伪距单点定位算法原理以及利用最小二乘法计算实例

伪距单点定位算法原理以及利用最小二乘法计算实例本文详细介绍了伪距单点定位原理 利用最小二乘法进行定位的步骤 包括设置初始值 准备数据 线性化非线性方程 求解线性方程并更新解 特别强调了接收机钟差的处理

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目录

1.伪距单点定位原理

2.最小二乘法介绍

 3.利用最小二乘法进行伪距单点定位的实例

利用最小二乘法的定位解算可以分解为以下几个步骤:

(1)设置初始值

(2)准备数据

(3)非线性方程线性化

(4)求解线性方程

(5)更新非线性方程的解

(6)判断牛顿迭代的收敛


1.伪距单点定位原理

由伪距观测量建立的定位方程为:

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每个伪距测量方程都是关于用户位置的非线性函数,不能通过直接解方程求得用户位置。

因此要对观测方程进行线性化:

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b是接收机钟差,B是卫星钟差,左边是要求的4个参数:三个坐标改正数、一个接收机钟差

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 l:常数项、自由项,如下图所示:

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将之前的式子改写为:

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写成矩阵形式:

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X是待定系数矢量,也就是我们要求的参数量,包括:接收机位置改正数和接收机钟差。

问:为什么要求接收机钟差?

答:只有求出接收机钟差,接收机位置改正数才能求出来,两者的求解不可分离。

在观测方程的求解中,需要估计接收机的位置和钟差,因为接收机的时钟差异会对测量结果产生影响。接收机对卫星信号的接收时间是基于接收机自身的时钟来计算的,如果接收机的时钟有偏差,那么计算得到的接收时间也会有误差。

通过估计接收机的钟差,可以对接收机接收时间进行校正,从而提高位置估计的准确性。

A为系数矩阵,方向余弦矩阵,可以根据已知参数求解出来。

L是自由项矢量,包含观测量(伪距观测值)、根据接收机概略位置和卫星位置计算的星站距离,以及卫星钟差、电离层误差、对流层误差等各种可以通过模型解算出来的误差,所有项合起来就可以组成自由项或者称为常量项。

V为残差向量,也就是测量噪声和其他未建模因素引起的误差。

显然只有当 n ≥ 4 时,方程才可能有解。下面根据观测到的可见卫星数分两种情况进行说明:

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问:为什么当观测的可见卫星数 n=4 时,此时要忽略掉观测随机误差?

答:当观测卫星数较少时,这些随机误差会对位置估计的准确性产生较大的影响。因此,在观测卫星数较少时,通常会忽略掉这些随机误差,以避免对位置估计结果造成过大的不确定性。

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2.最小二乘法介绍

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即该公式:

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建立下列代价函数

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满足最佳估值的条件为:

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即:

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可解得未知参数 X 的最佳估值

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由于每个可见卫星观测量的精度可能不一样,这时,需要对不同观测量赋予一个权重系数,称为加权。

由下图可以得到观测值加权后未知参数 X 的最优估值为:

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 3.利用最小二乘法进行伪距单点定位的实例

下面通过一个例子,说明伪距定位算法及其解算步骤。

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利用最小二乘法的定位解算可以分解为以下几个步骤:

(1)设置初始值

最简单、最理想的一种情况:

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然而,如果接收机在此刻的前一段时间内尚未实现定位,那么此刻对接收机来说是首次定位。对于首次定位,钟差初始值一般可设置为 0,而接收机坐标初始值的估算可分为以下几种情况。

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(2)准备数据

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(3)非线性方程线性化

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k-1是当前历元已完成的迭代次数

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L又称为自由项或者常数项,由原始伪距观测值、(卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟等)可通过模型计算出来的误差改正项、接收机概略位置与卫星空间位置之间的距离所组成。

A称为雅可比矩阵或者几何矩阵,只与各颗卫星相对于用户接收机的几何位置有关

接收机初始概略位置是设置为0的,即xyz均等于0

接收机钟差初始值也设置为0

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(4)求解线性方程

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(5)更新非线性方程的解

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问:钟差这里是怎么由钟差修正量(单位:m)转变为钟差(单位:s)的?

答:伪距单点定位算法原理以及利用最小二乘法计算实例

光速 c 的值为 米/秒(m/s)

钟差 = 钟差修正量 / 光速

(6)判断牛顿迭代的收敛

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