CN102590840A - 一种卫星定位载波相位差分方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星定位载波相位差分方法。所述方法，包括：利用基准站网的观测数据获取各基准站各颗卫星载波相位观测值的非差误差改正数；根据选用基准站处各颗卫星载波相位观测值的非差误差改正数，计算得到用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，其中每颗卫星的非差误差改正数包含了载波相位观测值的各种观测误差影响和模糊度信息；利用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，进行用户站的高精度载波相位定位。

Description

一种卫星定位载波相位差分方法

技术领域

本发明涉及计算机应用领域，尤其涉及一种卫星定位载波相位差分方法。

背景技术

网络RTK(Real-Time Kinematic)是在一定区域内布设多个(一般至少三个)基准站，对本地区构成网状覆盖，并使用其中全部或部分基准站数据估算本地区或用户处的卫星定位误差信息，生成差分信息，实时用户通过接收这些差分信息，并进行载波相位的模糊度处理与解算，得到实时高精度的用户三维位置信息。它可以在大范围内为用户提供厘米级的实时高精度三维位置。与传统的RTK技术相比，网络RTK具有更高的稳定性、可用性和成本有效性，其最大优点是提供有效高精度定位的范围远超过常规RTK，随基准站网的布设范围而定。

网络RTK的关键技术是如何解决载波相位的模糊度问题和消除载波相位观测数据中的各种系统误差，只有很好地解决了这些问题，才能够保证实时用户得到高精度的定位结果。目前网络RTK技术一般都是基于双差模型的，双差组合的优点是可以很好地消除具有强相关性的系统误差，如卫星钟差和接收机钟差，而对于对流层延迟、电离层延迟等相关性不是很强的系统误差也有明显的消除作用，但是消除效果会随着站间距离增长而减弱。缺点是系统误差经过了双差组合与消除，难以对系统误差进行分析；还有从非差到单差，再到双差，这个过程是不可逆，或者这个逆过程是难以实现的，因此决定了双差模式的兼容性较差，例如双差的改正数只能用于双差用户，难以用于单差或者非差用户；另外，双差模式需要选定一个主参考站来进行双差组合，当用户在不断运动时，可能这个基准站需要不断变化，因此会造成数据处理上的麻烦，以及不同子网间差分改正信息的不一致。

如果在网络RTK中使用非差误差改正数，则用户站用户不需要选择主参考站来进行双差观测值的组合，所有基准站都一样，没有主辅之分；一个基准站上一颗卫星的非差改正数包含所有的误差信息；非差误差改正能够更准确地描述区域误差对定位的影响；各基准站的改正数是独立的，可以方便地通过网络播发和接收；利用非差误差改正数可以使网络RTK的作业方式更加灵活，并且兼容性好，在用户端可以很方便地与PPP(Pricise Point Positioning)方法统一，实现网络RTK技术与PPP技术的统一。

本发明利用基准网向用户提供非差载波相位观测值的误差改正信息，用户利用这些非差误差改正信息进行网络RTK定位，能够实时得到厘米级的定位精度，并且具有应用范围广、兼容性好、基准统一、用户初始化时间短等优点。

发明内容

本发明提供一种卫星定位载波相位差分方法，要解决的技术问题是如何使用非差载波相位观测值来解决网络RTK中模糊度处理和各种系统误差消除，实现用户厘米级网络RTK定位以及与PPP用户的统一。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种卫星定位载波差分方法，包括：

利用基准站网的观测数据获取各基准站各颗卫星载波相位观测值的非差误差改正数；

根据选用的基准站处各颗卫星载波相位观测值的非差误差改正数，计算得到用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，其中每颗卫星的非差误差改正数包含了载波相位观测值的各种观测误差影响和模糊度信息；

利用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，进行用户站的高精度载波相位定位。

优选的，所述方法还具有如下特点：基准站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数

的表达式如下：

其中，下标i表示信号频率，用于区分不同的频率；下标m表示基准站的编号，用于区分不同的基准站；上标n表示卫星编号，用于区分不同的卫星；

表示非差卫星载波相位观测值，单位为周；λ表示载波相位的波长，以米为单位；N表示非差载波相位观测值的整周模糊度，单位为周；ρ表示测站与卫星之间的几何距离，单位为米。

优选的，所述方法还具有如下特点：用户站用户处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数是所选用基准站相对应该颗卫星的非差载波相位观测值的改正数与各自的拟合系数相乘后得到的数值的总和，其中全部拟合系数的总和为1。

优选的，所述方法还具有如下特点：所述利用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，进行用户站的高精度载波相位定位，包括：

采用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，对用户站用户非差载波相位观测方程进行非差误差改正，得到用户站用户误差改正后的非差载波相位观测方程，表达式如下：

其中，H为用户站上卫星的方向余弦矩阵；：δX为用户坐标初值的改正数向量；ρ₀表示用户到相应卫星的距离初值；

获取至少四颗卫星的误差改正后的用户站非差载波相位观测方程；

对得到的方程进行解算，得到用户站的精确坐标和修正后的用户接收机钟差。

优选的，所述方法还具有如下特点：所述利用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，进行用户站的高精度载波相位定位，包括：

采用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，对用户站用户非差载波相位观测方程进行非差误差改正，得到用户站用户误差改正后的非差载波相位观测方程，表达式如下：

其中，H为用户站上卫星的方向余弦矩阵；δX为用户坐标初值的改正数向量；ρ₀表示用户到相应卫星的距离初值；

采用所述误差改正后的用户站非差载波相位观测方程，构建至少四颗卫星的误差改正后的用户站非差载波相位观测方程，组成联立方程组；

对该联立方程组进行解算，得到用户站的坐标和修正后的接收机钟差。

优选的，所述方法还具有如下特点：所述利用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，进行用户站的高精度载波相位定位，包括：

采用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，对用户站用户非差载波相位观测方程进行非差误差改正，得到用户站用户误差改正后的非差载波相位观测方程，表达式如下：

其中，H为用户站上卫星的方向余弦矩阵；δX为用户坐标初值的改正数向量；ρ₀表示用户到相应卫星的距离初值；

采用第一卫星p和第二卫星q所对应的用户站用户误差改正后的非差载波相位观测方程，得到用户站的单差载波相位观测方程，表达式如下：

其中上标pq表示单差操作符，(*)^pq＝(*)^p-(*)^q；

采用用户站的单差载波相位观测方程，构建至少四颗卫星的用户站的单差载波相位观测方程，建立联立方程组；

对该联立方程组进行解算，得到用户站的坐标。

与现有技术相比，通过获取用户站上误差改正后的载波相位观测方程，等观测够足够的卫星和数据后，即可进行用户站的模糊度解算，进而可得到厘米级精度的定位结果，与现有技术所使用的双差模式的网络RTK方法相比，本发明提供的作业方式更加灵活，不需要选择主参考站，基准站的改正信息播发更方便，适用于不同的用户定位模式。

附图说明

图1为本发明提供的非差载波相位误差改正示意图；

图2为本发明提供的卫星定位载波相位差分方法流程图；

图3为本发明所使用的省级基准站网的示意图；

图4为图3所示基准站网24小时载波相位差分定位的南北分量定位真误差图；

图5为图3所示基准站网24小时载波相位差分定位的东西分量定位真误差图。

图6为图3所示基准站网24小时载波相位差分定位的垂直分量定位真误差图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为非差载波相位误差改正示意图。如图1所示，其中测站A、B、C、......为基准站网，测站U为用户站。卫星发射信号经过不同的传播路径，将观测信号传播到各测站，在此过程中除了卫星和接收机硬件的误差影响之外，主要受到传播路径上对流层、电离层延迟以及卫星轨道等定位误差的影响，而这些主要定位误差是具有时空相关性的，因此，可以利用基准站网的观测数据来消除/削弱用户处非差载波相位观测值的相关定位误差。由于基准站的坐标都是精确已知的，所以可计算出它们各自的非差载波相位观测误差大小，进而根据各测站间的位置关系确定用户站非差载波相位观测值误差的计算系数，然后计算出用户站的非差载波相位观测值误差的大小，用来消除/削弱用户站非差载波相位观测值误差的影响。相对于目前的双差误差改正模型，本发明的非差模式是以单颗卫星为对象，进行用户站伪距观测误差的拟合与修正，无需双差组合，能够更好地对观测误差进行模型化，具有应用灵活、便于误差分析、更符合客观实际等优点。

图2为本发明提供的卫星定位载波相位差分方法流程示意图。图2所示方法实施例，包括：

步骤101、获取基准站各卫星在两个载波相位上的非差观测方程的表达式，如表达式1所示：

其中，下标i表示载波相位，用于区分不同频率的载波相位；下标m表示基准站的编号，用于区分不同的基准站，一般情况下选用离用户站较近的三个基准站；上标n表示卫星编号，用于区分不同的卫星；λ为载波波长，单位为米，其中λ＝C/f，C为真空中的光速，f为相应载波的频率；

为载波相位观测值，单位为周；ρ表示测站与卫星之间的几何距离，单位为米；N为载波相位的模糊度，以周为单位；I为电离层对载波相位观测值的延迟误差，单位为米；T表示非色散误差对非差载波相位观测值的影响，单位为米；Ts为卫星钟差及卫星硬件延迟，单位为秒；Tr为接收机的钟差及接收机硬件延迟，单位为秒；ε为载波相位的观测噪声。另外，基准站一般设置在比较开阔的地方，可以忽略多路径效应的影响。

步骤102、获取用户站处各卫星的非差载波相位观测方程的表达式，如表达式(2)所示：

其中，U表示用户站，以区分于基准站。其余符号与表达式(1)中相同。

步骤103、采用步骤101中的非差载波相位观测方程的表达式，计算选用基准站(一般为距离用户较近的三个基准站)处各卫星的非差载波相位观测值的误差改正数。

步骤104、根据步骤103中得到的基准站非差载波相位观测值的误差改正数，计算用户站处各卫星的非差载波相位观测值的误差改正数。

用户站处各卫星的非差载波相位观测值误差改正数是所选用基准站相对应该卫星的非差载波相位观测值的改正数与各自的拟合系数相乘后得到的数值的总和，其中全部拟合系数的总和为1。表达式如(4)所示：

${\mathrm{Cor}}_{\mathrm{iU}}^n=a_1\·{\mathrm{Cor}}_{\mathrm{iA}}^n+a_2\·{\mathrm{Cor}}_{\mathrm{iB}}^n+\·\·\·+a_j\·{\mathrm{Cor}}_{\mathrm{im}}^n---\left(4\right)$

其中，a₁，a₂，…，a_j为用户站非差改正数计算的拟合系数，可跟据用户站与基准站之间的相对位置计算得到的，与传统的内插拟合方法类似。需要说明的是：它们需要满足关系式

a₁+a₂+…+a_j＝1    (5)

j为拟合系数的个数，拟合系数的个数等于所选用的基准站个数，一般情况下等于3，即选用距离用户较近的三个基准站进行拟合。

步骤105、采用步骤104得到的非差载波相位观测值的误差改正数对步骤102中得到的用户站用户非差载波相位观测方程进行非差误差改正，得到用户站用户误差改正后的非差载波相位观测方程，如表达式(6)所示：

(6)

其中Tr′和ε′分别表示非差修正后的接收机钟差及接收机硬件延迟误差和非差修正后的非差伪距观测噪声。从表达式(6)可以看出：误差绝大多数系统误差已经消除或削弱，只剩下少量残余误差和观测噪声。若忽略观测噪声及残余系统误差，并对表达式(6)进行线性展开，可以得到整理后的用户非差载波相位观测方程表达式：

其中，H为用户站上卫星的方向余弦矩阵；δX为用户坐标初值的改正数向量；ρ₀表示用户到相应卫星的距离初值；其余符号含义同前。

步骤106、解算由四颗或四颗以上卫星的误差改正后的用户站非差载波相位观测方程(7)，可得到用户站的精确坐标和修正后的用户接收机钟差。

用户的精确坐标值由坐标初值加上坐标改正数得到，若精度不够，可将修正后的坐标值作为初值，重复步骤105和106，直至收敛。从表达式(7)可以看出：方程左边有四个未知数(分别是三个坐标改正数和一个修正后的接收机钟差)和若干载波相位模糊度(个数等于观测卫星数)，右边是常数项。因此，只要观测到四颗或四颗以上的卫星，建立至少4个类似表达式(7)的非差载波相位观测方程，解算方程组，即可得到用户精确坐标，完成定位。

最后需要说明的是：a)这一个解算过程需要用户坐标初值具备一定的精度，若无法满足要求，可以重复105和106的步骤，直至收敛；b)这一解算过程可能需要一定的观测时间的数据累积，用于载波相位模糊度处理，具体时间跟所采用的模糊度处理方法有关；c)由于改正后的非差载波相位观测方程中仍含有少量的残余误差影响，可能造成非差载波相位观测方程的模糊度并不为整数，处理方法同PPP。

步骤107、除了采用步骤106中的直接解算方法外，还可以在步骤105的基础上，在两颗不同的卫星间求差(单差)，消除修正后的接收机钟差项及残余系统误差，使载波相位模糊度保持整周特性，然后再联立方程组，进行解算，得到用户站的坐标改正数。

以步骤105中的卫星p、q的非差伪距观测方程为例进行说明。根据表达式(7)，可以得到用户站的单差载波相位观测方程：

其中上标pq表示单差操作符，(*)^pq＝(*)^p-(*)^q；其余符号含义不变。解算由四颗或四颗以上卫星的误差改正后的用户站单差载波相位观测方程(8)，可得到用户的精确坐标。定位解算过程中的整周模糊度解算和迭代等参阅有关文献，这里不再赘述。

经过本文的方法进行载波相位误差改正之后，使用户站用户定位不受卫星钟差及硬件延迟、接收机钟差及硬件延迟、对流层延迟，电离层延迟和卫星轨道误差的影响。按照上面所述的用户站非差误差改正方法，可以得到用户站上误差改正后的载波相位观测方程。等观测够足够的卫星和数据后，即可进行用户站的模糊度解算，进而可得到厘米级精度的定位结果。而与目前使用的双差模式的网络RTK方法相比，本发明的作业方式更加灵活，不需要选择主参考站，基准站的改正信息播发更方便，适用于不同的用户定位模式。

为了验证本发明中方法的实用性，采用某一个省级基准站网的实测数据进行本发明方法的验证。此测试观测时间为12小时，采样间隔为15秒，选择其中一个作为检测站，另外在周边选择三个基准站，作为基准站网，为监测站提供非差载波相位观测值误差改正。用本发明的方法对此试验数据进行单历元RTK定位处理，最终的定位误差分别如图4、图5、图6所示。其中N表示南北方向，E表示东西方向，U表示垂直方向。由于监测站的坐标精确已知，所以图4-6中给出的是每一历元的定位真误差。对图4-6中的结果进行概率统计，可得N、E和U三个方向上定位误差的RMS分别为0.011米、0.012米和0.030米。通过12小时的实测数据的结果表明：本发明中的方法结合单历元模糊度搜索技术能够实现厘米级精度的单历元实时网络RTK定位。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种卫星定位载波相位差分方法，其特征在于，包括：

利用基准站网的观测数据获取各基准站各颗卫星载波相位观测值的非差误差改正数；

根据选用的基准站处各颗卫星载波相位观测值的非差误差改正数，计算得到用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，其中每颗卫星的非差误差改正数包含了载波相位观测值的各种观测误差影响和模糊度信息；

利用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，进行用户站的高精度载波相位定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基准站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数

的表达式如下：

其中，下标i表示信号频率，用于区分不同的频率；下标m表示基准站的编号，用于区分不同的基准站；上标n表示卫星编号，用于区分不同的卫星；

表示非差卫星载波相位观测值，单位为周；λ表示载波相位的波长，以米为单位；N表示非差载波相位观测值的整周模糊度，单位为周；ρ表示测站与卫星之间的几何距离，单位为米。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用户站用户处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数是所选用基准站相对应该颗卫星的非差载波相位观测值的改正数与各自的拟合系数相乘后得到的数值的总和，其中全部拟合系数的总和为1。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，进行用户站的高精度载波相位定位，包括：

采用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，对用户站用户非差载波相位观测方程进行非差误差改正，得到用户站用户误差改正后的非差载波相位观测方程，表达式如下：

其中，H为用户站上卫星的方向余弦矩阵；δX为用户坐标初值的改正数向量；ρ₀表示用户到相应卫星的距离初值；

采用所述误差改正后的用户站非差载波相位观测方程，构建至少四颗卫星的误差改正后的用户站非差载波相位观测方程，组成联立方程组；

对该联立方程组进行解算，得到用户站的坐标和修正后的接收机钟差。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，进行用户站的高精度载波相位定位，包括：

采用用户站处各颗卫星的非差载波相位观测值误差改正数，对用户站用户非差载波相位观测方程进行非差误差改正，得到用户站用户误差改正后的非差载波相位观测方程，表达式如下：

其中，H为用户站上卫星的方向余弦矩阵；δX为用户坐标初值的改正数向量；ρ₀表示用户到相应卫星的距离初值；

采用第一卫星p和第二卫星q所对应的用户站用户误差改正后的非差载波相位观测方程，得到用户站的单差载波相位观测方程，表达式如下：

其中上标pq表示单差操作符，(*)^pq＝(*)^p-(*)^q；

采用用户站的单差载波相位观测方程，构建至少四颗卫星的用户站的单差载波相位观测方程，建立联立方程组；

对该联立方程组进行解算，得到用户站的坐标。

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