CN105911572A - 北斗接收机单频电离层改正选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种北斗接收机单频电离层改正选择方法，利用不同电离层可改正伪距的PDOP值形成电离层选择检验量T，通过电离层选择检验量T与门限值λ进行比较，当T≥λ时，直接使用格网修正进行定位，否则，利用所有观测伪距使用Klobuchar模型法修正电离层延迟后进行定位。本发明能够为北斗单频接收机提供一种电离层改正策略，并且有效提高格网有效边界用户的定位精度。

Description

北斗接收机单频电离层改正选择方法

技术领域

本发明涉及北斗卫星导航接收机研制领域，具体的说是一种北斗单频接收机电离层改正选择的方法，其可运用于各类北斗导航接收终端的具体研发中。

背景技术

电离层是一种色散介质，它位于地球表面70～1000km之间的大气层区域。多频用户可以通过多频电离层组合消除电离层延迟影响。而单频用户不能测定电离层延迟的大小，只能借助一些数学模型计算和校正电离层延迟。

为降低电离层延时对单频用户的影响，GPS系统采用Klobuchar模型，Galileo系统采用NeQuick模型。而北斗系统于2012年12月27日完成区域阶段部署，并为亚太大部分区域提供公开服务。为提高区域服务性能，北斗系统在广播Klobuchar模型参数的同时，也为用户提供区域电离层格网信息，且模型参数和格网信息的更新周期分别为1小时和6分钟。

由于北斗系统给用户提供两种单频电离层改正方法，因此将出现电离层改正方法选择的问题。通常而言，格网改正法精度会优于模型改正法。但是格网改正信息为区域增强信息，接口控制文件指出电离层格网覆盖范围为东经70～145度，北纬7.5～55度，按经纬度5×2.5度进行划分。由于受测站分布等因素影响，当前实际播发范围主要覆盖中国大部分国土以及东南沿海地区，因此对北斗接收机，特别是对位于格网边界附近接收机而言，可能出现部分观测量可以使用格网信息进行改正而部分观测量只能使用模型改正的问题。

发明内容

当接收机位于格网改正可用性较高区域时，通过分析可知使用格网改正能够获得较高的定位精度；当接收机远离格网改正区域时，北斗单频接收机仅可使用模型法计算电离层延迟值。而当接收机处于电离层格网改正边界时，出现部分观测可以使用格网改正而部分观测仅能使用模型改正时。此时虽然格网改正精度更高，但由于模型改正可用观测量较多，PDOP性能更好，因此在这种情况下存在电离层改正方法选择的问题。

针对电离层改正方法选择的问题，本发明提供一种北斗接收机单频电离层改正选择方法，其是一种基于PDOP(位置精度因子)比较的北斗接收机单频电离层改正选择方法。

本发明利用不同电离层可改正伪距的PDOP值形成电离层选择检验量，通过电离层选择检验量与门限值进行比较，然后选择合适的方法进行定位。在此，电离层选择检验量由当前历元可利用格网改正观测量的PDOP值PDOP_G和可使用模型改正的PDOP值PDOP_K构建，电离层选择检验量T＝PDOP_K/PDOP_G。门限值λ的取值范围是0～1。当T≥λ时，直接使用格网修正进行定位，无法进行格网修正的观测伪距不参与定位；否则，使用Klobuchar模型法修正电离层延迟后进行定位。

具体地，本发明采用的技术方案是：

一种北斗接收机单频电离层改正选择方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，设置门限值λ。门限值λ的取值范围是0～1。

进一步地，卫星导航系统定位误差可以表示为几何因子和伪距误差因子之积。因此由于检测量由位置精度因子构成，因此门限值λ的一个更为合理的获取方法可以通过统计伪距误差得到，如下所示

$\mathrm{\λ}=\frac{std\left({\mathrm{\ϵ}}_{grid}\right)}{std\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mod}el}\right)}---\left(1\right)$

其中ε_grid表示使用电离层格网时的伪距误差，ε_model表示电离层模型时的伪距误差，std(·)表示统计误差的标准差。其中，这两个伪距误差可以通过使用测站长期观测统计的方式获得，从而得到某一区域合理的门限值。

步骤S2，设置参与定位的仰角截止角，通过计算电离层穿刺点结合北斗系统广播电离层格网信息，选择定位历元可使用格网电离层改正的观测量。由于电离层模型改正适用全球范围，因此不需要筛选。

步骤S3，计算不同电离层可改正伪距的PDOP值

包括定位历元可利用格网改正观测量的PDOP值PDOP_G和可使用模型改正的PDOP值PDOP_K，这两种PDOP值均可采用以下方法计算求得：

首先利用观测卫星的仰角、方位角信息计算几何矩阵G

$G=\left[\begin{array}{cccc}-{\mathrm{cos\θ}}^{\left(1\right)}{\mathrm{sin\α}}^{\left(1\right)}& -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(1\right)}{\mathrm{cos\α}}^{\left(1\right)}& -{\mathrm{sin\θ}}^{\left(1\right)}& 1\\ -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(2\right)}{\mathrm{sin\α}}^{\left(2\right)}& -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(2\right)}{\mathrm{cos\α}}^{\left(2\right)}& -{\mathrm{sin\θ}}^{\left(2\right)}& 1\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(n\right)}{\mathrm{sin\α}}^{\left(n\right)}& -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(n\right)}{\mathrm{cos\α}}^{\left(n\right)}& -{\mathrm{sin\θ}}^{\left(n\right)}& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中θ⁽ⁱ⁾和α⁽ⁱ⁾分别为卫星i的观测仰角和方位角。然后，利用几何矩阵计算权系数阵H

H＝(G^TG)^-1 (3)

假设h_ii表示权系数阵H的对角线元素，则位置精度因子PDOP值可以通过下式计算

$PDOP=\sqrt{h_{11}+h_{22}+h_{33}}---\left(4\right)$

步骤S4，计算定位历元的电离层选择检验量T＝PDOP_K/PDOP_G，并与门限值λ进行比较，当T≥λ时，进入步骤S5，否则，进入步骤S6。

步骤S5，排除无法使用格网修正观测量，使用电离层格网信息修正观测量，使用电离层格网信息修正观测量，进入步骤S7。

步骤S6，使用电离层模型法修正观测量，进入步骤S7。

步骤S7，修正电离层延迟后，进一步修正对流层延迟、地球自转效应误差项，使用修正后伪距进行接收机位置、钟差进行解算。这里可使用最小二乘、加权最小二乘、卡尔曼滤波等方法进行解算。

本发明的有益效果是：

本发明能够为北斗单频接收机提供一种电离层改正策略，能够提高格网有效边界用户的定位精度。

附图说明

图1图解本发明北斗接收机单频电离层改正选择方法的原理流程图

图2历元489周346920秒是lha1测站仰角大于10度的卫星星空图

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

下面以lha1测站为例，结合附图对本发明北斗接收机单频电离层改正选择方法进行详细说明。

图1是本发明技术方案的原理流程示意图，如图所示，包括以下步骤：

步骤S1，通过统计伪距残差设置门限值λ为0.846。

步骤S2，设置仰角截止角为10度，在观测时刻489周346920秒时，lha1测站此时可观测到8颗仰角大于10度的北斗卫星，卫星号分别为1、2、3、5、6、7、9、10，星空图如图2所示。此时除卫星卫星9之外其余卫星观测伪距均可使用电离层格网进行修正。

步骤S3，计算可使用格网改正的观测量的位置精度因子，即由卫星1、2、3、5、6、7、10构成星座的PDOP值，结果为4.13；计算可使用模型改正的观测量的位置精度因子，即由卫星1、2、3、5、6、7、9、10构成星座的PDOP值，结果为3.90。

步骤S4，计算电离层选择检验量T，电离层选择检验量T为0.944。电离层选择检验量大于门限值λ，因此进入步骤S5

步骤S5，排除卫星9，使用卫星1、2、3、5、6、7、10使用格网修正，并进行下一步的定位处理。

步骤S6，进一步修正对流层延迟、地球自转效应误差项，使用最小二乘定位，定位结果为[-106937.59 5549277.03 3139219.69]。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种北斗接收机单频电离层改正选择方法，其特征在于：利用不同电离层可改正伪距的PDOP值形成电离层选择检验量T，通过电离层选择检验量T与门限值λ进行比较，当T≥λ时，直接使用格网修正进行定位，无法进行格网修正的观测伪距不参与定位；否则，使用Klobuchar模型法修正电离层延迟后进行定位；所述电离层选择检验量T＝PDOP_K/PDOP_G，其中PDOP_K表示当前历元可利用格网改正观测量的PDOP值，PDOP_G表示当前历元可使用模型改正的PDOP值；门限值λ的取值范围是0～1。

2.根据权利要求1所述的北斗接收机单频电离层改正选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，设置门限值λ

步骤S2，设置参与定位的仰角截止角，通过计算电离层穿刺点结合北斗系统广播电离层格网信息，选择定位历元可使用格网电离层改正的观测量；

步骤S3，计算不同电离层可改正伪距的PDOP值；

步骤S4，计算定位历元的电离层选择检验量T＝PDOP_K/PDOP_G，并与门限值λ进行比较，当T≥λ时，进入步骤S5，否则，进入步骤S6；

步骤S5，排除无法使用格网修正观测量，使用电离层格网信息修正观测量，进入步骤S7；

步骤S6，使用电离层模型法修正观测量，进入步骤S7；

步骤S7，修正电离层延迟后，进一步修正对流层延迟、地球自转效应误差项，使用修正后伪距进行接收机位置、钟差进行定位解算。

3.根据权利要求2所述的北斗接收机单频电离层改正选择方法，其特征在于，步骤S1中，门限值λ通过下式确定：

$\mathrm{\λ}=\frac{std\left({\mathrm{\ϵ}}_{grid}\right)}{std\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{mod}el}\right)}---\left(1\right)$

其中ε_grid表示使用电离层格网时的伪距误差，ε_model表示电离层模型时的伪距误差，std(·)表示统计误差的标准差。

4.根据权利要求2所述的北斗接收机单频电离层改正选择方法，其特征在于，步骤S3中，不同电离层可改正伪距的PDOP值包括定位历元可利用格网改正观测量的PDOP值PDOP_G和可使用模型改正的PDOP值PDOP_K，这两种PDOP值均可采用以下方法计算求得：

首先利用观测卫星的仰角、方位角信息计算几何矩阵G

$G=\left[\begin{array}{cccc}-{\mathrm{cos\θ}}^{\left(1\right)}{\mathrm{sin\α}}^{\left(1\right)}& -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(1\right)}{\mathrm{cos\α}}^{\left(1\right)}& -{\mathrm{sin\α}}^{\left(1\right)}& 1\\ -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(2\right)}{\mathrm{sin\α}}^{\left(2\right)}& -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(2\right)}{\mathrm{cos\α}}^{\left(2\right)}& -{\mathrm{sin\α}}^{\left(2\right)}& 1\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(n\right)}{\mathrm{sin\α}}^{\left(n\right)}& -{\mathrm{cos\θ}}^{\left(n\right)}{\mathrm{cos\α}}^{\left(n\right)}& -{\mathrm{sin\α}}^{\left(n\right)}& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中θ⁽ⁱ⁾和α⁽ⁱ⁾分别为卫星i的观测仰角和方位角；

然后，利用几何矩阵计算权系数阵H

H＝(G^TG)^-1 (3)

假设h_ii表示权系数阵H的对角线元素，则位置精度因子PDOP值可以通过下式计算

$PDOP=\sqrt{h_{11}+h_{22}+h_{33}}.---\left(4\right)$

5.根据权利要求2所述的北斗接收机单频电离层改正选择方法，其特征在于，步骤S7中使用最小二乘、加权最小二乘或者卡尔曼滤波方法进行定位解算。