CN104833993B - 一种基于卫星和接收机频间偏差之和的北斗定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于卫星和接收机频间偏差之和的北斗定位方法，获得北斗接收机的伪距和卫星位置数据以及全球电离层电子含量数据后，计算每颗卫星的倾斜因子，解算各颗可见卫星和接收机前一天的频间偏差之和及均值，把均值代入定位观测方程组，求解接收机坐标。本发明既避免了接收机和卫星频间偏差分离而带来的卫星频间偏差监测结果跳跃和监测精度受限等问题，又避免了接收机绝对校准引入的校准过程复杂和成本高等问题，可以在用户级快速、便捷、低成本、高精度地监测北斗卫星和接收机频间偏差之和，有效提升定位精度。

Description

一种基于卫星和接收机频间偏差之和的北斗定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法。

背景技术

由于GPS系统卫星时空参考点为双频无电离层虚拟天线电子相位中心，且GPS系统把卫星钟面时与时空参考点的时延吸收进卫星钟差，因此GPS双频用户在定位过程中不需要考虑卫星频间偏差的影响，仅单频用户需要考虑卫星频间偏差的影响。不同于GPS系统，北斗卫星导航系统的时空参考点为卫星B3频点的天线电子相位中心，并把B3频点卫星发射通道的时延吸收进钟差，在导航电文中广播B1、B2频点相对于B3频点的频间偏差，因此北斗系统B1、B2单频用户和所有双频用户的定位都需要考虑卫星频间偏差的影响。尽管随着工作环境的变化以及工作时间的增加卫星硬件延时会发生漂移，但是卫星和接收机的硬件时延是一个慢变量，具有良好的短期稳定性，对其进行定期监测更新即可。

北斗系统现有的定位解算方法按照定位解算方程组的定义直接代入卫星频间偏差用于定位解算，卫星频间偏差可以通过导航电文获取也可以通过用户监测解算获取。经过研究和在用户端进行实际定位解算发现现有方法存在一些问题，一方面导航电文广播的卫星频间偏差是从系统级进行监测的，在用户级使用时定位精度的提升效果并不是最优；另一方面用户监测卫星频间偏差存在很多困难，包括接收机延迟绝对校准这一业界难题引入的校准过程复杂和成本高等问题，也包括卫星和接收机频间偏差分离的解算矩阵秩亏需要采取约束条件而带来的卫星频间偏差监测结果跳跃和监测精度受限等问题。因此，有必要改进现有方法从而避免上述问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于卫星和接收机频间偏差之和的提高北斗定位精度的方法，把北斗卫星和接收机频间偏差之和应用于定位解算方程组，可以把用户级监测结果应用于定位从而提升定位精度，具有简单便捷、低成本、高精度和普遍适用性等优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)判断是否已经获取到北斗卫星和接收机频间偏差之和的数据，若是，则进入步骤5)，否则进入步骤2)；

2)实时采集北斗接收机的伪距和卫星位置数据，每天从IGS网站下载前一天的全球电离层电子含量数据；

3)计算每颗卫星的倾斜因其中，k为卫星编号，E^k为k号卫星仰角，R为地球半径，h为电离层单层高度；

计算k号卫星B1、B2、B3频点的电离层延迟

其中，f1、f2、f3分别为B1、B2、B3频点的频率值，VTEC为下载的全球电离层电子含量数据；

4)解算各颗可见卫星和接收机前一天的频间偏差之和，

其中，DCB12^k、DCB13^k、DCB23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星和接收机频间偏差之和，P1^k、P2^k、P3^k分别为k号卫星B1、B2、B3频点的伪距，TGD12^k、TGD13^k、TGD23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星频间偏差，IFB12、IFB13、IFB23分别为B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的接收机频间偏差，c为光速；

5)计算卫星和接收机频间偏差之和的均值，

其中n为至少一天监测频间偏差的历元数；

6)求解接收机坐标，

其中，是卫星k的位置坐标；(xr，yr，zr)是待求接收机位置坐标；δ_r为待求接收机钟差；为吸收了B3频点卫星发射通道时延的卫星钟差；ε^Tk为对流层延迟；为监测获取的卫星和接收机频间偏差之和的均值；τ_r3为接收机B3频点的接收通道时延，在定位解算过程中将被抵消。

本发明的有益效果是：基于接收机时延对定位没有影响的事实，提出把北斗卫星和接收机频间偏差之和应用到定位中去，既避免了接收机和卫星频间偏差分离而带来的卫星频间偏差监测结果跳跃和监测精度受限等问题，又避免了接收机绝对校准引入的校准过程复杂和成本高等问题。此外，可以在用户级快速、便捷、低成本、高精度地监测北斗卫星和接收机频间偏差之和，比导航电文发布的卫星频间偏差更能有效提升定位精度。本发明较现有方法可提高1至6米的定位精度，具有简单便捷、低成本、高精度等优势，且基于某一台接收机监测的卫星和接收机频间偏差之和可以直接应用于其他接收机的定位解算，具有普遍适用性。

附图说明

图1是北斗卫星和接收机频间偏差之和监测设备连接图；

图2是基于卫星和接收机频间偏差之和的定位流程图；

图3是B1单频定位误差图；

图4是B1、B3双频定位误差图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明包括以下1～5个步骤，如果已经获取到北斗卫星和接收机频间偏差之和的数据，则步骤1至步骤4可以省略，直接执行步骤5即可。

1.工控机实时采集北斗接收机的伪距和卫星位置数据，每天从IGS(International GNSS Service,国际GNSS(Global Navigation Satellite System,全球卫星导航系统)服务)网站下载前一天的全球电离层电子含量VTEC(Vertical TotalElectron Content,垂直总电子含量)数据。

2.每天在IGS发布的VTEC数据下载完成后，计算电离层延迟。首先计算倾斜因子其中，k为卫星编号，E^k为k号卫星仰角，R为地球半径，h为电离层单层高度；

计算k号卫星B1、B2、B3频点的电离层延迟公式如下：

其中，f1、f2、f3分别为B1、B2、B3频点的频率值，VTEC为步骤1中下载的全球总电子含量数据；

3.每天在电离层延迟计算完成后开始解算各颗可见卫星和接收机前一天的频间偏差之和，公式如下：

其中，k为卫星编号，DCB12^k、DCB13^k、DCB23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星和接收机频间偏差之和，P1^k、P2^k、P3^k分别为k号卫星B1、B2、B3频点的伪距，TGD12^k、TGD13^k、TGD23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星频间偏差，IFB12、IFB13、IFB23分别为B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的接收机频间偏差，c为光速；

4.对每天的监测结果进行统计平均，计算卫星和接收机频间偏差之和的均值，公式如下：

其中n为每天监测频间偏差的历元数，该均值可以代入步骤5进行定位解算。也可以进行长期监测，然后再利用步骤4的公式求长期统计平均结果，把该结果代入步骤5。

5.把步骤4求得的均值代入定位观测方程组，用于接收机坐标的求解；

其中，是卫星k位置坐标，利用星历参数可以计算得到；(xr，yr，zr)是待求接收机位置坐标；δ_r为待求接收机钟差；为吸收了B3频点卫星发射通道时延的卫星钟差，从导航电文可以获取；ε^Tk为对流层延迟，采用对流层模型可以计算得到；各个频点的电离层延迟可以采用双频伪距求解或者采用其它电离层模型计算得到；为监测获取的卫星和接收机频间偏差之和的均值；τ_r3为接收机B3频点的接收通道时延，在定位解算过程中将被抵消。

本实施例是一种基于卫星和接收机频间偏差之和的提高北斗系统定位精度的方法，实现过程包括卫星和接收机频间偏差之和的监测、定位解算两部分。

卫星和接收机频间偏差之和的监测是基于真实的北斗卫星信号，从IGS网站下载VTEC数据用于电离层延时的计算，然后从伪距中扣除电离层时延，从而得到待求的卫星和接收机频间偏差之和。如果已有卫星和接收机频间偏差之和监测结果，则不需要重复进行监测，直接将该数据代入定位解算方程组即可。

具体步骤如下：

步骤1.准备好北斗接收机、工控机、脉冲分配放大器等设备，搭建北斗卫星和接收机频间偏差监测系统，北斗接收机的天线放置于坐标已知的观测点上。

步骤2.工控机实时采集北斗接收机的伪距和卫星位置数据，每天从IGS网站下载前一天的全球电离层电子含量VTEC数据。

步骤3.每天在IGS发布的VTEC数据下载完成后，计算电离层延迟。首先计算倾斜因子其中，k为卫星编号，E^k为k号卫星仰角，R为地球半径，h为电离层单层高度；

计算k号卫星B1、B2、B3频点的电离层延迟公式如下：

其中，f1、f2、f3分别为B1、B2、B3频点的频率值，VTEC为步骤1中下载的全球总电子含量数据；

步骤4.每天在电离层延迟计算完成后开始解算各颗可见卫星和接收机前一天的频间偏差之和，公式如下：

其中，k为卫星编号，DCB12^k、DCB13^k、DCB23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星和接收机频间偏差之和，P1^k、P2^k、P3^k分别为k号卫星B1、B2、B3频点的伪距，TGD12^k、TGD13^k、TGD23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星频间偏差，IFB12、IFB13、IFB23分别为B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的接收机频间偏差，c为光速；

步骤5.对每天的监测结果进行统计平均，计算卫星和接收机频间偏差之和的均值，公式如下：

其中n为每天监测频间偏差的历元数，把该均值代入步骤6进行定位解算。也可以进行长期监测，然后再利用步骤5的公式求长期统计平均结果，把该结果代入步骤5。表1为2014年5月29日至6月8日卫星和接收机频间偏差之和的监测结果。

步骤6.把卫星和接收机频间偏差之和的均值代入下面观测方程组，用于接收机坐标的求解。是卫星k位置坐标，利用星历参数可以计算得到；(xr，yr，zr)是待求接收机位置坐标；δ_r为待求接收机钟差；为吸收了B3频点卫星发射通道时延的卫星钟差，从导航电文可以获取；ε^Tk为对流层延迟，采用对流层模型可以计算得到；各个频点的电离层延迟可以采用双频伪距求解或者采用其它电离层模型计算得到；为监测获取的卫星和接收机频间偏差之和的均值；τ_r3为接收机B3频点的接收通道时延，在定位解算过程中将被抵消，不予考虑或者代入一个常数即可。

如果已经有北斗卫星和接收机频间偏差之和的数据，则步骤1至步骤5均可以省略，直接执行步骤6即可。

由于有接收机坐标和钟差4个未知数，因此至少需要4颗可见星才能进行定位解算。由于4颗星对应的接收机的接收通道相同，则接收机频间偏差对于4颗卫星的伪距观测方程的影响相同，对卫星k和卫星j相应频点的伪距求差，得到下面3个方程，接收机频间偏差的影响被抵消掉，即接收机频间偏差对定位没有影响。

因此，无论是代入卫星频间偏差还是代入卫星和接收机频间偏差之和，对接收机坐标求解的影响是相同的。

由以上实施例可以看出，本发明的主要特点是基于接收机时延对定位没有影响的事实，把北斗卫星和接收机频间偏差之和应用到定位解算方程组，而现有方法是按照定位解算方程组的定义直接代入卫星频间偏差。卫星和接收机频间偏差之和的监测相对于直接监测卫星频间偏差来说具有下面三个优势：1.卫星和接收机频间偏差之和的监测比单独监测卫星频间偏差来说监测方法和监测过程更简单；2.仅需要少量资源即可实现卫星和接收机频间偏差之和的监测，监测成本更低，更易于在用户级执行监测过程；3.由于不需要对接收机频间偏差进行分离，卫星和接收机频间偏差之和的监测精度高于单纯的卫星频间偏差监测精度。此外，本发明还具有以下两个优势：1.用户级监测获取的卫星和接收机频间偏差之和对定位精度的改善效果优于导航电文发布的卫星频间偏差数据；2.基于一台接收机监测的卫星和接收机频间偏差之和可以直接应用到其他接收机的定位中去，具有普遍适用性。因此，本发明提出的基于卫星和接收机频间偏差之和的提高北斗系统定位精度的方法，在提高定位精度的同时降低了定位过程实施所要求的成本开销，还可以快速、便捷地推广使用，具有较好的发展前途和应用前景。

表1：北斗卫星和接收机频间偏差之和监测结果

Claims (1)

1.一种基于卫星和接收机频间偏差之和的北斗定位方法，其特征在于包括下述步骤：

1)判断是否已经获取到北斗卫星和接收机频间偏差之和的数据，若是，则进入步骤5)，否则进入步骤2)；

2)实时采集北斗接收机的伪距和卫星位置数据，每天从IGS网站下载前一天的全球电离层电子含量数据；

3)计算每颗卫星的倾斜因子其中，k为卫星编号，E^k为k号卫星仰角，R为地球半径，h为电离层单层高度；

计算k号卫星B1、B2、B3频点的电离层延迟

${{\mathrm{\ϵ}}_{i1}^I}^k=\frac{40.28\×VTEC}{f{1}^2}\×{\mathrm{factor}}^k$

${{\mathrm{\ϵ}}_{i2}^I}^k=\frac{40.28\×VTEC}{f{2}^2}\×{\mathrm{factor}}^k$

${{\mathrm{\ϵ}}_{i3}^I}^k=\frac{40.28\×VTEC}{f{3}^2}\×{\mathrm{factor}}^k$

其中，f1、f2、f3分别为B1、B2、B3频点的频率值，VTEC为下载的全球电离层电子含量数据；

4)解算各颗可见卫星和接收机前一天的频间偏差之和，

$DCB{12}^k=\left(\right(P{1}^k-P{2}^k)-({{\mathrm{\ϵ}}_{i1}^I}^k-{{\mathrm{\ϵ}}_{i2}^I}^k\left)\right)/c=TGD{12}^k+IFB12$

$DCB{13}^k=\left(\right(P{1}^k-P{3}^k)-({{\mathrm{\ϵ}}_{i1}^I}^k-{{\mathrm{\ϵ}}_{i3}^I}^k\left)\right)/c=TGD{13}^k+IFB13$

$DCB{23}^k=\left(\right(P{2}^k-P{3}^k\left)\right)-\left({{\mathrm{\ϵ}}_{i2}^I}^k-{{\mathrm{\ϵ}}_{i3}^I}^k\right))/c=TGD{23}^k+IFB23$

其中，DCB12^k、DCB13^k、DCB23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星和接收机频间偏差之和，P1^k、P2^k、P3^k分别为k号卫星B1、B2、B3频点的伪距，TGD12^k、TGD13^k、TGD23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星频间偏差，IFB12、IFB13、IFB23分别为B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的接收机频间偏差，c为光速；

5)计算卫星和接收机频间偏差之和的均值，

$\stackrel{\‾}{DCB{12}^k}=\frac{\mathrm{\Σ}DCB{12}^k}{n}$

$\stackrel{\‾}{DCB{13}^k}=\frac{\mathrm{\Σ}DCB{13}^k}{n}$

$\stackrel{\‾}{DCB{23}^k}=\frac{\mathrm{\Σ}DCB{23}^k}{n}$

其中n为至少一天监测频间偏差的历元数；DCB12^k、DCB13^k、DCB23^k分别为k号卫星B1-B2、B1-B3、B2-B3频点的卫星和接收机频间偏差之和；

6)求解接收机坐标，

$P{1}^k=\sqrt{{\left(X_s^k-xr\right)}^2+{\left(Y_s^k-yr\right)}^2+{\left(Z_s^k-zr\right)}^2}+c\·{\mathrm{\δ}}_r-c\·{\mathrm{\Δt}}_s^k+{\mathrm{\ϵ}}_{i1}^{Ik}+{\mathrm{\ϵ}}^{Tk}+c\·\stackrel{\‾}{DCB{13}^k}+c\·{\mathrm{\τ}}_{r3}$

$P{2}^k=\sqrt{{(X_s^k-xr)}^2+{(Y_s^k-yr)}^2+{(Z_s^k-zr)}^2}+c\·{\mathrm{\δ}}_r-c\·{\mathrm{\Δt}}_s^k+{\mathrm{\ϵ}}_{i2}^{Ik}+{\mathrm{\ϵ}}^{Tk}+c\·\stackrel{\‾}{DCB{23}^k}+c\·{\mathrm{\τ}}_{r3}$

$P{3}^k=\sqrt{{(X_s^k-xr)}^2+{(Y_s^k-yr)}^2+{(Z_s^k-zr)}^2}+c\·{\mathrm{\δ}}_r-c\·{\mathrm{\Δt}}_s^k+{\mathrm{\ϵ}}_{i3}^{Ik}+{\mathrm{\ϵ}}^{Tk}+c\·{\mathrm{\τ}}_{r3}$

其中，P1^k、P2^k、P3^k分别为k号卫星B1、B2、B3频点的伪距，是卫星k的位置坐标；(xr，yr，zr)是待求接收机位置坐标；为k号卫星B1、B2、B3频点的电离层延迟；c为光速；δ_r为待求接收机钟差；为吸收了B3频点卫星发射通道时延的卫星钟差；ε^Tk为对流层延迟；为监测获取的卫星和接收机频间偏差之和的均值；τ_r3为接收机B3频点的接收通道时延，在定位解算过程中将被抵消。