一種基于差分氣壓高度約束的小型無人機rtk相對定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于差分氣壓高度約束的小型無人機RTK相對定位方法，屬于衛(wèi) 星導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，小型無人機已經(jīng)在測繪、航拍、監(jiān)控、偵查、通信中繼等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用， 實時定位導(dǎo)航系統(tǒng)是小型無人機的一個關(guān)鍵系統(tǒng)。由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)具有全球 性、全天候和連續(xù)的精密三維定位能力，因此近十余年，以GPS和北斗為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系 統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。GNSS接收機采用單點定位技術(shù)，精度一般為3至10米，但其缺 點是無法實現(xiàn)亞厘米級的高精度導(dǎo)航應(yīng)用，從而限制了無人機在一些精密測量領(lǐng)域的應(yīng) 用。
[0003] GNSS不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單點定位，還可以實現(xiàn)兩個觀測點之間的相對定位，精度可達 亞厘米級，實時動態(tài)亞厘米級的相對定位技術(shù)，即RTK技術(shù)，目前主要應(yīng)用在測繪領(lǐng)域。目前 RTK技術(shù)具備基本三個典型特征：（1)采用差分技術(shù)削減GNSS觀測量中的電離層和對流層誤 差、軌道誤差、衛(wèi)星和接收機時鐘誤差；（2)采用具有多徑抑制功能的測量型接收機，削減多 路徑誤差；（3)采用多個歷元的數(shù)據(jù)進行遞歸估計，利用遞歸估計得到的整周模糊度浮點解 及其方差協(xié)方差矩陣求解整周模糊度固定解，通常采用LAMBDA算法。
[0004] 但是，由于成本和體積的限制，小型無人機通常配備導(dǎo)航型接收機，而無法配備具 有多徑抑制功能的測量型接收機，因此無法削減多路徑誤差，進而導(dǎo)致采用LAMBDA算法求 解整周模糊度的成功率大幅降低。整周模糊度一旦解算錯誤，將會導(dǎo)致米級的定位誤差，無 法有效保證RTK的定位精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于差分氣壓高度約束的小型無 人機RTK相對定位方法。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供的基于差分氣壓高度約束的小型無人機RTK相對 定位方法包括按順序進行的下列步驟：
[0007] 1)在基準(zhǔn)站上安裝GNSS接收機、GNSS天線、氣壓測高傳感器和接收電臺，其中GNSS 天線和氣壓測高傳感器處于同一高度，利用GNSS接收機和GNSS天線獲取基準(zhǔn)站GNSS原始觀 測值，同時利用氣壓測高傳感器測量基準(zhǔn)站氣壓高度；
[0008] 2)在流動站即小型無人機上安裝與步驟1)所述的同種型號的GNSS接收機、GNSS天 線、氣壓測高傳感器和發(fā)射電臺，其中GNSS天線和氣壓測高傳感器處于同一高度，利用GNSS 接收機和GNSS天線獲取流動站GNSS原始觀測值，同時利用氣壓測高傳感器測量流動站氣壓 高度；
[0009] 3)通過流動站上的發(fā)射電臺將流動站GNSS原始觀測值和氣壓高度信息發(fā)送至無 線信道；
[0010] 4)利用基準(zhǔn)站上的接收電臺接收上述信息，并將其中的氣壓高度與基準(zhǔn)站氣壓高 度進行實時差分運算，得到差分高度；
[0011] 5)將流動站GNSS原始觀測值與基準(zhǔn)站GNSS原始觀測值進行差分運算，得到差分觀 測值；
[0012] 6)基于上述差分觀測值，利用遞歸加權(quán)最小二乘法，實時估計整周模糊度的浮點 解i及其方差協(xié)方差矩陣仏、基線矢量浮點解I以及整周模糊度解算的成功率P;
[0013] 7)判斷上述整周模糊度解算的成功率P是否高于預(yù)定門限值，若高于預(yù)定門限值， 則進入步驟8)，否則重復(fù)步驟4)一7);
[0014] 8)利用步驟4)所述差分高度和步驟6)所述整周模糊度的浮點解3及其方差協(xié)方差 矩陣達、基線矢量浮點解I，完成整周模糊度估計和檢驗。
[0015] 在步驟6)中，所述的基于上述差分觀測值，利用遞歸加權(quán)最小二乘法，實時估計整 周模糊度的浮點解I及其方差協(xié)方差矩陣& \基線矢量浮點解S以及整周模糊度解算的成 功率P的具體步驟如下：
[0016] 6.1)定義基準(zhǔn)站和流動站之間的相對位置為基線矢量b，假定第k個歷元的衛(wèi)星可 見數(shù)m k大于4顆，基于步驟5)所述差分觀測值，建立GNSS標(biāo)準(zhǔn)基線模型如下：
[0017]
[0018]
[0019] 其中，y表示步驟5)所述差分觀測值的矢量形式，維度為2mk_2;a為整周模糊度矢 量，其維度為mk_l;A和B分別為整周模糊度矢量a和基線矢量b的系數(shù)矩陣，維度分別為(2m k-2) X (mk-1)和(2mk-2) X3;v為差分觀測值的矢量形式y(tǒng)的觀測噪聲矢量;Qy為其方差協(xié)方差 矩陣，下標(biāo)k表示所有觀測向量和矩陣均屬于第k個歷元；
[0020] 6.2)基于式(b)，利用遞歸加權(quán)最小二乘法，實時估計整周模糊度的浮點解I及其 方差協(xié)方差矩陣
[0021] 6.3)利用遞歸加權(quán)最小二乘法，實時估計基線矢量浮點解f
[0022]
[0023] 6.4)利用步驟6.2)所述方差協(xié)方差矩陣仏，計算其模糊度精度因子AD0P:
[0024]
[0025] 其中η為方差協(xié)方差矩陣&的維數(shù)，然后計算整周模糊度解算的成功率P:
[0026]
[0027] 在步驟8)中，所述的利用步驟4)所述差分高度和步驟6)所述整周模糊度的浮點解 i及其方差協(xié)方差矩陣込、基線矢量浮點解完成整周模糊度估計和檢驗的具體步驟如 下：
[0028] 8.1)基于步驟6)所述整周模糊度的浮點解^及其方差協(xié)方差矩陣達，采用LAMBDA 算法篩選出N個優(yōu)選整周模糊度候選值(N為經(jīng)驗值，一般可以取N>10);
[0029] 8.2)針對步驟8.1)所述N個優(yōu)選整周模糊度候選值，分別計算出每個模糊度候選 值對應(yīng)的基線矢量固定解，包括北向分量、東向分量和天向分量，對應(yīng)有N個基線矢量固定 解；
[0030] 8.3)分別求出步驟6)所述基線矢量浮點解與步驟8.2)所述N個基線矢量固定解之 差，對應(yīng)得到N個差值矢量；
[0031] 8.4)針對步驟8.3)所述N個差值矢量，比較各個差值矢量的北向分量和東向分量 的絕對值之和，并對N個基線矢量固定解進行重新排序；
[0032] 8.5)依次檢驗步驟8.4)重新排序后的N個基線矢量固定解，如果第i個基線矢量固 定解的天向分量滿足步驟4)所述差分高度，則該基線矢量固定解為最終所求的相對位置， 如果N個基線矢量固定解的天向分量均不滿足步驟4)所述差分高度，則當(dāng)前歷元無輸出，利 用下一個歷元的觀測數(shù)據(jù)繼續(xù)重復(fù)步驟3) - 8)。
[0033]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:第一，傳統(tǒng)RTK方法采用帶有多路徑抑制功能 的測量型接收機，本發(fā)明不需要接收機具有多路徑抑制功能;第二，【背景技術(shù)】中所用的差分 高度信息來源于同一類型的氣壓測高傳感器，在小型無人機作業(yè)的地理范圍內(nèi)，通過差分 運算可以削減公共的傳感器系統(tǒng)誤差以及環(huán)境誤差，差分觀測值僅包含測量噪聲，利用高 精度的氣壓測高傳感器，測量所得的相對高度與真值之間的誤差可以達到分米級，為整周 模糊度候選值的識別提供了約束條件;第三，由于基線矢量浮點解的水平分量可以隨時間 更快速地逼近到正確的模糊度候選值對應(yīng)的基線矢量，多徑主要影響在天向分量上，利用 最后一個步驟所述方法能夠進一步減小多徑影響。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明提供的基于差分氣壓高度約束的小型無人機RTK相對定位方法流程 圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明方法中整周模糊度估計和檢驗方法流程圖。
【具體實施方式】
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明提供的基于差分氣壓高度約束的實時動態(tài)相對定位方法包括 按順序進行的下列步驟：
[0037] 1)在基準(zhǔn)站上安裝GNSS接收機、GNSS天線、氣壓測高傳感器和接收電臺，其中GNSS 天線和氣壓測高傳感器處于同一高度，利用GNSS接收機和GNSS天線獲取基準(zhǔn)站GNSS原始觀 測值，同時利用氣壓測高傳感器測量基準(zhǔn)站氣壓高度H base3，高度測量精度為;
[0038] 2)在流動站即小型無人機上安裝與步驟1)所述的同種型號的GNSS接收機、GNSS天 線、氣壓測高傳感器和發(fā)射電臺，其中GNSS天線和氣壓測高傳感器處于同一高度，利用GNSS 接收機和GNSS天線獲取流動站GNSS原始觀測值，同時利用氣壓測高傳感器測量流動站氣壓 高度Hrover，高度測量精度為σ Η ;
[0039] 3)通過流動站上的發(fā)射電臺將流動站GNSS原始觀測值和氣壓高度信息發(fā)送至無 線信道；
[0040] 4)利用基準(zhǔn)站上的接收電臺接收上述信息，并將其中的氣壓高度與基準(zhǔn)站氣壓高 度進行實時差分運算，得到差分高度dHk:
[0041] dHk = Hrover-Hbase (a)
[0042] 5)將流動站GNSS原始觀測值與基準(zhǔn)站GNSS原始觀測值進行差分運算，得到差分觀 測值；
[0043] 6)基于上述差分觀測值，利用遞歸加權(quán)最小二乘法，實時估計整周模糊度的浮點 解0及其