CN107064972B - 一种gnss原始观测数据变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS原始观测数据变换方法，涉及卫星导航、大地测量领域。所述方法：获取接收机I观测得到的与任意一颗卫星i之间的GNSS原始观测数据，设定一个与所述接收机I存在相关性的假定接收机I′的空间坐标；在GNSS原始观测数据的基础上，进行接收机I的真实坐标解算及卫星位置计算，最后结合假定接收机I′的空间坐标，得到所述接收机I真实位置的空间坐标；通过R′＝R+dρ计算得到变换后的原始码伪距R′；通过公式计算得到变换后的原始载波相位观测值L′。本发明实现高精度卫星导航定位基准站坐标和观测数据的保密处理，同时，提供的新的观测数据在进行相对定位、差分定位时，又具有与原数据相同的作用和功能。

Description

一种GNSS原始观测数据变换方法

技术领域

本发明涉及卫星导航、大地测量领域，尤其涉及一种GNSS原始观测数据变换方法。

背景技术

卫星导航定位的基本原理是采用多颗卫星到接收机的欧式距离进行空间几何交会获得接收机的空间位置。因为从本质上来说，接收机的原始观测数据与接收机的空间位置是密切相关和等价的，所以通过长时间的静态观测可以非常精确地解算出接收机的空间坐标。

现有技术中要想获得观测数据的完成必然会涉及到接收机真实位置的泄漏，故需要一种方法在隐藏接收机真实位置的基础上，保证观测数据的各种信息的完整。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GNSS原始观测数据变换方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明所述GNSS原始观测数据变换方法，所述方法包括：

S1，获取接收机I观测得到的与任意一颗卫星i之间的GNSS原始观测数据；所述GNSS原始观测数据包括原始码伪距R和原始载波相位观测值L；设定所述卫星i的空间坐标为(Xs,Ys,Zs)；

S2，设定一个与所述接收机I存在相关性的假定接收机I′的空间坐标，记为(Xr′,Yr′,Zr′)；

在GNSS原始观测数据的基础上，进行接收机I的真实坐标解算及卫星位置计算，最后结合假定接收机I′的空间坐标，得到所述接收机I真实位置的空间坐标，记为(Xr,Yr,Zr)；

所述相关性包括所述接收机I与所述假定接收机I′之间的直线距离在预先设定的阈值内，且所述接收机I与所述假定接收机I′在大地高方向上的变化在预先设定的阈值范围内；

S3，通过公式(1)计算得到变换后的原始码伪距R′；通过公式(2)计算得到变换后的原始载波相位观测值L′；

R′＝R+dρ (1)

其中：c是真空中的光速；f是相应载波相位的频率；

dρ是几何距离修正量，dρ按照公式(3)计算：

优选地，步骤S1中，原始码伪距R的计算公式为公式(4)：

原始载波相位观测值L的计算公式为公式(5)

其中：λ是载波相位对应的波长；δClks、δClkr、δAtm依次是卫星钟差、接收机钟差、大气延迟；N是载波相位的整周模糊度；ε是观测噪声。

优选地，步骤S2中，在GNSS原始观测数据的基础上，进行接收机I的真实坐标解算，按照下述实现：

在所述接收机I观测得到的GNSS原始观测数据的基础上，采用伪距最小二乘单点定位，获得接收机的真实位置米级精度的三维空间坐标；

或者采用原始码伪距R和原始载波相位观测值L，结合国际组织提供的精密轨道和钟差数据，通过载波相位精密单点定位算法，获得接收机的真实位置亚米级至厘米级精度的三维空间坐标。

优选地，步骤S2中，在GNSS原始观测数据的基础上，进行卫星位置计算，具体为：在GNSS原始观测数据的基础上，进行实时定位条件下的卫星位置计算，提取GNSS原始观测数据中的时间信息，通过卫星导航系统的绝对时间直接求解得到卫星位置：

其中，实时定位条件下的卫星位置计算过程中采用广播星历；

当卫星导航系统为GPS系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，GPS系统的轨道参数为开普勒轨道参数和轨道摄动修正参数；

当卫星导航系统为Glonass系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，Glonass系统使用列表星历数据；

当卫星导航系统为北斗卫星导航系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，北斗卫星导航系统使用开普勒轨道参数和轨道摄动参数；

当卫星导航系统为Galileo系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，Galileo系统使用开普勒轨道参数和摄动参数。

本发明的有益效果是：

本发明解决卫星导航领域基准站数据安全保密问题的关键技术之一，在理论上具有科学性，在工程应用上具有可操作性，基于所述方法很好地实现高精度卫星导航定位基准站坐标和观测数据的保密处理，同时，提供的新的观测数据在进行相对定位、差分定位时，又具有与原数据相同的作用和功能，所以该专利技术在理论和实践应用上都是学科前沿水平。

附图说明

图1是所述GNSS原始观测数据变换方法的流程示意图；

图2是假定接收机、接收机和卫星的位置示意图；

图3是接收机和卫星的位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本发明所述GNSS原始观测数据变换方法，所述方法包括：

S1，获取接收机I观测得到的与任意一颗卫星i之间的GNSS原始观测数据；所述GNSS原始观测数据包括原始码伪距R和原始载波相位观测值L；设定所述卫星i的空间坐标为(Xs,Ys,Zs)；

S2，设定一个与所述接收机I存在相关性的假定接收机I′的空间坐标，记为(Xr′,Yr′,Zr′)；

在GNSS原始观测数据的基础上，进行接收机I的真实坐标解算及卫星位置计算，最后结合假定接收机I′的空间坐标，得到所述接收机I真实位置的空间坐标，记为(Xr,Yr,Zr)；

所述相关性包括所述接收机I与所述假定接收机I′之间的直线距离在预先设定的阈值内，且所述接收机I与所述假定接收机I′在大地高方向上的变化控制在预先设定的阈值范围内；

S3，通过公式(1)计算得到变换后的原始码伪距R′；通过公式(2)计算得到变换后的原始载波相位观测值L′；

R′＝R+dρ (1)

其中：c是真空中的光速；f是相应载波相位的频率；

dρ是几何距离修正量，dρ按照公式(3)计算：

关于本实施例所述GNSS原始观测数据变换方法的更详细的解释说明为：

(一)关于GNSS原始观测数据

随着卫星导航定位技术的发展，卫星导航系统已经形成了美国GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的BDS和欧洲的Galileo并存的状态，同时，某些区域的系统如日本的QZSS等也能在GPS的基础上增强用户的定位性能。因此，广义的GNSS通常包含各种可提供区域和全球定位的卫星导航系统。

GNSS定位的原理本质上是几何交会，通过测量多颗卫星到接收机的空间距离，当卫星的位置已知时，就可以直接解析出接收机的空间位置。所以，GNSS原始观测数据就是接收机天线到卫星天线的距离观测值，由于GNSS接收机采用了单向的卫星信号，测量获得的距离观测值中包含了接收机的钟差和相关的卫星钟差，因此，该GNSS原始观测数据实际上是一个伪观测数据。

GNSS卫星信号都采用的是基于扩频通信技术的扩频信号，GNSS原始观测数据包括码伪距观测值和载波相位观测值。同时，为了克服电离层的折射影响，各个GNSS系统都支持了多个频率的信号。

步骤S1中，原始码伪距R的计算公式为公式(4)：

原始载波相位观测值L的计算公式为公式(5)

其中：λ是载波相位对应的波长；δClks、δClkr、δAtm依次是卫星钟差、接收机钟差、大气延迟；N是载波相位的整周模糊度；ε是观测噪声。

(二)关于GNSS原始观测数据变换

所述GNSS原始观测数据变换方法中涉及到的数据变换就通过对观测值增加人为改正，实现接收机的真实空间坐标能够得到隐藏，即采用变换后的数据进行接收机的定位解算，故无论采用什么软件和方法，都不能获得接收机真实的位置。

(三)关于接收机坐标的解算

由于接收机的坐标本身就是GNSS原始观测数据的函数，接收机坐标的定位精度虽然与多种因素有关，但在本申请中，针对后续不同的定位精度的需求，可分别采用不同的定位方法获取接收机真实坐标。更详细的举例说明为：

步骤S2中，在GNSS原始观测数据的基础上，进行接收机I的真实坐标解算，按照下述实现：

在所述接收机I观测得到的GNSS原始观测数据的基础上，采用伪距最小二乘单点定位，获得接收机的真实位置米级精度的三维空间坐标；

或者采用原始码伪距R和原始载波相位观测值L，结合国际组织提供的精密轨道和钟差数据，通过载波相位精密单点定位算法，获得接收机的真实位置亚米级至厘米级精度的三维空间坐标。

同时，因为使用者得到的并不是处于真实位置的接收机发送的GNSS原始观测数据，而是变换后的GNSS原始观测数据，故，使用者在计算接收机真实位置时，得到的位置信息并不是接收机的真实位置。

(四)假定接收机坐标的确定

假定接收机空间坐标的确定无固定的方法，可以采用随机函数产生坐标，也可以按一定的算法规则产生坐标。但假定接收机空间坐标必须满足的条件是：

1、假定的接收机位置坐标与接收机真实位置之间的距离控制在一定的范围内。

2、假定的接收机空间坐标尽量与真实的接收机在大地高方向不要有大的变化。

(五)卫星位置计算

步骤S2中，在GNSS原始观测数据的基础上，进行卫星位置计算，具体为：在GNSS原始观测数据的基础上，进行实时定位条件下的卫星位置计算，提取GNSS原始观测数据中的时间信息，通过卫星导航系统的绝对时间直接求解得到卫星位置：

其中，实时定位条件下的卫星位置计算过程中采用广播星历；

当卫星导航系统为GPS系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，GPS系统的轨道参数为开普勒轨道参数和轨道摄动修正参数；

当卫星导航系统为Glonass系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，Glonass系统使用列表星历数据；

当卫星导航系统为北斗卫星导航系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，北斗卫星导航系统使用开普勒轨道参数和轨道摄动参数；

当卫星导航系统为Galileo系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，Galileo系统使用开普勒轨道参数和摄动参数。

卫星位置的计算可参照各个卫星导航系统的接口控制文件，本专利涉及的卫星位置计算都是针对实时定位条件下的卫星位置计算，因此，卫星位置的计算采用的必须是广播星历，其中GPS系统的轨道参数采用了开普勒轨道参数和轨道摄动修正参数、Glonass系统采用了列表星历数据，北斗卫星导航系统采用了开普勒轨道参数和轨道摄动参数，Galileo系统采用了开普勒轨道参数和摄动参数。

由于GNSS原始观测值数据本身包含了时间信息，因此通过各个卫星导航系统的绝对时间可以直接求解得到卫星位置。

(六)关于变换后的GNSS原始观测值数据

变换后的GNSS原始观测值数据就是在原先的GNSS原始观测值数据的基础上，增加距离修正量。在计算载波相位时需要除以相应频率的波长，获得准确的载波相位值。

关于f是相应载波相位的频率如表1所示：

表1各个卫星导航系统的相应载波相位的频率f

本发明所述方法应用于GNSS接收机的原始观测数据的单向等价变换，实现对真实基准站原始观测数据的屏蔽，从而实现对基准站位置的屏蔽。本发明所述方法，实现了对接收机真实位置的隐藏，同时还保持了观测数据上的各种信息的完整。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明解决GNSS接收机原始观测数据的数据安全问题的关键技术之一，在理论上具有科学性，在工程应用上具有可操作性，基于所述方法很好地实现我国高精度卫星导航定位基准站坐标和观测数据的数据安全技术处理，同时，提供的新的观测数据在进行相对定位、差分定位时，又具有与原数据相同的作用和功能，所以该专利技术在理论和实践应用上都是学科前沿水平。

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本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种GNSS原始观测数据变换方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，获取接收机I观测得到的与任意一颗卫星i之间的GNSS原始观测数据；所述GNSS原始观测数据包括原始码伪距R和原始载波相位观测值L；设定所述卫星i的空间坐标为(Xs,Ys,Zs)；

S2，设定一个与所述接收机I存在相关性的假定接收机I′的空间坐标，记为(Xr′,Yr′,Zr′)；

在GNSS原始观测数据的基础上，进行接收机I的真实坐标解算及卫星位置计算，最后结合假定接收机I′的空间坐标，得到所述接收机I真实位置的空间坐标，记为(Xr,Yr,Zr)；

所述相关性包括所述接收机I与所述假定接收机I′之间的直线距离在预先设定的阈值内，且将所述接收机I与所述假定接收机I′在大地高方向上的变化控制在预先设置的阈值范围内；

S3，通过公式(1)计算得到变换后的原始码伪距R′；通过公式(2)计算得到变换后的原始载波相位观测值L′；

R′＝R+dρ (1)

其中：c是真空中的光速；f是相应载波相位的频率；

dρ是几何距离修正量，dρ按照公式(3)计算：

2.根据权利要求1所述GNSS原始观测数据变换方法，其特征在于，步骤S1中，原始码伪距R的计算公式为公式(4)：

原始载波相位观测值L的计算公式为公式(5)

其中：λ是载波相位对应的波长；δClks、δClkr、δAtm依次是卫星钟差、接收机钟差、大气延迟；N是载波相位的整周模糊度；ε是观测噪声。

3.根据权利要求1所述GNSS原始观测数据变换方法，其特征在于，步骤S2中，在GNSS原始观测数据的基础上，进行接收机I的真实坐标解算，按照下述实现：

在所述接收机I观测得到的GNSS原始观测数据的基础上，采用伪距最小二乘单点定位，获得接收机的真实位置米级精度的三维空间坐标；

或者采用原始码伪距R和原始载波相位观测值L，结合国际组织提供的精密轨道和钟差数据，通过载波相位精密单点定位算法，获得接收机的真实位置亚米级至厘米级精度的三维空间坐标。

4.根据权利要求1所述GNSS原始观测数据变换方法，其特征在于，步骤S2中，在GNSS原始观测数据的基础上，进行卫星位置计算，具体为：在GNSS原始观测数据的基础上，进行实时定位条件下的卫星位置计算，提取GNSS原始观测数据中的时间信息，通过卫星导航系统的绝对时间直接求解得到卫星位置：

其中，实时定位条件下的卫星位置计算过程中采用广播星历；

当卫星导航系统为GPS系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，GPS系统的轨道参数为开普勒轨道参数和轨道摄动修正参数；

当卫星导航系统为Glonass系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，Glonass系统使用列表星历数据；

当卫星导航系统为北斗卫星导航系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，北斗卫星导航系统使用开普勒轨道参数和轨道摄动参数；

当卫星导航系统为Galileo系统时，进行实时定位条件下的卫星位置计算过程中，Galileo系统使用开普勒轨道参数和摄动参数。