CN107561568A - 基于统一模型的北斗非差非组合ppp‑rtk定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于统一模型的北斗非差非组合PPP‑RTK定位方法，对于全球的用户，通过接收实时轨道、钟差改正数，进行非差非组合PPP解算，经过初始化实现分米‑厘米级精密定位；对于区域的用户，通过接收区域的综合误差改正数，进行非差网络RTK解算，经过初始化实现厘米级精密定位。本发明可以实现非差PPP和非差网络RTK数据处理的无缝链接，提供快速和高精度的定位服务，并且可以获取电离层总电子含量和接收机的差分码偏差信息。

Description

基于统一模型的北斗非差非组合PPP-RTK定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位建模方法。

背景技术

精密单点定位(PPP)和载波相位差分实时动态定位(RTK)是精密定位中主要的数据处理技术，它们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，当前的精密单点定位采用非差定位技术，电离层误差处理中双频观测采用无电离层组合消除，相比非组合观测值存在噪声误差放大现象；单频观测采用模型改正，精度较低；同时当前的RTK和网络RTK均采用双差技术，需要用户和基站间的双向通信，对于大数量用户存在通信阻塞的问题；此外，PPP和网络RTK两种技术在数据处理的模型上没有得到较好统一，不能实现导航定位数据处理和服务的无缝连接。非差非组合PPP和非差网络RTK技术的融合统一是GNSS数据处理的发展趋势，它将简化数据处理模式，提升服务的性能，促进卫星导航的产业化推广应用。

发明内容

为了克服现有PPP技术中双频电离层误差采用无电离层组合消除放大了观测噪声、单频电离层误差消除采用模型改正精度较低的缺陷，RTK和网络RTK均采用双差技术和双向通信模式，存在噪声放大和通信压力的不足，本发明提供一种基于统一模型的北斗非差非组合PPP/RTK定位方法，将电离层误差融入到定位模型中进行参数估计或区域综合误差改正，基于不同形式的改正信息，通过非差统一模型实现PPP和RTK数据处理和定位服务的无缝链接。因所有的改正信息均是从服务端到用户端的单向传递，本发明高效解决了通信复杂度和压力问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，服务端广域与局域精密产品生成

(1)广域精密产品生成

在服务端，接收全球范围的GNSS基准站数据，进行实时精密定轨和钟差估计，得到精密轨道和钟差改正数产品；

(2)局域非差综合改正数生成

基于区域的GNSS基准站数据和广域精密产品，首先进行双差基线解算，得到双差模糊度浮点解，并选定非差模糊度整数基准，恢复得到非差模糊度，进而获取非差综合误差改正数；

第二步，用户端非差非组合的PPP/RTK定位

(1)广域非差非组合PPP定位

对于全球用户，基于精密产品对卫星轨道、钟差进行改正，并对对流层、相对论效应、地球自转、潮汐、天线相位中心误差进行模型改正，电离层误差通过增加空间约束、时间约束和先验信息约束进行估计，并采用非差非组合模型进行绝对单点定位，得到增强的PPP解；

(2)局域非差网络RTK定位

对于局域用户，基于非差综合误差改正数对观测值进行综合误差改正，并进行非差非组合模型的绝对单点定位，得到非差非组合的网络RTK解；

(3)PPP/RTK定位无缝连接

广域非差非组合PPP与局域非差网络RTK定位的无缝连接分为两类情况：一是从网外到网内的连接：定位精度从米级、分米级向分米、厘米级过渡；服务范围从广域百千公里向局域几十公里过渡；初始化时间从20分钟向1分钟过渡；二是从网内到网外的连接：定位精度从分米、厘米级向米级、分米级过渡；服务范围从局域几十公里向广域百千公里过渡；初始化时间从1分钟向20分钟过渡。

本发明的有益效果是：

第一，实现了PPP/RTK定位中数据处理模型的统一。本发明将精密定位中非差非组合PPP技术和非差网络RTK技术两种数据处理模型进行了有机统一，实现了数据处理的无缝链接。基于统一的数据处理模型，使用全球的轨道、钟差、电离层改正数信息可以实现PPP服务，使用区域的综合误差改正信息可以实现网络RTK服务。

第二，实现了PPP/RTK定位服务的无缝连接。网外到网内的连接：定位精度从米级、分米级向分米、厘米级过渡；服务范围从广域百千公里向局域几十公里过渡；初始化时间从20分钟向1分钟过渡。网内到网外的连接：定位精度从分米、厘米级向米级、分米级过渡；服务范围从局域几十公里向广域百千公里过渡；初始化时间从1分钟向20分钟过渡。

第三，获取了电离层TEC附属产品。本发明中电离层延迟误差通过附加先验信息约束、空间约束和时间约束进行估计，不仅有效解决了电离层延迟误差，同时可以提取电离层的总电子含量，可以实现电离层的监测与建模。

附图说明

图1是PPP/RTK无缝定位与服务实施框图。

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。

本发明将非差非组合PPP和非差网络RTK两种定位方法进行了有机统一。基于统一的数据处理模型，用户通过使用不同类型的改正信息，可以实现PPP和RTK定位服务的无缝连接。对于全球用户，通过接收实时轨道、钟差改正数，进行非差非组合PPP解算，经过20～30分钟的初始化时间，可以实现分米～厘米级精密定位。对于区域的用户，通过接收区域的综合误差改正数，进行非差网络RTK解算，经过数秒钟的初始化时间，可以实现厘米级精密定位。此外，该模型还可用于电离层的TEC监测和建模。

本发明包括以下步骤：

第一步：服务端广域与局域精密产品生成

(1)广域精密产品生成

在服务端，接收全球范围的GNSS基准站数据，进行实时精密定轨和钟差估计，得到精密轨道和钟差改正数产品。

(2)局域非差综合改正数生成

基于区域的GNSS基准站数据和广域精密产品，首先进行双差基线解算，得到双差模糊度浮点解，并选定非差模糊度整数基准，恢复得到非差模糊度，进而获取非差综合误差改正数。

第二步：用户端非差非组合的PPP/RTK定位

(1)广域非差非组合PPP定位

对于全球用户，基于精密产品对卫星轨道、钟差进行改正，并对对流层、相对论效应、地球自转、潮汐、天线相位中心误差进行模型改正，电离层误差通过增加空间约束、时间约束和先验信息约束进行估计，并采用非差非组合模型进行绝对单点定位，得到增强的PPP解。

(2)局域非差网络RTK定位

对于局域用户，基于非差综合误差改正数对观测值进行综合误差改正，并进行非差非组合模型的绝对单点定位，得到非差非组合的网络RTK解。

(3)PPP/RTK定位无缝连接

广域非差非组合PPP与局域非差网络RTK定位的无缝连接可以分为两类情况：一是从网外到网内的连接：定位精度从米级、分米级向分米、厘米级过渡；服务范围从广域百千公里向局域几十公里过渡；初始化时间从20分钟向1分钟过渡。二是从网内到网外的连接：定位精度从分米、厘米级向米级、分米级过渡；服务范围从局域几十公里向广域百千公里过渡；初始化时间从1分钟向20分钟过渡。

本发明的实施例具体包括以下步骤：

第一步，全球精密产品实时生成。产品中心接收到全球和局域基准站的北斗观测数据，进行综合解算分析，得到全球产品；其全球产品为精密轨道、钟差和电离层改正数。注意，这一步由GNSS产品中心完成，不属于本发明的内容。

第二步，区域的非差综合误差改正数生成。基于区域的基准站观测数据，通过选定非差模糊度基准，将双差模糊度恢复得到非差整数模糊度，进而提取非差综合误差改正数。

第三步，精密产品实时播发。根据用户请求，通过Caster播发系统将精密产品实时播发给用户；对于全球用户，播发的是实时轨道、钟差和电离层产品，对于局域用户，播发的是非差综合误差改正数。

第四步，PPP/RTK统一定位处理。结合用户观测数据和接收到的精密产品改正信息，进行非差非组合PPP与网络RTK的融合处理，实现无缝连接的精密导航定位服务。

本发明的技术方案主要包括四个核心技术：

(1)非差非组合观测值中综合误差改正数提取与建模

基于星间和站间的双差模糊度为整数的约束条件，选择一条基线中主测站上卫星的非差模糊度的整数部分作为基准模糊度，可以恢复差分站上其它卫星的非差模糊度的整数部分，且通过基准模糊度在各历元间和测站间进行传递，可以恢复全网所有观测的非差模糊度的整数部分，进而可以提取非差非组合观测值中综合误差改正数，其具体算法和步骤如下：

(a)收集基准网站点GNSS观测数据(n个测站)。

(b)时间同步后，任意选择一个可用观测卫星数最多的测站作为主测站(记为b)，从剩下的观测站里选择与主测站b最近且共同观测卫星数大于4颗的测站作为差分站(记为r)，组成一条基线b-r。

(c)利用无电离层组合(LC组合)与宽项组合(MW组合)或非差非组合PPP方法计算出主测站b上所有观测卫星L1和L2两个频段上的非差整周模糊度浮点解，并强制取整(整数)，以此作为后续的非差模糊度整数基准，基准模糊度的系统差在用户端会被接收机钟差吸收，因而对用户端的定位解算没有影响。

(d)利用双差RTK算法，解算基线向量b-r，利用差分站r上的固定的双差模糊度(整数)和主测站b的非差模糊度基准(整数分别表示基准站上卫星i，j的非差模糊度基准和用户站上i卫星非差模糊度基准)，共同推算出差分站r上的非差模糊度(整数)，这里首先需要用与步骤(c)中相同的方法来确定差分站r上作星间单差的参考卫星i的非差整周模糊度的整数基准(整数)。

(e)以差分站r作为主测站，利用与步骤(b)相同的方法选择出下一个需要解算的差分站组成新的基线，利用原差分站r上推算出来的非差模糊度(整数)和步骤(d)中的算法，进而逐个确定每个测站上的非差模糊度(整数)。

(f)根据每个站的非差模糊度(整数)、卫星及测站坐标计算各测站伪距、载波非差非组合综合改正数(和即轨道、钟差残差和电离层、对流层等各种误差的耦合值)，其它变量含义同上。

(g)在用户端，选择包含用户且空间距离最近的三个测站作为基准站，利用各测站播发的非差综合改正数采用线性内插方法，获取用户端的某卫星非差改正数计算公式为：

其中，1，2，3为基准站标识，x，y为各测站的平面坐标。

(2)用户端非差非组合PPP技术

北斗广域非差非组合PPP定位主要涉及非差非组合观测值电离层延迟误差修正和非差非组合精密单点定位两部分内容。

①非差非组合观测值中电离层延迟误差修正技术

本发明将附加电离层先验信息、时间域和空间域有关的约束，将电离层延迟误差当作未知参数进行实时估计，具体算法如下：

先验信息约束采用如下模型：

其中，ion_prior为电离层延迟先验值，t表示当前历元，f为总电子含量与电离层延迟等效距离间的投影系数，VTEC为天顶方向总电子含量，ε_prior为先验模型误差，为电离层先验模型噪声方差。

时间约束采用如下模型：

其中，ΔVTEC为电离层总电子含量的历元变化，ε_temp为电离层延迟历元变化量的误差，为历元变化量的噪声方差。

空间约束采用如下模型：

其中，为穿刺点的经纬度，J₀、J₁、C₁₁和S11为待估的模型系数。当前历元，当卫星个数大于4颗时，模型系数可以联合公式(1)和(3)进行最小二乘求解得到；除初始历元外，当卫星个数不足4颗时，采用上一历元模型系数代替。ε_space为空间约束值的误差，为空间约束值的噪声方差。

②非差非组合观测值的北斗精密单点定位模型建立

对于模型建立，首先是函数模型的建立，主要工作是各项观测误差的精密处理。电离层延迟可采用附有约束条件的参数估计方法，对流层延迟误差可采用经验模型进行改正，其残余部分采用分段常数或随机游走模型进行估计。卫星端的硬件延迟偏差DCB采用IGS公布的产品进行改正，接收机端的DCB进行参数估计。卫星星历误差采用实时播发的改正数校正，接收机钟差当作高斯白噪声处理。固体潮、海潮、极移、相对论效应、地球自转、天线相位中心偏差变化、相位转绕等采用对应的经验模型改正，其多路径效应暂时没有可靠模型或方法校正，可以当作观测噪声处理。其随机模型可根据伪距、相位观测值和模型精度，并配合卫星高度角进行综合确定。其具体的模型如下：

其中，P，Φ分别为伪距和载波观测值，i表示卫星，r表示接收机，F表示频率，ρ为站星几何距离，λ和Amb分别为载波波长和相位模糊度，c为光速，trop和ion分别为对流层和电离层延迟误差，M为其它误差的综合改正，ion_prior，ion_temp，ion_space分别为电离层误差先验信息约束、时间域约束和空间域约束的虚拟观测值，ε为误差噪声，δ²为其对应的噪声方差，DCB为硬件延迟偏差。基于方程(4)-(8)，可以采用序贯最小二乘逐历元进行解算，每历元未知参数为测站三维位置、电离层延迟、接收机DCB延迟、对流层残余误差、载波相位模糊度和接收机钟差。

(3)用户端非差非组合网络RTK定位技术

用户端基于自己的概略坐标，根据插值系数插值出区域误差改正数，对观测值进行修正后，进行非差非组合网络RTK定位。由于非差非组合改正数上包含了卫星端UPD(相位尾数)和接收机UPD，在非差非组合网络RTK解算时，卫星端的UPD通过改正数可以直接消除，但仍需作星间单差来消除与接收机相关的UPD，进而进行模糊度固定解算快速得到高精度位置信息。

其具体模型如下：

(4)基于统一模型的北斗PPP/RTK无缝定位技术

北斗广域与局域定位的融合统一包括数据处理模型的统一和导航定位服务的无缝连接。

数据处理的统一模型如下：

其中，Estimation包含的未知参数有测站三维坐标，相位模糊度Amb、对流层延迟trop，电离层延迟硬件延迟DCB_F和接收机钟差δt_r。Correction分别对应公式(4)、(5)和(12)、(13)中的改正部分。特别说明的是，对于以上的融合模型，在非差非组合网路RTK中，电离层参数的估计值是残差，因此电离层虚拟观测方程采用零值的强约束，即Virtual(t)＝0。

Claims (1)

1.一种基于统一模型的北斗非差非组合PPP-RTK定位方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，服务端广域与局域精密产品生成

(1)广域精密产品生成

在服务端，接收全球范围的GNSS基准站数据，进行实时精密定轨和钟差估计，得到精密轨道和钟差改正数产品；

(2)局域非差综合改正数生成

基于区域的GNSS基准站数据和广域精密产品，首先进行双差基线解算，得到双差模糊度浮点解，并选定非差模糊度整数基准，恢复得到非差模糊度，进而获取非差综合误差改正数；

第二步，用户端非差非组合的PPP/RTK定位

(1)广域非差非组合PPP定位

对于全球用户，基于精密产品对卫星轨道、钟差进行改正，并对对流层、相对论效应、地球自转、潮汐、天线相位中心误差进行模型改正，电离层误差通过增加空间约束、时间约束和先验信息约束进行估计，并采用非差非组合模型进行绝对单点定位，得到增强的PPP解；

(2)局域非差网络RTK定位

对于局域用户，基于非差综合误差改正数对观测值进行综合误差改正，并进行非差非组合模型的绝对单点定位，得到非差非组合的网络RTK解；

(3)PPP/RTK定位无缝连接

广域非差非组合PPP与局域非差网络RTK定位的无缝连接分为两类情况：一是从网外到网内的连接：定位精度从米级、分米级向分米、厘米级过渡；服务范围从广域百千公里向局域几十公里过渡；初始化时间从20分钟向1分钟过渡；二是从网内到网外的连接：定位精度从分米、厘米级向米级、分米级过渡；服务范围从局域几十公里向广域百千公里过渡；初始化时间从1分钟向20分钟过渡。