CN107544081A - 顾及电离层约束的rtk定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种顾及电离层约束的RTK定位方法，基于GNSS非组合的双差观测值，通过附加电离层先验约束、空间域和时间域的约束信息，将电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，不仅高效解决了RTK定位中电离层误差影响，尤其是长基线条件下的电离层残差影响；而且相比常规的无电离层组合观测降低了观测噪声，使得长基线条件下RTK的定位精度更高更稳定。

Description

顾及电离层约束的RTK定位方法

技术领域

本发明涉及一种RTK定位方法。

背景技术

载波相位差分实时动态定位(RTK)是精密定位中最主要的数据处理技术之一，基于高精度的载波相位差分观测值即可以实时获取厘米级定位精度，因此已经得到深入研究和广泛应用，但其适用性和可拓展性仍存在一些缺陷。首先，最为显著的问题是RTK定位精度随着基线距离增加逐渐衰减，当基线距离较长(大于10km)时，双差观测值难以准确消除电离层残差，导致定位精度降低，并且收敛时间加长，同时模糊度固定准确率下降；此外，对于较长基线的RTK，常采用无电离层组合观测值，将放大观测噪声并影响模糊度的快速固定。顾及电离层约束信息的RTK定位方法，将电离层延迟误差附加约束信息并进行参数化估计，较好的解决了长基线RTK定位的实际问题，大大提升了RTK的作业范围和作业领域。

发明内容

为了克服现有技术在长基线条件下定位精度衰减，收敛时间加长，模糊度固定准确率下降，且双差无电离层组合观测噪声放大等不足，本发明提供一种顾及电离层约束信息的RTK定位方法，基于GNSS非组合的双差观测值，通过附加电离层先验约束、空间域和时间域的约束信息，将电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，不仅高效解决了RTK定位中电离层误差影响，尤其是长基线条件下的电离层残差影响；而且相比常规的无电离层组合观测降低了观测噪声，使得长基线条件下RTK的定位精度更高更稳定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括建立多系统RTK双差观测方程模型和双差电离层残差约束模型两步。

第一步，基于多GNSS系统非组合的双差观测值，考虑电离层和对流层残余误差的影响，建立双差的RTK观测模型，实时估计用户和基准站间的基线向量以及模糊度、电离层、对流层参数；

第二步，确定双差电离层残差约束模型，将双差的电离层残差当作未知参数进行实时估计，并附加先验约束，空间域和时间域的信息约束，消除双差电离层残差影响。

本发明的有益效果是：

第一，解决了中长基线RTK定位精度衰减问题。本发明将双差电离层残差进行参数估计，高效解决了中长距离RTK中电离层残差难以准备处理的问题，有效的抵抗了常规RTK随基线长度增加定位精度的衰减。

第二，解决了中长基线RTK定位模糊度快速准确固定问题。对于中长基线RTK，常基于无电离层组合观测来消除电离层误差影响，但是存在噪声放大现象，导致模糊度的收敛较慢且准确性下降。本发明仍然采用非组合观测值，并基于附加约束信息的参数估计思想高效消除电离层误差，避免了噪声放大影响，解决了中长基线RTK定位模糊度快速准确固定问题。

第三，拓展了RTK作用范围和作业领域。本发明通过高效解决电离层误差，既保障了长距离RTK定位精度，又保障了模糊度的快速准确固定，将大大增加RTK的有效作用范围，同时作业领域也将得到延伸。

附图说明

图1是顾及电离层约束信息的RTK定位方法实施框图。

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。

本发明基于GNSS非组合的双差观测值，通过附加电离层先验约束、空间域和时间域的约束信息，将电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，不仅高效解决了RTK定位中电离层误差影响，尤其是长基线条件下的电离层残差影响；而且相比常规的无电离层组合观测降低了观测噪声，使得长基线条件下RTK的定位精度更高更稳定。基于该模型，长距离RTK用户仍可快速准确固定模糊度，实时获取厘米级动态位置信息，大大提升了RTK的作业范围和作业领域。

本发明包括建立多系统RTK双差观测方程模型和双差电离层残差约束模型两步。

第一步，建立多系统RTK双差观测方程模型

基于多GNSS系统非组合的双差观测值，通过精细考虑电离层和对流层残余误差的影响，建立双差的RTK观测模型，可实时估计用户和基准站间的基线向量以及模糊度、电离层、对流层参数。

第二步，确定双差电离层残差约束模型

通常，在短基线条件下，电离层误差可以通过双差观测进行有效消除；在长基线条件下，电离层误差可以通过组无电离层组合方程进行消除，但是它会放大观测噪声，影响模糊度的快速准确固定。本发明中，将双差的电离层残差当作未知参数进行实时估计，并附加先验约束，空间域和时间域的信息约束，高效解决了双差电离层残差影响。

本发明的技术方案主要包括两个核心技术：

(1)多系统双差RTK观测方程模型

GNSS伪距和载波相位的双差观测值线性化后可以表达为如下形式：

其中，角标i和j分别代表基准站和用户站，p和q表示卫星，并且p代表参考卫星。ij表示站间差分，pq表示星间差分。ρ是站星间几何距离，P，Φ分别为伪距和载波相位观测值，λ为载波波长。dX、dY、dZ为需要求解的基线向量，l、m和n代表卫星和接收机间的单位矢量。Amb代表载波相位模糊度，δI和δT代表电离层和对流层延迟。t表示信号接收时间，f₁和f₂为频率，ε为观测噪声，P₁、P₂、L₁、L₂分别表示两个频率上的伪距和相位观测。另外，双差变量按照如下方式定义：

这里δ为标准差，M_T(t)为对流层延迟湿分量投影系数。

(2)双差电离层残差约束模型

本发明中，通过附加电离层先验约束，空间域和时间域的信息约束，将双差的电离层残差当作未知参数进行实时估计。

①先验信息约束

对于电离层先验信息约束，可以采用常规的Klobuchar模型或是Bent模型。本发明中，利用IGMAS分析中心提供的实时电离层模型进行先验信息约束，其精度为3-6TECU。电离层先验信息约束模型可以用以下方程表示：

这里，为电离层延迟的投影系数，它可以由单层模型计算。代表垂直方向上的总电子含量。

基于先验电离层信息约束，双差观测电离层残差的虚拟观测方程可以写成如下形式：

为先验信息噪声ε_prior的方差，可以设定为10-20cm²。

②空间约束

电离层VTEC的空间特性可以表达为与经差、纬差有关的平面函数，如公式(17)所示。

这里，m₀，n₀为平面模型的阶数，因对单站而言，电离层穿刺点的分布较近，可以定为2阶。λ为穿刺点的经纬度；λ₀为测站的经纬度；E_ij为平面模型的系数。当历元观测到的卫星个数多于4颗时，可以基于方程(18)求解平面模型系数，除首历元外当历元观测卫星个数小于4颗时，采用上一历元的系数代替本历元的系数。

基于空间信息约束，双差观测电离层残差的虚拟观测方程可以写成如下形式：

为空间约束ε_space的噪声方差，可以设定为5-10cm²。

③时间域约束

根据电离层变化的特性，VTEC随时间变化缓慢，可以采用随机过程进行描述。本发明将双差的电离层残差用一个随机游走过程表达，如式(20)。

这里，代表双差电离层残差的历元变化，为时间约束ε_temp的方差，可以设定为1-2(cm/s)²。

本发明的实施例具体包括以下步骤：

第一步，实时数据输入与预处理。输入基准站和用户站原始观测数据，广播星历产品和电离层先验信息。并对原始数据进行预处理分析，得到干净的数据。

第二步，RTK解算。首先，组成双差观测方程和电离层约束的虚拟观测方程，进行最小二乘解算，得到浮点解，并进行模糊度的固定和质量控制，得到最终的固定解结果。

第三步，结果输出。将RTK定位结果和精度信息通过通信手段实时输出给用户。

Claims (1)

1.一种顾及电离层约束的RTK定位方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，基于多GNSS系统非组合的双差观测值，考虑电离层和对流层残余误差的影响，建立双差的RTK观测模型，实时估计用户和基准站间的基线向量以及模糊度、电离层、对流层参数；

第二步，确定双差电离层残差约束模型，将双差的电离层残差当作未知参数进行实时估计，并附加先验约束，空间域和时间域的信息约束，消除双差电离层残差影响。