一种用于双频伪距单点协同定位方法与流程

1.本发明属于卫星定位技术领域，具体涉及一种用于双频伪距单点协同定位方法。


背景技术：

2.目前，卫星导航领域常用的定位方法主要有伪距单点定位、伪距差分定位、相对定位(rtk)、精密单点定位(ppp)等。伪距单点定位受卫星误差、传播路径误差、接收机误差影响，精度只能达到米级，虽然该方法定位精度不高，但由于其只需一台接收机即可独立实现定位，原理简单，实施方便，在飞机、车辆、船舶、地质勘探、战区等领域仍有广泛应用。传统的伪距单点定位技术采用最小二乘算法解算，该算法简单、基本而又有着广泛用途。但是在伪距单点定位中,最小二乘算法在定位过程中会引入方程组线性化误差，并且过度依赖对初始值的选择而导致定位精度较低。所以，目前采用伪距单点进行卫星定位的方法存在定位精度低的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种用于双频伪距单点协同定位方法，以解决目前采用伪距单点进行卫星定位的方法存在定位精度低的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一方面，本说明书提供一种用于双频伪距单点协同定位方法，包括：
6.步骤102，基于伪距观测方程，获得接收机初位置；
7.步骤104，基于所述接收机初位置，获得粒子群求解空间；
8.步骤106，在所述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位。
9.另一方面，本说明书提供一种用于双频伪距单点协同定位装置，包括：
10.初位置获取模块，用于基于伪距观测方程，获得接收机初位置；
11.粒子群空间建立模块，用于基于所述接收机初位置，获得粒子群求解空间；
12.最终定位计算模块，用于在所述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位。
13.基于上述技术方案，本说明书能够获得如下技术效果：
14.本方法通过在伪距单点定位技术中引入粒子群算法，即将最小二乘算法与粒子群算法相融合协同定位，利用最小二乘求得接收机初位置，从而建立粒子群求解空间，在通过迭代更新粒子的位置和速度不断缩小粒子群算法搜寻范围，从而使得粒子群算法迭代寻优，由此获得的全局最优值即为最终定位坐标，由此本方法采用粒子群算法与最小二乘相结合的双频伪距协同定位算法进行定位计算，具有良好的全局搜索与局部搜索最优解的能力，收敛速度快，定位精度高，解决了目前采用伪距单点进行卫星定位的方法存在定位精度低的问题。
附图说明
15.图1是本发明一实施例中一种用于双频伪距单点协同定位方法的流程示意图。
16.图2是本发明一实施例中一种用于双频伪距单点协同定位方法的流程示意图。
17.图3是本发明一实施例中一种用于双频伪距单点协同定位方法的流程示意图。
18.图4是本发明一实施例中一种用于双频伪距单点协同定位方法的流程示意图。
19.图5是本发明一实施例中一种用于双频伪距单点协同定位方法中粒子群算法的流程示意图。
20.图6是本发明一实施例中一种用于双频伪距单点协同定位装置的结构示意图。
21.图7是本发明一实施例中一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
22.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
23.需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。
24.实施例1
25.本实施例中，主要思路是对源节点相同，目的节点不同的两个或者多个节点间协方差计算数值进行分析。当源节点相同时，两个不同的目的节点可能会有一段共享路径，也有可能不存在共享路径，协方差可以实现共享路径的发现。
26.请参照图1，图1所示为本实施例提供的一种用于双频伪距单点协同定位方法。本实施例中，该方法包括：
27.步骤102，基于伪距观测方程，获得接收机初位置；
28.本实施例中，在上述基于伪距观测方程，获得初位置之前还包括对上述伪距观测方程中的若干项误差进行修正。
29.本实施例中，上述若干项误差包括接收机引入误差、卫星引入误差以及传播链路引入误差。
30.本实施例中，上述对上述伪距观测方程中的若干项误差进行修正包括基于上述伪距观测方程，获得双频伪距单点定位方程。
31.具体地，接收机利用伪距实现单点绝对定位的基本方程式为伪距观测方程式，该方程中包含接收机引入误差、卫星引入误差、传播链路引入误差等。建立卫星钟差修正、地球自转效应改正、对流层延时修正等误差数学模型，从而可以消弱误差影响。目前市面上大多采用双频多模接收机，可直接利用利用双频测量值消除电离层延时引入的影响。
32.例如，假设建立伪距观测方程为：ρ＝r+δt
u-δt
(s)
+i+t+ε
p
33.其中，ρ为伪距观测量，r为卫星与接收机之间的几何距离，δtu为接收机钟差，δt
(s)
为卫星钟差，i为电离层延时，t为对流层延时，ε
p
为其他误差和，此处忽略。
34.首先，双频接收机可直接利用双频测量值对电离层延时进行实时测定，即可通过
双频接收机消除电离层延时的误差影响，由此获得的双频伪距单点定位方程式为：
[0035][0036]
其次，对卫星时钟进行修正，卫星时钟修正值为：
[0037]
δt
(s)
＝a
f0
+a
f1
(t-t
oc
)+a
f2
(t-t
oc
)2[0038]
其中，a
f0
、a
f1
、a
f2
、t
oc
为已知项，可从卫星星历数据获得。
[0039]
然后，对流层延时进行修正：采用改进的hopfield模型计算对流层延时的误差修正值并进行修正。
[0040]
之后，利用可星历参数解算卫星位置，并对卫星位置进行地球自转效应改正，计算几何距离：
[0041][0042]
其中，(xu,yu,zu)为接收机位置，为待求解参数，(x
(s)
,y
(s)
,z
(s)
)为卫星位置。
[0043]
本实施例中，步骤102的一种实现方式为：
[0044]
步骤202，收集所有卫星在同一时刻的伪距观测值，获得非线性方程组；
[0045]
具体地，在获得上述几何距离、各项误差的修正值后，统计所有可见卫星同一时刻的伪距观测值，由此建立一组非线性方程组，如下：
[0046][0047]
步骤204，基于上述非线性方程组，获得对应的矩阵方程；
[0048]
具体地，将上述获得的各项误差的修正值代入上述非线性方程组并进行化简，由此获得剩下xu、yu、zu、δtu四个未知参数的方程组，之后假设修正各项误差后的伪距观测值为ρ'，并上述化简后的方程组的两边进行平方，获得新非线性方程组，如下：
[0049][0050]
在此需要说明的是，因为存在4个未知数需要求解，所以需要至少4个卫星的数据，因此需要观测卫星的数量n》4。
[0051]
将上述新非线性方程组同时减去第n个公式得：
[0052][0053]
根据上式假设矩阵：
[0054][0055][0056][0057]
则构建的矩阵方程为：xβ＝y
[0058]
步骤206，利用最小二乘法对上述矩阵方程进行求解，获得接收机初位置。
[0059]
具体地，再利用最小二乘法求解上述矩阵方程的近似解β'，由此获得接收机初位置为：β'＝(x
t
x)-1
x
t
y。
[0060]
基于此，本实施例通过利用最小二乘法计算获得接收机的初位置，由此获得了后面进行粒子群算法的初始值，从而缩小了粒子群算法的搜寻范围，加快了收敛速度，可以更快的找到最优解。
[0061]
步骤104，基于上述接收机初位置，获得粒子群求解空间；
[0062]
本实施例中，上述基于上述接收机初位置，获得粒子群求解空间的方式为利用上述接收机初位置建立粒子群求解空间，并初始化种群和设置初始参数以及初始参数对应的运动范围。
[0063]
具体地，以最小二乘初步位置(x0,y0,z0)建立求解空间，初始化种群和设置参数。设定参数的运动范围、学习因子c1、c2、当前的进化代数kg。
[0064]
步骤106，在上述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位。
[0065]
本实施例中，步骤106的一种实现方式为：
[0066]
步骤302，基于适应度子函数，获得粒子历史最优值和粒子群当前最优解；
[0067]
本实施例中，上述粒子群当前最优解为同一种群内若干上述粒子历史最优值中数值最小的粒子历史最优值。
[0068]
步骤304，基于上述粒子历史最优值和上述粒子群当前最优解更新粒子的速度和位置，获得新种群；
[0069]
本实施例中，上述基于上述粒子历史最优值和上述粒子群当前最优解更新粒子的速度和位置，获得新种群的方式为采用线性变化的惯性权重对上述粒子的速度和位置进行更新。
[0070]
步骤306，基于上述新种群，获得上述新种群对应的粒子历史最优值和粒子群当前最优解；
[0071]
步骤308，判断上述新种群的粒子群当前最优解是否满足终止条件，若满足则结束，若不满足则再次更新粒子的速度和位置并求解对应的粒子群当前最优解直至更新完毕或满足上述终止条件。
[0072]
具体地，利用初步位置(x0,y0,z0)建立粒子群求解空间，更新粒子的位置和速度，其中惯性权重采用从0.90线性递减到0.10的时变权重，计算更新后的粒子适应度值，寻找最优解。检查终止条件，若满足，则停止迭代，计算出全局最优值，即最优定位位置。
[0073]
本实施例中，参见图4，步骤106的另一种实现方式为：
[0074]
(1)以最小二乘初步位置(x0,y0,z0)建立求解空间，初始化种群和设置参数。设定参数的运动范围、学习因子c1、c2、当前的进化代数kg。
[0075]
(2)计算每一个粒子的个体适应值。
[0076]
(3)更新粒子的速度和位置。
[0077][0078][0079]
式中，，xi为粒子位置，vi为粒子速度，bests为粒子群当前最优解，pi为粒子自身历史最优值，w为惯性权重，r1和r2为0到1的随机数，kg＝1,2,
…
,g,i＝1,2,
…
,size。
[0080]
(4)更新粒子自身历史最优值pi和种群最优值bests：
[0081][0082][0083]
(5)检查迭代终止条件，若满足则结束寻优；否则kg＝kg+1，重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)。
[0084]
本实施例中提供一种用于双频伪距单点协同定位方法的另一具体实施方式，参见图5，方法如下：
[0085]
首先，建立双频伪距单点定位观测方程；
[0086]
然后，对卫星钟差、地球自转效应、对流层延时以及电离层延时的误差进行修正；
[0087]
其次，在可见卫星大于4颗的情况下，建立伪距观测非线性方程组；
[0088]
之后，利用最小二乘法获得初位置，从而建立粒子群求解空间，并迭代寻找最优
解；
[0089]
最后，输出最优解，获得最终定位。
[0090]
综上，本方法通过在伪距单点定位技术中引入粒子群算法，即将最小二乘算法与粒子群算法相融合协同定位，利用最小二乘求得接收机初位置，从而建立粒子群求解空间，在通过迭代更新粒子的位置和速度不断缩小粒子群算法搜寻范围，预估初始位置，缩小粒子群算法搜寻范围，然后粒子群算法迭代寻优，由此获得的全局最优值即为最终定位坐标，由此本方法采用粒子群算法与最小二乘相结合的双频伪距协同定位算法进行定位计算，具有良好的全局搜索与局部搜索最优解的能力，收敛速度快，定位精度高，解决了目前采用伪距单点进行卫星定位的方法存在定位精度低的问题。
[0091]
实施例2
[0092]
请参照图6，图6所示为本实施例提供一种用于双频伪距单点协同定位装置，包括：
[0093]
初位置获取模块，用于基于伪距观测方程，获得接收机初位置；
[0094]
粒子群空间建立模块，用于基于上述接收机初位置，获得粒子群求解空间；
[0095]
最终定位计算模块，用于在上述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位。
[0096]
可选的，还包括误差修正模块，用于对上述伪距观测方程中的若干项误差进行修正。
[0097]
可选的，上述对上述伪距观测方程中的若干项误差进行修正包括基于上述伪距观测方程，获得双频伪距单点定位方程。
[0098]
可选的，上述若干项误差包括接收机引入误差、卫星引入误差以及传播链路引入误差。
[0099]
可选的，初位置获取模块包括：
[0100]
收集单元，用于收集所有卫星在同一时刻的伪距观测值，获得非线性方程组；
[0101]
计算单元，用于基于上述非线性方程组，获得对应的矩阵方程；
[0102]
求解单元，用于利用最小二乘法对上述矩阵方程进行求解，获得接收机初位置。
[0103]
可选的，最终定位计算模块包括：
[0104]
初值计算单元，用于基于适应度子函数，获得粒子历史最优值和粒子群当前最优解；
[0105]
粒子更新单元，用于基于上述粒子历史最优值和上述粒子群当前最优解更新粒子的速度和位置，获得新种群；
[0106]
最优解更新单元，用于基于上述新种群，获得上述新种群对应的粒子历史最优值和粒子群当前最优解；
[0107]
最优解判断单元，用于判断上述新种群的粒子群当前最优解是否满足终止条件，若满足则结束，若不满足则再次更新粒子的速度和位置并求解对应的粒子群当前最优解直至更新完毕或满足上述终止条件。
[0108]
基于此，本装置通过在伪距单点定位技术中引入粒子群算法，即将最小二乘算法与粒子群算法相融合协同定位，利用最小二乘求得接收机初位置，从而建立粒子群求解空间，在通过迭代更新粒子的位置和速度不断缩小粒子群算法搜寻范围，从而使得粒子群算法迭代寻优，由此获得的全局最优值即为最终定位坐标，由此本方法采用粒子群算法与最
小二乘相结合的双频伪距协同定位算法进行定位计算，具有良好的全局搜索与局部搜索最优解的能力，收敛速度快，定位精度高，解决了目前采用伪距单点进行卫星定位的方法存在定位精度低的问题。
[0109]
实施例3
[0110]
请参照图7，本实施例提供一种电子设备，该电子设备包括处理器、内部总线、网络接口、内存以及非易失性存储器，当然还可能包括其他业务所需要的硬件。处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行，在逻辑层面上形成一种用于双频伪距单点协同定位方法。当然，除了软件实现方式外，本说明书并不排除其他实现方式，比如逻辑器件亦或软硬件结合的方式等等，也就是以下处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。
[0111]
网络接口、处理器和存储器可以通过总线系统相互连接。上述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。
[0112]
存储器用于存放程序。具体地，程序可以包括程序代码，上述程序代码包括计算机操作指令。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。
[0113]
处理器，用于执行上述存储器存放的程序，并具体执行：
[0114]
步骤102，基于伪距观测方程，获得接收机初位置；
[0115]
步骤104，基于上述接收机初位置，获得粒子群求解空间；
[0116]
步骤106，在上述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位。
[0117]
处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
[0118]
基于同样的发明创造，本说明书实施例还提供一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，上述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时，使得上述电子设备执行图1至图5对应的实施例提供的一种用于双频伪距单点协同定位方法。
[0119]
本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本说明书可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或者结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
[0120]
另外，对于上述装置具体实施方式而言，由于其与方法实施方式基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施方式的部分说明即可。而且，应当注意的是，在本技术的系统的各个模块中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本技术不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合。
[0121]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例之间的不同之处。
[0122]
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且依然可以实现期望的结果。另外，在附图描绘的过程中不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果，在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是
可以的或者可能是有利的。
[0123]
以上上述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种用于双频伪距单点协同定位方法，其特征在于，包括：基于伪距观测方程，获得接收机初位置；基于所述接收机初位置，获得粒子群求解空间；在所述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基于伪距观测方程，获得初位置之前还包括对所述伪距观测方程中的若干项误差进行修正。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述伪距观测方程中的若干项误差进行修正包括基于所述伪距观测方程，获得双频伪距单点定位方程。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述若干项误差包括接收机引入误差、卫星引入误差以及传播链路引入误差。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于伪距观测方程，获得初位置的步骤包括：收集所有卫星在同一时刻的伪距观测值，获得非线性方程组；基于所述非线性方程组，获得对应的矩阵方程；利用最小二乘法对所述矩阵方程进行求解，获得接收机初位置。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述接收机初位置，获得粒子群求解空间的方式为利用所述接收机初位置建立粒子群求解空间，并初始化种群和设置初始参数以及初始参数对应的运动范围。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位的步骤包括：基于适应度子函数，获得粒子历史最优值和粒子群当前最优解；基于所述粒子历史最优值和所述粒子群当前最优解更新粒子的速度和位置，获得新种群；基于所述新种群，获得所述新种群对应的粒子历史最优值和粒子群当前最优解；判断所述新种群的粒子群当前最优解是否满足终止条件，若满足则结束，若不满足则再次更新粒子的速度和位置并求解对应的粒子群当前最优解直至更新完毕或满足所述终止条件。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述粒子历史最优值和所述粒子群当前最优解更新粒子的速度和位置，获得新种群的方式为采用线性变化的惯性权重对所述粒子的速度和位置进行更新。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述粒子群当前最优解为同一种群内若干所述粒子历史最优值中数值最小的粒子历史最优值。10.一种用于双频伪距单点协同定位装置，其特征在于，包括：初位置获取模块，用于基于伪距观测方程，获得接收机初位置；粒子群空间建立模块，用于基于所述接收机初位置，获得粒子群求解空间；最终定位计算模块，用于在所述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位。

技术总结
本说明书公开了一种用于双频伪距单点协同定位方法，涉及卫星定位技术领域，方法包括基于伪距观测方程，获得接收机初位置；基于所述接收机初位置，获得粒子群求解空间；在所述粒子群求解空间内通过迭代更新粒子的位置和速度，获得最终定位，解决了目前采用伪距单点进行卫星定位的方法存在定位精度低的问题。进行卫星定位的方法存在定位精度低的问题。进行卫星定位的方法存在定位精度低的问题。


技术研发人员：张然 杨帆 乔彩霞
受保护的技术使用者：北京无线电计量测试研究所
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/9/23