CN104483688A - 基于北斗卫星导航系统的高精度基线解算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于北斗卫星导航系统的高精度基线解算方法，以北斗接收机观测到的载波相位观测数据为基础，通过构建双差，进行粗差探测、周跳探测和模糊度固定，最终采用最小二乘方法得到基线两点的基线矢量。该方法对于60公里以内的基线处理均有较好的精度，为北斗系统的高精度数据处理提供了强大的处理软件，对于高精度的应用如基准点的建立提供可靠的方法。

Description

基于北斗卫星导航系统的高精度基线解算方法

技术领域

本发明涉及大地测量、卫星导航领域，特别涉及北斗卫星导航系统GEO/IGSO/MEO混合星座导航系统的粗差探测、周跳探测与修复、整周模糊度和基线解算等计算方法。

背景技术

北斗卫星导航系统是我国自主研制和建设的新一代卫星导航定位系统。目前，系统由5颗GEO卫星、5颗IGSO、4颗MEO卫星组成，系统每颗卫星发播三个频点、两个支路的导航信号，北斗卫星导航系统特殊的GEO卫星构型，有效的保证了在亚太地区的覆盖。但是对于地面用户而言，由于GEO卫星静止不动，用户与GEO卫星间天顶角变化微小（<1度），地面用户PDOP变化较小，导致解算的模糊度浮点解存在偏差，影响模糊度搜索的有效性和准确性。

本发明提供一种基于北斗卫星导航系统的高精度基线解算方法，以解决现有技术存在由于GEO卫星静止不动，用户与GEO卫星间天顶角变化微小，地面用户PDOP变化较小，导致解算的模糊度浮点解存在偏差，影响模糊度搜索的有效性和准确性问题。

本发明的技术方案是：北斗高精度基线解算软件的应用模式为：地面同时布设北斗基准站和测地型北斗接收机，两台设备同时进行静态数据采集，采集完成后，可基于基线解算软件进行后处理获得用户高精度位置。该软件以北斗接收机观测到的载波相位观测数据为基础，通过构建双差，进行粗差探测、周跳探测和模糊度固定，最终采用最小二乘方法得到基线两点的基线矢量，还可将基线分量投影到站心坐标系下，求出水平基线分量和高程基线分量，当多台设备同时观测时，可以进行组网，软件还具有基线网平差功能，可实现闭合差检验和分配。

本发明的有益效果是：以北斗接收机观测到的载波相位观测数据为基础，通过构建双差，进行粗差探测、周跳探测和模糊度固定，最终采用最小二乘方法得到基线两点的基线矢量。该方法对于60公里以内的基线处理均有较好的精度，为北斗系统的高精度数据处理提供了强大的处理软件，对于高精度的应用如基准点的建立提供可靠的方法。

附图说明

图1为本发明的基线解算流程图；

图2为本发明改进型RAIM单点定位和周跳修复流程；

图3为模本发明糊度搜索和固定方法示意图。

具体实施方式

参见图1-图3，本发明主要包括如下几部分：

1、针对北斗卫星导航系统GEO/IGSO/MEO混合星座，基于改进的RAIM条件进行单点定位的计算方法：

改进的RAIM条件进行单点定位计算方法，主要是针对单个历元条件下，由于卫星处于不断升降状态，低高度角和卫星观测几何结构会影响定位结果，最终影响基线解算时先验坐标的精度。针对该问题，通过当前历元高度角和DOP的重要性进行卫星剔除，同时借助最新的对流层模型来减弱低高度角条件下对流层对定位结果的影响。

改进的RAIM的计算方法的具体实现流程和模型如下：假定观测N颗卫星，单点定位需要求解站点坐标和接收机钟差，具体计算方法如下：

A、假设伪距观测方程式为：

其中，是卫星或卫星测量值的编号，设接收机的位置坐标向量为，为了确定用户的三维位置，兼容定位需要至少对5颗卫星进行伪距测量，其它定位方式至少需要对四颗卫星进行伪距测量。然后根据下式解算用户位置。

上式中每一个方程式对应于一颗可见卫星的伪距测量值。在上述整个方程组中，各颗卫星的位置坐标值可依据它们各自播发的星历计算获得，误差校正后的伪距则由接收机测量得到。

B、准备数据与设置初始解：

  根据卫星播发的星历计算出经地球自转校正后的卫星空间位置坐标，在开始进行计算前，给出接收机当前位置坐标的初始估计值与接收机的钟差，对于首次定位，钟差初始值 ，而接收机的初始位置可以自己手动输入也可以设置为0。

C、非线性方程组线性化：

    线性化后的方程组为：

                      

其中：

       

D、求解线性方程组：

E、获得PDOP表征量和验后中误差：

对法方程求逆，可得到N矩阵为：

    则PDOP的描述为：

改进的RAIM单点定位主要是依据和的值，当较差时，主要通过进行判断，同时兼顾卫星高度角情况。软件实际处理中，通过对和分别设定一定的门限（该门限值通常根据具体的模型经验值确定），当超过一定的门限时，则通过迭代方式剔除部分卫星观测值，同时考虑该超限值是否由低高度角引起，通过上述综合分析方式来改善，当迭代完成后，和均超限时，直接剔除当前历元的单点定位结果。

2、针对载波相位观测数据，其中包含着粗差和周跳，分析并依据粗差和周跳的不同特性，通过宽巷/电离层残差等组合观测量联合实施粗差和周跳探测，最后，在剔除粗差的基础上进行大周跳修复。

观测不可避免的存在粗差，此外，由于观测信号强度和周边电磁环境干扰等影响，载波相位观测量会存在周跳。如何进行粗差和周跳的探测，成为高精度定位的关键问题，传统的粗差和周跳探测主要依据电离层残差组合（L4）和改进的伍贝拉（Melbourne-Wübbena，MW）历元间差分进行，由于MW需要高精度的码观测量，对接收机有很高的要求，通过试验和分析，本软件采用概略坐标建立虚拟观测量来代替码观测量，基于该技术进行了验证，具有很好的效果，且不受码观测量精度影响，且粗差剔除后，可较好的进行大周跳的修复，具体的实现方法为：

 联合电离层残差组合（L4）和改进的伍贝拉（Melbourne-Wübbena，MW）进行周跳探测。

A、电离层残差组合观测量(L4)的表达式为：

由于电离层残差组合观测量消除了几何观测量，只存在频率间的电离层残差，一般情况下，短时间内电离层变化是缓慢的，因此，基于L4可以探测出大部分的周跳，但是针对某些周跳，基于L4是没有办法探测出来的（如当和之间关系近似满足如下条件），其理论依据为：

B、伍贝拉（Melbourne-Wübbena，MW）的表达式

其中和含义如下

由于Melbourne-Wübbena组合观测值消除了电离层、对流层、钟差和计算的几何观测值等因素的影响，而且具有较长的波长（约为86cm），适合用周跳的探测和修复，然而由于Melbourne-Wübbena采用了码观测量（和），因此，MW需要高精度的码观测量，对接收机本身要求比较高，不适合于工程实际生产需要。因此，本发明基于概略坐标和卫星轨道，通过虚拟观测量来代替实际观测码观测值（和），较好的解决了该问题，其虚拟观测量的表达式为：

   当组成双差MW时，接收机概略位置（优于10m）对双差MW的影响较小，因此，可以探测小于1周的周跳。

   综上所述，综合L4和改进的MW可以较好的适用于周跳的探测，并且适用于工程的实际需要。

 联合电离层残差组合（L4）和改进的伍贝拉（Melbourne-Wübbena，MW）进行大周跳修复。

假定某一时刻发生周跳时，基于L4和MW探测出该时刻存在周跳，基于周跳前后一段时间观测数据，可以获得周跳的浮点概略值，其表达式为：

根据和的值，可以计算双频点上的周跳和，由于系统误差和观测噪声的存在，这些误差源会反映在和中，因此，为了保证周跳计算的正确性，该计算方式针对较大的周跳才有意义。当计算出周跳和值后，可以基于此进行周跳的修复。

3、针对初始模糊度和较小周跳，采用宽巷-窄巷两步方法来搜索模糊度，进行最优模糊度固定。

针对小的周跳，当采用上述的MW和L4联立方程求解时，由于观测噪声和电离层影响，会导致周跳计算错误。针对该问题，本软件采用宽巷-窄巷两步法，首先基于双差观测量进行组合，形成宽巷（L5），由于宽巷具有波长较长的特点，易于模糊度搜索，然后将固定的宽巷模糊度设定为已知值，带入到窄巷中，搜索窄巷模糊度，其实现方法为：

 宽巷模糊度求解：

假定双频相位的双差观测方程表示为：

其中，下标1，2表示载波信号B1和载波信号B2；-表示波长，-表示频率；-双差载波相位观测值双差几何距离；-双差轨道误差，-双差电离层延迟；N-双差模糊度；-双差对流层延迟；-多路径效应误差，-双差载波相位噪声。

进行双差宽巷L5组合，有如下的方程：

其中为双差的站心距离，可以线性化为流动（用户）站位置的函数，然后基于最小二乘方法可以求得流动站用户位置和宽巷浮点解模糊度，然后基于该浮点宽巷模糊度及其协方差矩阵，获得最优宽巷模糊度。

由于宽巷模糊度波长较长（>0.86m），因此，宽巷模糊度的搜索准确率受浮点宽巷模糊度不准确的影响较小，搜索成功率高。

 窄巷模糊度求解：

当宽巷模糊度固定后，再基于双频观测量组合求解基本频率模糊度，采用如下的技术，通过双频组合形成电离层无关组合：

设定

通过上述公式可以看出，可以分解基本频率模糊度和宽巷模糊度的组合，由于宽巷模糊度已经被正确固定，该步骤中可以设定为已知值，同时双频无电离层组合消除了电离层，但是同时放大了噪声，因此，基于长时间的该观测量组合可以减弱噪声的影响，同时易于窄巷模糊度的求解，当求得的基本频率模糊度浮点解，基于对应的搜索方法可以获得最佳的窄巷模糊度（基本频率模糊度）。

在上述过程中，具体模糊度估计和搜索步骤为：通过在参数估计中进行模糊度浮点解计算，然后以协方差为基础，逐步进行模糊度搜索和确定，保证模糊度固定的最优性。

4、最优模糊度确定后，基于法方程，通过高斯消元方法求解方法程的线性方程组，实施基线分量求解。

5、当用户需要时，可进行北斗坐标系统与其它坐标系的转换。

综上所述，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。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。

本文中涉及的英文缩写：

GEO：地球同步轨道卫星；

IGSO：地球倾斜轨道卫星；

MEO：中高轨卫星；

RAIM：用户机自主完好性算法；

DOP：几何精度因子。

Claims (2)

1.一种基于北斗卫星导航系统的高精度基线解算方法，其特征在于，该方法是基于北斗卫星系统GEO/IGSO/MEO星座构型的特征，在北斗粗差和周跳探测、模糊度解算等方面进行了技术改进，研制了针对北斗卫星导航系统的高精度基线解算软件，该软件可以通过对两个零相位中心天线的观测站构建基线，进行相对定位，求得精确的基线分量。

2.如权利1所述的基于北斗卫星导航系统的高精度基线解算方法，其特征在于，包括以下步骤：

①针对北斗GEO/IGSO/MEO混合星座，基于改进的RAIM条件进行单点定位计算；

②针对观测数据包含着粗差和周跳，分析并依据粗差和周跳的不同特性，通过宽巷/电离层残差等组合观测量联合实施粗差和周跳探测，最后，在剔除粗差的基础上进行大周跳修复；

③针对初始模糊度和较小周跳，采用宽巷-窄巷两步方法来搜索模糊度，进行最优模糊度固定；

④最优模糊度确定后，基于方程消元方法实施基线分量求解。