CN108469625B - 一种北斗辅助的转发式卫星导航系统定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种北斗辅助的转发式卫星导航系统定位方法，能够获得准确的转发式载波相位模糊度，提高高程定位精度，拓宽转发式卫星导航定位的应用场景。本发明所述的定位方法，有效利用北斗系统观测卫星多、可用频率多、几何构型好，能够快速固定模糊度得到较高精度的初始位置的特性，解决转发式载波相位观测量模糊度难以正确固定从而限制其高精度应用的问题。

Description

一种北斗辅助的转发式卫星导航系统定位方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，具体涉及一种北斗辅助转发式卫星导航系统定位方法。

背景技术

转发式卫星导航系统是我国在吸取了全球定位系统(GPS)的长处的基础上提出的一种新的试验卫星导航定位系统。转发式卫星导航系统特有的转发模式可以节省星上资源，并减弱星历误差带来的影响。转发式卫星导航系统的下行信号为C波段信号，其波长约为GPS L2信号波长的1/3，因此根据其载波信号解析的载波相位观测值精度远高于L波段，其测量噪声约为北斗卫星导航系统L波段信号测量噪声的1/3，基于此可实现更高精度载波观测量，特别是在桥梁形变监测、地壳位移监测等需要测量高灵敏度位移应用场景下，转发式系统载波相位能够提供更高精度的位移观测量。在利用载波相位进行高精度解算时，需要先求解转发式载波相位模糊度，但转发式卫星导航系统的观测卫星少、几何构型差，加之伪距的观测精度不高，很难在较短时间内正确的固定模糊度，此外，转发式系统的特有星座构型使得转发式系统的高程定位精度差，这限制了转发式系统的高精度的应用。

北斗卫星导航系统是我国自主建设的全天候高精度卫星导航系统，目前亚太地区的观测几何构型好，利用其解析的伪距和载波相位观测量，能够在较短时间内固定模糊度，解算出较高精度的位置。利用北斗系统辅助转发式系统实现模糊度固定能够解决转发式卫星导航系统观测卫星少、几何构型差从而难以固定模糊度的问题，以及弥补转发式系统高程定位精度差的劣势，得到高于北斗系统的定位精度，特别是具有更高的位移灵敏度，能够更好的服务于形变监测等应用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种北斗辅助的转发式卫星导航系统定位方法，能够获得准确的转发式载波相位模糊度，提高高程定位精度，拓宽转发式卫星导航定位的应用场景。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1，利用北斗卫星导航系统得到当前观测历元在地心地固坐标系下用户的初始位置[x,y,z]，并将该位置转换到大地坐标系，得到用户初始的经纬高[b,l,h]，其中b表示经度，l表示纬度，h表示高度；

步骤2，利用转发式卫星导航系统的伪距观测量固定转发式导航系统的载波相位单差模糊度：

其中，符号Δ表示星间作差符号，[]表示就近取整，下标(i,j)表示卫星i和卫星j，其中i≠j，i＝1、2、3…k，j＝1、2、3…k，k为当前观测历元可观测到的卫星个数；

表示用户相对于卫星i和卫星j的载波相位单差模糊度，ΔP_(i,j)表示用户到卫星i和卫星j的单差伪距，Δφ_(i,j)表示用户到卫星i和卫星j的单差载波相位，λ为转发式导航系统的载波波长；

步骤3，包括如下子步骤：

步骤3.1，将步骤1解算的用户高程作为额外观测量，与转发式卫星导航系统一起形成观测方程组，其中转发式卫星导航系统的参考卫星为卫星j：

式(3)中，l_i,m_i,n_i分别为地心地固坐标系中用户到卫星i的X、Y、Z方向的方向余弦，其中a为地球半径，h为步骤1解算出来的用户高度，[Δx,Δy,Δz,Δt]表示用户的位置x,y,z以及钟差的变化量，Δρ_ij表示d_ij与ρ_ij的差值，其中d_ij为用户到卫星i和卫星j的单差几何距离，ρ_ij为卫星i和卫星j的无模糊度单差载波相位伪距，其中，卫星i和卫星j的无模糊的单差载波相位伪距ρ_ij计算方式为：遍历

范围内的值，以载波相位单差模糊度遍历值

为当前载波相位单差模糊度，计算当前载波相位单差模糊度下的卫星i和卫星j的无模糊单差载波相位伪距ρ_ij：

将Δρ_ij代入式(3)得到

范围内的各个载波相位单差模糊度遍历值

对应的用户位置(x′,y′,z′)；

步骤3.2，分别计算步骤3.1求得的各个载波相位单差模糊度遍历值对应的用户位置与初始用户位置之间在大地坐标系的水平方向距离R：

步骤3.3，记录最小R值对应的载波相位单差模糊度；

步骤4，对下一个历元，重复执行步骤1至步骤3，得到该历元的最小R值对应的载波相位单差模糊度，并判断解算结果是否与上一个历元所得的载波相位单差模糊度完全相同；

若连续至少20个历元所解算的载波相位单差模糊度完全相同，则解算的载波相位单差模糊度是正确的模糊度，执行步骤5，否则对后续历元，继续重复执行步骤1至步骤3，直至连续至少20个历元所解算的模糊度完全相同，得到正确的模糊度，执行步骤5；

步骤5，基于步骤4得到的正确的模糊度，解算获得定位位置。

其中，所述步骤3.2中，基于步骤3.1计算的无模糊的单差载波相位伪距ρ_ij得到Δρ_ij，代入式(3)采用最小二乘迭代法对Δx,Δy,Δz迭代解算。

有益效果：

本发明所述的定位方法，有效利用北斗系统观测卫星多、可用频率多、几何构型好，能够快速固定模糊度得到较高精度的初始位置的特性，解决转发式载波相位观测量模糊度难以正确固定从而限制其高精度应用的问题。

具体实施方式

下面举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种北斗辅助的转发式卫星导航系统定位方法，充分利用北斗观测卫星多、可用频率多以及能够获得较高精度初始定位结果的优势，来弥补转发式观测卫星少、几何构型差导致难以正确解算模糊度的问题，定位精度高。

本发明所示方法包括如下步骤：

步骤1，利用北斗双频伪距和载波相位观测量进行高精度局域差分定位，得到当前观测历元在地心地固坐标系下用户的初始位置(x,y,z)，并将该位置转换到大地坐标系，得到用户的初始经度，纬度，高度(b,l,h)。

步骤2，利用转发式系统的伪距观测量固定转发式系统的载波相位模糊度，如式(1)；

式(1)中，符号Δ表示星间作差符号，下标(i,j)表示卫星i和卫星j,(其中i≠j，i＝1、2、3…k，j＝1、2、3…k，k为当前观测历元可观测到的卫星个数)；

表示用户相对于卫星i和卫星j的载波相位单差模糊度，ΔP_(i,j)表示用户到卫星i和卫星j的单差伪距，Δφ_(i,j)表示用户到卫星i和卫星j的单差载波相位，λ为转发式导航系统的载波波长，[]表示就近取整。

步骤3，由于伪距观测量的精度不足以直接固定载波相位模糊度，利用式(1)直接取整推算出来的整周模糊度存在一定的偏差。假设非差伪距观测量的误差服从[0,σ]的正态分布，那么单差伪距观测量ΔP服从

的正态分布。则ΔP带来的最大误差为

因此，对于每一个模糊度来说，其正确的模糊度值必然是

范围内的某一整数。本步骤通过对该范围内的整数模糊度遍历搜索的方式找到正确的模糊度。在搜索时，利用带入某一组模糊度的解算结果与北斗初始定位结果的接近程度是否在一定范围内来判断是否采用了正确的模糊度参与解算。由于正确模糊度得到的定位精度高于北斗的初始定位精度，而错误模糊度会导致无模糊度伪距观测量误差以波长整数倍增大并且通过几何构型(DOP)进一步放大到定位结果误差，因此将得到的较大偏差的定位结果，所以，正确模糊度对应的位置必然离北斗解算的初始定位结果最近。

定位结果的精度取决于两方面，一是观测量的精度，二是解算方程的几何构型。转发式系统由目前由四颗GEO(地球同步轨道，Geostationary earth orbit)卫星和一颗IGSO(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，倾斜同步轨道)卫星组成。通常情况下，亚太地区GEO卫星均可见，而IGSO卫星则只在一段时间内可见。在用户无法观测到转发式系统IGSO卫星时，其几何构型无法支持三维解算，当用户能够观测到IGSO卫星时，在IGSO卫星接近赤道是几何构型不好，影响定位精度。为了克服这个问题，本发明采用高程辅助的方法，利用步骤1解算的高程改善几何构型，辅助转发式载波相位模糊度固定。具体包括以下子步骤：

步骤3.1，将步骤1解算的用户高程作为额外观测量，与转发式卫星导航系统一起形成观测方程组，其中转发式卫星导航系统的参考卫星为卫星j：

式(3)中，l_i,m_i,n_i分别为地心地固坐标系中用户到卫星i的X、Y、Z方向的方向余弦，其中a为地球半径，h为步骤1解算出来的用户高度，(Δx,Δy,Δz,Δt)表示用户的位置x,y,z以及钟差的变化量，Δρ_ijd_ij与ρ_ij的差值，其中d_ij为用户到卫星i和卫星j的单差几何距离，ρ_ij为卫星i和卫星j的无模糊度单差载波相位伪距，其中，卫星i和卫星j的无模糊的单差载波相位伪距ρ_ij计算方式为：遍历

范围内的值，以载波相位单差模糊度遍历值

为当前载波相位单差模糊度，计算当前载波相位单差模糊度下的卫星i和卫星j的无模糊单差载波相位伪距ρ_ij：

将Δρ_ij代入式(3)得到

范围内的各个模糊度值对应的用户位置(x′,y′,z′)；

本实施例中可观测到四颗GEO卫星，选卫星1为参考卫星，形成的观测方程组为：

步骤3.2，由于采用了步骤1解算的高程作为额外观测量，而对于转发式系统来说，高程方向的几何构型较差，因此转发式解算对高程方向精度的改进不大。在判断时采用水平方向的位置来判断。具体的计算方式为：

将步骤3.1解算的用户位置转换到大地坐标系(b′,l′,h′)，计算

步骤3.2，分别计算步骤3.1求得的各个载波相位单差模糊度遍历值

对应的用户位置与初始用户位置之间的水平方向距离R，并寻找到最小R值对应的用户相对于所有观测到的卫星i和卫星j的载波相位单差模糊度组合

步骤3.3，记录最小R值对应的载波相位单差模糊度；步骤4，对下一个历元，重复执行步骤1至步骤3，得到该历元的最小R值对应的载波相位单差模糊度，并判断解算结果是否与上一个历元所得的载波相位单差模糊度完全相同；

若连续至少20个历元所解算的载波相位单差模糊度完全相同，则解算的载波相位单差模糊度是正确的模糊度组合，执行步骤5，否则对后续历元，继续重复执行步骤1至步骤3，直至连续至少20个历元所解算的模糊度完全相同，得到正确的模糊度，执行步骤5；

步骤5，基于步骤4得到的正确的模糊度，解算获得定位位置。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种北斗辅助的转发式卫星导航系统定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用北斗双频伪距和载波相位观测量进行高精度局域差分定位，得到当前观测历元在地心地固坐标系下用户的初始位置[x,y,z]，并将该位置转换到大地坐标系，得到用户初始的经纬高[b,l,h]，其中b表示经度，l表示纬度，h表示高度；

步骤2，利用转发式卫星导航系统的伪距观测量固定转发式导航系统的载波相位单差模糊度：

其中，符号Δ表示星间作差符号，[]表示就近取整，下标(i,j)表示卫星i和卫星j，其中i≠j，i＝1、2、3…k，j＝1、2、3…k，k为当前观测历元可观测到的卫星个数；

表示用户相对于卫星i和卫星j的载波相位单差模糊度，ΔP_(i,j)表示用户到卫星i和卫星j的单差伪距，Δφ_(i,j)表示用户到卫星i和卫星j的单差载波相位，λ为转发式导航系统的载波波长；

步骤3，包括如下子步骤：

步骤3.1，将步骤1解算的用户高程作为额外观测量，与转发式卫星导航系统一起形成观测方程组，其中转发式卫星导航系统的参考卫星为卫星j：

式(3)中，l_i,m_i,n_i分别为地心地固坐标系中用户到卫星i的X、Y、Z方向的方向余弦，其中a为地球半径，h为步骤1解算出来的用户高度，[Δx,Δy,Δz,Δt]表示用户的位置x,y,z以及钟差的变化量，Δρ_ij表示d_ij与ρ_ij的差值，其中d_ij为用户到卫星i和卫星j的单差几何距离，ρ_ij为卫星i和卫星j的无模糊度单差载波相位伪距，其中，卫星i和卫星j的无模糊的单差载波相位伪距ρ_ij计算方式为：遍历

范围内的值，其中，σ为非差伪距观测量误差的标准差；以载波相位单差模糊度遍历值

为当前载波相位单差模糊度，计算当前载波相位单差模糊度下的卫星i和卫星j的无模糊单差载波相位伪距ρ_ij：

将Δρ_ij代入式(3)得到

范围内的各个载波相位单差模糊度遍历值

对应的用户位置(x′,y′,z′)；

步骤3.2，分别计算步骤3.1求得的各个载波相位单差模糊度遍历值对应的用户位置与初始用户位置之间在大地坐标系的水平方向距离R：

其中，b′为各个载波相位单差模糊度遍历值对应的用户位置转换到大地坐标系下后得到的经度；l′为各个载波相位单差模糊度遍历值对应的用户位置转换到大地坐标系下后得到的纬度；

步骤3.3，记录最小R值对应的载波相位单差模糊度；

步骤4，对下一个历元，重复执行步骤1至步骤3，得到该历元的最小R值对应的载波相位单差模糊度，并判断解算结果是否与上一个历元所得的载波相位单差模糊度完全相同；

若连续至少20个历元所解算的载波相位单差模糊度完全相同，则解算的载波相位单差模糊度是正确的模糊度，执行步骤5，否则对后续历元，继续重复执行步骤1至步骤3，直至连续至少20个历元所解算的模糊度完全相同，得到正确的模糊度，执行步骤5；

步骤5，基于步骤4得到的正确的模糊度，解算获得定位位置。

2.如权利要求1所述的一种北斗辅助的转发式卫星导航系统定位方法，其特征在于，所述步骤3.2中，基于步骤3.1计算的无模糊的单差载波相位伪距ρ_ij得到Δρ_ij，代入式(3)采用最小二乘迭代法对Δx,Δy,Δz迭代解算。