CN104316943B - 一种伪距离和多普勒组合差分定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种伪距离和多普勒组合差分定位系统及方法，该系统包括：用户站接收机、参考站接收机，还包括：GBAS服务器和移动网络，所述GBAS服务器与用户站接收机、参考站接收机均通过移动网络连接。本发明所提出的系统可以有效提高用户在城市复杂环境下的定位精度，提高廉价单频导航芯片的差分定位能力；本发明方法适用于高精度卫星定位，提高了用户站位置、速度、钟差和时钟钟漂的精度。

Description

一种伪距离和多普勒组合差分定位系统及方法

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统领域，更具体地，涉及一种伪距离和多普勒组合差分定位系统及方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)包括GPS、GLONASS、北斗和伽利略系统，为人类导航定位提供了巨大的便利，图1表示一个典型的全球导航卫星系统，GNSS信号接收机2捕获和跟踪导航卫星1发出的伪随机码以及导航数据，测量出导航卫星1到GNSS信号接收机2的无线电波传输时间，再利用导航数据计算卫星的位置和速度，然后计算出用户的位置、速度和时间。廉价的接收机通常是以单频多模芯片为主。自主定位的单频接收机的精度受到电离层延时、对流层延时、卫星时钟偏差、卫星时钟频率漂移、卫星星历偏差、多径误差等影响，定位精度在最优情况下只能达到7-10米。为了提高定位精度，K.Tysen Mueller发明了网络差分GPS系统，Edward H.Martin利用向量处理差分GPS，Peter Van Wyck Loomis发明了载波相位差分GPS相关网络，Patrick A.Hwang使用双频率测量发明了增强差分GNSS载波相位平滑码处理。

卫星差分导航系统可以极大地提高卫星定位系统的精度和定位完整性。最普通的结构由参考站、数据通信网络和移动站三个部分组成。事先精确测量定位的参考基站利用高质量的卫星接收机，估算每一颗卫星测量中缓慢变化的各种误差分量，形成对可见卫星的测量修正，再通过数据通信网络广播给附近的移动用户，这样就可以得到比单点定位更高的精度。卫星差分定位有很多不同的方法，它们大体可以分为局域差分系统(Local areadifferential GNSS)，广域差分系统(Wide area differential GNSS)和载波相位差分系统(Carrier-Phase differential GNSS)。

大部分局域差分系统使用单参考站，根据已知位置信息和GPS观测数据生成差分改正信息，通过无线通讯链路实时播发给移动站。如果基站和移动用户的距离在10公里以内，基于码相位的局域差分可以实现亚米级定位精度。基于码相位的差分除了系统比较简单以外，还有一个好处：由于它只需要传输每一颗卫星伪距的标量修正，而且标量修正是缓慢变化的，系统传输的数据量很小，节约网络资源。局域差分定位的主要缺点是精度不高，只能达到亚米级的定位。由于伪距容易受到多径的影响，局域差分更容易受到多径干扰，使得复杂环境下定位精度变差，甚至失效。

广域差分系统是利用服务区内的参考站网监测可见GPS卫星，计算每一颗卫星的矢量修正。矢量修正包括卫星时钟修正、卫星位置的三个坐标的修正、以及格点化的电离层延迟参数。广域差分系统的精度和局域差分接近，但它可以覆盖大到整个国家甚至地球的区域。而且它比覆盖同样面积的局域网构建使用更少的参考站。和局域差分系统一样，广域差分系统也是利用码相位测量，对网络传输要求不高，但也容易受到多径误差的影响。覆盖范围最广的广域差分系统是美国航空航天局部署的广域增强系统(WAAS/SBAS)。它通过数十个分布在美国各地的高精度参考站测量到的信息，传送到东西两个主控站进行分析，主控站计算出每一颗卫星的矢量修正，通过地面注入站传输至地球同步卫星，该同步卫星利用GPS的Ll频率载波，将上述差分修正量作为GPS卫星导航电文转发给用户站，用户接收机的基带芯片只需配备用于处理SBAS信息的通道，就可以享受高精度的免费服务。目前大部分商业化的GPS接收机都配备SBAS能力，在美国、日本和欧洲的用户都可以得到3米左右的精度。

载波相位差分是一种高精度定位模式，通常称为实时动态(RTK)技术。实时动态差分系统测量卫星信号从导航卫星到参考基站的相位变化，达到百分之几的载波波长的精度，通常为厘米级精度。参考站到移动用户的整数波长数为定位的整数模糊度。整数模糊度可以利用最优的统计方法快速计算出来，达到厘米甚至毫米级的定位精度。由于实时动态方法依赖于载波相位的测量，它的定位精度更加抗多径影响，适合环境比较复杂的环境。实时动态方法已经广泛地用于测绘、建筑、国防等应用。美国的天宝、日本的拓普康、德国的莱卡和我国的华测都推出厘米和毫米级的参考站、移动站和通信设备，取得良好的商业化结果。但高精度的实时动态系统有两个主要缺点：1、由于计算整数模糊度需要载波相位的测量和传输，载波相位是每一时刻快速变化的量，系统数据传输量比基于码相位的差分系统要高很多。2、确定整数模糊度需要比较长的时间，通常在静态的用户需要几分钟甚至几十分钟的时间。因此实时动态系统在高动态下确定整数模糊度就更加困难。

发明内容

本发明引入地基增强系统(ground-based augmentation systems，GBAS)服务器,在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是提供一种有效提高用户在城市复杂环境下的定位精度、提高廉价单频导航芯片的差分定位能力的伪距离和多普勒组合差分定位系统。

本发明的进一步目的是提供一种最优融合伪距离差分和多普勒差分、提高差分定位的精度的伪距离和多普勒组合差分定位方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种伪距离和多普勒组合差分定位系统，包括：用户站接收机、参考站接收机，还包括GBAS服务器、移动网络，所述GBAS服务器与用户站接收机、参考站接收机均通过移动网络连接。

在一种优选的方案中，参考站接收机包括接收单元、伪距计算单元、多普勒计算单元、数据库和发送单元，接收单元接收GNSS信号，接收单元的输出分别与定位单元、伪距计算单元、多普勒计算单元的输入连接，定位单元、伪距计算单元和多普勒计算单元的输出与数据库的输入连接，数据库储存有自身经过精确标定的位置，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向GBAS服务器发送数据或请求。

在一种优选的方案中，GBAS服务器包括接收单元、伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元、数据库和发送单元，接收单元接收用户站接收机和参考站接收机发生的数据或请求，接收单元的输出分别与伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元的输入连接，伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元的输出与数据库的输入连接，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向参考站接收机和用户站接收机发送数据或请求。

在一种优选的方案中，用户站接收机包括接收单元、伪距计算单元、多普勒计算单元、数据库和发送单元，接收单元接收GNSS信号，接收单元的输出分别与定位单元、伪距计算单元、多普勒计算单元的输入连接，定位单元、伪距计算单元和多普勒计算单元的输出与数据库的输入连接，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向GBAS服务器发送数据或请求。

在一种优选的方案中，所述移动网络为GSM网络、GPRS网络、CDMA网络、3G网络或4G网络中的一种。

本发明提供一种伪距离和多普勒组合差分定位方法，包括以下步骤：

S1：用户站接收机通过移动网络向GBAS服务器发送服务请求；

S2：GBAS服务器收到来自用户站接收机的请求后，向参考站接收机发送指令，要求参考站接收机发送伪距和多普勒频移的修正值；

S3：参考站接收机接收到GBAS服务器发来的指令后，计算出参考站接收机的伪距和多普勒频移的修正值，并发送给GBAS服务器；

S4：GBAS服务器将接收到的参考站接收机的伪距和多普勒频率的修正值通过移动网络广播给用户站接收机；

S5：用户站接收机接收来自同一导航卫星发过来的GNSS信号后，测量出用户站接收机对该卫星的伪距值和多普勒频移值；同时，利用加权最小二乘法计算出用户站接收机的本地时钟钟差和本地时钟频漂；

S6：结合参考站接收机发送的伪距和多普勒频率的修正值以及用户站接收机对同一导航卫星的伪距值和多普勒频移值测量值，利用卡尔曼滤波器拟合出最佳的用户位置、速度、钟漂和频漂。

在一种优选的方案中，步骤S3中，计算伪距和多普勒频移的修正值包括以下步骤：

1)精确标定参考站接收机的位置；

2)参考站接收机接收来自导航卫星的GNSS信号，测量出参考站接收机对该导航卫星的伪距值和多普勒频移值；

3)利用加权最小二乘法求出参考站接收机的本地时钟钟差和本地时钟频漂；

4)结合参考站接收机的伪距值、多普勒频移值、位置、本地时钟钟差和本地时钟频漂，计算参考站接收机的伪距和多普勒频移的修正值。

在一种优选的方案中，步骤S6中，利用卡尔曼滤波器拟合出最佳的用户位置、速度、钟漂和频漂，具体包括以下步骤：

在每一定位历元，卡尔曼滤波器首先利用状态方程预测用户站接收机当前的位置、速度、钟差和钟漂等状态；然后，根据这一状态先验估计值以及导航卫星星历所提供的导航卫星位置和速度，卡尔曼滤波器预测用户站接收机对各颗卫星的伪距和多普勒频移值，而这些测量预测值与用户站接收机的实际测量值之间的差异形成测量残余；最后，卡尔曼滤波器的校正过程通过处理测量残余而得到系统状态估计值的校正量及其校正后的最优估计值。

在一种优选的方案中，步骤S3中，所述参考站接收机的伪距修正值表示为：

其中，表示参考站接收机的伪距修正值，v⁽ⁱ⁾是卫星i的移动速度，a_r ⁽ⁱ⁾是参考站r指向卫星i的单位向量，λ是载波L1的波长，是参考站r相对卫星i的多普勒频移，c是真空中的光速，δt⁽ⁱ⁾是导航卫星i的时钟偏差。

在一种优选的方案中，步骤S3中，所述参考站接收机的多普勒频移修正值表示为：

其中，是参考站接收机多普勒频移修正值，是参考站r相对卫星i的多普勒频移，c是真空中的光速，λ是载波L1的波长，δf_r是是参考站r的时钟钟漂。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供的方法完全消除了导航卫星钟差和导航卫星时钟钟漂，也消掉大部分星历误差、电离层延时、对流层延时，提高了用户站位置、速度、钟差和时钟钟漂的精度；此外，由于多普勒效应对多径误差不敏感，本发明所提出的系统可以有效提高用户在城市复杂环境下的定位精度，提高廉价单频导航芯片的差分定位能力。

附图说明

图1是一个典型的全球导航卫星系统。

图2是本发明伪距离和多普勒组合差分定位系统的示意图。

图3是本发明伪距离和多普勒组合差分定位系统功能结构图。

图4是本发明伪距离和多普勒组合差分定位方法参考站处理数据的方法流程图。

图5是本发明伪距离和多普勒组合差分定位方法用户站处理数据的方法流程图。

图6是本发明伪距离和多普勒组合差分定位方法中卡尔曼滤波器的方法原理图。

图7是本发明伪距离和多普勒组合差分定位系统的广域地基差分系统的架构图。

图中：1、导航卫星；2、GNSS信号接收机；3、参考站接收机；4、用户站接收机；5、GBAS服务器；6、移动网络。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图2所示，一种伪距离和多普勒组合差分定位系统，包括：用户站接收机4、参考站接收机3，还包括GBAS服务器5、移动网络6，所述GBAS服务器5与用户站接收机4、参考站接收机3均通过移动网络6连接；

如图3所示，在具体实施过程中，参考站接收机3包括接收单元、伪距计算单元、多普勒计算单元、数据库和发送单元，接收单元接收导航卫星1的GNSS信号，接收单元的输出分别与定位单元、伪距计算单元、多普勒计算单元的输入连接，定位单元、伪距计算单元和多普勒计算单元的输出与数据库的输入连接，数据库储存有自身经过精确标定的位置，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向GBAS服务器5发送数据或请求。

在具体实施过程中，GBAS服务器5包括接收单元、伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元、数据库和发送单元，接收单元接收用户站接收机和参考站接收机发生的数据或请求，接收单元的输出分别与伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元的输入连接，伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元的输出与数据库的输入连接，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向参考站接收机3和用户站接收机4发送数据或请求。

在具体实施过程中，用户站接收机4包括接收单元、伪距计算单元、多普勒计算单元、数据库和发送单元，接收单元接收导航卫星1的GNSS信号，接收单元的输出分别与定位单元、伪距计算单元、多普勒计算单元的输入连接，定位单元、伪距计算单元和多普勒计算单元的输出与数据库的输入连接，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向GBAS服务器5发送数据或请求。

在具体实施过程中，所述移动网络为GPRS网络、CDMA网络、3G网络或4G网络中的一种。

在具体实施过程中，所述全球导航卫星差分增强系统为GPS系统或北斗系统。

如图4-5所示，一种伪距离和多普勒组合差分定位方法，包括以下步骤：

S1：用户站接收机通过移动网络向GBAS服务器发送服务请求；

S2：GBAS服务器收到来自用户站接收机的请求后，向参考站接收机发送指令，要求参考站接收机发送伪距和多普勒频移的修正值；

S3：参考站接收机接收到GBAS服务器发来的指令后，计算出参考站接收机的伪距和多普勒频移的修正值，并发送给GBAS服务器；

S4：GBAS服务器将接收到的参考站接收机的伪距和多普勒频率的修正值通过移动网络广播给用户站接收机；

S5：用户站接收机接收来自同一导航卫星发过来的GNSS信号后，测量出用户站接收机对该卫星的伪距值和多普勒频移值；同时，利用加权最小二乘法计算出用户站接收机的本地时钟钟差和本地时钟频漂；

S6：结合参考站接收机发送的伪距和多普勒频率的修正值以及用户站接收机对同一导航卫星的伪距值和多普勒频移值测量值，利用卡尔曼滤波器拟合出最佳的用户位置、速度、钟漂和频漂。

在具体实施过程中，参考站伪距的测量值可表示为：

其中，是参考站接收机r对卫星i的伪距测量值，是参考站r到卫星i的几何距离，c是真空中的光速，δt_r是参考站r的时钟偏差，δt⁽ⁱ⁾是卫星i的时钟偏差，是参考站r到卫星i之间的电离层延时，是参考站r到卫星i之间的对流层延时，是参考站r相对于卫星i的伪距测量噪声量。

定义伪距的修正公式为：

对(2)式进行求导，有：

又因为，其中，λ是载波L1(f₁＝1575.42MHz)对应的波长，a_r ⁽ⁱ⁾是参考站r指向卫星i的单位向量，是参考站r相对卫星i的多普勒频移，v⁽ⁱ⁾是卫星i的移动速度。

所以，

伪距是一个缓慢变化的量，在短时间内，随时间线性变化，为常数。可以利用最小二乘法从一系列的伪距修正值中提取测量时刻t＝t_m时的伪距修正和修正对时间的线性展开量：和

用户伪距的测量值可表示为：

其中，是卫星i到用户站接收机u之间的伪距测量值，是用户站接收机u到卫星i的几何距离，δt_u是用户站u的时钟偏差，是用户站u到卫星i之间的电离层延时，是用户站u到卫星i之间的对流层延时，是用户站u相对于卫星i的伪距测量噪声量。

在时刻t时，伪距修正公式为：

因此，用户站修正后的伪距测量公式为：

其中，是用户站u到卫星i修正后的伪距测量值，是伪距修正值。

将和的值代入到公式(4)，有：

所以，

其中，

如果用户u和参考站r之间的基线距离较短，以至于卫星i在这两个观察点的电离层延时和对流层延时均分别相互近似相等，即和均接近为零，因此上式可简写为：

因此，伪距差分技术的方法可描述如下：

(a)利用参考站r的伪距测量值计算参考站r的时钟偏差δt_r；

(b)利用公式(2)求出伪距的修正值：

(c)利用最小二乘法从一系列的伪距修正值中提取出t_m时刻的伪距修正值和该时刻的伪距变化率

(d)利用GBAS服务器和网络资源，传输伪距修正值和伪距修正率给移动用户；

(e)在用户端计算t时刻用户站修正后的伪距测量值：

(f)利用牛顿迭代方程和最小二乘法求出修正后的用户站的伪距测量值：

(g)参考站r估算出其自身的接收机钟差δt_r后，再播发从中扣除了cδt_r这一部分偏差后的差分修正值，此时，伪距差分修正值的绝对值变小，也就相应地减少了播发所需的字节数，节约了网络通信资源。同时，扣除了cδt_r这一部分偏差后的差分修正方法还保证了用户端能够得到正确的接收机的钟差，来更正用户端的接收机时间，进而获得当前的GPS时间。

在具体实施过程中，伪距差分技术的原理也可以用在多普勒差分技术上。在参考站，根据多普勒频移，有：其中，

所以，

其中，λ是载波L1(f₁＝1575.42MHz)对应的波长，是参考站r相对卫星i的多普勒频移，v⁽ⁱ⁾是卫星i的移动速度，是参考站r的移动速度，a_r ⁽ⁱ⁾是参考站r指向卫星i的单位向量，c是真空中的光速，δf_r是参考站r的时钟钟漂，δf⁽ⁱ⁾是卫星i的时钟钟漂，是参考站r相对卫星i的多普勒频率测量噪声。

因为参考站r是固定的，即趋近于零，所以式(7)可以写成：

由于等式(8)可帮助决定的值，因此在t₁,t₂,…t_n，从中可获得更小的误差。

同理，用户站的多普勒频移公式为：

其中，是用户站u相对卫星i的多普勒频移，是用户站u的移动速度，a_u ⁽ⁱ⁾是用户站u指向卫星i的单位向量，δf_u是用户站u的时钟钟漂，是用户站u相对卫星i的多普勒频率测量噪声。

联立公式(8)、(9)有：

其中，δf_ur＝δf_u-δf_r，

可以发现，在方程(10)中，卫星时钟钟漂误差分量δf⁽ⁱ⁾被消掉。

定义多普勒修正方程为：

其中是可以直接测量得到，δf_r可通过参考站的多普勒钟漂测量利用最小二乘法求得。

所以，

其中，和是可以测量得到的，v⁽ⁱ⁾、a_r ⁽ⁱ⁾、a_u ⁽ⁱ⁾、λ和c是已知的，和δf_u是未知的。如果有四个以上的卫星多普勒频移测量和修正，利用加权最小二乘法就可以计算出用户速度和用户钟漂。

如果在多普勒修正方程(11)中不扣除参考站钟漂项多普勒方程(12)有同样的形式，但方程中的δf_u被δf_ur＝δf_u-δf_r代替。多普勒方程(12)只能计算出用户和参考基站的钟漂之差，而不是用户的钟漂。因此本发明利用方程(11)，增加了参考基站的钟漂信息，修正了多普勒频率测量值。这样多普勒差分修正值的绝对值变小，也就相应地减少了播发所需的数据量。同时，扣除了这一部分偏差后的差分修正方法还保证了用户端能够得到正确的接收机的钟漂，提高时间同步精度。

在具体实施过程中，由上述描述可知，码相位(伪距)差分，可以完全消掉卫星时钟钟差和大部分卫星轨道、电离层、对流层误差。多普勒差分可以完全消掉卫星时钟钟漂误差。如果用最小二乘法来计算用户的位置，卫星的多普勒频率测量和卫星时钟钟漂则不能提高定位精度。

一种更有效的方法是利用卡尔曼滤波技术来对伪距差分和多普勒差分进行最优化地融合，使得在伪距测量值与多普勒测量值的误差更小的条件下，可靠地提高定位的精度。同时，伪距测量也可以帮助提高多普勒频率测量值更加准确地确定用户速度。

图6是本发明高精度全球导航卫星差分系统中的卡尔曼滤波器的算法原理图。在每一定位历元，卡尔曼滤波器首先利用状态方程预测用户站接收机当前的位置、速度、钟差和钟漂等状态；然后，根据这一状态先验估计值以及卫星星历所提供的卫星位置和速度，卡尔曼滤波器就可以预测用户站接收机对各颗卫星的伪距和多普勒频移值，而这些测量预测值与接收机的实际测量值之间的差异形成测量残余；最后，卡尔曼滤波器进行校正过程，通过处理测量残余而得到包括位置和速度在内的系统状态估计值的校正量，然后得到校正后的位置与速度最优估计值。

利用卡尔曼滤波器处理伪距差分和多普勒差分有更加优越的性能：首先伪距差分消除了大部分卫星轨道偏差、大部分电离层、对流层误差和全部卫星时钟钟差，修正了伪距定位精度。其次多普勒差分消除了全部卫星时钟钟漂，使得修正过的多普勒频率测量值精度更高。最后卡尔曼滤波器融合了修正的伪距测量和多普勒频率测量值。计算用户位置时，修正后的多普勒测量可以极大地提高了只用伪距计算的用户位置精度。由于多普勒效应对多径干扰不敏感，使得定位精度在高楼林立的城市环境下不会受到很大的影响。同样，差分修正后的多普勒频率测量值也很大程度提高了定时和定速的精度，帮助用户进行时间同步。

在具体实施过程中，卫星局域差分系统利用的是单参考站，而卫星广域增强系统则是利用分布较大的和较多的参考基站组成的参考站网，计算出卫星导航系统的各种误差分量和格点化的电离层、对流层延迟，提高通信效率，有效地降低了需要覆盖范围的参考基站数量。已经广泛部署的美国广域增强系统(WAAS/SBAS)已经覆盖北美大部分地区。同样的技术也被应用到欧盟(EGNOS)，日本(MSAS)，印度(GAGAN)。WAAS系统广播的误差分量中包含了卫星时钟钟差，卫星时钟频漂也被有选择的播发给用户。如果系统选择播发钟漂修正，通常用户用来修正多普勒测量，计算用户速度和用户钟漂，但它并不能为用户的位置提高精度。而本发明扩展上一节的理念，添加消除了卫星时钟频漂的多普勒测量，协助修正过的伪距测量，然后利用扩展的卡尔曼滤波器进行整合，以提高用户的定位、定时精度。本系统不使用同步卫星和卫星——地面通信站，而使用移动网络和因特网，大大降低系统造价和维护成本，达到精度超过美国WAAS/SBAS的定位、定速和定时水平。

图7为本发明的广域地基增强系统的构架。其中，收集数据模块接收来自移动网和GNSS卫星发射的导航数据，并确定格点化的对流层延迟；确定电离层改正数模块从收集数据模块接收移动网络和GNSS卫星的差分测量值，并确定格点化的电离层延时参数；确定卫星轨道模块接收移动网络和GNSS卫星的数据来确定位置、速度、时钟偏移和卫星的钟漂；确定卫星改正数模块从收集数据模块接收从所有GNSS卫星和移动网发射的用于执行导航服务的卫星导航和轨道数据，确定精确的卫星时钟和星历误差修正；确定卫星完整性模块负责确定卫星数据和电离层修正的完整性，并当有卫星或电离层修正不应该被用于导航时或者有卫星或电离层的格点由于某些原因不能被监控时提供及时的警告。GBSA系统还需要确保在传输和验证数据之前独立给GBSA用户提供所有数据的完整性。本系统利用移动网的固有资源，建立廉价的地基增强系统，性能超过广泛使用的WAAS/SBAS。

为了实现多普勒修正和利用多普勒测量提高定位精度，本发明利用广域地基增强系统发送的速度和钟漂修正值，对卫星的位置、速度、钟差和钟漂进行修正，然后用卡尔曼滤波器融合伪距和多普勒测量数据，对用户位置、速度、时间进行最优估计。

其中，卫星位置的计算公式为：

式中，δ_x、δ_y、δ_z是广域增强系统发送的卫星地心坐标校正矢量，是广域增强系统发送的卫星在地心坐标上的速度校正矢量，t_k为用户接收时刻，t₀是数据发送时刻，是t_k时刻的卫星地心坐标校正矢量。

卫星钟差的计算公式为：δΔt_SV(t_k)＝δa_f0+δa_f1(t_k-t₀) (14)

式中，δa_f0是卫星的时钟偏移误差校正数，δa_f1是钟漂误差校正数，δΔt_SV(t_k)是t_k时刻时钟时间误差估计。

由于多普勒效应对多径误差不敏感，本发明所提出的系统可以有效提高用户在城市复杂环境下的定位精度，提高廉价单频导航芯片的差分定位能力；本发明方法在伪距差分方法的基础上，增加了多普勒差分方法所需的信号采集、生成、传输等应用。再利用卡尔曼滤波器最优融合伪距差分和多普勒差分，完全消除了卫星钟差和卫星钟漂，也消掉大部分星历误差、电离层延时、对流层延时，使得误差更小的多普勒测量帮助提高定位精度。同时，伪距测量也可以帮助提高多普勒频率测量值更加准确地确定用户速度，从而提高了用户位置、速度、钟差和钟漂的精度。

此外，参考站r算出自身的接收机钟漂δf_r后，再播发从中扣除了这一部分偏差后的差分修正值。这样多普勒差分修正值的绝对值变小，也就相应地减少了播发所需的字节数，节约了网络通信资源。同时，扣除了这一部分偏差后的差分修正方法还保证了用户端能够得到正确的接收机的钟漂，从而提高定时和定速精度，为高精度时间同步应用服务。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种伪距离和多普勒组合差分定位系统，包括：用户站接收机、参考站接收机，其特征在于，还包括GBAS服务器、移动网络，所述GBAS服务器与用户站接收机、参考站接收机均通过移动网络连接；所述参考站接收机用于计算伪距和多普勒频移的修正值，并经过GBAS服务器广播给用户站接收机；所述用户站接收机用于接收来自同一导航卫星发过来的GNSS信号，测量出用户站接收机对该卫星的伪距值和多普勒频移值，同时，计算出用户站接收机的本地时钟钟差和本地时钟频漂；用户站接收机还结合参考站接收机发送的伪距和多普勒频率的修正值以及用户站接收机对同一导航卫星的伪距值和多普勒频移值测量值，利用卡尔曼滤波器拟合出最佳的用户位置、速度、钟漂和频漂。

2.根据权利要求1所述的伪距离和多普勒组合差分定位系统，其特征在于，参考站接收机包括接收单元、伪距计算单元、多普勒计算单元、数据库和发送单元，接收单元接收导航卫星的GNSS信号，接收单元的输出分别与定位单元、伪距计算单元、多普勒计算单元的输入连接，定位单元、伪距计算单元和多普勒计算单元的输出与数据库的输入连接，数据库储存有自身经过精确标定的位置，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向GBAS服务器发送数据或请求。

3.根据权利要求1所述的伪距离和多普勒组合差分定位系统，其特征在于，GBAS服务器包括接收单元、伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元、数据库和发送单元，接收单元接收用户站接收机和参考站接收机发生的数据或请求，接收单元的输出分别与伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元的输入连接，伪距差分计算单元、多普勒差分计算单元、卡尔曼滤波单元的输出与数据库的输入连接，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向参考站接收机和用户站接收机发送数据或请求。

4.根据权利要求1所述的伪距离和多普勒组合差分定位系统，其特征在于，用户站接收机包括接收单元、伪距计算单元、多普勒计算单元、数据库和发送单元，接收单元接收导航卫星的GNSS信号，接收单元的输出分别与定位单元、伪距计算单元、多普勒计算单元的输入连接，定位单元、伪距计算单元和多普勒计算单元的输出与数据库的输入连接，数据库的输出与发送单元的输入连接，发送单元向GBAS服务器发送数据或请求。

5.根据权利要求1所述的伪距离和多普勒组合差分定位系统，其特征在于，所述移动网络为GSM网络、GPRS网络、CDMA网络、3G网络或4G网络中的一种。

6.一种伪距离和多普勒组合差分定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用户站接收机通过移动网络向GBAS服务器发送服务请求；

S2：GBAS服务器收到来自用户站接收机的请求后，向参考站接收机发送指令，要求参考站接收机发送伪距和多普勒频移的修正值；

S3：参考站接收机接收到GBAS服务器发来的指令后，计算出参考站接收机的伪距和多普勒频移的修正值，并发送给GBAS服务器；

S4：GBAS服务器将接收到的参考站接收机的伪距和多普勒频率的修正值通过移动网络广播给用户站接收机；

S5：用户站接收机接收来自同一导航卫星发过来的GNSS信号后，测量出用户站接收机对该卫星的伪距值和多普勒频移值；同时，利用加权最小二乘法计算出用户站接收机的本地时钟钟差和本地时钟频漂；

S6：结合参考站接收机发送的伪距和多普勒频率的修正值以及用户站接收机对同一导航卫星的伪距值和多普勒频移值测量值，利用卡尔曼滤波器拟合出最佳的用户位置、速度、钟漂和频漂。

7.根据权利要求6所述的伪距离和多普勒组合差分定位方法，其特征在于，步骤S3中，计算伪距和多普勒频移的修正值包括以下步骤：

1)精确标定参考站接收机的位置；

2)参考站接收机接收来自导航卫星的GNSS信号，测量出参考站接收机对该导航卫星的伪距值和多普勒频移值；

3)利用加权最小二乘法求出参考站接收机的本地时钟钟差和本地时钟频漂；

4)结合参考站接收机的伪距值、多普勒频移值、位置、本地时钟钟差和本地时钟频漂，计算参考站接收机的伪距和多普勒频移的修正值。

8.根据权利要求6所述的伪距离和多普勒组合差分定位方法，其特征在于，步骤S6中，利用卡尔曼滤波器拟合出最佳的用户位置、速度、钟漂和频漂，具体包括以下步骤：

在每一定位历元，卡尔曼滤波器首先利用状态方程预测用户站接收机当前的位置、速度、钟差和钟漂等状态；然后，根据这一状态先验估计值以及导航卫星星历所提供的导航卫星位置和速度，卡尔曼滤波器预测用户站接收机对各颗卫星的伪距和多普勒频移值，而这些测量预测值与用户站接收机的实际测量值之间的差异形成测量残余；最后，卡尔曼滤波器的校正过程通过处理测量残余而得到系统状态估计值的校正量及其校正后的最优估计值。

9.根据权利要求6所述的伪距离和多普勒组合差分定位方法，其特征在于，步骤S3中，所述参考站接收机的伪距修正值表示为：

<mrow> <msubsup> <mover> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>&amp;equiv;</mo> <msup> <mi>v</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <msub> <mi>a</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;lambda;f</mi> <msub> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <mi>c</mi> <mi>&amp;delta;</mi> <msub> <mover> <mi>t</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mi>r</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow>

其中，表示参考站接收机的伪距修正值，v⁽ⁱ⁾是卫星i的移动速度，a_r ⁽ⁱ⁾是参考站r指向卫星i的单位向量，λ是载波L1的波长，是参考站r相对卫星i的多普勒频移，c是真空中的光速，δt⁽ⁱ⁾是导航卫星i的时钟偏差。

10.根据权利要求6所述的伪距离和多普勒组合差分定位方法，其特征在于，步骤S3中，所述参考站接收机的多普勒频移修正值表示为：

<mrow> <msubsup> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>&amp;equiv;</mo> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <msub> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <msub> <mi>&amp;delta;f</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow>

其中，是参考站接收机多普勒频移修正值，是参考站r相对卫星i的多普勒频移，c是真空中的光速，λ是载波L1的波长，δf_r是是参考站r的时钟钟漂。