CN104007447A - 北斗、gps及glonass基线向量联合解算的方法及系统 - Google Patents

北斗、gps及glonass基线向量联合解算的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法，包括：S1.抓取卫星接收机接收的观测数据，对所述的观测数据进行预处理；所述观测数据包括相位累加值；S2.计算所述的观测数据的浮点解，通过所述的浮点解获得精确的整周模糊度，从而计算出载波观测固定解值；S3.根据以下的双差观测方程来建立模型，以消除卫星和卫星接收机钟差误差。本发明还公开了一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统。本发明提供的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法和系统可以将北斗二代、GPS和GLONASS的数据处理方式统一起来，这种统一的数据处理方式即可以单独处理这三种系统，也可以联合处理它们的组合。

Description

北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星导航基线向量的领域，特别涉及一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法以及系统。
背景技术
早在20世纪90年代初，随着GLONASS的不断发展，学术界关于GPS和GLONASS高精度联合处理方法的论文就不断被发表出来。Leica（1998）分析了GLONASS载波差分的特点及处理方法。对于载波单差方程，GPS和GLONASS的模型是相同的，而对于载波双差，两者却存在差别。主要的原因是GLONASS每颗卫星的载波波长互不相同，导致在处理载波双差观测方程时要相对复杂一些。Leica（1998）提出了几种处理策略，一种是以周为单位表达载波双差方程，用接收机钟差来改正因频率偏差导致的额外项；一种是以米为单位表达载波双差方程，接收机钟差通过双差抵消了，但仍然留下了参考卫星单差模糊度的影响，通过单差模糊度的概略值来改正这种影响，达到保留模糊度的整周特性；还有一种方法是将卫星的频率统一到一个相同的值，以达到保留模糊度整周性的目的，但这种方法的波长很短，几乎不可能得到固定解。
Heinz Habrich（1999）详细介绍了GPS/GLONASS组合在高精度大地测量中的应用，并提出了一种递归模糊度固定方法。首先固定波长差较小的双差模糊度，因为波长差越小，参考星的单差模糊度的影响就越小。然后利用固定的双差模糊度来反算单差模糊度，得到精度较高的值，再固定波长差较大的双差模糊度。
现在，北斗、GPS（Global Navigation Satellite System）,GLONASS是分别由中国、美国和俄罗斯建立的全球卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统，特指北斗二代卫星导航系统。随着中国卫星导航系统北斗二代的不断完善，GNSS高精度数据处理领域对多系统数据融合处理的要求显得越来越迫切。同时，出于保密安全的考虑，也需要国内GNSS厂家能提供单独处理北斗二代静态数据的随机静态基线处理技术。
发明内容
为解决以上的问题，本发明提供北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法和系统。
本发明公开了一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法，包括：
S1.抓取卫星接收机接收的观测数据，对所述的观测数据进行预处理；所述观测数据包括相位累加值；
S2.计算所述的观测数据的浮点解，通过所述的浮点解获得精确的整周模糊度，从而计算出载波观测固定解值，
S3.根据以下的双差观测方程来建立模型，以消除卫星和接收机钟差误差：
其中，
测站k，l和卫星I,j的双差相位观测值，单位为米；
流动站坐标改正参数的方向余弦系数，无量纲；
δx，δy，δz：流动站坐标改正参数，单位米；
ui：对流层参数的系数，无量纲；
t：流动站天顶湿延迟参数，单位米；
模糊度参数，单位周；
λi：卫星i的波长;
λj：卫星j的波长。
进一步地，所述的预处理操作包括：卫星位置计算、单差残差生成、周跳探测、周跳修复。
进一步地，所述的模糊度参数选取单差模糊度，而非双差模糊度，模糊度固定采用标准的LAMBDA算法，将浮点模糊度矢量及其方差协方差阵作为参数传递给LAMBDA算法，LAMBDA算法经过模糊度去相关和模糊度搜索便可以得到模糊度固定解的候选值，及候选值对应的残差，使用残差来计算一个RATIO值，根据此RATIO值来判断模糊度是否固定成功，使用标准的经验值3来作为判断的阈值，当计算的RATIO值大于3时，认为模糊度固定成功。
进一步地，所述固定解值计算过程为：将浮点解的数学模型中的模糊度参数去掉，剩下的作为固定解求解的观测方程。根据数据预处理阶段得到的残差和模糊度的固定值，列出固定解的观测方程，并利用最小二乘原理，得到固定解及其方差协方差阵。
本发明公开了一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统，包括多个卫星，多个测量站，每个测量站上均安装卫星接收机，所述的卫星接收机与处理中心模块相连，所述的处理中心模块具有统一的北斗、GPS和GLONASS三种系统的观测方程算法的装置。
进一步地，所述的统一的北斗、GPS和GLONASS三种系统的观测方程算法的装置，包括：
第一单元，用于抓取卫星接收机接收的观测数据，对所述的观测数据进行预处理；所述观测数据包括相位累加值；
第二单元，用于计算所述的观测数据的浮点解，通过所述的浮点解获得精确的整周模糊度，从而计算出载波观测固定解值；
第三单元，用于根据以下的双差观测方程来建立模型，以消除卫星和接收机钟差误差：
其中，
测站k，l和卫星I，j的双差相位观测值，单位为米；
流动站坐标改正参数的方向余弦系数，无量纲；
δx，δy，δz：流动站坐标改正参数，单位米；
ui：对流层参数的系数，无量纲；
t：流动站天顶湿延迟参数，单位米；
模糊度参数，单位周；
λi：卫星i的波长;
λj：卫星j的波长。
进一步地，所述的GPS有32颗卫星，北斗有14颗卫星，GLONASS有24颗卫星。
进一步地，所述的卫星接收机与处理中心模块通过网络相连。
进一步地，所述的网络包括WIFI、3G、蓝牙以及局域网。
进一步地，所述的处理中心模块还包括显示单元，所述的显示单元包括LCD/LED显示屏。
本发明的一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法和系统，具有以下有益效果：
本技术方案可以将北斗二代、GPS和GLONASS的数据处理方式统一起来，这种统一的数据处理方式即可以单独处理这三种系统，也可以联合处理它们的组合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法流程示意图；
图2为本发明第一实施例一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统方框图；
图3为本发明图2中的北斗、GPS和GLONASS三种系统的观测方程算法的装置的结构示意图。
具体实施方式
通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步了解本发明，但它们不是对本发明的限定。对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
请参阅图1，本发明实施例，一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法，包括：
S1.抓取卫星接收机接收的观测数据，对所述的观测数据进行预处理；所述观测数据包括相位累加值；
其中，对原始的观测数据进行预处理。这些预处理操作包括：卫星位置计算、单差残差生成、周跳探测、周跳修复。卫星位置计算方法：使用卫星的星历数据，根据卫星运动学规律公式，以及给出的观测时间，计算该时刻的卫星在地心地固坐标系中的三维空间直角坐标。残差是指由卫星观测值减去站星几何距离、对流层延迟、电离层延迟后得到的数值。单差是指移动站的残差减去基准站的残差。周跳探测，是指根据单差残差，使用多项式拟合和KLAMAN滤波来探测由于周跳造成的残差不连续性和粗差。周跳是发生在GNSS载波观测值中的由于卫星遮挡、失锁等原因造成的整周跳变现象。在基线向量处理过程中，周跳必须被修复，否则会产生比较大的解算误差。周跳修复是指，在周跳探测的基础之上，根据周跳发生位置两侧的观测值，来计算周跳跳变的大小，使得两侧的观测值连续。
S2.计算所述的观测数据的浮点解，通过所述的浮点解获得精确的整周模糊度，从而计算出载波观测固定解值，
浮点解的计算包含以下操作。根据选择的数学模型，建立观测方程并求解，即浮点解。常用的数学模型对应的观测方程为：
测站k，l和卫星I，j的双差相位观测值（单位为米）；
流动站坐标改正参数的方向余弦系数（无量纲）；
δx，δy，δz：流动站坐标改正参数（单位米）；
ui：对流层参数的系数（无量纲）；
t：流动站天顶湿延迟参数（单位米）；
双差模糊度参数（单位周）；
λi：卫星i的波长（L1或L2的波长，无电离层组合为1）;
ε:观测值噪声及其他未考虑的误差；
式中电离层没有参与考虑，多路径、轨道误差等没有表示出来。对流层参数为可选参数，一般在解算长基线时考虑。相位观测值可以为L1、L2的相位观测值，或无电离层组合相位观测值。后者由于观测值中不含一阶电离层延迟（电离层延迟被很大程度上削弱），一般用于长基线解算。
由于北斗二代系统与GPS系统都运用了码分多址(CDMA)技术，因此所有卫星的同频段波长是相同的。所以北斗二代可以使用和GPS相同的观测方程来建立模型。需要注意的是，北斗系统和GPS系统需要在各自系统内选择参考卫星。
GLONASS系统与北斗二代和GPS系统均不同，采用频分多址（FDMA）技术，使得每颗GLONASS卫星的波长都不相同。所以GLONASS系统不能直接使用式（1）的观测方程来建立模型。要联合使用GLONASS系统，需要在式（1）的基础之上做如下修改：
式（2）在式（1）的基础之上增加了
Δλi，j：卫星I，j的波长之差，j为参考卫星；
测站k，l参考卫星的单差模糊度。
式（2）只是用于L1、L2的独立解算。对于无电离层组合，则应使用下式：
卫星i的窄巷组合波长（单位米）；
L1的双差模糊度（单位周）；
卫星I，j的窄巷组合波长之差（单位米）；
为卫星i的L1、L2频段的频率（无量纲）；
卫星i的L2波长（单位米）；
双差宽巷模糊度（单位周）；
卫星I，j L2和波长之差（单位米）；
参考卫星的宽巷单差模糊度（单位周）。
S3.根据以下的双差观测方程来建立模型，以消除卫星和接收机钟差误差：
其中，
测站k，l和卫星I，j的双差相位观测值，单位为米；
流动站坐标改正参数的方向余弦系数，无量纲；
δx，δy，δz：流动站坐标改正参数，单位米；
ui：对流层参数的系数，无量纲；
t：流动站天顶湿延迟参数，单位米；
模糊度参数，单位周；
λi：卫星i的波长;
λj：卫星j的波长。
为了统一北斗二代、GPS和GLONASS三种系统的观测方程，本解算技术对式（1）、（2）和（3）做了相应的修改，使用下式所用的观测方程：
这种方法仍然以双差观测方程来建立模型，以消除卫星和接收机钟差误差。唯一不同的是，模糊度参数选取单差模糊度，而非双差模糊度。这样，避免了卫星波长差所导致的影响。采用式（4）所用的观测方程，可以将北斗二代、GPS和GLONASS的数据处理方式统一起来。这种统一的数据处理方式即可以单独处理这三种系统，也可以联合处理它们的组合。
模糊度固定采用标准的LAMBDA算法。将浮点模糊度矢量及其方差协方差阵作为参数传递给LAMBDA算法，LAMBDA算法经过模糊度去相关和模糊度搜索便可以得到模糊度固定解的候选值，及候选值对应的残差。使用残差来计算一个RATIO值，根据此RATIO值来判断模糊度是否固定成功。使用标准的经验值3来作为判断的阈值，当计算的RATIO值大于3时，认为模糊度固定成功。
固定解的计算包含以下步骤。首先，将浮点解的数学模型中的模糊度参数去掉(作为已知值)，剩下的作为固定解求解的观测方程。根据数据预处理阶段得到的残差和模糊度的固定值，列出固定解的观测方程，并利用最小二乘原理，得到固定解（基线向量）及其方差协方差阵。
请参阅图2、一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统，包括多个卫星100，多个测量站200，每个测量站200上均安装卫星接收机300，卫星接收机300与处理中心模块400相连，处理中心模块400具有统一的北斗、GPS和GLONASS三种系统的观测方程算法的装置1。
进一步地，请参阅图3，统一的北斗、GPS和GLONASS三种系统的观测方程算法的装置1，包括：
第一单元11，用于抓取卫星接收机300接收的观测数据，对所述的观测数据进行预处理；所述观测数据包括相位累加值；
第二单元12，用于计算所述的观测数据的浮点解，通过所述的浮点解获得精确的整周模糊度，从而计算出载波观测固定解值；
第三单元13，用于根据以下的双差观测方程来建立模型，以消除卫星100和卫星接收机300钟差误差：
其中，
测站k，l和卫星I，j的双差相位观测值，单位为米；
流动站坐标改正参数的方向余弦系数，无量纲；
δx，δy，δz：流动站坐标改正参数，单位米；
ui：对流层参数的系数，无量纲；
t：流动站天顶湿延迟参数，单位米；
模糊度参数，单位周；
λi：卫星i的波长;
λj：卫星j的波长。
其中，所述的GPS有32颗卫星，北斗有14颗卫星，GLONASS有24颗卫星。
进一步地，卫星接收机300与处理中心模块400通过网络相连，所述的网络包括WIFI、3G、蓝牙以及局域网，处理中心模块400还包括显示单元，所述的显示单元包括LCD/LED显示屏。
本发明的一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法和装置，具有以下有益效果：
本技术方案可以将北斗二代、GPS和GLONASS的数据处理方式统一起来，这种统一的数据处理方式即可以单独处理这三种系统，也可以联合处理它们的组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法，其特征在于，包括：
S1.抓取卫星接收机接收的观测数据，对所述的观测数据进行预处理；所述观测数据包括相位累加值；
S2.计算所述的观测数据的浮点解，通过所述的浮点解获得精确的整周模糊度，从而计算出载波观测固定解值；
S3.根据以下的双差观测方程来建立模型，以消除卫星和卫星接收机钟差误差：
其中，
测站k，l和卫星I，j的双差相位观测值，单位为米；
流动站坐标改正参数的方向余弦系数，无量纲；
δx，δy，δz：流动站坐标改正参数，单位米；
ui：对流层参数的系数，无量纲；
t：流动站天顶湿延迟参数，单位米；
模糊度参数，单位周；
λi：卫星i的波长;
λj：卫星j的波长。
2.根据权利要求1所述的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法，其特征在于，所述的预处理操作包括：卫星位置计算、单差残差生成、周跳探测、周跳修复。
3.根据权利要求1或2任一项所述的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法，其特征在于，所述的模糊度参数选取单差模糊度，而非双差模糊度，模糊度固定采用标准的LAMBDA算法，将浮点模糊度矢量及其方差协方差阵作为参数传递给LAMBDA算法，LAMBDA算法经过模糊度去相关和模糊度搜索便可以得到模糊度固定解的候选值，及候选值对应的残差，使用残差来计算一个RATIO值，根据此RATIO值来判断模糊度是否固定成功，使用标准的经验值3来作为判断的阈值，当计算的RATIO值大于3时，认为模糊度固定成功。
4.根据权利要求1所述的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的方法，其特征在于，所述固定解值计算过程为：将浮点解的数学模型中的模糊度参数去掉，剩下的作为固定解求解的观测方程，根据数据预处理阶段得到的残差和模糊度的固定值，列出固定解的观测方程，并利用最小二乘原理，得到固定解及其方差协方差阵。
5.一种北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统，包括多个卫星，多个测量站，每个测量站上均安装卫星接收机，所述的卫星接收机与处理中心模块相连，其特征在于，所述的处理中心模块具有统一的北斗、GPS和GLONASS三种系统的观测方程算法的装置。
6.根据权利要求5所述的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统，其特征在于，所述的北斗、GPS和GLONASS三种系统的观测方程算法的装置包括：
第一单元，用于抓取卫星接收机接收的观测数据，对所述的观测数据进行预处理；所述观测数据包括相位累加值；
第二单元，用于计算所述的观测数据的浮点解，通过所述的浮点解获得精确的整周模糊度，从而计算出载波观测固定解值；
第三单元，用于根据以下的双差观测方程来建立模型，以消除卫星和卫星接收机钟差误差：
其中，
测站k，l和卫星I，j的双差相位观测值，单位为米；
流动站坐标改正参数的方向余弦系数，无量纲；
δx，δy，δz：流动站坐标改正参数，单位米；
ui：对流层参数的系数，无量纲；
t：流动站天顶湿延迟参数，单位米；
模糊度参数，单位周；
λi：卫星i的波长;
λj：卫星j的波长。
7.根据权利要求5所述的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统，其特征在于，所述的GPS有32颗卫星，北斗有14颗卫星，GLONASS有24颗卫星。
8.根据权利要求5或6任一项所述的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统，其特征在于，所述的卫星接收机与处理中心模块通过网络相连。
9.根据权利要求8所述的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统，所述的网络包括WIFI、3G、蓝牙以及局域网。
10.根据权利要求5所述的北斗、GPS及GLONASS基线向量联合解算的系统，其特征在于，所述的处理中心模块还包括显示单元，所述的显示单元包括LCD/LED显示屏。
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