CN108508470A - 面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，包括：(1)服务端实时解算三频卫星钟差、测站间的ISPB和FCB产品，并提供给用户端；(2)用户端解算用户站的ISPB；(3)用户端进行精密单点定位；(4)利用三频浮点模糊度构建宽巷和超宽巷模糊度；(5)将三频浮点模糊度对应的协方差矩阵进行映射；(6)固定超宽巷模糊度；(7)固定宽巷模糊度；(8)利用模糊度固定过程获得的位置参数进行高精度的定位和导航应用。本发明无需基站或者增强系统的辅助，应用范围也不受基站密度的限制，可进行全球无缝的瞬时精度达到2分米级的导航定位应用。

Description

面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法

技术领域

本发明涉及一种面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，在全球范围内瞬时定位精度可达到2分米级。

背景技术

随着美国GPS现代化的推进，欧盟GALILEO系统的建立和俄罗斯GLONASS系统的恢复以及中国北斗二代的实施，未来的导航卫星星座将包含120多颗卫星，并且将提供多余等于三频(L5，E5b，B3)的无线电信号。多频多系统组合定位可以显著减少模糊度的初始化时间，提高定位精度及可靠性，已成为高精度卫星导航技术的研究热点和发展方向。

此外，随着机器学习和图像识别等技术的发展，一些诸如智能驾驶，无人机导航等高精度导航应用也在飞速发展，GPS的作用在于为人或载具提供精确的绝对坐标信息，在各种位置服务中都起着不可或缺的作用。然而，现有的GPS定位算法很难满足实时高精度高动态导航的需求。就智能驾驶来说，通常认为智能驾驶只进行简单车道级识别的话，GPS定位精度需要达到优于1.5m的精度，而如果需要准确定位在车道所处的位置则要优于0.5m,真正达到完全智能驾驶程度，则要求GPS精度优于0.1m。在复杂的都市环境中，由于信号遮挡以及多路径的影响，GPS伪距定位通常只能达到米级的精度，用于真正的智能驾驶还远远不够。虽然目前的网络RTK等广域差分技术已经很成熟，精度也可以满足智能驾驶的需求，但是此类技术通常需要比较密集的基准站网来生成、播发改正信息，因此作用范围非常有限。另外，星基或者地基的增强系统也可以达到分米级的伪距定位精度，如美国的WAAS系统和欧盟的EGNOS等空基增强系统，还有中国建设的北斗地基增强系统。但是增强系统也只是可以实现广域的分米级定位且建设需要极大的成本。

目前可以不依赖基站实现GNSS高精度定位的主流技术即精密单点定位(PPP)技术，单站即可实现厘米级的定位精度，然而众所周知，传统的PPP需要长达数十分钟的时间才能收敛到可靠的精度，而且在面临多数卫星失锁的情况下有可能需要重收敛，这极大的限制了PPP在实时应用中的作用。随着PPP技术的发展，国内外部分学者提出了模糊度固定的概念，即将浮点的模糊度固定为整数模糊度，这样做不仅可以在一定程度上加快收敛，还可以增强PPP定位结果的可靠性，不过即使联合多系统进行模糊度固定，动态站依然需要数分钟的收敛时间，在城市高动态环境中还要更长，因此还是不足以满足智能交通的需求。

目前存在的单历元定位方法主要是基于网络RTK方法，依赖CORS站来播发准确的对流层电离层改正数，以实现单历元厘米级定位。例如，公开号为CN104111467A的中国专利申请“一种基于北斗三频宽巷组合的网络RTK瞬时定位方法”，披露了一种瞬时高精度定位方法，包括：网络RTK服务端依赖CORS站实时产生、播发包括对流层和电离层延迟改正数在内的虚拟观测值；用户端利用TCAR法快速的固定宽巷模糊度，以得到厘米级精度的位置解。上述方案虽然满足实时应用的精度需求，但依旧需要依赖一定密度的基准站播发的区域改正产品，难以在大区域甚至全球推广开来。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种瞬时定位精度可达到2分米级的、面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法。

本发明提供的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，包括：

(1)服务端实时提供全球可用的非差非组合模型下的三频卫星钟差或频间钟偏差改正数、卫星轨道和FCB产品；

(2)用户端采用服务端提供的钟差产品进行单历元精密单点定位，获得单历元的浮点模糊度和浮点解位置；

(3)利用步骤(2)解算的三频浮点模糊度构建宽巷和超宽巷模糊度N_WL、N_EWZ：其中，N₁、N₂和N₃分别表示三个频率上的浮点模糊度；

(4)采用服务端提供的超宽巷模糊度FCB产品固定超宽巷模糊度；

(5)采用服务端提供的宽巷模糊度FCB产品，在固定超宽巷模糊度的基础上固定宽巷模糊度；

(6)利用模糊度固定后获得的位置参数进行高精度的定位和导航应用。

进一步的，步骤(1)中，所述三频卫星钟差或频间钟偏差改正数，具体采用如下方法获得：

在第三频率伪距上估计一用来吸收时不变接收机端硬件延迟的未知常数参量，并构建第三频率的观测方程；

基于第三频率的观测方程和传统的双频观测方程，利用历元差分方法实时解算卫星钟差或者第三频卫星钟差同第一、二频卫星钟差的差值，所述差值即频间钟偏差改正数。

进一步的，步骤(1)中，所述FCB产品，具体采用如下方法获得：

利用卫星端FCB估计模型，估计卫星端的超宽巷和宽巷FCB，一天估计一次FCB，全天共用该FCB，所述超宽巷和宽巷FCB根据非差非组合模型所解算的模糊度来计算。

进一步的，本发明方法还包括：在服务端和用户端分别实时解算用户站间的系统间偏差ISPB。

系统间偏差ISPB的实时解算，具体为：

选定一卫星系统作为参考系统，采用分别计算其他卫星系统相对参考系统的ISPB，其中，d和d'表示两个不同测站或不同用户站的编号；卫星k和q分别表示参考系统和其他系统中的卫星；b_dd'表示其他卫星系统相对参考系统的ISPB；表示测站或用户站d和d'间卫星k和q的单差模糊度之差；[*]表示取整。

进一步的，步骤(2)具体为：利用三频非差非组合模型进行单历元精密单点定位。

进一步的，步骤(4)中，首先，采用服务端提供的超宽巷FCB产品恢复超宽巷模糊度的整数特性，固定超宽巷模糊度时，采用直接固定或者LAMBDA搜索的方法获得超宽巷的整周数。

进一步的，步骤(5)中，固定超宽巷模糊度后，更新宽巷模糊度的数值，使用服务端提供的宽巷模糊度FCB产品恢复宽巷模糊度的整数特性，固定宽巷模糊度时，采用直接固定或者LAMBDA搜索的方法获得宽巷的整周数。

本发明提供的用于用户端的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，包括：

接收服务端发送的实时解算的三频卫星钟差或频间钟偏差改正数、卫星轨道和FCB产品；

进行精密单点定位，采用单历元解算模式获得浮点模糊度和浮点解位置；

利用三频浮点模糊度构建宽巷和超宽巷模糊度其中，N₁、N₂和N₃分别表示三个频率上的浮点模糊度，N_WL、N_EWZ分别为宽巷和超宽巷模糊度；

采用服务端提供的超宽巷模糊度FCB产品固定超宽巷模糊度；

采用服务端提供的宽巷模糊度FCB产品，在固定超宽巷模糊度的基础上固定宽巷模糊度；

利用模糊度固定后获得的位置参数进行高精度的定位和导航应用。

本发明可实现全球无缝的瞬时定位精度达到2分米级的导航应用，同现有的网络RTK技术相比，本发明不需要播发区域的改正数产品，只需播发全球可用的卫星钟差、ISPBs和FCB等产品；同时，本发明用户端不仅可以提供瞬时分米级的高精度定位和导航服务，还具有不需要依赖基站或增强系统的优点，弥补了网络RTK的地域局限性，真正在全球范围内提供单历元分米级服务。

和现有技术相比，本发明的优点可概括如下：

(1)无需基站或者增强系统的辅助，应用范围不受基站密度的限制，理论上只要全球任何能收到GNSS信号的地方，均可采用本发明进行瞬时2分米级导航定位服务；同时，与PPP相比较，无需数十分钟的收敛时间，单历元即可实现可靠的分米级定位结果，可以很好的适用于实时定位应用。

(2)适用于单模或者多模GNSS系统，随着未来北斗和Galileo系统的建成，将不再需要系统间模糊度固定，单一系统便可达到足够的卫星数目。

附图说明

图1是本发明服务端的流程图；

图2是本发明用户端的流程图；

图3是具体实施实例采用的具体测站分布图；

图4是武汉JFNG站伪距定位和本系统所得时间序列的对比图；

图5是全球107个站瞬时分米级定位精度和卫星数的关系图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示为本发明服务端的流程图，服务端提供的产品包括全球可用的卫星钟差、ISPBs产品和FCB产品，而网络RTK服务端提供的是区域改正数产品。图1中，直角方框代表数据处理模型，圆角方框代表数据和产品，箭头表示数据流方向，“ERP”，“FCB”分别表示地球自转参数、相位小数偏差。

服务端的流程如下：

S110：基于IGS超快速预报轨道和ERP，实时解算三频卫星钟差，用以播发给用户端。

本发明中，服务端为了应对GNSS系统中普遍存在频间钟偏差(IFCB)的问题，利用三频卫星钟差估计模型，在第三频率上估计第二个卫星钟参数。

下面将对三频卫星钟差估计模型推导过程进行说明。

传统的卫星钟差由无电离层组合求得，见式(1)：

式(1)中：

和分别表示接收机i和卫星k之间的载波L1、L2上的伪距观测值；

和分别表示和相应的载波相位观测值；

表示包括几何距离、接收机i和卫星k的物理钟差、对流层延迟的非色散延迟；

B_ji,*表示频率j上接收机i的接收端硬件延迟，被接收机钟差参数吸收，j＝1,2；

表示频率j上卫星钟差吸收的卫星端的硬件延迟，j＝1,2；

表示吸收硬件延迟后的倾斜路径电离层延迟；

λ₁和λ₂分别表示载波L1、L2对应的波长；

和表示包含来自接收机端和卫星端硬件延迟的非整周模糊度；

f₁和f₂分别表示载波L1、L2对应的频率；

当进行三频数据处理时，由于三频上硬件延迟不同于传统的双频无电离层组合硬件延迟，因此，第三频率上接收机和卫星钟差同双频是不匹配的。为解决该问题，本发明采用非差非组合模型，即，在第三频率上估计传统的L1/L2卫星钟之外的第二个卫星钟差参数。此外，在第三频率伪距上估计一个未知常数参量来吸收时不变的接收机端硬件延迟。

第三频率的观测方程见式(2)：

式(2)中：

表示接收机i和卫星k之间的载波L3上的伪距观测值；

表示相应的载波相位观测值；

H^k表示卫星k第三频率上卫星钟所吸收的硬件延迟；

H_r为第三频率上估计的一个常数参数，用来吸收三频与双频接收机钟差的不一致的时不变部分；

为第三频率上的非整周模糊度；

f₃与λ₃分别表示载波L3对应的频率和波长。

式(1)～(2)即构成三频卫星钟差估计模型，基于三频卫星钟差估计模型，利用历元差分方法即可实时解算三频卫星钟差。

S120：估计测站间的系统间偏差ISPBs。

众所周知，ISPBs的存在阻碍了系统间模糊度的实施。对PPP来说，存在测站的非校准硬件延迟无法通过不同星座的卫星单差来消除。为此本发明提出一种ISPB估计模型，见式(3)。

对单条基线测站d和d'来说，GPS和BDS的系统间偏差的计算见式(3)：

式(3)中：

G和C分别表示GPS和BDS卫星导航系统；

表示测站d和d'间卫星k和q的单差模糊度之差；

[*]表示对*取整。

S130：利用卫星端FCB估计模型，估计卫星端的超宽巷和宽巷FCB，获得FCB产品。

由于超宽巷和宽巷FCB天与天之间具有很好的稳定性，因此可以根据前一天计算的FCB对后一天进行预报。

图2所示为本发明服务用户端的流程图，具体包括步骤：

S210：采用步骤S120所述方法计算用户站间的系统间偏差ISPB。

S220：进行面向全球无缝的瞬时分米级导航：

本步骤进一步包括：

S221：采用三频非差非组合模型计算单历元模糊度浮点解，三频非差非组合模型见式(1)～(2)。

单历元分米级定位关键点在于无需收敛时间，不受周跳、卫星失锁等影响，因此模糊度在单历元定位中可以看作“时变的”参数来估计。对于对流层参数，由于实时应用场景短时间内变化不大，因此可通过多历元估计，或者亦可直接忽略对流层的估计，仅采用现有的模型进行改正。

S222：生成超宽巷模糊度和宽巷模糊度。

不同于传统的MW组合生成宽巷和超宽巷的模糊度，本发明根据三频模糊度的组合来形成，利用式(4)将三频非差非组合模糊度转换为宽巷和超宽巷模糊度外加N₁的形式。

式(4)中：

N_EWL和N_WL分别表示超宽巷模糊度和宽巷模糊度；

N₁、N₂和N₃分别表示载波L1，L2和L3上的浮点模糊度。

S223：协方差矩阵映射。

进行模糊度固定之前，将原本的三频非差非组合模糊度的协方差矩阵Q_3f映射为超宽巷模糊度、宽巷模糊度和N₁的协方差矩阵Q_c。

然后，利用式(5)得到对应超宽巷和宽巷模糊度的协方差矩阵：

Q_c＝MQ_3fM^T (5)

式(5)中：

M表示从非组合到组合的映射矩阵，

M^T为M的逆矩阵。

S224：固定超宽巷模糊度。

下面将对超宽巷模糊度固定原理进行说明。

每个历元，将式(1)～(2)所示的非差非组合观测方程添加到单历元分米级定位的法方程中，协方差矩阵也因此改变。累计测站d当前历元所有的法方程，并将协方差矩阵进行映射，获得如下参数求解方程：

式(6)中：

d表示测站编号；

W₁ ^d表示测站d对应的位置和大气参数的更新因子矩阵；

表示测站d对应的模糊度参数的更新因子矩阵；

ΔX^d表示测站d对应的位置参数、对流层参数、宽巷模糊度、N1模糊度的浮点解；

表示浮点超宽巷模糊度向量， 和分别表示浮点模糊度的整数和小数部分。

为了简洁，假定为的固定和浮点估值的整数部分，此种情况下，单历元分米级定位的模糊度固定就意味着应该由对应卫星的超宽巷FCB来代替。这里，用表示卫星端超宽巷FCB，则有：

式(7)中：

表示卫星端超宽巷FCB向量；

表示对应于的超宽巷固定解模糊度。

从式(7)可以看出，FCB向量是固定解模糊度的一部分，因此将会影响固定解位置参数的值。

对位置估值ΔX^d的影响可以推导如下

式(8)中：

ΔX^d表示基于的固定解位置、大气和参数模糊度参数估值；

其中，分别为分块矩阵Q_c的各个组成部分。

通过式(8)即可完成对位置、大气和模糊度参数的更新，自此超宽巷模糊度固定完成。

S230：固定宽巷模糊度。

宽巷模糊度固定策略同超宽巷模糊度类似，只是在搜索模糊度整周数时有所区别。除去卫星端和接收机端的FCB后，超宽巷模糊度的整数特性非常好，也就是说可以通过对取整直接得到。而宽巷模糊度整数特性一般，采用直接取整的方法无法准确得到其真实的整数值，为此本发明采取三种策略来提高宽巷模糊度的单历元固定率，一是通过固定超宽巷模糊度来降低宽巷模糊度的噪声，提供其整数特性；二是采用LAMBDA法进行整周模糊度搜索，LAMBDA法为领域内公知的技术，其原理是应用模糊度的协方差矩阵进行整数最小二乘求解，以此来得出模糊度的整数值；三是部分模糊度固定策略，即在Ratio值低于预设阈值时，放弃固定全部模糊度，选择固定其中一部分模糊度的策略，通过排除一些固定不了或者固定错误的卫星来提高整体的固定率。Ratio值为LAMBDA方法中描述搜索结果可靠性的指标。本具体实施方式中，阈值预设为2。

表1中给出了超宽巷模糊度和宽巷模糊度的单历元固定率，其中，宽巷模糊度采用了LAMBDA搜索的方法，可以看出超宽巷模糊度的固定率达到了99.9％，而宽巷模糊度的固定率也达到了88.6％。在进一步应用部分模糊度固定策略后，其宽巷模糊度的固定率提高到了91.2％，在实时应用中可以保证其可靠性。

表1超宽巷和宽巷模糊度在不同固定策略下的单历元固定率，

表1中，“-”表示没有进行该项实验，另，宽巷固定率都是基于超宽巷固定之后的统计结果。

S240：利用模糊度固定后获得的位置参数进行高精度的定位和导航应用。

本发明可为以智能驾驶为代表的实时高精度应用提供瞬时分米级的绝对位置服务，解决其对于瞬时精确位置的需求，具体导航方法需根据不同应用的实际情况来决定。

实施例

为分析面向全球无缝的瞬时分米级导航方法与系统的性能，本实施例在全球MGEX网中选择了包含GPS/Galileo的83个站来计算钟差和FCB产品并进行动态定位实验，时间跨度为2017年第335-365天。图3为本实施例所用测站分布图，图中叉号代表进行动态定位实验的测站，圆环表示计算实时钟差和FCB产品的测站。实验所用超快速轨道由GFZ提供，天线采用IGS14.atx。值的一提的是目前IGS提供的PCOs/PCVs改正中没有GPS BLOCK-IIF卫星与接收机的第三频率改正值，考虑到第三频率与第二频率相近，对于缺少的PCO/PCV信息，使用对应的第二频率的改正值。表2进一步给出了本实验的详细配置。

表2实验配置的具体信息

为了比较面向全球无缝的瞬时分米级导航方法与系统同伪距定位的性能，对所选的83个站30天的数据进行了动态试验并得出了一些结论。当卫星数达到6颗时，伪距定位东，北，高三个方向的精度分别是0.58m，0.62m和1.7m，而单历元分米级定位算法(以下称为“固定解”在三个方向的精度达到了0.40m，0.41m，1.02m。当卫星数达到10颗时，伪距定位精度分别达到了0.36m，0.40m，0.91m，而固定解精度则达到了0.20m，0.20m，0.58m。可以看出固定模糊度后，水平方向的精度相比伪距定位平均提高了约20cm，高程方向精度提高了约40cm。图4为武汉地区IGS站JFNG站在2018年第107天的瞬时分米级定位时序图。图5为本实例在全球107个测站30天定位时间序列RMS的平均结果。图中黑色线段表示伪距定位结果，灰色线段表示固定解的结果，图(a)、图(b)、图(c)三幅图依次为东，北，高三个方向的定位精度统计。横轴刻度是固定的卫星数，纵轴刻度为RMS值。进一步对比了在不同卫星数下两种定位模式的精度。从图中可以发现虽然卫星数增加的同时精度也提高了，但是位置的固定解相对于浮点解的提升式中保持在水平20cm，高程50cm左右，这说明即便是在可见卫星数较少的测站，本发明依然可用。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，其特征是，包括：

(1)服务端实时提供全球可用的非差非组合模型下的三频卫星钟差或频间钟偏差改正数和FCB产品；

(2)用户端采用服务端提供的钟差产品进行单历元精密单点定位，获得单历元的浮点模糊度和浮点解位置；

(3)利用步骤(2)解算的三频浮点模糊度构建宽巷和超宽巷模糊度N_WL、N_EWZ：其中，N₁、N₂和N₃分别表示三个频率上的浮点模糊度；

(4)采用服务端提供的超宽巷模糊度FCB产品固定超宽巷模糊度；

(5)采用服务端提供的宽巷模糊度FCB产品，在固定超宽巷模糊度的基础上固定宽巷模糊度；

(6)利用模糊度固定后获得的位置参数进行高精度的定位和导航应用。

2.如权利要求1所述的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，其特征是：

步骤(1)中，所述三频卫星钟差或频间钟偏差改正数，具体采用如下方法获得：

在第三频率伪距上估计一用来吸收时不变接收机端硬件延迟的未知常数参量，并构建第三频率的观测方程；基于第三频率的观测方程和传统的双频观测方程，利用历元差分方法实时解算卫星钟差或者第三频卫星钟差同第一、二频卫星钟差的差值，所述差值即频间钟偏差改正数。

3.如权利要求1所述的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，其特征是：

步骤(1)中，所述FCB产品，具体采用如下方法获得：

利用卫星端FCB估计模型，估计卫星端的超宽巷和宽巷FCB，一天估计一次FCB，全天共用该FCB，所述超宽巷和宽巷FCB根据非差非组合模型所解算的模糊度来计算。

4.如权利要求1所述的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，其特征是：

还包括：在服务端和用户端分别实时解算用户站间的系统间偏差ISPB。

5.如权利要求4所述的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，其特征是：

系统间偏差ISPB的实时解算，具体为：

选定一卫星系统作为参考系统，采用分别计算其他卫星系统相对参考系统的ISPB，其中，d和d'表示两个不同测站或不同用户站的编号；卫星k和q分别表示参考系统和其他系统中的卫星；b_dd'表示其他卫星系统相对参考系统的ISPB；表示测站或用户站d和d'间卫星k和q的双差模糊度；[*]表示取整。

6.如权利要求1所述的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，其特征是：

步骤(2)具体为：利用三频非差非组合模型进行单历元精密单点定位。

7.如权利要求1所述的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，其特征是：

步骤(4)中，首先，采用服务端提供的超宽巷FCB产品恢复超宽巷模糊度的整数特性，固定超宽巷模糊度时，采用直接固定或者LAMBDA搜索的方法获得超宽巷的整周数。

8.如权利要求1所述的面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，其特征是：

步骤(5)中，固定超宽巷模糊度后，更新宽巷模糊度的数值，使用服务端提供的宽巷模糊度FCB产品恢复宽巷模糊度的整数特性，固定宽巷模糊度时，采用直接固定或者LAMBDA搜索的方法获得宽巷的整周数。

9.面向全球无缝的瞬时分米级导航定位方法，用于用户端，其特征是，包括：

接收服务端发送的实时解算的三频卫星钟差或频间钟偏差改正数和FCB产品；

进行精密单点定位，采用单历元解算模式获得浮点模糊度和浮点解位置；

利用三频浮点模糊度构建宽巷和超宽巷模糊度其中，N₁、N₂和N₃分别表示三个频率上的浮点模糊度，N_WL、N_EWZ分别为宽巷和超宽巷模糊度；

采用服务端提供的超宽巷模糊度FCB产品固定超宽巷模糊度；

采用服务端提供的宽巷模糊度FCB产品，在固定超宽巷模糊度的基础上固定宽巷模糊度；

利用模糊度固定后获得的位置参数进行高精度的定位和导航应用。