CN108549095A - 一种区域cors网非差并行增强方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种区域CORS网非差并行增强方法及系统，具体基于底层多核并行计算技术，实现区域CORS网并行增强，先利用区域CORS网中各基准站的观测数据，按正反向Kalman滤波依次并行估计宽巷和窄巷FCB；再次进行正反向Kalman滤波，并行固定每个基准站的非差模糊度，获得非差模糊度固定解对应的天顶对流层延迟改正，并行构建区域CORS网对流层延迟模型；用户站利用增强信息，内插出测站上空的天顶对流层延迟，恢复非差模糊度整数特性，并行进行增强定位解算。本发明方法简单，易操作，提高了对多核平台的利用率，缩短了CORS网非差增强服务的时间，提高了非差增强服务的时效性，提高了用户站非差增强定位的效率。

Description

一种区域CORS网非差并行增强方法及系统

技术领域

本发明涉及一种区域CORS网非差并行增强方法及系统，属于区域CORS网增强服务技术领域。

背景技术

非差精密单点定位技术(Precise Point Positioning,PPP)已广泛应用于低轨卫星定轨、精密授时、板块运动和气象学等领域。然而，受伪距噪声的影响以及卫星空间几何结构变化缓慢，传统PPP通常需30-60min才能收敛到10cm的定位精度，PPP需要较长的初始化时间是限制其在快速和实时高精度领域中应用的主要因素。此外，未校准硬件延迟(Uncalibrated Phase Delays,UPD)的小数部分(Fractional Cycle Bias,FCB)破坏了模糊度的整数特性，且其与模糊度参数难以有效分离，导致非差模糊度无法直接固定，非差浮点解的精度及可靠性略低于双差解。为了缩短PPP初始化时间和提高定位精度，利用区域增强信息进行增强定位是切实有效的解决方法。其中，利用区域连续运行参考站(Continuously Operating Reference Station,CORS)网估计宽巷和窄巷FCB，恢复用户站非差模糊度整数特性，可使PPP的初始化时间缩短至20min左右，并提高定位解算的精度，尤其对30min、60min等短时段的观测数据，定位精度有显著的提升。此外，也可借鉴网络RTK(Network Real Time Kinematic,NTRK)的思想，利用较密集的参考站网估计出大气延迟改正信息，采用合适的数学模型内插出流动站的大气延迟改正数，增强用户站非差定位。

国内外研究机构和研究人员区域CORS网非差增强进行了广泛的关注和研究，发表的文献主要包括：国外《Journal of Geodesy》的《Regional reference networkaugmented precise point positioning for instantaneous ambiguity resolution》、《Earth Planets&Space》的《Local troposphere augmentation for real-time precisepoint positioning》，国内《测绘学报》的《利用参考站增强信息进行精密单点定位》、《武汉大学学报(信息科学版)》的《区域CORS网络增强PPP天顶对流层延迟内插建模》。

区域CORS网非差增强方法中，已有解决方案采用串行计算的方法，同步解算CORS网中所有基准站的数据，依次估计星间单差宽巷和窄巷FCB，然后固定基准站的非差模糊度，解算模糊度固定解对应的对流层延迟，对区域对流层延迟进行建模；并将对流层模型以及宽巷和窄巷FCB发播给用户站，用户站实现非差增强定位解算。

发明内容

本发明的目的是提供一种区域CORS网非差并行增强方法及系统，用以解决当前CORS网增强服务数据处理时效性要求难以满足要求的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种区域CORS网非差并行增强方法，包括如下步骤：

1)基于区域CORS网中各基准站的观测数据，将对每个观测数据文件的非差解算划分为一个任务，依次并行估计星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB；

2)基于区域CORS网中各基准站的观测数据，利用所述估计的星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB，并行固定每个基准站的非差宽巷模糊度和非差窄巷模糊度，获得非差模糊度固定后每个基准站上空的天顶对流层延迟；

3)基于基准站的高斯投影坐标，利用每个基准站上空的所述天顶对流层延迟，并行解算区域CORS网对流层延迟模型的系数，构建区域CORS网对流层模型；

4)将星间单差宽巷FCB和星间单差窄巷FCB以及所述区域CORS网对流层模型发送到用户站。

进一步的，步骤1)中，所述星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB的估计方法为：

基于命令式数据并行，利用各基准站平滑后的宽巷模糊度解算出星间单差宽巷FCB；然后进行星间单差宽巷模糊度固定，再利用正反向Kalman滤波解算得到的无电离层组合模糊度和固定后的星间单差宽巷模糊度，求出星间单差窄巷模糊度，最后解算星间单差窄巷FCB。

进一步的，步骤2)中，宽巷模糊度采用直接取整法固定；窄巷模糊度采用LAMBDA搜索算法固定。

进一步的，步骤3)中，所述区域CORS网对流层模型构建方法包括：

根据基准站在3°带的高斯平面坐标和大地高，依次构建从0至10不同数量的约束方程，分别解算区域对流层模型的10个系数，得到1024组解算结果，基于命令式数据并行，循环计算所有不同模型系数情况下的各基准站上空的天顶对流层残差值，将残差平方和最小值作为标准，选择精度最高的模型系数作为最终模型。

进一步的，用户站利用所述估计的星间单差宽巷和窄巷FCB以及所述区域CORS网对流层模型进行增强定位，所述增强定位的方法包括：

根据测站的高斯平面坐标和大地高，内插得到测站天顶对流层延迟，直接对观测值进行改正，并依次固定宽巷模糊度和窄巷模糊度，反求出无电离层组合模糊度，将其代入观测方程中，进行约束，实现多核平台下的非差模糊度并行固定，获得用户站非差模糊度固定解。

进一步的，宽巷模糊度采用直接取整法固定，窄巷模糊度采用LAMBDA搜索算法固定。

进一步的，所述观测数据包括GPS、Galileo和BDS系统的观测文件。

本发明的一种区域CORS网非差并行增强系统，包括处理器，所述处理器用于执行实现下述步骤的指令：

1)基于区域CORS网中各基准站的观测数据，将对每个观测数据文件的非差解算划分为一个任务，依次并行估计星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB；

2)基于区域CORS网中各基准站的观测数据，利用所述估计的星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB，并行固定每个基准站的非差宽巷模糊度和非差窄巷模糊度，获得非差模糊度固定后每个基准站上空的天顶对流层延迟；

3)基于基准站的高斯投影坐标，利用每个基准站上空的所述天顶对流层延迟，并行解算区域CORS网对流层延迟模型的系数，构建区域CORS网对流层模型；

4)将星间单差宽巷FCB和星间单差窄巷FCB以及所述区域CORS网对流层模型发送到用户站。

进一步的，步骤1)中，所述星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB的估计方法为：

基于命令式数据并行，利用各基准站平滑后的宽巷模糊度解算出星间单差宽巷FCB；然后进行星间单差宽巷模糊度固定，再利用正反向Kalman滤波解算得到的无电离层组合模糊度和固定后的星间单差宽巷模糊度，求出星间单差窄巷模糊度，最后解算星间单差窄巷FCB。

进一步的，步骤2)中，宽巷模糊度采用直接取整法固定；窄巷模糊度采用LAMBDA搜索算法固定。

进一步的，步骤3)中，所述区域CORS网对流层模型构建方法包括：

根据基准站在3°带的高斯平面坐标和大地高，依次构建从0至10不同数量的约束方程，分别解算区域对流层模型的10个系数，得到1024组解算结果，基于命令式数据并行，循环计算所有不同模型系数情况下的各基准站上空的天顶对流层残差值，将残差平方和最小值作为标准，选择精度最高的模型系数作为最终模型。

进一步的，用户站利用所述估计的星间单差宽巷和窄巷FCB以及所述区域CORS网对流层模型进行增强定位，所述增强定位的方法包括：

根据测站的高斯平面坐标和大地高，内插得到测站天顶对流层延迟，直接对观测值进行改正，并依次固定宽巷模糊度和窄巷模糊度，反求出无电离层组合模糊度，将其代入观测方程中，进行约束，实现多核平台下的非差模糊度并行固定，获得用户站非差模糊度固定解。

进一步的，宽巷模糊度采用直接取整法固定，窄巷模糊度采用LAMBDA搜索算法固定。

进一步的，所述观测数据包括GPS、Galileo和BDS系统的观测文件。

本发明的有益效果为：

当前，CORS网增强服务数据处理对实时性和计算效率的要求越来越高，本发明的方法为缩短CORS网增强服务的时间，提高CORS网增强服务的时效性，采用多核并行计算技术——并行任务库(task parallel library,TPL)，设计多核平台下基于非差模式的区域CORS网并行增强方法，实现区域CORS网FCB估计、对流层延迟解算和建模的并行计算，以及用户站非差并行增强定位。

本发明的方法简单，易操作，提高了对多核平台的利用率，缩短了CORS网非差增强服务的时间，提高了非差增强服务的时效性，提高了用户站非差增强定位的效率。

附图说明

图1是本发明CORS网FCB并行估计及对流层并行建模流程图；

图2是本发明非差多核并行解算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

由图1所示，本发明的方案，包括以下步骤：

步骤1：利用区域CORS网中基准站的观测数据，并行估计星间单差宽巷和窄巷FCB，FCB估计的流程为：

1)对区域CORS网中的各基准站，分解非差计算任务，将对单个观测文件的非差解算划分为一个计算任务，对多个非差任务进行并行预处理，预处理的内容主要包括观测文件格式转换、观测时段过滤、接收机和天线类型检核、数据和产品完整性检查等；加载辅助文件，包括精密星历、精密钟差、天线改正文件、海潮改正文件、地球自转参数和码偏差文件等，对所有非差计算任务的当前历元，采用职责链模式实现误差改正、宽巷模糊度计算、正反向Kalman滤波和参数估计的并行处理。为增强方程的强度，加快无电离层组合模糊度参数与对流层参数、接收机钟差的分离，即加快浮点模糊度收敛，将基准站的坐标固定为高精度的已知值。正反向Kalman滤波是指，在正向Kalman滤波的基础上，将其结果作为反向滤波的初始信息输入，按观测历元的倒序再次进行Kalman滤波解算。非差多核并行解算的流程如图2所示。

2)估计宽巷FCB，并固定宽巷模糊度。对卫星s₁，基准站r₁，实数宽巷模糊度可表示为

式中，下标w用于表示宽巷组合，是基准站r₁、卫星s₁的整数宽巷模糊度，为基准站r₁、卫星s₁的宽巷FCB。

对无周跳发生弧段的宽巷模糊度行进行平滑，采用基于命令式数据并行Parallel.For，实现对固定数目的独立循环迭代的并行执行，平滑后的宽巷模糊度及其标准差为

式中，<·>为求取平均值，为所有历元宽巷模糊度残差的平方和，为对应无周跳发生弧段的观测历元总数。

对卫星s₁和s₂，基准站r₁，平滑后的星间单差宽巷模糊度及标准差为

式中，为基准站r₁、卫星s₁和s₂的星间单差实数宽巷模糊度，为基准站r₁、卫星s₁和s₂的星间单差整数宽巷模糊度，为基准站r₁、卫星s₁和s₂的星间单差宽巷FCB。

对区域CORS网中所有基准站计算的星间单差宽巷FCB估值并行求平均，得到星间单差宽巷FCB及其标准差

式中，frac(·)为小数部分求取函数，为所有测站宽巷FCB残差的平方和，n_sta为区域CORS网中基准站的数量。

将各基准站的宽巷模糊度并行进行固定，按下式进行计算宽巷模糊度的固定率P₀

式中，b和n分别是改正了宽巷FCB的宽巷模糊度及其最近的整数，σ是其标准差。

3)基于命令式数据并行，估计每个卫星对的星间单差窄巷FCB。假设宽巷模糊度可以固定为整数第k个历元的星间单差无电离层组合浮点模糊度为则第k个历元的星间单差窄巷模糊度可表示为

式中，下标n用于表示窄巷组合，下标IF用于表示无电离层组合；对于GPS，f₁＝1575.42MHz,f₂＝1227.60MHz；对北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation SatelliteSystem，BDS)，f₁＝1561.098MHz,f₂＝1207.14MHz；对于Galileo系统，f₁＝1575.42MHz,f₂＝1176.45MHz；窄巷模糊度含有宽巷UPD整数部分的影响，也未改正宽巷FCB，但窄巷FCB的特性并不受影响，将定义为第k个历元基准站r₁计算的星间单差窄巷FCB的估值。

对第k个历元区域CORS网中所有基准站计算的星间单差窄巷FCB估值求平均，得到第k个历元星间单差窄巷FCB及其标准差

式中，为所有基准站窄巷FCB残差的平方和。

步骤2：对区域CORS网中的基准站，利用上述估计的星间单差宽巷和窄巷FCB，再次进行正反向Kalman滤波，进行非差模糊度固定，恢复模糊度的整数特性，并行计算每个基准站的非差模糊度固定解，解算每个基准站上空的天顶对流层延迟。

简化后的无电离层组合观测方程可表示为

式中，P_IF、L_IF分别为无电离层组合伪距和载波相位观测值，ρ为测站与卫星之间的几何距离，c为光速，dt_r为接收机钟差，T为对流层延迟，λ_IF为无电离层组合波长，N_IF为无电离层组合模糊度，分别为无电离层组合伪距观测值和载波相位观测值的测量噪声；上述改正项中的卫星坐标和卫星钟差改正通过内插精密星历与精密钟差获得，卫星与接收机天线相位中心、天线相位缠绕、相对论效应、固体潮、海潮和极潮等通过模型改正予以消除。

首先固定基准站的宽巷模糊度，其次固定窄巷模糊度。宽巷模糊度采用式(5)固定，取整成功率设为0.999。窄巷模糊度采用最小二乘模糊度降相关平差(Least-squaresAMBiguity Decorrelation Adjustment，LAMBDA)方法固定，检验阈值设为3.0。宽、窄巷模糊度固定成功后按式(9)反求出无电离层组合模糊度将其代入非差的法方程中，进行约束，则可以实现多核平台下的非差模糊度并行固定，获得模糊度固定后的式(8)中的对流层延迟。

经过上述步骤，已经从区域CORS网中并行提取出非差的天顶对流层延迟改正数，可以在基准站上逐历元并行生成该改正信息。非差对流层延迟与钟差、模糊度参数存在相关性，可能并不能完全反应真实的大气延迟量，但其内部一致性足以消除误差的影响并恢复模糊度的整数特性。

步骤3：区域CORS网对流层延迟建模，采用如下区域建模的二阶公式：

式中，i＝1…n_sta，ZWD_i为第i个基准站上空的天顶对流层延迟，x_i和y_i为第i个基准站3°带的高斯平面坐标，h_i为其大地高，a₀～a₉分别为模型的系数。

对上式构建约束方程：

式中，j＝0…9，为第j个约束项的系数，其中

a₀～a₉这十个系数计算时，依次构建从0至10不同数量的约束方程，分别解算模型的10个系数，得到1024组解算结果，对应1024组待选系数；基于命令式数据并行，循环计算计算不同模型系数情况下的各基准站上的天顶对流层残差值，将残差平方和最小作为标准，选择对流层精度最高的模型系数作为最终模型。

区域CORS向用户站播发该对流层模型的10个系数以及星间单差宽巷和窄巷FCB，提供非差增强定位服务。

步骤4：用户站利用区域CORS估计的星间单差宽巷和窄巷FCB以及对流层延迟模型进行增强定位，根据测站的高斯平面坐标和大地高，内插出测站的天顶对流层延迟，直接对观测值进行改正，并依次固定宽巷模糊度。宽巷模糊度采用式(5)固定，取整成功率设为0.999。窄巷模糊度采用LAMBDA搜索算法固定，检验阈值设为3.0。宽、窄巷模糊度固定成功后按式(9)反求出无电离层组合模糊度将其代入法方程中，进行约束，则可以实现多核平台下的非差模糊度并行固定，获得模糊度固定解。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

由上述可知，本发明是一种新的区域CORS网非差并行增强的方法，实现了区域CORS网星间单差宽巷和窄巷FCB的并行估计以及对流层延迟的并行建模，支持用户站利用星间单差宽巷、窄巷FCB和区域对流层模型进行并行增强定位解算。实验利用由40个基准站组成的CORS网，分别采用串行、双核并行、四核并行三种方案估计FCB，并进行对流层建模。通过测试，本发明提出的区域CORS网非差并行增强方法与传统串行方法相比，大大缩短了计算时间，提高了解算效率，双核并行计算方案下，计算速度提高了1.5倍，四核并行计算方案下，计算速度提高了2.9倍。利用8个用户站分别进行串行、双核并行、四核并行三种方案的增强定位解算，双核并行计算方案下，计算速度提高了1.6倍，四核并行计算方案下，计算速度提高了3.0倍。实际应用的效果与硬件系统的性能、观测数据的质量等密切相关。因此本发明与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果：

(1)提高CORS网非差增强服务的时效性

本发明提出了区域CORS网非差并行增强的方法，在多核平台下依次并行估计宽巷和窄巷FCB，并行计算模糊度固定后的基准站上空的对流层延迟，并行构建区域CORS网对流层模型，缩短了CORS网增强服务的时间，提高了计算效率。

(2)提高用户站非差增强定位的效率

本发明设计了用户站非差并行增强定位的流程，用户站根据区域CORS网计算的对流层模型，根据测站的高斯平面坐标和大地高，内插出测站上空的天顶对流层延迟，直接对观测值进行改正，并利用区域CORS网估计的星间单差宽巷和窄巷FCB，并行固定非差模糊度，实现多核平台下的模糊度固定解的并行计算，提高了计算效率。

(3)易于扩展

本发明提出的方法具有较广泛的适用性和较强的扩展性，适用于各类卫星导航系统的增强定位服务。对GPS、Galileo和BDS的观测数据，都可纳入本发明的非差并行增强方法，都可采用本发明所提的方法对所选卫星导航系统进行增强，并且不仅限于上述3个卫星导航系统，仍适用于将来建设的全球卫星导航系统或区域卫星导航系统，本发明有效应用于“测绘科学与技术”学科中的“大地测量学与测量工程”技术领域，实现了区域CORS网非差并行增强定位服务，经济和社会效益巨大。

Claims (10)

1.一种区域CORS网非差并行增强方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)基于区域CORS网中各基准站的观测数据，将对每个观测数据文件的非差解算划分为一个任务，依次并行估计星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB；

2)基于区域CORS网中各基准站的观测数据，利用所述估计的星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB，并行固定每个基准站的非差宽巷模糊度和非差窄巷模糊度，获得非差模糊度固定后每个基准站上空的天顶对流层延迟；

3)基于基准站的高斯投影坐标，利用每个基准站上空的所述天顶对流层延迟，并行解算区域CORS网对流层延迟模型的系数，构建区域CORS网对流层模型；

4)将星间单差宽巷FCB和星间单差窄巷FCB以及所述区域CORS网对流层模型发送到用户站。

2.根据权利要求1所述的一种区域CORS网非差并行增强方法，其特征在于，步骤1)中，所述星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB的估计方法为：

基于命令式数据并行，利用各基准站平滑后的宽巷模糊度解算出星间单差宽巷FCB；然后进行星间单差宽巷模糊度固定，再利用正反向Kalman滤波解算得到的无电离层组合模糊度和固定后的星间单差宽巷模糊度，求出星间单差窄巷模糊度，最后解算星间单差窄巷FCB。

3.根据权利要求1所述的一种区域CORS网非差并行增强方法，其特征在于，步骤2)中，宽巷模糊度采用直接取整法固定；窄巷模糊度采用LAMBDA搜索算法固定。

4.根据权利要求1所述的一种区域CORS网非差并行增强方法，其特征在于，步骤3)中，所述区域CORS网对流层模型构建方法包括：

根据基准站在3°带的高斯平面坐标和大地高，依次构建从0至10不同数量的约束方程，分别解算区域对流层模型的10个系数，得到1024组解算结果，基于命令式数据并行，循环计算所有不同模型系数情况下的各基准站上空的天顶对流层残差值，将残差平方和最小值作为标准，选择精度最高的模型系数作为最终模型。

5.根据权利要求1所述的一种区域CORS网非差并行增强方法，其特征在于，用户站利用所述估计的星间单差宽巷和窄巷FCB以及所述区域CORS网对流层模型进行增强定位，所述增强定位的方法包括：

根据测站的高斯平面坐标和大地高，内插得到测站天顶对流层延迟，直接对观测值进行改正，并依次固定宽巷模糊度和窄巷模糊度，反求出无电离层组合模糊度，将其代入观测方程中，进行约束，实现多核平台下的非差模糊度并行固定，获得用户站非差模糊度固定解。

6.根据权利要求5所述的一种区域CORS网非差并行增强方法，其特征在于，宽巷模糊度采用直接取整法固定，窄巷模糊度采用LAMBDA搜索算法固定。

7.根据权利要求1到6任一项所述的一种区域CORS网非差并行增强方法，其特征在于，所述观测数据包括GPS、Galileo和BDS系统的观测文件。

8.一种区域CORS网非差并行增强系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行实现下述步骤的指令：

1)基于区域CORS网中各基准站的观测数据，将对每个观测数据文件的非差解算划分为一个任务，依次并行估计星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB；

2)基于区域CORS网中各基准站的观测数据，利用所述估计的星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB，并行固定每个基准站的非差宽巷模糊度和非差窄巷模糊度，获得非差模糊度固定后每个基准站上空的天顶对流层延迟；

3)基于基准站的高斯投影坐标，利用每个基准站上空的所述天顶对流层延迟，并行解算区域CORS网对流层延迟模型的系数，构建区域CORS网对流层模型；

4)将星间单差宽巷FCB和星间单差窄巷FCB以及所述区域CORS网对流层模型发送到用户站。

9.根据权利要求8所述的一种区域CORS网非差并行增强系统，其特征在于，步骤1)中，所述星间单差宽巷和星间单差窄巷FCB的估计方法为：

基于命令式数据并行，利用各基准站平滑后的宽巷模糊度解算出星间单差宽巷FCB；然后进行星间单差宽巷模糊度固定，再利用正反向Kalman滤波解算得到的无电离层组合模糊度和固定后的星间单差宽巷模糊度，求出星间单差窄巷模糊度，最后解算星间单差窄巷FCB。

10.根据权利要求8所述的一种区域CORS网非差并行增强系统，其特征在于，步骤2)中，宽巷模糊度采用直接取整法固定；窄巷模糊度采用LAMBDA搜索算法固定。