CN103344978A - 一种适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，所采用的技术方案是：用户在非差网络RTK处理模式下有效固定至少4颗卫星的宽巷模糊度和L1模糊度后，不再需要获取周边基准站的区域增强信息，此时将模糊度固定结果以及内插得到的天顶对流层延迟残余误差作为已知真值，并结合接收到的卫星UPD信息，无需初始化便可即刻获得PPP-RTK模式下的模糊度固定解。由于卫星UPD、实时卫星轨道和实时卫星钟差只与卫星相关，并且可以进行数十秒至数分钟的短期预报，因此以上信息可以采用广播的方式由通讯卫星播发给用户，这将极大降低用户与基准站间的实时数据通讯负担。一旦完成用户模糊度首次固定，此时区域增强系统可同时服务的用户数量将不再受到制约。

Description

一种适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法

技术领域

本发明属于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）领域，是一种利用区域增强系统为大规模用户提供快速实时精密定位服务的方法，具体涉及一种适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法。

背景技术

随着GNSS的迅猛发展，快速实时精密定位技术目前在滑坡监测、地震监测、精细农业、车辆船舶飞机精密导航定位等领域已经得到了越来越广泛的应用，其用户数量正在呈几何级数增长，随之也出现了由于数据通讯能力受限而无法满足用户数量增长需求的问题。如何在现有区域增强系统以及实时数据通讯服务能力的基础上，同时为更多的不同类型用户提供快速实时精密定位服务是尚需突破的关键性难题。

在基于连续运行基准站系统的GNSS精密定位应用中，实时精密单点定位（Real TimePrecise Point Positioning，RTPPP）是目前发展最为迅速的技术之一。RTPPP方法基于单台GNSS接收机的非差观测值，无需高密度的基准网支持即可实现广域甚至全球范围内的高精度定位。然而，基于实数解的RTPPP要达到mm～cm级的定位精度通常需要数小时以上观测时间，其定位精度与可靠性也比双差模糊度固定解低，这一定程度限制了RTPPP方法在工程领域更广泛的应用。因此，国际上对RTPPP的研究重点也已从非差模糊度实数解转向整数固定解，即PPP-RTK（精密单点定位模糊度固定）技术。按照现有PPP-RTK方法，用户至少需要10分钟进行初始化才能固定大约90%的模糊度。为了在非差数据处理模式下实现广域与区域相统一的RTPPP服务，并充分借鉴现有双差模式网络RTK方法可快速固定载波相位模糊度的特性，非差网络RTK方法应运而生。非差网络RTK方法可以显著加快RTPPP模糊度收敛速度，但用户需要实时获取周边基准站的区域增强信息，并且该信息的有效期一般少于6秒，这无疑使用户与基准站间存在较大的实时数据通讯负担，限制了整个区域增强系统可同时服务的用户数量。因此，对于区域增强系统而言，如何同时为大规模用户提供快速实时精密定位服务仍然是尚需突破的关键性难题。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本专利提出一种适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选取不止一个基准站，利用所述的基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和所述的基准站的已知坐标，固定所述的基准站的坐标为已知真值进行RTPPP；

步骤2：将所述的不同基准站处RTPPP的载波宽巷&伪距窄巷组合观测值MW模糊度浮点解和双频无电离层组合观测值IF模糊度浮点解统一到同一基准，实时估计卫星相位未校准硬件延迟UPD信息；

步骤3：固定所述的基准站坐标为已知真值，利用所述的卫星UPD信息对每个区域增强基准站进行PPP-RTK模糊度固定，得到每个区域增强基准站的非差宽巷模糊度和非差L1模糊度；

步骤4：计算得到所述的每个基准站的区域增强信息并将其发送给用户；

步骤5：利用所述的区域增强信息对用户的载波相位和伪距观测值进行精化；

步骤6：解算每个用户的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度；

步骤7：利用所述的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度固定结果以及内插得到的天顶对流层延迟残余误差作为已知真值，并结合接收到的所述的卫星UPD信息，获得PPP-RTK模式下的RTPPP模糊度固定解，从而为用户提供精密定位服务。

作为优选，所述的实时估计卫星UPD信息，其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：利用所述的基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和所述的基准站的已知坐标，固定所述的基准站的坐标为已知真值进行RTPPP；

步骤2.2：采用双频无电离层组合观测值IF和载波宽巷&伪距窄巷MW组合观测值，实时估计IF模糊度浮点解和MW模糊度浮点解；

步骤2.3：利用所述的基准站的IF模糊度浮点解和MW模糊度浮点解，实时生成卫星UPD信息。

作为优选，所述的PPP-RTK模糊度固定和计算区域增强信息，其具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：利用所述的每个区域增强基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和所述的基准站的已知坐标，固定所述的每个区域增强基准站的坐标为已知真值进行RTPPP；

步骤4.2：得到所述的每个区域增强基准站的RTPPP模糊度浮点解；

步骤4.3：利用所述的卫星UPD、每个区域增强基准站的RTPPP模糊度浮点解，对所述的每个区域增强基准站的实时观测数据分别进行PPP-RTK解算，获得同一基准下的非差模糊度固定解；

步骤4.4：计算得到所述的每个基准站的区域增强信息。

作为优选，所述的区域增强信息包括：伪距非差观测值残差、消除模糊度影响的相位非差观测值残差和天顶对流层延迟残余误差。

作为优选，所述的解算每个用户的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度，利用的是非差网络RTK用户模糊度快速固定方法，其具体实现包括以下子步骤：

步骤6.1：利用用户处RTPPP的宽巷模糊度浮点解，通过LAMBDA算法搜索星间单差模糊度，并辅以RATIO检验快速固定星间单差宽巷模糊度；

步骤6.2：利用所述的星间单差宽巷模糊度固定解与所述的无电离层组合观测值IF模糊度浮点解，得到星间单差L1模糊度浮点解；

步骤6.3：利用所述的星间单差L1模糊度浮点解，通过LAMBDA算法搜索星间单差模糊度，并辅以RATIO检验快速固定星间单差L1模糊度；

步骤6.4：对所述的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度进行可靠性分析，得到可靠的星间单差L1模糊度和星间单差宽巷模糊度固定结果。

作为优选，所述的为用户提供精密定位服务为厘米级的精密定位服务。

本发明基于非差网络RTK和PPP-RTK处理模式下用户模糊度解算结果的一致性，并充分利用非差网络RTK用户模糊度可快速固定而PPP-RTK无需用户与基准站间实时数据通讯的特性，解决现有非差网络RTK方法用户与基准站间存在的实时数据通讯负担，从而能够显著增加区域增强系统可同时服务的精密定位用户数量。

附图说明

图1：本发明的方法流程图。

图2：本发明的卫星UPD实时估计流程图。

图3：本发明的PPP-RTK模糊度实时固定并实时生成区域增强信息流程图。

图4：本发明的快速固定非差网络RTK用户模糊度流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

请见图1，本发明所采用的技术方案是：一种适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，包括以下步骤：

步骤1：选取不止一个基准站，利用基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和基准站的已知坐标，固定基准站的坐标为已知真值进行RTPPP。

步骤2：将所述的不同基准站处RTPPP的载波宽巷&伪距窄巷组合观测值MW模糊度浮点解和双频无电离层组合观测值IF模糊度浮点解统一到同一基准，实时估计卫星相位未校准硬件延迟UPD信息；

请见图2，实时估计卫星相位未校准硬件延迟UPD信息具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：利用基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和基准站的已知坐标，固定基准站的坐标为已知真值进行RTPPP；

步骤2.2：采用双频无电离层组合观测值IF和载波宽巷&伪距窄巷MW组合观测值，实时估计IF模糊度浮点解和MW模糊度浮点解；

步骤2.3：利用基准站的IF模糊度浮点解和MW模糊度浮点解，实时生成卫星UPD信息。

步骤3：固定基准站坐标为已知真值，利用卫星UPD信息对每个区域增强基准站进行PPP-RTK模糊度固定，得到每个区域增强基准站的非差宽巷模糊度和非差L1模糊度。

步骤4：计算得到每个基准站的区域增强信息并将其发送给用户；

请见图3，PPP-RTK模糊度固定和计算区域增强信息，具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：利用每个区域增强基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和基准站的已知坐标，固定每个区域增强基准站的坐标为已知真值进行RTPPP；

步骤4.2：得到每个区域增强基准站的RTPPP模糊度浮点解；

步骤4.3：利用卫星UPD、每个区域增强基准站的RTPPP模糊度浮点解，对每个区域增强基准站的实时观测数据分别进行PPP-RTK解算，获得同一基准下的非差模糊度固定解；

步骤4.4：计算得到每个基准站的区域增强信息，其区域增强信息包括：伪距非差观测值残差、消除模糊度影响的相位非差观测值残差和天顶对流层延迟残余误差；

因区域增强基准站坐标是精确已知的，按照下述公式反算即可得到卫星轨道、卫星钟差、大气折射等对应的CA/P1伪距增强信息和L1、L2相位增强信息，即此时基准站的伪距非差观测值残差和消除模糊度影响的相位非差观测值残差，并将其与基准站处天顶对流层延迟的残余误差一起作为区域增强信息实时发送给网内用户；

Omc_P1=O_P1-ρ-ct+cT+M_P1

Omc_L1=(O_L1+N_L1)λ_L1-ρ-ct+cT+M_L1

Omc_L2=(O_L2+N_L2)λ_L2-ρ-ct+cT+M_L2

其中：Omc为该历元的非差观测值残差，O为基准站处的观测值，N为按照PPP-RTK方法计算得到的基准站处非差模糊度，λ为相位观测值波长，ρ为测站卫星间几何距离，c为真空中的光速，t、T为接收机和卫星钟差，M为利用已有各种误差改正模型计算的改正量，下标P1、L1、L2分别表示该参数对应于CA/P1伪距观测值和L1、L2相位观测值。

步骤5：利用区域增强信息对用户的载波相位和伪距观测值进行精化；

步骤6：利用非差网络RTK用户模糊度快速固定方法，解算每个区域增强用户的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度；请见图4，非差网络RTK用户模糊度快速固定方法，具体实现包括以下子步骤：

步骤6.1：利用用户处RTPPP的宽巷模糊度浮点解，通过LAMBDA算法搜索星间单差模糊度，并辅以RATIO检验快速固定宽巷模糊度；

利用模型精化后的CA/P1伪距观测值和宽巷载波相位观测值组成星间单差联合观测方程。由于精化后的伪距观测值精度较高（一般优于0.5m）且宽巷模糊度波长较长（86cm），因此可通过LAMBDA算法搜索星间单差模糊度，并辅以RATIO检验快速固定宽巷模糊度

，得到精度约为1dm的宽巷载波相位距离观测值；

$\left\{\begin{array}{c}{\▿O}_{P1}=\▿\mathrm{\ρ}-c\▿T-{\▿M}_{P1}\\ {\▿O}_{\mathrm{WL}}=\frac{\▿\mathrm{\ρ}-c\▿T-{\▿M}_{\mathrm{WL}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{WL}}}-{\▿N}_{\mathrm{WL}}\end{array}\right.$

其中：

为星间单差标识符，下标WL表示该参数对应于宽巷相位观测值。

步骤6.2：利用宽巷模糊度固定解与无电离层组合观测值IF模糊度浮点解，得到星间单差L1模糊度浮点解；

将宽巷载波相位距离观测值与无电离层组合载波相位观测值组成星间单差联合观测方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\▿O}_{\mathrm{WL}}=\frac{\▿\mathrm{\ρ}-c\▿T-{\▿M}_{\mathrm{WL}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{WL}}}-{\▿N}_{\mathrm{WL}}\\ {\▿O}_{\mathrm{IF}}=\frac{\▿\mathrm{\ρ}-c\▿T-{\▿M}_{\mathrm{IF}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{IF}}}-{\▿N}_{\mathrm{IF}}\end{array}\right.$

其中：下标IF表示该参数对应于相位无电离层组合观测值。

利用估计得到的IF模糊度浮点解

和宽巷模糊度固定解

，按照下述公式得到星间单差L1模糊度的浮点解：

${\▿N}_{L1}=\frac{f_{L1}+f_{L2}}{f_{L1}}{\▿N}_{\mathrm{IF}}-\frac{f_{L2}}{f_{L1}-f_{L2}}{\▿N}_{\mathrm{WL}}$

其中：下标f为载波相位观测值的频率。与此同时，利用宽巷模糊度固定解

按照下述公式计算得到星间单差L1模糊度的近似值

$\▿{\tilde{N}}_{L1}=\frac{f_{L1}}{f_{\mathrm{WL}}}{\▿N}_{\mathrm{WL}}+\frac{{\mathrm{cf}}_{L1}{\▿O}_{\mathrm{WL}}+f_{L1}{f}_{\mathrm{WL}}{\▿M}_{\mathrm{WL}}-{\mathrm{cf}}_{\mathrm{WL}}{\▿O}_{L1}-f_{L1}{f}_{\mathrm{WL}}{\▿M}_{L1}}{{\mathrm{cf}}_{\mathrm{WL}}}$

步骤6.3：利用星间单差L1模糊度浮点解，通过LAMBDA算法搜索星间单差模糊度，并辅以RATIO检验快速固定星间单差L1模糊度；

步骤6.4：对星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度进行可靠性分析，得到可靠的星间单差L1模糊度和星间单差宽巷模糊度固定结果；

通过LAMBDA算法搜索星间单差L1模糊度，并辅以RATIO检验和下述公式判定L1模糊度固定结果的可靠性。误差阈值e由观测噪声和区域增强信息的精度决定。通过对大量实测数据的检验，一般将阈值e设为0.5周较为合适。

$|{\&dtri;N}_{L1}-\&dtri;{\tilde{N}}_{L1}|<e.$

步骤7：利用星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度固定结果以及内插得到的天顶对流层延迟残余误差作为已知真值，并结合接收到的所述的卫星UPD信息，获得PPP-RTK模式下的RTPPP模糊度固定解，从而为用户提供厘米级精密定位服务。

本发明的具体实施方式分为基准站和用户两部分：

（1）基准站部分：

首先选取全球均匀分布的100个左右/区域多个基准站的实时观测数据，利用实时精密卫星轨道和卫星钟差产品实时估计卫星UPD。然后固定基准站坐标为其已知真值，利用实时估计的卫星UPD对每个区域增强基准站进行PPP-RTK模糊度固定。在完成任一区域增强基准站的星间单差模糊度解算后，通过设定某颗参考卫星，即将参考卫星的模糊度设定为某一指定数值，可映射得到其它各颗卫星对应的非差宽巷模糊度和非差L1模糊度。此时便可计算得到该基准站于每个历元消除模糊度影响的L1、L2载波相位非差观测值残差，CA/P1伪距非差观测值残差以及基准站处的天顶对流层延迟残余误差，并将其作为区域增强信息发送给用户。

（2）用户部分：

用户在接收到周边至少三个区域增强基准站的改正信息后，根据其伪距单点定位近似坐标计算测站之间的位置关系，利用内插得到的区域增强信息对载波相位和伪距观测值进行精化。此时便可利用实时精密卫星轨道和实时精密卫星钟差产品，采用由宽巷模糊度、L1模糊度到通过可靠性检验的模糊度固定解的三步法解算用户星间单差模糊度。当用户有效固定至少4颗卫星的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度后，不再需要获取周边基准站的区域增强信息，此时将模糊度固定结果以及内插得到的用户处天顶对流层延迟残余误差作为已知真值，并结合接收到的卫星UPD信息，无需初始化便可即刻获得PPP-RTK模式下的RTPPP模糊度固定解。

对于随后历元新出现的模糊度参数，在保证至少固定4颗卫星的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度的情况下，按照PPP-RTK方法进行模糊度解算。如可固定模糊度的卫星数少于4颗，则重新采用非差网络RTK方法进行模糊度快速初始化。由于卫星UPD、实时卫星轨道和实时卫星钟差只与卫星相关，并且可以进行数十秒至数分钟的短期预报，因此以上信息可以采用广播的方式由通讯卫星播发给用户，这将极大降低用户与基准站间的实时数据通讯负担。一旦完成用户处RTPPP模糊度首次固定，此时区域增强系统可同时服务的用户数量将不再受到制约。

本说明书中未详细说明的技术术语，均是本行业的通用技术用语。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选取不止一个基准站，利用所述的基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和所述的基准站的已知坐标，固定所述的基准站的坐标为已知真值进行RTPPP；

步骤2：将所述的不同基准站处RTPPP的载波宽巷&伪距窄巷组合观测值MW模糊度浮点解和双频无电离层组合观测值IF模糊度浮点解统一到同一基准，实时估计卫星相位未校准硬件延迟UPD信息；

步骤3：固定所述的基准站坐标为已知真值，利用所述的卫星UPD信息对每个区域增强基准站进行PPP-RTK模糊度固定，得到每个区域增强基准站的非差宽巷模糊度和非差L1模糊度；

步骤4：计算得到所述的每个基准站的区域增强信息并将其发送给用户；

步骤5：利用所述的区域增强信息对用户的载波相位和伪距观测值进行精化；

步骤6：解算每个用户的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度；

步骤7：利用所述的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度固定结果以及内插得到的天顶对流层延迟残余误差作为已知真值，并结合接收到的所述的卫星UPD信息，获得PPP-RTK模式下的RTPPP模糊度固定解，从而为用户提供精密定位服务。

2.根据权利要求1所述的适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，其特征在于：所述的实时估计卫星UPD信息，其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：利用所述的基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和所述的基准站的已知坐标，固定所述的基准站的坐标为已知真值进行RTPPP；

步骤2.2：采用双频无电离层组合观测值IF和载波宽巷&伪距窄巷组合观测值MW，实时估计IF模糊度浮点解和MW模糊度浮点解；

步骤2.3：利用所述的基准站的IF模糊度浮点解和MW模糊度浮点解，实时生成卫星UPD信息。

3.根据权利要求1所述的适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，其特征在于：所述的PPP-RTK模糊度固定和计算区域增强信息，其具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：利用所述的每个区域增强基准站的实时观测数据、实时精密卫星轨道信息、卫星钟差信息和所述的基准站的已知坐标，固定所述的每个区域增强基准站的坐标为已知真值进行RTPPP；

步骤4.2：得到所述的每个区域增强基准站的RTPPP模糊度浮点解；

步骤4.3：利用所述的卫星UPD、每个区域增强基准站的RTPPP模糊度浮点解，对所述的每个区域增强基准站的实时观测数据分别进行PPP-RTK解算，获得同一基准下的非差模糊度固定解；

步骤4.4：计算得到所述的每个基准站的区域增强信息。

4.根据权利要求3所述的适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，其特征在于：所述的区域增强信息包括：伪距非差观测值残差、消除模糊度影响的相位非差观测值残差和天顶对流层延迟残余误差。

5.根据权利要求1所述的适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，其特征在于：所述的解算每个用户的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度，利用的是非差网络RTK用户模糊度快速固定方法，其具体实现包括以下子步骤：

步骤6.1：利用用户处RTPPP的宽巷模糊度浮点解，通过LAMBDA算法搜索星间单差模糊度，并辅以RATIO检验快速固定星间单差宽巷模糊度；

步骤6.2：利用所述的星间单差宽巷模糊度固定解与所述的无电离层组合观测值IF模糊度浮点解，得到星间单差L1模糊度浮点解；

步骤6.3：利用所述的星间单差L1模糊度浮点解，通过LAMBDA算法搜索星间单差模糊度，并辅以RATIO检验快速固定星间单差L1模糊度；

步骤6.4：对所述的星间单差宽巷模糊度和星间单差L1模糊度进行可靠性分析，得到可靠的星间单差L1模糊度和星间单差宽巷模糊度固定结果。

6.根据权利要求1所述的适用于大规模用户的区域增强精密定位服务方法，其特征在于：所述的为用户提供精密定位服务为厘米级的精密定位服务。

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