CN104680008A - 一种基于多参考站的网络rtk区域大气误差建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多参考站的网络RTK区域大气误差建模方法。首先利用多参考站冗余观测信息，建立一种基于多参考站结构的基本解算单元，然后针对这种多参考站结构的基本解算单元，对网络RTK中区域对流层改正数的算法进行了研究，提出顾及高程差异影响，并适用于多参考站结构的网络RTK区域对流层误差建模方法，进而得到流动站对流层误差改正值。本发明方法在顾及高程差异的基础上，能够明显提高网络RTK中区域对流层误差改正数的精度和可靠性，特别对于低高度角卫星，其精度及可靠性更高。

Description

一种基于多参考站的网络RTK区域大气误差建模方法

技术领域

本发明属于网络RTK定位领域，连续运行参考站(CORS)系统站间网络对流层误差改正数的计算，特别涉及GNSS网络差分定位系统中的一种基于多参考站结构的网络RTK区域大气误差建模方法。

背景技术

随着全球卫星导航定位系统的发展，GNSS网络差分定位技术是目前卫星定位领域的热门技术，网络实时动态差分法(real-time kinematic，RTK)技术(也称为多基准站RTK)是利用GNSS全球卫星导航系统、计算机网络和通信等技术构成的地球参考坐标和地球动力学服务系统，是网络与GNSS定位技术及现代大地测量、地球动力学融合的成果，它是在常规RTK和差分全球定位系统的基础上建立与发展起来的一种高精度定位技术，能够实时的为用户提供较大空间范围内均匀、高精度、准确可靠的定位结果，以满足各类不同行业用户的需求。目前已成为城市GNSS应用的发展热点之一，广泛应用于测绘、精密导航等领域。

目前，网络RTK系统都是在连续运行参考站系统(CORS)基础上建立起来的，根据一定区域内建立的多个(三个或三个以上)基准站，由各基准站精确已知的坐标信息，实时计算和播发流动站位置的改正信息，对该区域范围内流动站用户进行各项误差改正，常规网络RTK技术一般采用三角形结构进行大气误差区域建模，以流动站所在的三角形作为基本解算单元，根据流动站的位置，选择覆盖流动站的三角形所在区域的三个基准站数据，建立此三角形区域的大气误差改正计算模型。

这种解算单元能保证改正区域与流动站最大程度的符合，只要该三角形解算单元网络初始化正常，就能保证较优的网络改正精度和可靠性，同时也不受其它单元初始化错误的影响。但这种三角形网络结构也有一些不足之处，主要表现在：(1)它采用的是单基线解算模式，没有充分利用多基准站多余观测信息，不利于大规模基准站网络的初始化；(2)独立基线信息较少(2条基线)，因此限制了内插计算时可供选择的数学模型(模型参数＜＝2)的精确性，因而在一定程度上影响了改正数的精度，特别是对于高程差异较大区域的定位精度会有所降低；(3)对于基本解算单元以外的区域，其改正精度随距离的增加大幅下降。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于多参考站的网络RTK区域大气误差建模方法，在顾及高程差异的基础上，能够明显提高网络RTK中区域对流层误差改正数的精度和可靠性。

技术方案：一种基于多参考站的网络RTK区域大气误差建模方法，包括如下具体步骤：

步骤1)，建立基于多参考站结构的基本解算单元，包括如下具体步骤：

a)，将整个CORS的所有参考站按Delaunay三角网构网原则建立不规则三角网；

b)，从CORS的参考站中选取与流动站u距离最近的参考站作为中心参考站c，选取覆盖所述流动站u的Delaunay三角网，将此Delaunay三角网的另外两个参考站以及包含此三角网任一一条边的其余Delaunay三角网的参考站作为辅助参考站，所述辅助参考站与中心参考站c形成一个多参考站结构基本解算单元；

步骤2)，建立多参考站结构对流层误差改正数计算模型，包括如下具体步骤：

a)，忽略观测噪声影响，采用双频相位观测值计算所述多参考站结构基本解算单元中各条基线的双差对流层延迟如式(1.1)所示；所述各条基线的双差对流层延迟即各条基线上的对流层双差改正数；

式中：为双差算子；为双差对流层延迟值；c为光速；为载波相位观测值；N_i(i＝1，2)为载波相位整周模糊度；ρ为卫星与接收机之间的几何距离；

b)，采用如式(1.2)所示的顾及高程偏差影响的对流层改正数线性内插模型，来内插计算中心参考站c与流动站u的对流层误差改正数；

${\mathrm{\Δ}\▿T}_{i,c}=a_1{\mathrm{\Δx}}_{i,c}+a_2{\mathrm{\Δy}}_{i,c}+a_3{\mathrm{\Δh}}_{i,c}i=\mathrm{1,2}...n-1---\left(1.2\right)$

式中：n为参考站数量，辅助参考站数量为n-1个，c表示中心参考站，T_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的对流层误差改正数，Δx_i，c，Δy_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的平面坐标差，Δh_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的高程差，a₁、a₂、a₃ 为模型线性内插系数；

所述多参考站对流层改正数线性内插模型的观测方程如式(1.3)所示：

V_T＝X·A    (1.3) 

式中： $V_T=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}\▿T}_{1,c}\\ {\mathrm{\Δ}\▿T}_{2,c}\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Δ}\▿T}_{n-1,c}\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Δx}}_{1,c}& {\mathrm{\Δy}}_{1,c}& {\mathrm{\Δh}}_{1,c}\\ {\mathrm{\Δy}}_{2,c}& {\mathrm{\Δy}}_{2,c}& {\mathrm{\Δh}}_{2,c}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ {\mathrm{\Δx}}_{n-1,c}& {\mathrm{\Δy}}_{n-1,c}& {\mathrm{\Δh}}_{n-1,c}\end{array}\right],$ A＝[a₁，a₂，a₃]

c)，解算所述式(1.3)得到线性内插系数a₁、a₂、a₃值，结合流动站u与中心参考站c之间的平面坐标差Δx_u，c，Δy_u，c以及高程差Δh_u，c，根据式(1.4)得到流动站u对流层误差内插改正数

${\mathrm{\Δ}\▿T}_{u,c}=a_1{\mathrm{\Δx}}_{u,c}+a_2{\mathrm{\Δy}}_{u,c}+a_3{\mathrm{\Δh}}_{u,c}---\left(1.4\right)$

有益效果：本发明的一种基于多参考站的网络RTK区域大气误差建模方法，首先利用多参考站冗余观测信息，建立一种基于多参考站结构的基本解算单元，替代以流动站所在三角形结构的基本解算单元，然后针对这种基于多参考站结构的基本解算单元，建立适用于多参考站结构的网络RTK区域对流层误差改正模型的方法，进而得到流动站对流层误差改正值。本方法既继承了传统三角形解算单元改正相关性强、共视卫星多的优点，又能充分利用多参考站多余观测信息，使得内插模型灵活多样，保证了内插模型具有较好的数据冗余，在顾及高程差异的基础上，提高了对流层误差改正的精度和可靠性，特别对于低高度角卫星，其误差改正的精度和可靠性更高。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是多参考站基本解算单元基准站分布示意图；

图3是多参考站基本解算单元基准站高程差异分布示意图；

图4是流动站卫星高度角变化示意图；

图5是网内流动站P330(PRN06)LIM与MHM对流层延迟改正数误差效果示意图；

图6是网内流动站P330(PRN14)LIM与MHM对流层延迟改正数误差效果示意图；

图7是网内流动站P335(PRN06)LIM与MHM对流层延迟改正数误差效果示意图；

图8是网内流动站P345(PRN14)LIM与MHM对流层延迟改正数误差效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种基于多参考站的网络RTK区域大气误差建模方法，包括如下具 体步骤：

步骤1)，建立基于多参考站结构的基本解算单元，包括如下具体步骤：

a)，将整个CORS的所有参考站按Delaunay三角网构网原则建立不规则三角网；

b)，从CORS的参考站中选取与流动站u距离最近的参考站作为中心参考站c，选取覆盖流动站u的Delaunay三角网，将此Delaunay三角网的另外两个参考站以及包含此三角网任一一条边的其余Delaunay三角网的参考站作为辅助参考站，辅助参考站与中心参考站c形成一个多参考站结构基本解算单元；

步骤2)，建立多参考站结构对流层误差改正数计算模型，包括如下具体步骤：

a)，忽略观测噪声影响，采用双频相位观测值计算多参考站结构基本解算单元中各条基线的双差对流层延迟如式(1.1)所示；各条基线的双差对流层延迟即各条基线上的对流层双差改正数；

式中：为双差算子；为双差对流层延迟值；c为光速；为载波相位观测值；N_i(i＝1，2)为载波相位整周模糊度；ρ为卫星与接收机之间的几何距离；

b)，在获取多参考站结构基本解算单元中各条基线的对流层误差改正数之后，考虑高程因子的影响，采用顾及高程偏差影响的多参考站对流层改正数线性内插模型(MHM)，来内插计算中心参考站与流动站的对流层误差改正数。

由于对流层延迟误差受高程因子影响显著，使其在水平方向和高程方向空间相关特性存在明显差别，因此参考站与流动站间的高程差异会引起对流层误差改正数中存在系统偏差的影响，使对流层改正精度降低，故对流层改正数内插建模需要考虑高程偏差。

采用如式(1.2)所示的顾及高程偏差影响的对流层改正数线性内插模型，来内插计算中心参考站c与流动站u的对流层误差改正数；

${\mathrm{\Δ}\▿T}_{i,c}=a_1{\mathrm{\Δx}}_{i,c}+a_2{\mathrm{\Δy}}_{i,c}+a_3{\mathrm{\Δh}}_{i,c}i=\mathrm{1,2}...n-1---\left(1.2\right)$

式中：n为参考站数量，辅助参考站数量为n-1个，c表示中心参考站，T_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的对流层误差改正数，Δx_i，c，Δy_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的平面坐标差，Δh_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的高程差，a₁、a₂、a₃ 为模型线性内插系数；

多参考站对流层改正数线性内插模型的观测方程如式(1.3)所示：

V_T＝X·A    (1.3) 

式中： $V_T=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}\▿T}_{1,c}\\ {\mathrm{\Δ}\▿T}_{2,c}\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Δ}\▿T}_{n-1,c}\end{array}\right],$ $X=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Δx}}_{1,c}& {\mathrm{\Δy}}_{1,c}& {\mathrm{\Δh}}_{1,c}\\ {\mathrm{\Δy}}_{2,c}& {\mathrm{\Δy}}_{2,c}& {\mathrm{\Δh}}_{2,c}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ {\mathrm{\Δx}}_{n-1,c}& {\mathrm{\Δy}}_{n-1,c}& {\mathrm{\Δh}}_{n-1,c}\end{array}\right],$ A＝[a₁，a₂，a₃]

c)，解算所述式(1.3)得到线性内插系数a₁、a₂、a₃值，结合流动站u与中心参考站c之间的平面坐标差Δx_u，c，Δy_u，c以及高程差Δh_u，c，根据式(1.4)得到流动站u对流层误差内插改正数

${\mathrm{\Δ}\▿T}_{u,c}=a_1{\mathrm{\Δx}}_{u,c}+a_2{\mathrm{\Δy}}_{u,c}+a_3{\mathrm{\Δh}}_{u,c}---\left(1.4\right)$

本实施例使用美国CORS数据作为算例，分别选择P322，P167，P349，P793，P060，P330，P345共7个参考站，其中以P322站作为中心参考站，P167，P349站组成传统三角网结构解算单元，以P322站作为中心参考站，P167，P349，P793，P060站作为辅助参考站，组成多参考站结构解算单元，P330站作为网内流动站，P345站作为网外流动站，位置分布如图2所示，高程差异如图3所示。试验数据为2013年08月08日(GPS时)09：30-12：20(150个历元，采用间隔为15s)的观测数据。

目前常用的改正数内插模型主要有距离线性内插模型(DIM)，线性组合模型(LCM)，线性内插模型(LIM)以及低阶曲面模型(LSM)等。各模型的差异主要有内插系数决定。常规改正数内插模型之间对流层改正性能差异不大，因此采用线性内插模型(LIM)内插传统三角网结构解算单元双差对流层改正数，采用顾及高程差异的多参考站对流层改正数内插模型(MHM)内插多参考站结构解算单元双差对流层改正数。

从观测数据中选取两颗最具有代表性的卫星进行试验分析比较，其中卫星PRN 06作为高高度角卫星(降星)，卫星PRN 14作为低高度角卫星(升星)，其高度角变化如图4所示。

对流层改正数内插结果如图5为网内P330(PRN06)、图6为网内P330(PRN14)、图7为网外P335(PRN06)、图8为网外P345(PRN14)；

从图5至8中可以看出，随着卫星高度角的降低，传统三角网线性内插模型精度也随之降低，当卫星高度角升高时，传统三角网内插模型精度会随之增高，但是卫星高度角较低时，传统三角网内插模型精度较差，而考虑高程差异的基于多参考站的对流层内插模型，无论是对于低高度角卫星还是高高度角卫星，其内插精度都要高于传统三角网LIM内插模型精度，特别是对于低高度角卫星，基于多参考站的对流层内插模型MHM精度远远高于传统的三角网LIM内插模型精度，表明顾及高程差异的多参考站对流层误差改正效果较优。

表1

表2

PRN 06号卫星和PRN 14号卫星对比三角形与多参考站结构对流层延迟改正数内插结果精度统计如表1和表2所示。从表1和表2中可以看出，采用顾及高程差异的基于多参考站的对流层内插模型进行双差对流层误差改正数计算时，其统计指标中的平均值和中误差指标均小于传统三角形网络改正值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于多参考站的网络RTK区域大气误差建模方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤1)，建立基于多参考站结构的基本解算单元，包括如下具体步骤：

a)，将整个CORS的所有参考站按Delaunay三角网构网原则建立不规则三角网；

b)，从CORS的参考站中选取与流动站u距离最近的参考站作为中心参考站c，选取覆盖所述流动站u的Delaunay三角网，将此Delaunay三角网的另外两个参考站以及包含此三角网任一一条边的其余Delaunay三角网的参考站作为辅助参考站，所述辅助参考站与中心参考站c形成一个多参考站结构基本解算单元；

步骤2)，建立多参考站结构对流层误差改正数计算模型，包括如下具体步骤：

a)，忽略观测噪声影响，采用双频相位观测值计算所述多参考站结构基本解算单元中各条基线的双差对流层延迟如式(1.1)所示；所述各条基线的双差对流层延迟即各条基线上的对流层双差改正数；

式中：为双差算子；为双差对流层延迟值；c为光速；为载波相位观测值；N_i(i＝1，2)为载波相位整周模糊度；ρ为卫星与接收机之间的几何距离；

b)，采用如式(1.2)所示的顾及高程偏差影响的对流层改正数线性内插模型，来内插计算中心参考站c与流动站u的对流层误差改正数；

$\begin{array}{cc}\mathrm{\Δ}\▿T_{i,c}=a_1\mathrm{\Δ}{x}_{i,c}+a_2\mathrm{\Δ}{y}_{i,c}+a_3\mathrm{\Δ}{h}_{i,c}& i=\mathrm{1,2},\·\·\·n-1\end{array}---\left(1.2\right)$

式中：n为参考站数量，辅助参考站数量为n-1个，c表示中心参考站，T_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的对流层误差改正数，Δx_i，c，Δy_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的平面坐标差，Δh_i，c为辅助参考站i与中心参考站c之间的高程差，a₁、a₂、a₃为模型线性内插系数；

所述多参考站对流层改正数线性内插模型的观测方程如式(1.3)所示：

V_T＝X·A               (1.3)

式中： $V_T=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\▿T_{1,c}\\ \mathrm{\Δ}\▿T_{2,c}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{\Δ}\▿T_{n-1,c}\end{array}\right],X=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}{x}_{1,c}& \mathrm{\Δ}{y}_{1,c}& \mathrm{\Δ}{h}_{1,c}\\ \mathrm{\Δ}{y}_{2,c}& \mathrm{\Δ}{y}_{2,c}& \mathrm{\Δ}{h}_{2,c}\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ {\mathrm{\Δx}}_{n-1,c}& \mathrm{\Δ}{y}_{n-1,c}& \mathrm{\Δ}{h}_{n-1,c}\end{array}\right],$ A＝[a₁，a₂，a₃]

c)，解算所述式(1.3)得到线性内插系数a₁、a₂、a₃值，结合流动站u与中心参考站c之间的平面坐标差Δx_u，c，Δy_u，c以及高程差Δh_u，c，根据式(1.4)得到流动站u对流层误差内插改正数

$\mathrm{\Δ}\▿T_{u,c}=a_1\mathrm{\Δ}{x}_{u,c}+a_2\mathrm{\Δ}{y}_{u,c}+a_3\mathrm{\Δ}{h}_{u,c}---\left(1.4\right)$