CN108196272A - 一种基于实时精密单点定位的卫星导航定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于实时精密单点定位的卫星导航定位装置及方法，卫星导航接收机接收卫星信号，下变频后送入中频信号预处理单元，完成A/D转换，将干扰抑制后的数字中频信号送入基带信号处理单元进行信号捕获、跟踪，完成原始观测数据和提取，以及解调出原始导航电文；主控单元对原始观测数据和导航电文进行综合处理，解析得到观测数据和广播星历；同时，通过网络实时获取IGS中心卫星轨道参数和卫星钟差，进行数据预处理，统一时空基准，建立定位模型，采用卡尔曼滤波方法进行实时精密定位，同时将定位结果存储并传输给显控单元进行显示。本发明节约成本，能提高工作效率，同时不受距离约束，能显著提高定位系统的自主完备性和精度。

Description

一种基于实时精密单点定位的卫星导航定位装置及方法

技术领域

本发明属于卫星导航高精度非差定位领域，涉及BDS、GPS、GLONASS系统，特别是可接收北斗三号全球新体制信号，可用于卫星导航系统单点高精度定位信息生成。

背景技术

在传统GPS静态定位中，单个卫星导航接收机绝对定位的精度在10m左右，满足不了精密导航和测量用户的需求，一般都采用相对定位方式，通过组成双差观测值消除接收机钟差、卫星钟差等公共误差及削弱对流层延迟、电离层延迟等相关性强的误差影响，来达到提高精度的目的。这种观测方式无需考虑复杂的误差模型，具有解算模型简单、定位精度高等优势；但也存在一些不足，如观测时至少有一台接收机置于已知站上作为基准站，影响了作业效率，提高了作业成本；另外，随着距离的增加，对流层延迟、电离层延迟等误差的相关性减弱，必须相应地延长观测时间，才能达到预期精度。另外，随着北斗三号全球卫星导航系统的推进，实现接收北斗三号全球新体制信号的接收机，将显著提高定位的自主完备性和精度。兼容北斗三号新体制信号的三系统全频点接收机，需具备800个通道的实时观测能力，小型化单基带信号处理板的配置难以实现。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于实时精密单点定位的卫星导航定位装置及方法，与采用RTK技术的卫星导航接收机相比，无需与其它卫星导航接收机组配或架设基准站，只需要单机作业，从而节约成本，且提高工作效率，同时不受距离约束，可接收包括BD2(B1/B2/B3)、BD3(B1C/B2ab)、GPS(L1/L2/L5)、GLONASS(L1/L2)三系统全频点信号，可同时接收800个通道。由于接收通道较多，同时考虑到接收机体积因素，基带信号处理单元采用三块基带信号处理板分布式总线架构设计，通过基于统一TIC的时间同步技术，实现了三块基带信号处理板(三系统)观测数据的时标统一，达到了同步精度小于10ns，保证了三系统观测数据时标的准确性和一致性。采用基于GPS+GLONASS+BDS融合的实时精密单点定位方法，相比单一系统而言，GPS+GLONASS+BDS无论是从连续性、可用性、可靠性、精度以及效率等各方面都更具优势。三者的融合可以大大改善卫星的几何图形强度，能显著提高定位系统的自主完备性和精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于实时精密单点定位的卫星导航定位装置，包括卫星导航接收机和天线；卫星导航接收机包括射频信号处理单元、中频信号预处理单元、基带信号处理单元、主控单元和显控单元；卫星导航接收机通过天线单元接收BDS、GPS、GLONASS系统相应频点的卫星信号，经射频信号处理单元进行下变频处理后，将模拟中频信号送入中频信号预处理单元，完成A/D转换，将干扰抑制后的数字中频信号送入基带信号处理单元进行信号捕获、跟踪，完成原始观测数据和提取，以及解调出原始导航电文；主控单元对原始观测数据和导航电文进行综合处理，解析得到观测数据和广播星历；同时，通过网络实时获取IGS中心卫星轨道参数和卫星钟差，进行数据预处理，统一时空基准，建立定位模型，采用卡尔曼滤波方法进行实时精密定位，同时将定位结果存储并传输给显控单元进行显示。

本发明还提供一种基于实时精密单点定位的卫星导航定位方法，包括以下步骤：

1)读取原始数据，包括GPS、BDS、GLONASS三系统RINEX格式的原始观测数据、广播星历，精密星历和精密钟差；

2)对GPS、BDS、GLONASS三系统原始数据采用M-W组合探测法进行周跳检测及粗差剔除；用检测过周跳的载波相位来平滑剔除粗差的伪距，对GPS、BDS、GLONASS三系统时空基准进行统一处理。

3)通过拉格朗日插值方法内插精密星历、钟差，构建GPS、BDS、GLONASS三系统观测方程，采用双频伪距和载波相位观测值的消电离层组合方法进行误差改正；

4)建立随机模型，对于同一系统的不同卫星，采用基于高度角的先验定权方法，对于不同系统下的卫星，采用Helmert验后方差估计的方法进行定权；

5)采用扩展卡尔曼滤波进行模糊度和坐标求解。

本发明的有益效果是：

本发明可以接收北斗三号全球新体制信号，目前在卫星导航接收机中尚无此类设备，可以增加观测卫星数，改善卫星的几何图形强度，同时新体制信号本身具有更强的抗多径、抗干扰能力，无论是从连续性、可用性、可靠性、精度以及效率等各方面都更具优势。

本发明集成了先进的GNSS实时数据处理、3G通信等技术；能够在保证卫星导航单点定位精度的同时，保障其实时性、可靠性和实用性。其静态定位精度可达到厘米级，定位精度高。

本发明统一了三系统组合精密定位的时间系统和空间系统，建立了精密单点定位非差组合模型，有效缩短定位收敛时间以及提高在双系统卫星数较少或者卫星星座分布较差时的定位精度。

附图说明

图1为本发明的装置整体结构框图；

图2为基于统一TIC的时间同步技术原理框图；

图3为本发明整个装置的信号传输关系图；

图4为本发明的方法流程示意图。

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。

本发明提供的卫星导航定位装置包括卫星导航接收机和天线各一套。

天线用于接收卫星信号，将电磁波信号转换为高频电信号，通过天线线缆传送给卫星导航接收机。

卫星导航接收机将高频电信号下变频后形成模拟中频信号，经A/D量化转换后形成数字中频信号，经过基带解调生成原始观测数据，提供给主控单元进行定位处理。卫星导航接收机主要由射频信号处理单元、中频信号预处理单元、总线接口单元、基带信号处理单元、主控单元、显控单元、3G通讯单元、以太网通讯单元和电源单元等组成。

为实现上述目的，本发明提供的实时精密定位方法包括以下步骤：

1)读取原始数据

说明：原始数据包括：GPS、BDS、GLONASS三系统RINEX格式原始观测数据、广播星历，精密星历、精密钟差。

2)数据预处理

说明：对GPS、BDS、GLONASS三系统原始数据采用M-W组合探测法进行周跳检测及粗差剔除。用检测过周跳的载波相位来平滑剔除粗差的伪距，对GPS、BDS、GLONASS三系统时空基准进行统一处理。

3)建立精密单点定位模型

说明：通过拉格朗日插值方法内插精密星历、钟差，构建GPS、BDS、GLONASS三系统观测方程，采用双频伪距和载波相位观测值的消电离层组合方法进行误差改正。

4)建立随机模型

说明：对于同一系统的不同卫星，基于高度角的先验定权方法，对于不同系统下的卫星，采用的是Helmert验后方差估计的方法来进行定权。

5)解算结果

说明：采用扩展卡尔曼滤波(EKF)进行模糊度和坐标求解。

参照图1，本发明装置包括：卫星导航接收机和天线。卫星导航接收机包括射频信号处理单元、中频信号预处理单元、总线接口单元、基带信号处理单元、主控单元、显控单元和电源单元等组成。本装置的工作流程如下：卫星导航接收机通过天线单元接收BDS、GPS、GLONASS系统相应频点的卫星信号，经射频信号处理单元进行下变频处理后，将模拟中频信号送入中频信号预处理单元，完成A/D转换，将干扰抑制后的数字中频信号送入基带信号处理单元进行信号捕获、跟踪，完成原始观测数据和提取，以及解调出原始导航电文；主控单元对原始观测数据和导航电文进行综合处理，解析得到观测数据和广播星历；同时，通过3G通讯或者以太网通讯单元通过网络实时获取IGS中心卫星轨道参数和卫星钟差，进行数据预处理，统一时空基准，建立定位模型，采用卡尔曼滤波方法进行实时精密定位，同时将定位结果存储并通过串口传输给显控单元进行显示。

参照图2，采用基于统一TIC的时间同步技术，接收机内部时间系统基准为外部输入或接收机内产生的10MHz信号。

10MHZ信号由时钟分配模块输出到主控单元，主控单元利用10MHz信号产生采样时钟信号，分路后分别输出给3个基带信号处理板，该采样信号为所有数字部分的统一时钟信号。

所有基带信号处理板的本地输出的1PPS和TIC(本地时间计数)均是由主控单元利用10MHZ信号产生的同一个信号分路而来，该1PPS信号前沿作为所有系统所有频点的测量时刻。通过北斗单星校时，实现同步到北斗系统时上(也可以同步到其他系统时间)，统一使用本机的输出的1PPS和TIC，从而实现所有系统时间同步到北斗时上。

开机后三系统的基带信号处理板的TIC计数在第一个本机输出的1PPS到来时统一清零，然后开始从零计数；当收到北斗卫星信号后进行校时，首先选择用于校时的卫星号、获取接收机天线的基准位置、用于校时卫星的伪距和周内秒，当校时卫星的星历有效时，计算卫星位置，利用卫星位置计算基准位置和卫星之间的真距。计算电离层修正、地球自转效应修正、对流层效应修正，用周内秒的时间减去伪距传递时间获得的发射时刻，发射时刻时间减去星历参数TOC，再进行星钟修正，相对论时延修正，将此时间转化为钟差修正，修正于伪距。进行各种修正后的伪距减去真距，取小数部分即为北斗时和TIC时间的差Δt，将TIC时间挪动Δt，使之和北斗时同步，完成校时，此时已将本机1PPS和TIC前沿同步到北斗时，同步精度小于10ns，此后整机的测量时刻即为北斗时。1PPS校时在开机时自动进行一次。

参照图3，本发明整个装置的传输关系如下：

天线接收卫星导航信号，通过电缆将射频信号传输到射频信号处理单元。射频信号处理单元将导航卫星信号进行放大和下变频处理，输出相应的模拟中频信号，传输到中频信号预处理单元。中频信号预处理单元完成全部频点的模拟中频信号模数转换、干扰综合检测及抑制等中频信号预处理，为基带信号处理单元提供预处理后的数字中频信号。基带信号处理单元完成卫星信号的捕获跟踪、多径抑制、数据解调、测量值提取等处理工作并将观测数据、导航电文、状态信息等发送给主控单元，主控单元将基带信号处理单元输出的观测数据、状态信息、导航电文等信息综合处理，进行实时精密定位并存储，同时发送给显控单元进行显示。

参考图4，本发明的实时精密单点定位方法，包括如下步骤：

步骤1：读取RINEX3.02(包含北斗三号新体制信号)格式原始观测数据和广播星历文件，精密星历、精密钟差。

步骤2：对步骤1读取的数据进行数据预处理

1)剔除粗差、周跳检测、平滑伪距

对所述原始观测数据依次进行剔除粗差、周跳检测、和平滑伪距处理，生成预处理后的原始观测数据。采用M-W组合探测法进行周跳检测及粗差剔除。用检测过周跳的载波相位来平滑剔除粗差的伪距，提高其精度，减少初始化的时间。

2)时空基准统一

2.1)时间基准统一

GPS的时间系统(t_GPS)属于原子时系统，它的秒长和原子时秒长相同，但它和国际原子时存在着不同的原点，并且在任一时刻它们二者之间都存在一个常量偏差(19s)。北斗系统的时间基准为北斗时(t_BDS)。t_SDB采用国际单位制(SI)秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时(t_UTC)00时00分00秒，采用周和周内秒计数。t_BDS与t_UTC之间的闰秒信息在导航电文中传播。GLONASS时间系统(t_GLONASS)属于UTC时间系统，它是基于GLONASS同步中心(CS)时间产生的，由于GLONASS控制部分本身存在的特性，使得t_GLONASS与俄罗斯维持的协调世界时t_UTC(SU)存在的整数差为3h，此外它们之间还存在有1ms以内的系统误差τ_r。t_GPS与t_GLONASS之间的转换关系为：

t_GPS＝t_GLONASS+τ_c+τ_u+τ_g+τ_r

式中，τ_c＝t_UTC(SU)-t_GLONASS；τ_u＝t_UTC-t_UTC(SU)；τ_g＝t_GPS-t_UTCτ_r为GPS观测值与GLONASS观测值间的接收机钟差。

t_GPS与t_BDS之间的转换关系为：

t_GPS＝t_BDS+τ_c+τ_g+τ_r，τ_c＝t_UTC-t_BDS，τ_g＝t_GPS-t_UTC，τ_r为GPS观测值与BDS观测值间的接收机钟差。

2.2)坐标基准统一

GPS坐标系统采用的是WGS-84坐标系。该坐标系是地心空间直角坐标系，它的原点为地球质心，Z轴指向国际时间服务机构(BIH)1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向(BIH)1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系。BDS坐标系统采用的是我国2000大地坐标系统(CGCS2000)，它的定义和国际地球参考系统(ITRS)相一致。GLONASS的苏联1985标系(SGS85)，1993年以后改为使用PZ90.02坐标系，该坐标系是由俄罗斯进行地面网与空间网联合平差后所建立的。

GPS与BDS两个坐标系的主要不同在于参考椭球的扁率f有微小的差异，而这种差异在当前的测量精度水平中可以忽略，对于在坐标系定义上的比较，可以认为在同一历元下CGCS2000和WGS-84在坐标系的实现精度范围内，两者的坐标是一致的。当前，大多数学者认为使用俄罗斯MCC计算得到的七参数作为二个坐标系转换参数的精度最高，该七参数是通过全球激光跟踪测轨数据计算得到，PZ90.02与WGS-84之间的坐标转换公式为

假设空间一点P在一个直角坐标系PZ90.02中的位置坐标为(x，y，z)，那么该点在另一个不同却几乎平行的直角坐标系WGS-84中的位置坐标(x′，y′，z′)为

坐标平移量(Δx，Δy，Δz)为坐标系PZ90.02的原点在坐标系WGS-84中的坐标，δ_ε、δ_ψ、δ_ω为坐标系PZ90.02分别绕X、Y、Z坐标轴旋转而能得到WGS-84相应坐标轴的所需旋转角度，δ_PZWGS体现为坐标尺度因子。

步骤3：利用拉格朗日插值法内插精密星历和钟差，采用非差模型进行高精度单点定位，建立精密单点定位的误差方程如下：

P^g(L_i)＝ρ^g+c(dt^g-dT^g)+d^g _orb+d^g _trop-d^g _ion/Li

+d^g _mpath/P(Li)+ε^g(P(L_i)) (1)

P^l(L_i)＝ρ^l+c(dt^l-dT^l)+d^l _orb+d^l _trop-d^l _ion/Li+d^l _mpath/P(Li)+ε^l(P(L_i)) (3)

P^c(L_i)＝ρ^c+c(dt^c-dT^c)+d^c _orb+d^c _trop-d^c _ion/Li+d^c _mpath/P(Li)+ε^c(P(L_i))(5)

Φ(L_i)是Li上的载波观测值(m)；ρ是几何距离，(X_s,Y_s,Z_s)是卫星发射时刻t的坐标，(x,y,z)是接收机坐标；c是光速(m/s)；dt是卫星钟差(s)；dT是接收机钟差(s)；d_orb是卫星轨道误差(m)；d_trop是对流层延迟(m)；d_ion/Li为Li上的电离层延迟(m)；λ_i是Li的波长(m)；N_i是Li的整周模糊度(周)；是接收机振荡器的初始相位；是卫星振荡器的初始相位；d_mpath/P(Li)是Li上的伪距测量值的多路径效应(m)；d_mpath/φ(Li)是Li上的载波相位测量值的多路径效应(m)；ε(·)是测量噪声。其中，g表示GPS卫星，L表示GLONASS卫星，c表示BDS卫星。

将对流层延迟d_trop表示成对流层延迟zpd与其映射函数M的积。采用双频无电离层非差观测值组合来消除电离层的一阶影响，定位的数学模型将变为：

步骤4：进行定位解算时，必须对伪距测量值进行电离层、相对论效应等误差改正，从而消除绝大部分伪距测量值和载波相位观测值的误差，但有部分误差有所残留，鉴于不同系统的不同伪距误差，就有必要对每颗卫星的权值进行设定。对于同一系统的不同卫星，基于高度角的先验定权方法，对于不同系统下的卫星，采用的是Helmert验后方差估计的方法来进行定权。观测值的精度可以通过高度角来间接反映。当出现卫星高度角偏低的情况，电离层、对流层、多路径等误差就对观测值出现比较大的影响，这就出现精度降低的情况。所以必须适当地提高卫星高度角。以卫星高度角定权的一种随机模型形式为：

σ² _C＝Sigma²c/sin²(E)，

σ² _Φ＝Sigma²Φ/sin²(E)

式中：下标C表示为伪距观测方程；下标Φ表示为相位观测方程；E为卫星高度角；Sigma表示观测值天顶方向测量精度。计算时观测值先验精度设置为：GPS：Sigma C：3m，SigmaΦ：0.02m；GLONASS：Sigma C：3.5m；SigmaΦ：0.025m；BDS：Sigma C：3.2m，SigmaΦ：0.02m。

步骤5：三系统融合定位中，观测方程为非线性，采用扩展卡尔曼滤波(EKF)进行模糊度和坐标积累，快速收敛。构造方程如下：

系统方程：

x_i＝(x_i,y_i,z_i,zpd_i,N_i) (13)

测量方程：

y_i＝(P_IF,i,Φ_IF,i) (14)

系统预测方程：

系统预测方程协方差：

增益方程：

式中：与P_i分别为在历元t_k时的待估计状态量及其相关系数矩阵；(+)与(-)分别为EKF观测更新前与观测更新后；h(x)、H(x)与R(x)分别为观测模型量、偏导数和观测误差的协方差矩阵。

当观测方程经过线性化后，状态量与其相关系数矩阵的时间更新为

式中，F_i ⁱ⁺¹与分别为历元t_k到t_k+1时系统噪声的转移矩阵及其相关系数矩阵。

实施效果：

与采用RTK技术的卫星导航接收机相比，本发明无需与其它组配或架设基准站，只需要单机作业，从而节约成本，且提高工作效率，同时不受距离约束，数据解算可快速完成，数据处理更加简单；其厘米级的定位结果又可以满足一般导航和测量用户的需求，具备快速、灵活的实时定位能力。可同时接收800个通道，具备北斗三号全球体制信号接收能力，增加了北斗卫星观测数量。基于数据总线的分布式架构基带信号处理，采用基于统一TIC的时间同步技术，解决了多系统时间同步问题，同时保证了接收机体积小型化。

融合定位方法收敛时间相比双系统收敛时间有所减少，这对于改善双系统精密单点定位需要长时间收敛时间具有重要意义。融合定位方法能够有效的提高双系统的可视卫星颗数，改善组合系统的空间卫星分布。特别是在环境恶劣情况下，卫星颗数较少时，融合定位系统能够发挥明显优势。利用全天原始观测数据进行实施，全天时间中GPS平均可视卫星颗数5.7颗；BDS平均可视卫星数12颗；GLONASS平均可视卫星数5.0颗；三系统融合定位的平均可视卫星颗数最高达到17颗。定位收敛时间为10分钟；定位精度为厘米级。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于实时精密单点定位的卫星导航定位装置，包括卫星导航接收机和天线，其特征在于：所述的卫星导航接收机包括射频信号处理单元、中频信号预处理单元、基带信号处理单元、主控单元和显控单元；卫星导航接收机通过天线单元接收BDS、GPS、GLONASS系统相应频点的卫星信号，经射频信号处理单元进行下变频处理后，将模拟中频信号送入中频信号预处理单元，完成A/D转换，将干扰抑制后的数字中频信号送入基带信号处理单元进行信号捕获、跟踪，完成原始观测数据和提取，以及解调出原始导航电文；主控单元对原始观测数据和导航电文进行综合处理，解析得到观测数据和广播星历；同时，通过网络实时获取IGS中心卫星轨道参数和卫星钟差，进行数据预处理，统一时空基准，建立定位模型，采用卡尔曼滤波方法进行实时精密定位，同时将定位结果存储并传输给显控单元进行显示。

2.一种利用权利要求1所述装置基于实时精密单点定位的卫星导航定位方法，其特征在于包括下述步骤：

1)读取原始数据，包括GPS、BDS、GLONASS三系统RINEX格式的原始观测数据、广播星历，精密星历和精密钟差；

2)对GPS、BDS、GLONASS三系统原始数据采用M-W组合探测法进行周跳检测及粗差剔除；用检测过周跳的载波相位来平滑剔除粗差的伪距，对GPS、BDS、GLONASS三系统时空基准进行统一处理。

3)通过拉格朗日插值方法内插精密星历、钟差，构建GPS、BDS、GLONASS三系统观测方程，采用双频伪距和载波相位观测值的消电离层组合方法进行误差改正；

4)建立随机模型，对于同一系统的不同卫星，采用基于高度角的先验定权方法，对于不同系统下的卫星，采用Helmert验后方差估计的方法进行定权；

5)采用扩展卡尔曼滤波进行模糊度和坐标求解。