一种测码伪距GPS绝对定位方法与流程

本发明可应用于车辆导航、公安交通、灾害救援、旅游探险、地理考察、地质调查、资源勘查、地籍测量、精细农业等领域。本发明提供了在上述技术领域中精确获取gps接收机空间三维坐标的一种方法。

背景技术：

gps测码伪距绝对定位仅需一台gps接收机，操作简便、成本低、速度快，广泛用于车辆导航、公安交通、灾害救援、旅游探险、地理考察、地质调查、资源勘查、地籍测量、精细农业等领域。在现代大城市中，高大建筑物或构筑物，或者在山区、丘陵地带，山峦叠嶂的地形以及茂密的森林都严重阻挡、遮盖了卫星信号。因此，研究开发在接收较少gps卫星信号时，且无gps测站初始坐标情况下，获取精确gps接收机坐标的方法，对于以上应用领域显得尤为重要。目前，国内外主要有以下方法实现测码伪距gps绝对单点定位：

方法1.常规方法，或称为通用方法。它是以各gps卫星到接收机的测码伪距作为观测量，列出测码伪距绝对定位观测方程组，从而建立了已知的gps卫星坐标与未知的接收机坐标之间的关系。由于gps测码伪距单点定位观测方程为非线性的，通常需用泰勒级数展开对其进行线性化，再用线性最小二乘法求取观测方程的解，即获得gps接收机精确坐标值。用这种方法获取gps接收机坐标需要4颗以上gps卫星的同步观测数据，超过4颗卫星观测数据，则用最小二乘法求取观测方程的最小二乘解。

(参见：[1]李天文.gps原理及应用[m]，21世纪高等院校教材，科学出版社，2003；[2]刘基余.gps卫星导航定位原理与方法[m]，科学出版社，2003年；[3]周忠谟，易杰军，周琪.gps卫星测量原理与应用[m],测绘出版社，1997；[4]elliottkaplan,christopherhegarty，understandinggps:principlesandapplications[m],secondedition.2006artechhouse,incorporation)

方法2.求差法。与方法1不同，此方法不对测码伪距观测方程进行线性化，而是对各观测方程间进行求差处理，以消除观测方程中的非线性项，再求解观测方程而直接解算出gps接收机的三维直角坐标。

(参见：[5]刘大杰,等.全球定位系统(gps)的原理与数据处理[m].上海:同济大学出版社,1996；[6]郭秋英等gps测码伪距绝对定位的几种算法，测绘科学，2005,30(5):26-28)

其中，就方法1而言，需要已知gps接收机初始坐标，再经过解观测方程组求取gps接收机的精确坐标。如果没有gps接收机初始坐标，则此方法无法实施。即使已知gps接收机初始坐标，但如果观测站坐标的初始值与精确值有偏差较大,则略去二次微小量的模型误差,对解算结果将产生不能忽略的影响，甚至迭代发散无法获取精确坐标。

方法2需要指出的是,此方法至少需要同时接收到5颗以上gps卫星信号，以列出5个以上伪距观测方程，确保观测方程间求差处理后方程的线性无关性。这无疑限制了此方法的应用范围，特别是在城市区域、高建筑物群、构筑物，以及在山区丘陵地带，山峦叠嶂的地形以及茂密的森林，对gps信号遮拦很严重，很多情况下无法同时接收到5颗以上gps卫星信号。

由以上内容知道：如何在接收较少gps卫星信号时(不增加gps观测卫星数量)，而又无gps初始坐标值的情况下求取gps接收机精确三维空间坐标，是测码伪距gps单点定位的核心内容与研究热点方向与之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术方法的不足，提供一种测码伪距gps绝对定位方法，以在接收较少gps卫星信号时，而又无gps初始坐标值的情况下求取gps接收机精确三维空间坐标。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种测码伪距gps绝对定位方法，包括以下步骤：

步骤1：数据收集：收集gps接收机接收到的gps卫星的坐标数据、各gps卫星到gps接收机伪距以及相应的电离层延迟与对流层延迟数据；

步骤2：通过本发明提供的数学模型利用步骤1所获取的数据估算出gps接收机的概略坐标，为步骤3提供数据支撑；

步骤3：依据gps卫星坐标、各gps卫星到gps接收机的伪距、相应的电离层延迟与对流层延迟，由步骤2获取的gps接收机概略坐标作为初始坐标值，计算由泰勒级数线性化后的观测方程组系数，再求取线性方程组的解(或最小二乘解)，可获取精确的gps接收机坐标。同时为步骤4提供数据支撑；

步骤4：拟获取更为精确的gps接收机坐标，可将从步骤3求取的gps接收机坐标值，作为下一次gps接收机的初始坐标，再计算观测方程组系数，并求取线性方程组的解(最小二乘解)，可获取更为精确的gps接收机坐标。如此迭代，直到前后两次所获取的gps接收机坐标差满足用户的精度要求。

所述步骤1具体实现过程为：

(1)gps接收机接收到的gps卫星的实时星历数据；

(2)由实时星历数据中提取出电离层延迟与对流层延迟，并将接收机测码伪距进行校正，得到校正后的gps卫星到接收机的距离：

式(1)中i为gps卫星号，i＝1,2,3,4；ρi为接收机到第i号gps卫星经过对电离层与对流层延迟修正后的距离；为从第i号gps接收机测出的卫星到测站间伪距；δii和δti为相应的电离层与对流层延迟数据；

(3)由gps实时星历数据,获取到各gps卫星在地固坐标系中的坐标，即xi,yi,zi，分别为第i号gps卫星的三维坐标数据。

所述步骤2具体实现过程为：

(1)依据gps接收机所能接收到的gps卫星的三维坐标数据、各gps卫星到gps接收机的伪距、以及相应的电离层延迟与对流层延迟，采用以下公式计算系数矩阵中的各系数：

ai＝2(xi+1-xi)(2)

bi＝2(yi+1-yi)(3)

ci＝2(zi+1-zi)(4)

式(2)、(3)、(4)中的ai，bi，ci分别为系数矩阵系数；式(5)中的li为自由项向量系数；i系数矩阵的行列号，i＝1,2,3；

(2)由以上系数组成求取接收机初始坐标的方程组，其矩阵形式为：

(6)式中，a为系数矩阵：为接收机初始坐标向量，l为自由项向量，

(3)求解方程组(6)，则接收机初始概略坐标为：

以上所有公式均为本发明提供数学模型，即为求得的gps接收机的初始概略坐标。

所述步骤3具体实现过程如下：

(1)依据gps卫星坐标值、各卫星到gps接收机的伪距、相应的电离层延迟与对流层延迟、以及由步骤2获取的gps接收机的初始坐标值,计算由泰勒级数线性化的观测方程组系数：

式(8)中，系数矩阵接收机坐标改正向量δx、δy、δz分别为x、y、z方向的改正量；自由项向量其中：c为光速，c＝299792.458千米/秒；

(2)解方程组(8)，得到gps接收机坐标改正向量

(3)对步骤2所求gps接收机初始概略坐标进行改正，得到精确gps接收机坐标：

为改正后精确gps接收机坐标，

所述步骤4具体实现过程如下：

(1)拟获取更精确的gps接收机坐标，对步骤3进行迭代，如下为迭代过程：

将步骤3所求精确gps接收机坐标作为下一次gps接收机的初始坐标，即将代入步骤3，求取ki、mi、ni，获得新的系数矩阵b，

重新解方程组(8)，获得新的gps接收机坐标改正量：

再对步骤3所获得的精确gps接收机坐标进行改正，得到更为精确的gps接收机坐标

(2)如此迭代，直到前后两次所获取的gps接收机坐标差满足用户的精度要求。

本发明方法用于仅有4颗gps卫星观测值，且无gps接收机初始坐标的情况下，获取gps接收机的精确坐标值。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)与现有方法1相比，本发明在同样是用4颗gps卫星观测值，在无gps接收机初始坐标的情况下，可精确求取gps接收机坐标值。而方法1必须已知gps接收机的初始坐标。另外，如果初始坐标与实际坐标相差过多，则迭代发散无法获取精确坐标值。

(2)与现有方法2相比，同样是在无gps接收机初始坐标的情况下，本发明在仅用4颗gps卫星观测值，可精确求取gps接收机坐标值。而方法2则需要5颗以上的gps卫星观测值。

在实际应用中，本发明之方法比较适合于在城市区域，高建筑物群、构筑物中，以及在山区丘陵地带中，山峦叠嶂的地形以及茂密的森林中进行gps测码伪距绝对定位导航。这些情况下，对gps信号遮拦很严重，很多情况下无法同时接收到5颗以上gps卫星信号。

附图说明

图1为本发明提供的一种测码伪距gps绝对定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明一种测码伪距gps绝对定位方法的流程图，具体实施步骤如下：

步骤1：数据收集：收集gps接收机接收到的gps卫星的坐标数据、各gps卫星到gps接收机伪距以及相应的电离层延迟与对流层延迟等数据；

(1)收集gps接收机接收到的gps卫星的实时星历数据；

(2)由实时星历数据中提取出电离层延迟与对流层延迟，并将接收机测码伪距进行校正，得到校正后的gps卫星到接收机的距离：

式(1)中i为gps卫星号，i＝1,2,3,4；ρi为接收机到第i号gps卫星经过对电离层与对流层延迟修正后的距离；为从第i号gps接收机测出的卫星到测站间伪距；δii和δti为相应的电离层与对流层延迟。

(3)由gps实时星历数据,获取到各gps卫星在地固坐标系中的坐标，即xi,yi,zi分别为第i号gps卫星的三维坐标分量。

步骤2：利用本发明提供的数学模型估算出gps接收机的概略坐标，为步骤3提供数据支撑；

(1)依据gps接收机所能接收到的gps卫星的坐标数据、各gps卫星到gps接收机的伪距、以及相应的电离层延迟与对流层延迟,用以下公式计算系数矩阵中的各系数：

ai＝2(xi+1-xi)(2)

bi＝2(yi+1-yi)(3)

ci＝2(zi+1-zi)(4)

式(2)、(3)、(4)中的ai，bi，ci分别为系数矩阵系数；式(5)中的li为自由项向量系数；i为系数矩阵的行列号，i＝1,2,3。

(2)由以上系数组成求取接收机初始坐标的方程组，其矩阵形式为：

式(6)中，a为系数矩阵：为接收机初始坐标向量，l为自由项向量，

(3)求解方程组(6)，得到接收机初始坐标为：

步骤3：依据gps卫星坐标、各gps卫星到gps接收机的伪距、相应的电离层延迟与对流层延迟，由步骤2获取的gps接收机概略坐标作为初始坐标值，计算由泰勒级数线性化后的观测方程组系数，再求取线性方程组的解(或最小二乘解)，可获取精确的gps接收机坐标。同时为步骤4提供数据支撑；

(1)依据gps接收机所获取的gps卫星坐标值、各卫星到gps接收机的伪距、相应的电离层延迟与对流层延迟、以及由步骤2获得的gps接收机的初始坐标值,计算由泰勒级数线性化的观测方程组系数：

式(8)、(9)、(10)中ki,mi,ni分别为系数矩阵系数；式(11)中wi为自由项向量系数，其中，i为系数矩阵的行列号，i＝1,2,3,4。

(2)以上系数组成观测方程组，以求取gps接收机精确坐标，其矩阵形式为：

式(12)中，b为系数矩阵，其中，c为光速，c＝299792.458千米/秒；为接收机坐标改正向量，δx、δy、δz分别为x、y、z方向的改正量；w为自由项向量

(3)解线性方程组(12)，可获取gps接收机坐标改正向量：

(4)对步骤2所求gps接收机初始概略坐标进行改正，得到精确gps接收机坐标：

为改正后精确gps接收机坐标，

步骤4：拟获取更为精确的gps接收机坐标。

(1)将从步骤3求取的gps接收机坐标值，作为下一次的gps接收机初始坐标再根据步骤3计算观测方程组系数b和w，求取线性方程组的解(最小二乘解)即可获取更为精确的gps接收机坐标。

(2)如此迭代，直到前后两次所获得的gps接收机坐标差满足用户的精度要求。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。