CN108072887A - 单基站远距离海上实时动态定位方法 - Google Patents

单基站远距离海上实时动态定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单基站远距离海上实时动态定位的方法，利用北斗导航系统的短报文功能传递简化后的差分改正数，解决海上通讯不便甚至没有通讯的难题，再利用北斗与GPS两个卫星导航系统的多个频率多种观测值，针对海上的特殊环境，开发了稳定，快速，精准的流动端实时定位算法，最后实现了相应的基准站改正数播发软件以及流动站实时定位软件，搭建了一套基于单基站的长距离海上实时动态定位系统。

Description

单基站远距离海上实时动态定位方法
技术领域
本发明涉及GNSS精密定位领域，尤其是海上的远距离高精度实时动态定位。
背景技术
自从GPS系统问世以来，全球卫星导航系统(GNSS)已广泛应用于各种户外定位与导航应用当中。实时高精度定位是GNSS的重要研究领域。目前，实时动态(RTK)技术，精密单点定位(PPP)技术以及他们的扩展网络RTK技术与PPP-RTK技术是高精度GNSS定位技术的代表。但是这些技术在海上应用中都有着各自的不足。
PPP技术需要精密星历、精密钟等信息，而这些信息都是在特定网站上延迟一周左右发布。至于一些超快速精密星历与IGS(International GPS Service)提供的实时精密星历、精密钟服务，在远海环境中也很难实时获取到。事实上，目前大部分所谓的实时PPP技术只是实现了算法上的实时而并没有投入实用中，仅在事后处理中模拟了实时的情况而已。此外，已有的一些可在全球范围内提供实时精密定位服务的商业软件，主要是通过卫星通讯来传递一些改正数信息，收费高昂且只能维持分米级的定位精度。不难看出，尽管实时PPP技术在理论上与实验中能够实现远海甚至全球的实时精密定位，但在实际应用中，还有一些问题需要解决。
目前RTK技术理论上的单站有效服务范围可达100公里甚至以上。在不考虑固定模糊度的前提下，适当放宽对精度的要求，RTK的单站服务范围还可以进一步扩展至几百公里。这意味着利用RTK技术在理论山可以为沿海几百公里范围的海域提供高精度实时动态定位。可事实上，受到通讯手段的限制，在远海没有网络的环境中，改正数通过电台发送无线电波进行传输，有效的传输距离只有三十公里左右，这使得RTK的单站服务范围远达不到它的极限距离。
与PPP相比，RTK似乎更不适合用于海上定位。然而，PPP技术不仅受到通讯条件的限制，还需要昂贵的硬件网基础设施支撑。此外RTK技术的单站服务范围若能到达几百公里便能满足许多远海的海上应用。因此，若通讯问题能得到妥善解决，由于开支较小且建设简便，RTK技术更适合用于海上的高精度导航。但是使用RTK技术实现单站几百公里服务范围的海上高精度实时动态定位还有许多问题需要解决。
发明内容
申请人研究发现，对于海上的通讯问题，卫星通讯是一种可行的解决方案。但是卫星通讯的费用较为昂贵，相比之下，北斗短报文通讯的服务费用要便宜很多，但是北斗短报文通讯的带宽很小，一次能传输的信息量十分有限。如果不对需要传递的改正数信息进行简化压缩处理，是无法使用北斗短报文传输改正数信息的。但是对改正数信息进行简化处理时需要尽可能避免对流动站的定位效果产生不良影响。因此，如何使用北斗短报文来传递基准站的改正数信息，并且不会影响到流动站的定位效果是一个重要问题。
申请人进一步研究发现，在海上，观测环境不同于陆地，多路径效应较为明显，并且设备需要安置在船只上，而船只上经常会有一些其它设备干扰到卫星信号，因此，在这种环境下得到的流动站观测数据往往会含有若干个粗差。对于单个粗差，可以在单点定位中利用相关分析法较好地探测出。但对于两个甚至更多粗差，由于卫星定位中的多余观测数较少，粗差探测的效果很差，经常会出现误判与漏判的情况。因此，如何尽可能地减少多个粗差对定位结果的影响是流动站定位算法需要解决的问题。
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单基站远距离海上实时动态定位的方法与系统，利用北斗短报文传递改正数信息并考虑海上的特殊观测环境，以满足各种海上工程项目对定位的需求。
为了达到上述目的，本发明提供了一种单基站远距离海上实时动态定位方法，包括以下步骤：
在服务端实时接收基准站RTCM格式数据流，并对其进行解码，获得星历数据与当前历元实时的观测数据。对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。然后利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理，从而获得简化改正数。
判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求，若符合要求，则将改正数进行ASCII编码后进入下一历元的观测数据处理流程；否则，将弃用当前历元的简化改正数并进入下一历元的观测数据处理流程。
将编码后的简化改正数打包拆分成若干个短报文，交予服务端的北斗短报文天线进行发送，再由用户端的北斗短报文天线依次接收服务端天线发出的若干个北斗短报文，并将这些短报文重新拼接成为编码后的简化改正数，交予用户端定位软件使用。
用户端定位软件需同时接收流动站的RTCM格式数据流以及短报文天线发来的编码后简化改正数。从数据流中读取星历与当前历元流动站的观测数据，同样对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。对编码后简化改正数进行解码，判断简化改正数是否合格，若合格，则进行海上实时动态(Ocean-RTK，ORTK)定位；否则，只进行单点定位。最后，吐出定位结果后进入下一历元的观测数据处理流程。
优选的，对基准站观测数据与用户端数据进行预处理的步骤包括单点定位、伪距观测值检核及相关分析法粗差探测。伪距观测值检核是指利用已知的基准站坐标或者预测的用户端流动站坐标与星历中解算的卫星坐标反推对应的卫地距，从而可以与对应的伪距观测值进行比较，如果伪距观测值与反推的卫地距之间相差较大，则认为观测值含有粗差，应予以抛弃。相关分析法粗差探测是指在通过单点定位得到观测值残差序列后，利用基于相关分析的粗差理论分析观测值中可能包含的粗差，若探测到某观测值含有粗差则予以抛弃。
优选的，利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理的步骤包括，在原始观测值中扣除算得的卫地距，消除观测值中由于卫星运动而产生的几何距离变化项；再在观测值中扣除对流层延迟的模型改正量，尽量减小原始观测值的数值变化，同时尽可能减小了其中的伪距观测值的绝对值大小，计算公式如下所示：
其中，与是改正后的相位与伪距观测值，与是原始相位与伪距观测值，下标r代表基准站，上标s代表某一卫星，与为单点定位算得的卫地距、接收机钟差与卫星钟差，为对流层延迟的模型改正量。
最后再在其中的相位观测值中扣除其四舍五入整数部分而只保留小数，从而使相位观测值只在-0.5到0.5之间取值，计算公式如下所示：
其中，是相位简化观测值，[*]表示对*进行四舍五入运算，λ是相位观测值对应的波长。实际应用中，整数在相位观测值没有发生周跳时可以一直沿用下去，而不必每次都重新计算。
得到的简化改正数中的观测值包括，改正后伪距观测值与相位简化观测值
优选的，判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求的准则在于判断伪距或者相位观测值的绝对值大小是否超过1000，若不超过1000，则符合要求，否则不符合要求。
优选的，对改正数进行ASCII编码是指将所有的简化改正数信息，包括改正数观测时间、系统标志、卫星数与简化后观测值等，转换成二进制的形式，然后将二进制形式的简化改正数信息再转换成ASCII字符串的形式进行传递。例如当用3个二进制位表示系统标志为1的形式为001，用5个二进制位来表示卫星数为8的形式为01000，合并系统标志与卫星数信息为00101000，转换成ASCII字符即为‘40’。具体的编码方法包括，二进制改正数的第0位到第9位用于存储简化改正数观测时间的后三位，第10位到第12位存储系统标志，第13到第17位存储卫星数；从第18位开始存储每一颗观测到的卫星的信息，6位用于存储卫星号，5位用于存储卫星星历时间，1位用于存储是否改变的标志，21位用于存储一个相位或者伪距的观测值。得到二进制改正数后，每8位可以转换成一个ASCII字符，最后不足8位则用0补齐8位后转换成ASCII字符。
优选的，对编码后的简化改正数打包拆分的步骤包括，将简化改正数信息分成若干个短报文，每个短报文都需要添加校验符以确保他们能够在用户端完成的恢复出来，同时，每个短报文的大小不能超过服务端北斗短报文天线一次可以发送的最大数据量。
优选的，由用户端将接收的若干个北斗短报文重新拼接成为编码后的简化改正数的步骤包括，利用每个短报文的校验符检核接收到的短报文是否属于同一个简化改正数信息或者同一简化改正数信息的短报文是否有缺漏，检核后，若不存在上述问题，则根据校验符，按顺序拼接若干个属于同一简化改正数信息的短报文，获得一条完整的编码后的简化改正数信息，否则，等待直至一条简化改正数信息的所有短报文被用户端接收到。
优选的，在用户端判断简化改正数是否合格的方法是，计算简化改正数的观测时间与流动站观测数据的观测时间之差，若时间差小于1分钟则简化改正数合格，否则，简化改正数不合格。
优选的，流动站的ORTK定位基于GPS与北斗两个导航系统的双频相位与伪距观测值的无电离层(Ionosphere-Free,IF)组合进行，其步骤包括，利用流动站观测数据与接收到的简化改正数构造站间差分观测值，公式如下所示：
其中，与为简化后的站间差分相位与伪距观测值，与是基准站的相位简化观测值与改正后伪距观测值，与为流动站的原始相位和伪距观测值,与为单点定位算得的流动站近似卫地距、接收机钟差与卫星钟差，为流动站对流层延迟的模型改正量。
得到站间差分观测值后，选取一颗合适的参考卫星，进行星间差分，得到双差观测值，公式如下所示：
其中，上标s代表选定的参考卫星，上标v代表其它任一卫星与代表简化后双差相位与伪距观测值，与代表卫星v的简化后站间差分相位与伪距观测值。
之后，考虑观测值有两个频率，可以对两个频率的双差观测值进行一个线性组合，得到IF组合的双差观测值，公式如下所示：
其中，与为IF组合的相位与伪距双差观测值，f1为第一个频率观测值的频率，f2为第二个频率观测值的频率，与为第一个频率的相位与伪距双差观测值，与为第二个频率的相位与伪距双差观测值。
由于不考虑残留的对流层延迟，基于IF组合双差观测值需要解算的参数只有流动站的位置参数与IF组合双差模糊度参数，可以得到如下所示的误差方程：
其中，是双差卫地距，里面包含了三个未知的流动站位置参数，为窄巷波长，c代表光速，为IF组合双差模糊度参数，与是残留的相位和伪距观测值误差。
将误差方程写成矩阵形式：
其中ΦIF与PIF表示多个卫星相位与伪距双差观测值组成的观测向量，A是流动站位置参数的系数矩阵，Im是m阶单位矩阵，m是模糊度参数的个数，x代表流动站的位置参数向量，a代表模糊度参数向量，与是残留误差构成的误差向量。
流动站位置参数每一刻都由于流动站的运动而不相同，但模糊度参数是不随时间变化的，因此可以利用这一特性，联合多个时刻的观测值信息进行序贯解算。序贯解算中，流动站位置参数与模糊度参数的计算公式如下所示：
其中，与分别是两个频率原始相位与伪距观测值的先验中误差；Qdd是双差观测值的协因数矩阵，与频率无关；与分别是IF组合的伪距与相位双差观测值的协方差矩阵；下标k代表时刻，与Ak分别代表k时刻的模糊度参数解，流动站位置参数解与流动站位置参数的系数矩阵；是k时刻模糊度参数解的协方差矩阵；是k时刻流动站位置参数解的协方差矩阵；当k＝0时，和为零向量或零矩阵。
优选的，流动站的ORTK定位有别于常规的RTK定位，它需要额外考虑流动站观测数据与简化改正数的观测时刻不一致以及海上多路径效应严重、观测环境特殊两个问题。观测数据与简化改正数的观测时刻不一致会导致各自的卫星钟差无法通过站间差分消除，因此必须在单点定位的时候，利用卫星的星历算得准确的各自观测时刻的卫星钟差，再如公式(1a)与(1b)所示，在原始的观测值中扣除。并且，必须保证流动站与基准站在计算卫星钟差时选用相同时刻的卫星星历。在海上，观测环境不同于陆地，多路径效应较为明显，并且设备需要安置在船只上，而船只上经常会有一些其它设备干扰到卫星信号，因此，在这种环境下得到的流动站观测数据往往会含有若干个粗差。对于单个粗差，可以在单点定位中利用相关分析法较好地探测出。但对于两个甚至更多粗差，由于卫星定位中的多余观测数较少，粗差探测的效果很差，经常会出现误判与漏判的情况，此时，由于ORTK定位基于序贯解算，因此某一时刻的粗差探测失败会影响到后续所有时刻的参数解算质量。为了避免出现这种情况，ORTK不仅在单点定位中加入相关分析法粗差探测，在之后的ORTK定位中也会利用IF组合的伪距双差观测值进行定位与粗差探测，并且会检查最后ORTK定位解算得到的参数的验后中误差。若粗差探测失败，参数的验后中误差会明显偏大甚至超过正常值几个数量级，此时将跳过该时刻而不把结果更新到序贯解算的参数中去，并且该时刻吐出单点定位的结果。
在本发明提供的单基站远距离海上实时动态定位方法中，首先在服务端实时接收基准站RTCM格式数据流，并对其进行解码，获得星历数据与当前历元实时的观测数据。再对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。然后利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理，从而获得简化改正数。之后判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求，若符合要求，则将改正数进行ASCII编码后进入下一历元的观测数据处理流程；否则，将弃用当前历元的简化改正数并进入下一历元的观测数据处理流程。接着将编码后的简化改正数打包拆分成若干个短报文，交予服务端的北斗短报文天线进行发送，再由用户端的北斗短报文天线依次接收服务端天线发出的若干个北斗短报文，并将这些短报文重新拼接成为编码后的简化改正数，交予用户端定位软件使用。而用户端定位软件需同时接收流动站的RTCM格式数据流以及短报文天线发来的编码后简化改正数。从数据流中读取星历与当前历元流动站的观测数据，同样对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。对编码后简化改正数进行解码，判断简化改正数是否合格，若合格，则进行海上实时动态(Ocean-RTK，ORTK)定位；否则，只进行单点定位。最后，吐出定位结果后进入下一历元的观测数据处理流程。本发明利用北斗短报文解决了海上通讯不便的问题；利用简化改正数算法以及相应的编码方法解决了北斗短报文通讯带宽过小，不适用于传递正常改正数信息的问题；利用多次粗差探测与验后中误差检验的方法，在多个粗差条件下，尽可能地避免了定位效果的持续性恶化，从而使用户端流动站定位算法能够适应海上的特殊环境。
附图说明
图1为本发明一实施例中单基站远距离海上实时动态定位方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明一实施例提供了一种单基站远距离海上实时动态定位方法，具体的，如图1所示，图1为本发明一实施例中单基站远距离海上实时动态定位方法的流程图，所述方法包括以下步骤：首先，在服务端实时接收基准站RTCM格式数据流，并对其进行解码，获得星历数据与当前历元实时的观测数据。如图1中的步骤S1所示。
然后对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据，并利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理，从而获得简化改正数。如图1中的步骤S2所示。
具体的，获得基准站观测数据后的数据预处理的步骤包括单点定位、伪距观测值检核及相关分析法粗差探测。伪距观测值检核是指利用已知的基准站坐标与星历中解算的卫星坐标反推对应的卫地距，从而可以与对应的伪距观测值进行比较，如果伪距观测值与反推的卫地距之间相差较大，则认为观测值含有粗差，应予以抛弃。相关分析法粗差探测是指在通过单点定位得到观测值残差序列后，利用基于相关分析的粗差理论分析观测值中可能包含的粗差，若探测到某观测值含有粗差则予以抛弃。基于相关分析的粗差理论是武汉大学的施闯等人总结提出的一套粗差探测理论，因此该部分已属于现有技术。
而利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理的步骤包括，在原始观测值中扣除算得的卫地距，消除观测值中由于卫星运动而产生的几何距离变化项；再在观测值中扣除对流层延迟的模型改正量，尽量减小原始观测值的数值变化，同时尽可能减小了其中的伪距观测值的绝对值大小，计算公式如下所示：
其中，与是改正后的相位与伪距观测值，与是原始相位与伪距观测值，下标r代表基准站，上标s代表某一卫星，与为单点定位算得的卫地距、接收机种差与卫星钟差，为对流层延迟的模型改正量。
最后再在其中的相位观测值中扣除其四舍五入整数部分而只保留小数，从而使相位观测值只在-0.5到0.5之间取值，计算公式如下所示：
其中，是相位简化观测值，[*]表示对*进行四舍五入运算，λ是相位观测值对应的波长。实际应用中，整数在相位观测值没有发生周跳时可以一直沿用下去，而不必每次都重新计算。
得到的简化改正数中的观测值包括，改正后伪距观测值与相位简化观测值
步骤S3：判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求。若符合要求，则将改正数进行ASCII编码后进入下一历元的观测数据处理流程，如步骤S4所示；否则，将弃用当前历元的简化改正数并进入下一历元的观测数据处理流程。
具体的，判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求的准则在于判断伪距或者相位观测值的绝对值大小是否超过1000，若不超过1000，则符合要求，否则不符合要求。
对改正数进行ASCII编码是指将所有的简化改正数信息，包括改正数观测时间、系统标志、卫星数与简化后观测值等，转换成二进制的形式，然后将二进制形式的简化改正数信息再转换成ASCII字符串的形式进行传递。例如当用3个二进制位表示系统标志为1的形式为001，用5个二进制位来表示卫星数为8的形式为01000，合并系统标志与卫星数信息为00101000，转换成ASCII字符即为‘40’。具体的编码方法包括，二进制改正数的第0位到第9位用于存储简化改正数观测时间的后三位，第10位到第12位存储系统标志，第13到第17位存储卫星数；从第18位开始存储每一颗观测到的卫星的信息，6位用于存储卫星号，5位用于存储卫星星历时间，1位用于存储是否改变的标志，21位用于存储一个相位或者伪距的观测值。得到二进制改正数后，每8位可以转换成一个ASCII字符，最后不足8位则用0补齐8位后转换成ASCII字符。
步骤S5：将编码后的简化改正数打包拆分成若干个短报文。
具体的，对编码后的简化改正数打包拆分的步骤包括，将简化改正数信息分成若干个短报文，每个短报文都需要添加校验符以确保他们能够在用户端完成的恢复出来，同时，每个短报文的大小不能超过服务端北斗短报文天线一次可以发送的最大数据量。
步骤S6：将打包后的数据交予服务端的北斗短报文天线进行发送。
具体的，使用北斗短报文传输改正数信息时需要注意北斗短报文的三个特点。第一，一张北斗卡一次只允许用户播发一条数据量不大于78.5字节的短报文。第二，一张北斗卡一分钟只能使用一次，一旦发出一条北斗短报文便将休眠一分钟，发出北斗短报文的时间很短，可以不计。第三，可以融合多张北斗卡来连续播发改正数信息，但最快只能一秒钟发出一条短报文。基于这三个特点，结合实际需求，选定需要融合的北斗卡数并确定相应地播发规则。本发明提供的实施例中，一个历元的简化改正数信息的数据量大概在300字节左右，考虑到改正数信息的时间延迟小于半分钟为宜，因此选择融合15张北斗卡并且每隔15秒播发一次改正数信息，从而使延迟在15-30秒左右。时间延迟的计算公式如下所示：
m<tj<60+2m-k-(j-1)d(6a)
m<ti<2m+d(6a)
其中，tj与ti代表第j与第i条简化改正数信息的时间延迟,且0<i<j；n是简化改正数信息经编码后的数据量，单位是字节；k是融合的北斗卡数。floor是向下取整运算。以上公式给出的是一分钟以内播发出的改正数信息时间延迟计算公式，一分钟以后播发的改正数信息的时间延迟与之近似。改正数的播发规则是播发出一条改正数信息后间隔d秒再播发下一条改正数信息，直到第j条改正数信息发出。
步骤S7：由用户端的北斗短报文天线依次接收服务端天线发出的若干个北斗短报文，并将这些短报文重新拼接成为编码后的简化改正数，交予用户端定位软件解码后使用。
具体的，由用户端将接收的若干个北斗短报文重新拼接成为编码后的简化改正数的步骤包括，利用每个短报文的校验符检核接收到的短报文是否属于同一个简化改正数信息或者同一简化改正数信息的短报文是否有缺漏，检核后，若不存在上述问题，则根据校验符，按顺序拼接若干个属于同一简化改正数信息的短报文，获得一条完整的编码后的简化改正数信息，否则，等待直至一条简化改正数信息的所有短报文被用户端接收到。
步骤S8：用户端定位软件需同时接收流动站的RTCM格式数据流以及短报文天线发来的编码后简化改正数。从数据流中读取星历与当前历元流动站的观测数据，同样对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据并对编码后简化改正数进行解码。
具体的，对用户端数据进行预处理的步骤包括，单点定位、伪距观测值检核及相关分析法粗差探测。伪距观测值检核是指利用预测的流动站坐标与星历中解算的卫星坐标反推对应的近似卫地距，从而可以与对应的伪距观测值进行比较，如果伪距观测值与反推的近似卫地距之间相差较大，则认为观测值含有粗差，应予以抛弃。相关分析法粗差探测是指在通过单点定位得到观测值残差序列后，使用相关分析法分析观测值中可能包含的粗差，若探测到某观测值含有粗差则予以抛弃。
步骤S9：判断简化改正数是否合格。若合格，则进行海上实时动态(Ocean-RTK，ORTK)定位，如步骤S10所示；否则，只进行单点定位，如步骤S11所示。最后，吐出定位结果后进入下一历元的观测数据处理流程。
具体的，在用户端判断简化改正数是否合格的方法是，计算简化改正数的观测时间与流动站观测数据的观测时间之差，若时间差小于1分钟则简化改正数合格，否则，简化改正数不合格。
而流动站的ORTK定位基于GPS与北斗两个导航系统的双频相位与伪距观测值的无电离层(Ionosphere-Free,IF)组合进行，其步骤包括，利用流动站观测数据与接收到的简化改正数构造站间差分观测值，公式如下所示：
其中，与为简化后的站间差分相位与伪距观测值，与是基准站的相位简化观测值与改正后伪距观测值，与为流动站的原始相位和伪距观测值,与为单点定位算得的流动站近似卫地距、接收机钟差与卫星钟差，为流动站对流层延迟的模型改正量。
得到站间差分观测值后，选取一颗合适的参考卫星，进行星间差分，得到双差观测值，公式如下所示：
其中，上标s代表选定的参考卫星，上标v代表其它任一卫星与代表简化后双差相位与伪距观测值，与代表卫星v的简化后站间差分相位与伪距观测值。
之后，考虑观测值有两个频率，可以对两个频率的双差观测值进行一个线性组合，得到IF组合的双差观测值，公式如下所示：
其中，与为IF组合的相位与伪距双差观测值，f1为第一个频率观测值的频率，f2为第二个频率观测值的频率，与为第一个频率的相位与伪距双差观测值，与为第二个频率的相位与伪距双差观测值。
由于不考虑残留的对流层延迟，基于IF组合双差观测值需要解算的参数只有流动站的位置参数与IF组合双差模糊度参数，可以得到如下所示的误差方程：
其中，是双差卫地距，里面包含了三个未知的流动站位置参数，为窄巷波长，c代表光速，为IF组合双差模糊度参数，与是残留的相位和伪距观测值误差。
将误差方程写成矩阵形式：
其中ΦIF与PIF表示多个卫星相位与伪距双差观测值组成的观测向量，A是流动站位置参数的系数矩阵，Im是m阶单位矩阵，m是模糊度参数的个数，x代表流动站的位置参数向量，a代表模糊度参数向量，与是残留误差构成的误差向量。
流动站位置参数每一刻都由于流动站的运动而不相同，但模糊度参数是不随时间变化的，因此可以利用这一特性，联合多个时刻的观测值信息进行序贯解算。序贯解算中，流动站位置参数与模糊度参数的计算公式如下所示：
其中，与分别是两个频率原始相位与伪距观测值的先验中误差；Qdd是双差观测值的协因数矩阵，与频率无关；与分别是IF组合的伪距与相位双差观测值的协方差矩阵；下标k代表时刻，与Ak分别代表k时刻的模糊度参数解，流动站位置参数解与流动站位置参数的系数矩阵；是k时刻模糊度参数解的协方差矩阵；是k时刻流动站位置参数解的协方差矩阵；当k＝0时，和为零向量或零矩阵。
优选的，流动站的ORTK定位有别于常规的RTK定位，它需要额外考虑流动站观测数据与简化改正数的观测时刻不一致以及海上多路径效应严重、观测环境特殊两个问题。观测数据与简化改正数的观测时刻不一致会导致各自的卫星钟差无法通过站间差分消除，因此必须在单点定位的时候，利用卫星的星历算得准确的各自观测时刻的卫星钟差，再如公式(1a)与(1b)所示，在原始的观测值中扣除。并且，必须保证流动站与基准站在计算卫星钟差时选用相同时刻的卫星星历。在海上，观测环境不同于陆地，多路径效应较为明显，并且设备需要安置在船只上，而船只上经常会有一些其它设备干扰到卫星信号，因此，在这种环境下得到的流动站观测数据往往会含有若干个粗差。对于单个粗差，可以在单点定位中利用相关分析法较好地探测出。但对于两个甚至更多粗差，由于卫星定位中的多余观测数较少，粗差探测的效果很差，经常会出现误判与漏判的情况，此时，由于ORTK定位基于序贯解算，因此某一时刻的粗差探测失败会影响到后续所有时刻的参数解算质量。为了避免出现这种情况，ORTK不仅在单点定位中加入相关分析法粗差探测，在之后的ORTK定位中也会利用IF组合的伪距双差观测值进行定位与粗差探测，并且会检查最后ORTK定位解算得到的参数的验后中误差。若粗差探测失败，参数的验后中误差会明显偏大甚至超过正常值几个数量级，此时将跳过该时刻而不把结果更新到序贯解算的参数中去，并且该时刻吐出单点定位的结果。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的单基站远距离海上实时动态定位方法至少具有以下有益效果：
第一，本发明实施例所提供的单基站远距离海上实时动态定位方法与IF组合观测值进行，再除中高纬度区域不需要考虑电离层对于定位的影响，理论上，定位精度只受残留的对流层误差影响，因而定位结果更为稳定。
第二，本发明实例所提供的单基站远距离海上实时动态定位方法在理论上并不固定窄巷模糊度，在距基站几十公里范围内可提供与固定模糊度时等效精度的定位服务，在距基站更远甚至几百公里的范围，可以提供精度略低的亚分米级定位服务。
第三，本发明实例所提供的单基站远距离海上实时动态定位方法在理论上没有忽略了天顶方向残留对流层延迟参数，从而在牺牲了一定高程方向的定位精度，但是提高了定位结果的可靠性，缩短了定位结果的收敛时间。
第四，本发明实例所提供的单基站远距离海上实时动态定位方法可以处理改正数信息与流动站观测数据观测时刻不一致的问题，从而使得改正数信息在用户端的有效使用时间更长，减少了用户端对改正数信息的需求频率。
第五，本发明利用北斗短报文解决了海上通讯不便，无法传输改正数信息的问题。相较于常规的卫星通讯，北斗短报文的成本更低。此外，本发明还提供了一种简化改正数算法以及相应的编码方法，从而大幅降低了改正数信息传递对通讯带宽的要求，使得通过北斗短报文传递改正数信息成为可能。
第六，本发明针对海上的特殊观测环境，开发了特定的用户端流动站定位软件，可以尽可能避免观测值中含有多个粗差的情形对于定位效果产生持续性的影响，从而使流动站的定位结果为稳定、可靠。
综上，在本发明实施例提供的单基站远距离海上实时动态定位方法中，首先在服务端实时接收基准站RTCM格式数据流，并对其进行解码，获得星历数据与当前历元实时的观测数据。再对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。然后利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理，从而获得简化改正数。之后判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求，若符合要求，则将改正数进行ASCII编码后进入下一历元的观测数据处理流程；否则，将弃用当前历元的简化改正数并进入下一历元的观测数据处理流程。接着将编码后的简化改正数打包拆分成若干个短报文，交予服务端的北斗短报文天线进行发送，再由用户端的北斗短报文天线依次接收服务端天线发出的若干个北斗短报文，并将这些短报文重新拼接成为编码后的简化改正数，交予用户端定位软件使用。而用户端定位软件需同时接收流动站的RTCM格式数据流以及短报文天线发来的编码后简化改正数。从数据流中读取星历与当前历元流动站的观测数据，同样对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。对编码后简化改正数进行解码，判断简化改正数是否合格，若合格，则进行海上实时动态(Ocean-RTK，ORTK)定位；否则，只进行单点定位。最后，吐出定位结果后进入下一历元的观测数据处理流程。本发明利用北斗短报文解决了海上通讯不便的问题；利用简化改正数算法以及相应的编码方法解决了北斗短报文通讯带宽过小，不适用于传递正常改正数信息的问题；利用多次粗差探测与验后中误差检验的方法，在多个粗差条件下，尽可能地避免了定位效果的持续性恶化，从而使用户端流动站定位算法能够适应海上的特殊环境。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
在服务端实时接收基准站RTCM格式数据流，并对其进行解码，获得星历数据与当前历元实时的观测数据。对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。然后利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理，从而获得简化改正数。
判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求，若符合要求，则将改正数进行ASCII编码后进入下一历元的观测数据处理流程；否则，将弃用当前历元的简化改正数并进入下一历元的观测数据处理流程。
将编码后的简化改正数打包拆分成若干个短报文，交予服务端的北斗短报文天线进行发送，再由用户端的北斗短报文天线依次接收服务端天线发出的若干个北斗短报文，并将这些短报文重新拼接成为编码后的简化改正数，交予用户端定位软件使用。
用户端定位软件需同时接收流动站的RTCM格式数据流以及短报文天线发来的编码后简化改正数。从数据流中读取星历与当前历元流动站的观测数据，同样对数据进行预处理，剔除不合格的观测数据。对编码后简化改正数进行解码，判断简化改正数是否合格，若合格，则进行海上实时动态(Ocean-RTK，ORTK)定位；否则，只进行单点定位。最后，吐出定位结果后进入下一历元的观测数据处理流程。
2.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，对基准站观测数据与用户端数据进行预处理的步骤包括单点定位、伪距观测值检核及相关分析法粗差探测。伪距观测值检核是指利用已知的基准站坐标或者预测的用户端流动站坐标与星历中解算的卫星坐标反推对应的卫地距，从而可以与对应的伪距观测值进行比较，如果伪距观测值与反推的卫地距之间相差较大，则认为观测值含有粗差，应予以抛弃。相关分析法粗差探测是指在通过单点定位得到观测值残差序列后，利用基于相关分析的粗差理论分析观测值中可能包含的粗差，若探测到某观测值含有粗差则予以抛弃。
3.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，利用简化改正数算法对观测数据进行简化处理的步骤包括，在原始观测值中扣除算得的卫地距，消除观测值中由于卫星运动而产生的几何距离变化项；再在观测值中扣除对流层延迟的模型改正量，尽量减小原始观测值的数值变化，同时尽可能减小了其中的伪距观测值的绝对值大小，计算公式如下所示：
其中，与是改正后的相位与伪距观测值，与是原始相位与伪距观测值，下标r代表基准站，上标s代表某一卫星，与为单点定位算得的卫地距、接收机种差与卫星钟差，为对流层延迟的模型改正量。
最后再在其中的相位观测值中扣除其四舍五入整数部分而只保留小数，从而使相位观测值只在-0.5到0.5之间取值，计算公式如下所示：
其中，是相位简化观测值，[*]表示对*进行四舍五入运算，λ是相位观测值对应的波长。实际应用中，整数在相位观测值没有发生周跳时可以一直沿用下去，而不必每次都重新计算。
得到的简化改正数中的观测值包括，改正后伪距观测值与相位简化观测值
4.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，判断当前历元算得的简化改正数是否符合要求的准则在于判断伪距或者相位观测值的绝对值大小是否超过1000，若不超过1000，则符合要求，否则不符合要求。
5.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，对改正数进行ASCII编码是指将所有的简化改正数信息，包括改正数观测时间、系统标志、卫星数与简化后观测值等，转换成二进制的形式，然后将二进制形式的简化改正数信息再转换成ASCII字符串的形式进行传递。例如当用3个二进制位表示系统标志为1的形式为001，用5个二进制位来表示卫星数为8的形式为01000，合并系统标志与卫星数信息为00101000，转换成ASCII字符即为‘40’。具体的编码方法包括，二进制改正数的第0位到第9位用于存储简化改正数观测时间的后三位，第10位到第12位存储系统标志，第13到第17位存储卫星数；从第18位开始存储每一颗观测到的卫星的信息，6位用于存储卫星号，5位用于存储卫星星历时间，1位用于存储是否改变的标志，21位用于存储一个相位或者伪距的观测值。得到二进制改正数后，每8位可以转换成一个ASCII字符，最后不足8位则用0补齐8位后转换成ASCII字符。
6.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，对编码后的简化改正数打包拆分的步骤包括，将简化改正数信息分成若干个短报文，每个短报文都需要添加校验符以确保他们能够在用户端完成的恢复出来，同时，每个短报文的大小不能超过服务端北斗短报文天线一次可以发送的最大数据量。使用北斗短报文传输改正数信息时需要注意北斗短报文的三个特点。第一，一张北斗卡一次只允许用户播发一条数据量不大于78.5字节的短报文。第二，一张北斗卡一分钟只能使用一次，一旦发出一条北斗短报文便将休眠一分钟，发出北斗短报文的时间很短，可以不计。第三，可以融合多张北斗卡来连续播发改正数信息，但最快只能一秒钟发出一条短报文。基于这三个特点，结合实际需求，选定需要融合的北斗卡数并确定相应地播发规则，从而使得改正数信息的时间延迟不会影响最终的定位效果。改正数信息的时间延迟是指简化改正数信息的观测时刻相对于流动站观测数据的观测时刻的时间延迟。
7.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，由用户端将接收的若干个北斗短报文重新拼接成为编码后的简化改正数的步骤包括，利用每个短报文的校验符检核接收到的短报文是否属于同一个简化改正数信息或者同一简化改正数信息的短报文是否有缺漏，检核后，若不存在上述问题，则根据校验符，按顺序拼接若干个属于同一简化改正数信息的短报文，获得一条完整的编码后的简化改正数信息，否则，等待直至一条简化改正数信息的所有短报文被用户端接收到。
8.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，在用户端判断简化改正数是否合格的方法是，计算简化改正数的观测时间与流动站观测数据的观测时间之差，若时间差小于1分钟则简化改正数合格，否则，简化改正数不合格。
9.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，流动站的ORTK定位基于GPS与北斗两个导航系统的双频相位与伪距观测值的无电离层(Ionosphere-Free,IF)组合进行，其步骤包括，利用流动站观测数据与接收到的简化改正数构造站间差分观测值，公式如下所示：
其中，与为简化后的站间差分相位与伪距观测值，与是基准站的相位简化观测值与改正后伪距观测值，与为流动站的原始相位和伪距观测值,与为单点定位算得的流动站近似卫地距、接收机钟差与卫星钟差，为流动站对流层延迟的模型改正量。
得到站间差分观测值后，选取一颗合适的参考卫星，进行星间差分，得到双差观测值，公式如下所示：
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其中，上标s代表选定的参考卫星，上标v代表其它任一卫星与代表简化后双差相位与伪距观测值，与代表卫星v的简化后站间差分相位与伪距观测值。
之后，考虑观测值有两个频率，可以对两个频率的双差观测值进行一个线性组合，得到IF组合的双差观测值，公式如下所示：
<mrow> <msubsup> <mover> <mi>&amp;Phi;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>r</mi> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>I</mi> <mi>F</mi> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>v</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msubsup> <mi>f</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mover> <mi>&amp;Phi;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>r</mi> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>v</mi> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <msubsup> <mover> <mi>&amp;Phi;</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>r</mi> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>v</mi> </mrow> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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其中，与为IF组合的相位与伪距双差观测值，f1为第一个频率观测值的频率，f2为第二个频率观测值的频率，与为第一个频率的相位与伪距双差观测值，与为第二个频率的相位与伪距双差观测值。
由于不考虑残留的对流层延迟，基于IF组合双差观测值需要解算的参数只有流动站的位置参数与IF组合双差模糊度参数，可以得到如下所示的误差方程：
其中，是双差卫地距，里面包含了三个未知的流动站位置参数，为窄巷波长，c代表光速，为IF组合双差模糊度参数，与是残留的相位和伪距观测值误差。
将误差方程写成矩阵形式：
<mrow> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>A</mi> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>A</mi> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mi>L</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>I</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>x</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>a</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>+</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <msub> <mi>&amp;Phi;</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>F</mi> </mrow> </msub> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中ΦIF与PIF表示多个卫星相位与伪距双差观测值组成的观测向量，A是流动站位置参数的系数矩阵，Im是m阶单位矩阵，m是模糊度参数的个数，x代表流动站的位置参数向量，a代表模糊度参数向量，与是残留误差构成的误差向量。
流动站位置参数每一刻都由于流动站的运动而不相同，但模糊度参数是不随时间变化的，因此可以利用这一特性，联合多个时刻的观测值信息进行序贯解算。序贯解算中，流动站位置参数与模糊度参数的计算公式如下所示：
<mrow> <msub> <mover> <mi>a</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <msub> <mover> <mi>a</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> <msub> <mover> <mi>a</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>w</mi> <msub> <mover> <mi>a</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <msub> <mover> <mi>a</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mover> <mi>a</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mover> <mi>a</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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其中，与分别是两个频率原始相位与伪距观测值的先验中误差；Qdd是双差观测值的协因数矩阵，与频率无关；与分别是IF组合的伪距与相位双差观测值的协方差矩阵；下标k代表时刻，与Ak分别代表k时刻的模糊度参数解，流动站位置参数解与流动站位置参数的系数矩阵；是k时刻模糊度参数解的协方差矩阵；是k时刻流动站位置参数解的协方差矩阵；当k＝0时，和为零向量或零矩阵。
10.如权利要求1所述的单基站远距离海上实时动态定位方法，其特征在于，流动站的ORTK定位有别于常规的RTK定位，它需要额外考虑流动站观测数据与简化改正数的观测时刻不一致以及海上多路径效应严重、观测环境特殊两个问题。观测数据与简化改正数的观测时刻不一致会导致各自的卫星钟差无法通过站间差分消除，因此必须在单点定位的时候，利用卫星的星历算得准确的各自观测时刻的卫星钟差，再如公式(1a)与(1b)所示，在原始的观测值中扣除。并且，必须保证流动站与基准站在计算卫星钟差时选用相同时刻的卫星星历。在海上，观测环境不同于陆地，多路径效应较为明显，并且设备需要安置在船只上，而船只上经常会有一些其它设备干扰到卫星信号，因此，在这种环境下得到的流动站观测数据往往会含有若干个粗差。对于单个粗差，可以在单点定位中利用相关分析法较好地探测出。但对于两个甚至更多粗差，由于卫星定位中的多余观测数较少，粗差探测的效果很差，经常会出现误判与漏判的情况，此时，由于ORTK定位基于序贯解算，因此某一时刻的粗差探测失败会影响到后续所有时刻的参数解算质量。为了避免出现这种情况，ORTK不仅在单点定位中加入相关分析法粗差探测，在之后的ORTK定位中也会利用IF组合的伪距双差观测值进行定位与粗差探测，并且会检查最后ORTK定位解算得到的参数的验后中误差。若粗差探测失败，参数的验后中误差会明显偏大甚至超过正常值几个数量级，此时将跳过该时刻而不把结果更新到序贯解算的参数中去，并且该时刻吐出单点定位的结果。
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