CN110045634B - 一种gnss基准站的非差误差建模方法 - Google Patents

一种gnss基准站的非差误差建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种GNSS基准站的非差误差建模方法，涉及高精度定位系统技术领域，包括以下步骤：S1，计算所有基准站非差误差
Figure DDA0002053769570000011
S2，构建卫星i的误差建模几何多边形要素，根据建模点V和基准站I的平面和高程，初步确定建模基准站几何多边形要素和基准站误差集合Di；S3，对卫星i几何多边形要素大气延迟误差进行相关性判断；S4，基于几何多边形要素中离散的基准站和相应的误差集合Di，根据V与基准站的平面位置关系，采用线性组合函数F()计算误差
Figure DDA0002053769570000012
本方法有效的提高了误差建模的精度和稳定性，为基准系统的大用户播发式增强服务提供了技术支持和规范，实现了用户的PPP‑RTK定位模式。

Description

一种GNSS基准站的非差误差建模方法
技术领域
本发明涉及高精度定位领域，尤其涉及一种GNSS基准站的非差误差建模方法。
背景技术
目前GNSS基准站网络RTK建模方法针对差分处理后的大气延迟误差，建模模式是选择建模点最近的三个基准站组成的固定几何三角形，所有卫星都采用此三角形误差建模。没有充分考虑不同卫星和基准站观测误差的空间相关性和充分利用更多基准站误差信息，导致采用三个固定基准站误差建模的残差不稳定，可能会出现较大的残差从而导致用户端模糊度固定困难和定位精度降低；建模模型中未考虑非差误差如卫星钟差和接收机钟差，只能采用单一的双差RTK定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GNSS基准站的非差误差建模方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种GNSS基准站的非差误差建模方法，包括以下步骤：
S1，计算所有基准站非差误差
Figure BDA0002053769550000011
S2，构建卫星i的误差建模几何多边形要素，根据建模点V和基准站I的平面和高程，初步确定建模基准站几何多边形要素和基准站误差集合Di；
S3，对卫星i几何多边形要素大气延迟误差进行相关性判断；
S4，基于几何多边形要素中离散的基准站和相应的误差集合Di，根据V与基准站的平面位置关系，采用线性组合函数F()计算误差
Figure BDA0002053769550000012
优选地，基准站I与任意卫星i之间的观测误差值
Figure BDA0002053769550000013
以式(1)计算：
Figure BDA0002053769550000014
其中
Figure BDA0002053769550000015
为载波相位观测值、
Figure BDA0002053769550000016
为站星间几何距离、
Figure BDA0002053769550000017
为初始整周模糊度，I的取值是基准站模糊度观测数据模糊度解算固定的值，数值大小是接收机初始捕获卫星信号时随机设定的值。
优选地，步骤S2中确定建模基准站几何多边形要素和基准站误差集合Di的判断标准为式(2)：
Figure BDA0002053769550000021
ΔxIV，ΔyIV，ΔhIV指基准站和建模点的平面和高程差。
优选地，步骤S3具体为：
Di中选择μ1和μ2为两个聚类中心，对误差集合D进行聚类分析，实现相关性判断，根据索引Index重复迭代进行分类剔除误差相关性较差的基准站，获得最终的建模几何多边形要素和基准站误差集合Di；计算公式如公式(3)所示：
Figure BDA0002053769550000022
其中n为几何多边形要素中基准站个数，μ1为
Figure BDA0002053769550000023
M为距离站V最近的基准站，μ2为Di中与
Figure BDA0002053769550000024
差值绝对值最大的值，
Figure BDA0002053769550000025
优选地，所述几何多边形要素为任意的基准站组成的随机多边形构型，不再局限于建模点V最近的基准站三角形。
优选地，步骤S3中重复迭代次数为2k次。
优选地，步骤S4具体为：
A.利用一次多项式组合函数计算建模点误差
Figure BDA0002053769550000026
改正；
B.规定线性组合系数的约束条件，系数和为1；
C.根据基准站坐标计算组合系数。
优选地，该方法还包括步骤S5：
重复步骤S2-S4，建模点V完成其余可用卫星的误差计算。
优选地，步骤S5具体为：重复过程中不同卫星的建模几何要素是独立的基准站组成，彼此之间没有联系。
本发明的有益效果是：
本发明提出的基准站非差随机多边形建模方法考虑误差的空间相关性，发挥多个基准站的优势，打破了已有的所有共视卫星采用固定的周边三角形建模的方法，通过误差聚类分析选择最优的可用的基准站组成随机的多边形建模单元，并且不同的卫星建模基准站单独选择、相互独立，这种方法有效的提高了误差建模的精度和稳定性，为基准系统的大用户播发式增强服务提供了技术支持和规范，实现了用户的PPP-RTK定位模式。
附图说明
图1是GNSS基准站的非差误差建模方法流程图；
图2是试验例中建立的多边形模型；
图3为试验例中JH、RO多基站内插精度；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例提供一种GNSS基准站的非差误差建模方法，包括以下步骤：
S1,计算所有基准站的非差误差
Figure BDA0002053769550000031
基准站I与任意卫星i之间的观测误差值
Figure BDA0002053769550000032
可以式(1)计算。
Figure BDA0002053769550000033
其中
Figure BDA0002053769550000034
为载波相位观测值、
Figure BDA0002053769550000035
为站星间几何距离、
Figure BDA0002053769550000036
为初始整周模糊度。其中
Figure BDA0002053769550000037
包含接收机钟差、卫星钟差和大气延迟误差。
S2,构建卫星i的误差建模几何多边形要素，根据建模点V和基准站I的平面和高程，依据式(2)判断标准初步确定建模基准站几何多边形要素和基准站误差集合Di，其中Di表示卫星i和多个基准站间误差的集合。
Figure BDA0002053769550000041
S3,Di中选择μ1和μ2为两个聚类中心，对误差集合D进行聚类分析，实现相关性判断，根据索引Index重复迭代进行分类剔除误差相关性较差的基准站，获得最终的建模几何多边形要素和基准站误差集合Di；
计算公式如公式(3)所示：
Figure BDA0002053769550000042
其中n为几何多边形要素中基准站个数，μ1为
Figure BDA0002053769550000044
M为距离站V最近的基准站，μ2为Di中与
Figure BDA0002053769550000045
差值绝对值最大的值，
Figure BDA0002053769550000046
几何多边形要素为任意的基准站组成的随机多边形构型，不再局限于建模点V最近的基准站三角形。
S4,基于几何多边形要素中离散的基准站和相应的误差集合Di，根据V与基准站的平面位置关系，采用线性组合函数F()计算误差
Figure BDA0002053769550000047
具体的计算步骤包括：
A.利用一次多项式组合函数计算建模点误差
Figure BDA0002053769550000048
改正；
B.规定线性组合系数的约束条件，系数和为1；
C.根据基准站坐标计算组合系数，具体的计算公式如公式(4)所示，
Figure BDA0002053769550000043
其中(ΔxΔyΔh)为平面坐标向量分量和高程差；(ΔxIVΔyIVΔhIV)为基准站I和建模点V的平面坐标向量分量和高程差；aI为第I站加权系数。
值得注意的是，步骤S4中所述的误差中含有的卫星误差建模时系数和为1，保证完整性从而与流动端卫星钟差相互消除，接收机钟差能够包含在流动端接收机钟差中数据处理采用星间单差消除，大气延迟误差削弱了流动端大气延迟误差实现高精度定位。
S5,重复步骤S2-S4，建模点V完成其余可用卫星的误差计算。重复过程中不同卫星的建模几何要素是独立的基准站组成，彼此之间没有联系，从而打破多个卫星相同建模的模式，实现最优的建模精度。
GNSS基准站观测数据中包含大气延迟误差、接收机钟差和卫星钟差；通过观测值和站星间的几何距离可以计算精确的卫星观测误差。由于大气延迟误差是电离层和对流层引起的具有空间分布的相关性，但不同的卫星传播路径不同，需要根据误差相关性建立建模几何多边形。钟差是随机误差不具有规律性，但不同站点相同卫星钟差相同，因此建模过程中需要保持接收机钟差的完整性及建模系数和为1；基准站的接收机钟差可以包含在流动站钟差中处理，因此建模时不予考虑。
采用区域滑动窗口搜索的建模方法，建模点周边阈值范围内基准站组成随机的几何多边形要素，不同历元和不同卫星建立不同的建模要素，采用线性组合进行空间建模，建模过程中评估判断剔除空间相关性较差的站点。
试验例
以黑龙江省基准站网7个基准站和一个测试点S整天24小时数据为例。LJ为主基准站、JH为流动站、用GN、FY、LD、DM、DX和LJ为辅基准站，如图2所示，用多基准站随机的多边形对JH和RO空间建模，统计空间误差内插算法的精度，JH建模时用到所有基准站，RO建模时剔除GN和LJ基准站，并与LJ、JH已知的误差进行比较分析，本算法内插精度满足非差流动站厘米级定位要求。
电离层延迟的距离相关性特征，在全球范围内存在大尺度的空间分布，符合大尺度区域性内插，同样电离层延迟还存在小尺度(赤道区域和磁暴期间)上的空间无序性和复杂变化规律。图3(左)直观的显示了电离层延迟区域内插精度，平均值为-0.12cm，中误差为0.691cm。卫星高度角较大时，改正精度一般在±2cm内，电离层活跃时期，或者卫星较低时改正精度较低，一般都在±4cm内。
对流层延迟的空间分布特性和相关性与电离层延迟存在明显的差异，主要由于水汽含量在时空分布上的复杂性和不确定性，对流层延迟不具有色散特性。
图3(右)显示了电离层延迟区域内插精度，平均值为0.16cm，中误差为0.59cm。卫星高度角较大时，改正精度一般在±2cm内；卫星高度角较小时，尤其是低于15°时，改正精度较差，一般都在±4cm内。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提出的基准站非差随机多边形建模方法考虑误差的空间相关性，发挥多个基准站的优势，打破了已有的所有共视卫星采用固定的周边三角形建模的方法，通过误差聚类分析选择最优的可用的基准站组成随机的多边形建模单元，并且不同的卫星建模基准站单独选择、相互独立，这种方法有效的提高了误差建模的精度和稳定性，为基准系统的大用户播发式增强服务提供了技术支持和规范，实现了用户的PPP-RTK定位模式。
通过四川、河北和黑龙江等省卫星导航定位基准站300站、7天观测数据测试分析，在省级基准站网中均匀选择10个基准站作为检核站，通过其余的基准站误差建模检核站误差，再与已知的误差求差再统计分析获得建模精度。测试表明使用此发明方法最多用到基准站数为15个最少为4个，较低的卫星采用的基准站和较高卫星差异明显，有效的提高了误差改正建模的中误差、约为0.1cm，比常规方法提高了0.1cm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种GNSS基准站的非差误差建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，计算所有基准站非差误差
Figure FDA0003241666980000011
S2，构建卫星i的误差建模几何多边形要素，根据建模点V和基准站I的平面和高程，初步确定建模基准站几何多边形要素和基准站误差集合Di；
S3，对卫星i几何多边形要素大气延迟误差进行相关性判断；
S4，基于几何多边形要素中离散的基准站和相应的误差集合Di，根据V与基准站的平面位置关系，采用线性组合函数F()计算误差
Figure FDA0003241666980000012
所述线性组合函数F()具体为：
步骤S3具体为：
Di中选择μ1和μ2为两个聚类中心，对误差集合D进行聚类分析，实现相关性判断，根据索引Index重复迭代进行分类剔除误差相关性较差的基准站，获得最终的建模几何多边形要素和基准站误差集合Di；计算公式如公式(3)所示：
Figure FDA0003241666980000013
其中n为几何多边形要素中基准站个数，μ1为
Figure FDA0003241666980000014
M为距离站V最近的基准站，μ2为Di中与
Figure FDA0003241666980000015
差值绝对值最大的值，
Figure FDA0003241666980000016
步骤S4中采用的所述组合函数F()具体为：
Figure FDA0003241666980000017
其中(△x △y △h)为平面坐标向量分量和高程差；(△xIV △yIV △hIV)为基准站I和建模点V的平面坐标向量分量和高程差；aI为第I站加权系数。
2.根据权利要求1所述的GNSS基准站的非差误差建模方法，其特征在于，基准站I与任意卫星i之间的观测误差值
Figure FDA0003241666980000018
以式(1)计算：
Figure FDA0003241666980000021
其中
Figure FDA0003241666980000022
为载波相位观测值、
Figure FDA0003241666980000023
为站星间几何距离、
Figure FDA0003241666980000024
为初始整周模糊度，I的取值是基准站模糊度观测数据模糊度解算固定的值，数值大小是接收机初始捕获卫星信号时随机设定的值。
3.根据权利要求1所述的GNSS基准站的非差误差建模方法，其特征在于，步骤S2中确定建模基准站几何多边形要素和基准站误差集合Di的判断标准为式(2)：
Figure FDA0003241666980000025
△xIV，△yIV，△hIV指基准站和建模点的平面和高程差。
4.根据权利要求1所述的GNSS基准站的非差误差建模方法，其特征在于，所述几何多边形要素为任意的基准站组成的随机多边形构型，不再局限于建模点V最近的基准站三角形。
5.根据权利要求1所述的GNSS基准站的非差误差建模方法，其特征在于，步骤S3中重复迭代次数为2k次。
6.根据权利要求1所述的GNSS基准站的非差误差建模方法，其特征在于，步骤S4具体为：
A.利用一次多项式组合函数计算建模点误差
Figure FDA0003241666980000026
改正；
B.规定线性组合系数的约束条件，系数和为1；
C.根据基准站坐标计算组合系数。
7.根据权利要求1所述的GNSS基准站的非差误差建模方法，其特征在于，该方法还包括步骤S5：
重复步骤S2-S4，建模点V完成其余可用卫星的误差计算。
8.根据权利要求7所述的GNSS基准站的非差误差建模方法，其特征在于，步骤S5具体为：重复过程中不同卫星的建模几何要素是独立的基准站组成，彼此之间没有联系。
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