载平台当前时刻t₁的位置坐标，X₀、v₀和a₀分别为前一时刻t₀估计的位置、速度和加速度值；

(203)将机载平台当前时刻RTD位置坐标

(x_r，y_r，z_r)与预测的当前时刻位置坐标进行对比分析，评估RTD位置精度和探测机载平台的异常运动状态，其过程如下：

其中，δ_X1为预测位置坐标和RTD位置坐标之间的坐标偏差，δ_p为判别阈值，当δ_X1小于δ_p时表示机载平台运动状态正常，否则表示机载平台存在变速运动，同时根据δ_X1评估RTD的定位精度。

3.依据基准站和机载站的伪距和载波相位的双差值，基于RTD位置坐标作为初始坐标信息，执行RTK计算(若基线长度小于一定阈值采用单频率RTK定位，否则在宽巷模糊度约束下采用双频消电离层组合RTK定位)，并根据基线长度进行定位模式的无缝切换。

(301)基于机载平台载波相位观测值与基准站载波相位观测值形成载波相位的双差值，其方程如下：

表示k频率的载波相位观测值的双差值；λ_k和分别代表k频率的波长和频率；和

分别代表k频率卫星i和j的整数模糊度的单差值；

表示伪距和载波相位的双差值的残差；

(302)基于伪距和载波相位的双差值，当基线长度小于阈值时，采用单频率RTK定位，其实现过程如下：

基线长度小于阈值L0时，采用双频载波相位和伪距的双差值，并忽略电离层延迟和对流层延迟，其方程如下：

基于双频载波相位和伪距的双差值，采用单频RTK定位模式，获得实时机载平台位置

确定载波相位模糊度N₁和N₂，同时获得

N₁和N₂参数的方差阵Q，其中：

Q_X、

和

分别为

方差矩阵、N₁方差矩阵和N₂方差矩阵，为

与N₁的协方差矩阵，

与

互为转置，

为

与N₁的协方差矩阵，

与

互为转置，

为N₁与N₂的协方差矩阵，

与

互为转置；

(303)根据基线长度，当处于L0临界状态过渡时，依据状态转换矩阵D，进行单频RTK定位模式向双频消电离层组合RTK定位的无缝切换，切换方程如下：

Q_L3＝D*Q*D^T

其中I_3×3为三维的单位矩阵，I_n×n为n维的单位矩阵，N_w为宽巷模糊度，Q_L3为

N₁和N_w参数的方差阵，

为垂直对流层延迟，Q_L3的含义如下：

Q_X、Q_T、

和

分别为

方差矩阵、垂直对流层延迟

方差矩阵、窄巷模糊度N₁方差矩阵和宽巷模糊度N_w方差矩阵，

为与N₁的协方差矩阵，与

互为转置，

为

与N_w的协方差矩阵，

与

互为转置，

为N₁与N_w的协方差矩阵，

与

互为转置，Q_TX为为与

的协方差矩阵，Q_TX和Q_XT互为转置，为与N_w的协方差矩阵，

和

互为转置，

为

与N₁的协方差矩阵，和

互为转置；

(304)基于伪距和载波相位的双差值，若基线长度L大于约定的阈值L0，采用双频消电离层组合RTK定位，其实现过程如下：

若基线长度大于阈值L0，RTK定位采用“两步法”；首先，基于双频伪距和载波相位的双差值组成MW组合观测量

其组合方程

则

的观测方程描述：

为MW组合后的电离层延迟，ε_P，L5为MW组合方程的测量噪声，宽巷模糊度

其中的 λ_w为宽巷模糊度的波长

由于电离层

和对流层延迟

较小，因此，基于上述

观测方程，能快速确定宽巷模糊度N_w和方差矩阵Q_w；

然后基于双频伪距和载波相位的双差值组成伪距双频消电离层观测量和载波的双频消电离层观测量其组合方程如下：

和

则

和

的方程表达式如下：

和ε_P，L3代表伪距双频消电离层观测量

噪声和载波的双频消电离层观测量

噪声，M_F和

分别代表投影函数和垂直对流层延迟；将上述步骤确定的宽巷模糊度N_w作为虚拟观测量即先验方差矩阵为Q_w，联合上述

和观测方程，实时估计垂直对流层延迟和机载平台位置

即x_r、y_r和z_r，确定窄巷模糊度N₁和宽巷模糊度N_w，同时获得当前历元

N₁和N_w参数的方差阵Q_L3。

4.基于RTD定位结果和RTK的定位结果，进行RTK定位结果完好性判别，获得最优定位结果；同时基于多普勒估计当前历元速度和加速度。

(1)RTK定位完好性评估的具体方程为：

其中为RTD定位获得的机载平台当前时刻t₁的位置坐标，

为RTK定位获得的机载平台当前时刻t₁的位置坐标，δ为判别阈值，当δ_rtk小于δ时表示RTK不存在较大的定位偏差，否则表示RTK定位结果存在较大的偏差，同时δ_rtk一定程度上体现了RTK的定位完好性。

(2)基于当前历元的多普勒信息，实时估计当前历元速度，结合前一历元时刻的速度信息，估计获得当前历元的加速度信息，得到当前历元时刻机载平台速度和加速度的估计。

总之，本发明提出的一种适用于机载平台的无缝高精度定位和完好性评估方法，针对机载平台从短基线到中长基线中的RTK切换问题，基于状态转换矩阵和宽巷模糊度的伪观测量，实现两者状态参数和随机模型的无缝切换，解决机载平台RTK定位模式切换中定位引擎重新初始化问题，设计采用位置预报、RTK和RTD双引擎实时运算结果相互验证方法，实现机载平台的定位完好性评估和机载运动状态异常探测。

本发明解决了机载平台从短基线到中长基线临界飞行状态下的无缝切换问题，同时提高了定位的精度、完好性和可靠性，尤其适用于机载平台大作业半径下的高精度导航，具有重要的工程实际应用价值。