CN109613572A - 一种基于分区切换的星基增强用户定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分区切换的星基增强用户定位方法，其包括以下步骤：步骤S1，获取通过网络或者卫星播发的复数个分区的分区综合改正数；步骤S2，实现所述原分区与备选分区的相位分区综合改正数的基准的统一；步骤S3，根据所述步骤S1中获取的所述备选分区的每前后两个历元之间的相位分区综合改正数的变化量，归算获得分区切换后所述备选分区的相位分区综合改正数；步骤S4，利用所述步骤S1中获取的所述备选分区的逐个历元的伪距分区综合改正数以及分区切换后所述备选分区的逐个历元的相位分区综合改正数，计算获取用户的空间三维坐标。本发明可避免用户端星基增强高精度定位的重新收敛，从而实现用户星基增强高精度定位的连续性。

Description

一种基于分区切换的星基增强用户定位方法

技术领域

本发明涉及一种广域星基增强领域，尤其涉及一种基于分区切换的星基增强用户定位方法。

背景技术

全球导航卫星定位系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)提供的服务包括基本导航以及星基增强，其中，星基增强为了提高系统实时服务的精度，基本思想是对卫星轨道误差、卫星钟差及电离层延迟等主要误差源进行区分，建立每一种误差源的模型，用于修正基本导航中这些参数的误差。计算得到的这些改正数称为广域差分改正数，卫星电文上注系统则将广域差分改正数通过卫星链路广播给用户。目前较为成熟的星基增强系统主要由美国的WAAS(Wide Area Augmentation System，广域增强系统)系统，欧洲的EGNOS(European Geostationary Navigation Overlay Service，欧洲地球同步导航覆盖服务)系统，日本的MSAS(Multi-functional Satellite Augmentation System，多功能卫星增强系统)系统以及俄罗斯的SDCM(Differential Corrections and Monitoring，差分修正与监测)系统等组成。

北斗卫星导航系统在设计阶段就综合考虑了基本服务和星基增强服务的一体化，其中，基本服务为用户免费提供基本导航信息，星基增强服务通过卫星链路向用户广播差分和完好性等信息。目前北斗星基增强主要播发两种参数，一是利用CNMC(Code Noise andMultipath Correction，伪距噪声与多路径修正)平滑后的伪距观测值计算的等效钟差改正数，其不仅包含卫星钟差的改正数，还包含了卫星轨道的径向误差改正；二是由分布于中国境内的北斗监测站解算出的格网电离层改正数，主要服务于单频用户。

北斗广域分米级星基增强则在空间信号精度提升的基础上，提出了两种新的增强参数，一是轨道改正数，其修正了等效钟差模型中未考虑的轨道切向和法向分量上的误差；二是利用载波相位观测值计算的分区综合改正数，其计算流程如下：首先根据北斗参考站在中国的分布情况，将北斗重点服务区域划分为若干个分区；其次，在每个分区，利用分区内参考站的伪距/相位观测值，计算该分区每个参考站对每颗卫星的综合改正数，再进行分区内多站综合改正数的归算，获取每个分区对每颗卫星的综合改正数；最后，利用星地链路将综合改正数对授权用户进行广播。在用户端，用户接收其所在分区的综合改正数将其直接扣除在对应的观测值上，采用精密单点定位的方法，即可实现北斗实时分米级定位。

由于分区综合改正数的服务范围一般不超过1000km，且定位精度随用户与分区中心距离的增大呈下降趋势，因此，基于分区综合改正技术的北斗实时分米级定位在实施过程中存在以下问题：(1)当因数据链路发生故障造成信号中断，用户无法获取原分区的综合改正数时，用户定位精度将显著下降；(2)在移动测量中，用户从一个分区进入另一分区，当其与原分区中心的距离超过1000km，或者距离备选分区中心较原分区更近时，用户需要切换使用备选分区播发的综合改正数。

通常，两个分区的综合改正数存在明显差异(见图1)。图1为两个分区的相位综合改正数的单天时序图，其中，0-15h(图1中黑色虚线的左侧)为a分区各颗卫星的分区综合改正数，15-24h(图1中黑色虚线的右侧)为b分区各颗卫星的分区综合改正数，其中，上子图、中子图、下子图分别表示北斗GEO(Geostationary Orbit)、IGSO(InclinedGeosynchronous Orbit)、MEO(Medium Earth Orbit)卫星的相位分区综合改正数；GEO卫星包括C01至C05，分别采用“O”、“*”、“◇”、“x”、“☆”表示，IGSO卫星包括C06至C10以及C13，分别采用“O”、“*”、“◇”、“x”、“☆”、“□”表示，MEO卫星包括C11、C12、C14，分别采用“O”、“*”、“x”表示。从图1可以看到，北斗系统播发的不同分区的分区综合改正数存在显著差异。用户使用过程中，所采用分区的切换，综合改正数差异将引起相位观测值的跳变，从而导致用户定位的跳变，一般需要数十分钟才能收敛至分米级(见图2)。图2示出了在15h时刻进行分区切换并基于通用的用户定位算法用户连续定位的坐标误差，其中，0-15h用户采用a分区的分区综合改正数，15-24h采用b分区的分区综合改正数。从图2可以看到，在分区切换时刻，用户的坐标产生了数米的明显跳变，图2中，北(N)、东(E)、高(U)方向的定位误差分别采用“□”、“*”、“O”表示。综上所述，采用目前的通用定位算法，分区综合改正数的切换将严重影响北斗用户实时动态定位的连续性与稳定性。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于分区切换的星基增强用户定位方法，以保证用户实时动态定位的连续性与稳定性。

本发明所述的一种基于分区切换的星基增强用户定位方法，其包括以下步骤：

步骤S1，用户获取通过网络或者卫星播发的复数个分区中每个分区的逐个历元的分区综合改正数数据，并在该复数个分区中选择一个分区记为原分区，选择另外一个分区记为备选分区，其中，所述分区综合改正数数据包括：伪距分区综合改正数和相位分区综合改正数；

步骤S2，当所述原分区无法再提供所述分区综合改正数数据时，用户切换使用所述备选分区的分区综合改正数数据，并统一所述原分区与备选分区的相位分区综合改正数的基准；

步骤S3，根据所述步骤S1中获取的所述备选分区的每前后两个历元之间的相位分区综合改正数的变化量，归算获得分区切换后所述备选分区的相位分区综合改正数；

步骤S4，利用所述步骤S1中获取的所述备选分区的逐个历元的伪距分区综合改正数以及分区切换后所述备选分区的逐个历元的相位分区综合改正数，计算获取用户的空间三维坐标。

在上述的基于分区切换的星基增强用户定位方法中，所述步骤S2包括：

通过公式(1)计算获得分区切换后所述备选分区的第一个历元t₁的第j观测目标的相位分区综合改正数：

其中，j为大于0的自然数，其表示观测目标的序号；表示分区切换后备选分区b的第一个历元t₁的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示原分区a中最后一个历元t₀的第j观测目标的相位分区综合改正数。

在上述的基于分区切换的星基增强用户定位方法中，所述步骤S3包括：

通过公式(2)、(3)计算获得分区切换后所述备选分区的第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数，m为大于1的自然数：

其中，表示分区切换后备选分区b的第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示分区切换后备选分区b的第m-1个历元t_m-1的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示所述步骤S1中获取的备选分区b的第m个历元t_m的第j观测目标与第m-1个历元t_m-1的第j观测目标之间的相位分区综合改正数的变化量；表示所述步骤S1中获取的备选分区b的第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示所述步骤S1中获取的备选分区b的第m-1个历元t_m-1的第j观测目标的相位分区综合改正数。

在上述的基于分区切换的星基增强用户定位方法中，所述步骤S4包括：

在任意所述历元，根据所述步骤S1中获取的所述备选分区的逐个历元的伪距分区综合改正数以及分区切换后所述备选分区的逐个历元的相位分区综合改正数，构建基于分区切换的星基增强用户定位观测方程(4)：

其中，P_i ^j(f)表示用户i的第j观测目标的伪距观测数据；表示用户i的第j观测目标的相位观测数据；f表示伪距观测数据和相位观测数据的频点标示；表示用户i与第j观测目标之间的理论几何距离；c表示光速；dt_i表示用户i的观测站钟差；dt^j表示第j观测目标的目标钟差；表示与频率有关的电离层模型延迟改正误差；表示基于理论模型的对流层斜路径延迟；δ_EO表示星基增强参数；ΔP^j表示所述步骤S1中获取的备选分区b中对应的所述历元的第j观测目标的伪距分区综合改正数；表示用户i对第j观测目标的相位观测值的模糊度；δL^j表示分区切换后备选分区b对应的所述历元的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示用户i与第j观测目标之间的第一剩余误差，表示用户i与第j观测目标之间的第二剩余误差；

根据所述观测方程(4)，进行用户坐标的逐个历元解算，从而获取用户的空间三维坐标。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明首先对分区切换前后两个分区的相位分区综合改正数进行基准统一，再根据相邻分区相位分区综合改正数历元间变化量呈高度线性相关这一特性，对相位分区综合改正数进行实时归算，当获取连续且无跳变的相位分区综合改正数后，直接从相位观测值中扣除分区综合改正数，即可保证用户实时动态定位的连续性与稳定性。

附图说明

图1是两个分区的相位综合改正数的单天时序图；

图2示出了在15h时刻进行分区切换并基于通用的星基增强定位算法用户连续定位的坐标误差；

图3是本发明一种基于分区切换的星基增强用户定位方法的流程图；

图4是本发明实施例中相邻两个分区上所有共视卫星的相位综合改正数历元间变化量的示意图；

图5a、5b分别是采用通用的星基增强定位方法以及采用本发明的星基增强用户定位方法进行用户定位的定位结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图3所示，本发明，即一种基于分区切换的星基增强用户定位方法，包括以下步骤：

步骤S1，用户利用接收机获取通过网络或者卫星等方式播发的复数个分区中每个分区的逐个历元的分区综合改正数数据，并在该复数个分区中，按照一定原则(例如，距离用户最近)，选择一个分区记为原分区a，选择另外一个分区记为备选分区b，其中，分区综合改正数数据包括：伪距分区综合改正数和相位分区综合改正数；

步骤S2，当原分区a无法再提供有效的分区综合改正数数据时，将用户使用的分区综合改正数数据从原分区a切换至备选分区b，并将原分区a的最后一个历元t₀的相位分区综合改正数作为分区切换后备选分区b的第一个历元t₁的相位分区综合改正数，以实现原分区a与备选分区b的相位分区综合改正数基准的统一；

具体来说，通过公式(1)计算获得分区切换后备选分区b中第一个历元t₁的第j观测目标的相位分区综合改正数(每个历元对应多个观测目标，该观测目标即为卫星)：

其中，j为大于0的自然数，其表示观测目标的序号；表示分区切换后备选分区b中第一个历元t₁的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示原分区a中最后一个历元t₀的第j观测目标的相位分区综合改正数；

步骤S3，根据步骤S1中获取的备选分区b中第m个历元t_m与第m-1个历元t_m-1之间的相位分区综合改正数的变化量(即，利用两个分区的历元间的相位分区综合改正数变化量的高度线性相关特性)，进行归算以获得分区切换后备选分区b中第m个历元t_m的相位分区综合改正数(即，获得与原分区a基准一致的备选分区b的实时相位分区综合改正数)，m为大于1的自然数；

具体来说，通过公式(2)、(3)计算获得分区切换后备选分区b中第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数：

其中，表示分区切换后备选分区b中第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示分区切换后备选分区b中第m-1个历元t_m-1的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示步骤S1中获取的备选分区b中第m个历元t_m的第j观测目标与第m-1个历元t_m-1的第j观测目标之间的相位分区综合改正数的变化量；表示步骤S1中获取的备选分区b中第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示步骤S1中获取的备选分区b中第m-1个历元t_m-1的第j观测目标的相位分区综合改正数；

步骤S4，根据系统提供的轨道改正数、钟差改正数、步骤S1中获取的备选分区b中逐个历元的伪距分区综合改正数以及步骤S2、步骤S3中获取的分区切换后备选分区b中逐个历元的相位分区综合改正数，对观测方程进行改正，最后根据该观测方程利用常用的最小二乘、卡尔曼滤波等方法进行测站坐标的逐历元解算，实现高精度实时单站定位，即，将上述数据应用在星基增强中，计算获取用户的空间三维坐标，从而实现用户定位；

具体来说，在任意历元，根据分区切换后备选分区b的分区综合改正数(包括原伪距分区综合改正数和归算后的相位分区综合改正数)，构建基于分区切换的星基增强用户定位观测方程(4)：

其中，P_i ^j(f)表示用户i的第j观测目标的伪距观测数据；表示用户i的第j观测目标的相位观测数据；f表示伪距观测数据和相位观测数据的频点标示；表示用户i与第j观测目标之间的理论几何距离(其根据用户i与第j观测目标的空间三维坐标计算获得)；c表示光速；dt_i表示用户i的观测站钟差(其为已知数)；dt^j表示第j观测目标的目标钟差(其为已知数)；表示与频率有关的电离层模型延迟改正误差，其对伪距、相位观测分别起到延迟和缩短观测时间的效果(其为已知数)；表示基于理论模型的对流层斜路径延迟(其为已知数)；δ_EO表示星基增强参数，包括等效钟差和轨道改正数中的一种或两种，其分别对观测目标的目标钟差和位置误差有修正作用(其为已知数)；ΔP^j表示备选分区b中对应历元的第j观测目标的伪距分区综合改正数；N_i ^j(f)表示用户i对第j观测目标的相位观测值的模糊度(其为已知数)；δL^j表示分区切换后备选分区b中对应历元的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示用户i与第j观测目标之间的第一剩余误差，表示用户i与第j观测目标之间的第二剩余误差。需要注意的是，公式(4)中的伪距和相位观测值，既适用于单个频点也包括多个频点及其组合观测值。

最后，根据上述公式(4)，可以基于常用的最小二乘、卡尔曼滤波等方法进行用户(测站)坐标的逐历元解算，即可获得用户的空间三维坐标。

以下根据实例对本发明进行进一步描述。

在相位分区综合改正数的计算中需要对相位观测值中包含的模糊度信息进行处理，由于每个分区内对同一颗卫星，在不同历元所能观测到的测站数目不一样，因此需要对模糊度残余项进行多站综合归算，以便保证相位分区综合改正数的连续性。而每个分区对同一颗卫星的相位分区综合改正数彼此之间也不相同，存在一定的系统偏差，其原因是各个分区内观测站数目不同、接收机型号不同以及解算起始时刻不同等。在星基增强定位过程中，若切换分区，备选分区的加入将破坏原分区的相位分区综合改正数的连续性，使其产生跳变(如图1所示)，该跳变值即为相邻分区间模糊度归算值的差异。

将相邻两个分区上所有共视卫星的相位综合改正数历元间变化量进行比较，如图4所示，以2018年1月30日分区01和04上1颗GEO(C02)、3颗IGSO(C08、C10、C13)以及1颗MEO(C12)卫星为例(图4中卫星C02、C08、C10、C12、C13分别采用“.”、“☆”、“*”、“O”、“□”表示)，可以看出，相邻两个分区的相位综合改正数历元间变化量呈现较高的线性相关，平均相关系数达到0.865。

基于相邻分区的相位分区综合改正数历元间变化量高度相关这一特性，在分区切换后，根据上述公式(1)将原分区最后一个历元的相位分区综合改正数作为备选分区第一个历元的相位分区综合改正数(又称：伪相位分区综合改正数)，即可保证在随后的归算中备选分区具有与原分区一致的改正数基准，自切换后备选分区的第二个历元起，采用前一历元叠加历元间变化量这一方法，根据上述公式(2)、(3)逐历元计算伪相位分区综合改正数，最后根据上述公式(4)将备选分区中逐历元的伪相位分区综合改正数应用在星基增强中，即可确保分区切换不会影响用户定位的连续性。

以华东地区04、05分区为例，假设在上海设置一个观测站(即用户)进行试验，该观测站处于05分区内，一直使用05分区播发的分区综合改正数，后切换至04分区且仅能接收04分区的分区综合改正数，在切换分区后，计算每个历元每个观测目标(如卫星)的相位分区综合改正数，并用归算后的相位分区综合改正数进行星基增强定位。具体计算步骤如下：

1)分区切换后的相位分区综合改正数计算

以1、6号卫星为例，根据公式(1)、(2)和(3)，计算分区切换后备选分区中不同历元1、2、3、4的相位分区综合改正数，其结果与分区切换前原分区中不同历元-1、-2、-3、-4的相位分区综合改正数以及分区切换后备选分区中不同历元1、2、3、4的相位分区综合改正数请见下表1。

表1

注：--表示分区切换前无“归算后的相位分区综合改正数”。

2)基于分区切换的星基增强定位

由上表1可知，分区切换后，备选分区的相位分区综合改正数较原分区的相位分区综合改正数有显著差异，两者的差异甚至超过1m，其对相位观测值的影响将被视作“周跳”，故在用户端定位时需要重新收敛。采用本发明计算的备选分区的相位分区综合改正数与原分区的相位分区综合改正数相比，其差异在毫米级，对相位观测值的影响可以忽略不计，故保证了用户端定位的连续性。

以所述上海观测站进行星基增强相位单点定位，在原分区05和备选分区04之间每隔4小时进行一次切换，其定位结果如图5所示，其中，图5a示出了采用通用的星基增强定位方法的定位结果，图5b示出了采用本发明的基于分区切换的星基增强定位方法的定位结果；图中北(N)、东(E)、高(U)方向的定位误差分别采用“☆”、“+”、“□”表示；从图5a、5b可以看出，采用通用的星基增强定位方法的定位结果在每次分区切换后均会出现定位误差骤增超过1米的现象，经过数十分钟的收敛才能恢复至分米量级，严重影响了北斗实时动态分米级用户的定位质量，因为超过1米的时间段对高精度用户而言是无法使用的；而使用本发明在进行分区切换时用户定位误差不会出现上述骤增超过1米的现象，切换前后保持相同的分米量级定位精度，因此，本发明很好地保证了分区切换状态下用户定位的连续性与稳定性。

综上所述，本发明在用户获取多个分区的分区综合改正数数据的基础上，根据不同分区间相位分区综合改正数历元间变化量高度相关这一特性，当所用分区综合改正数无法使用，需要进行分区切换时，通过本发明提出的算法对相位分区综合改正数进行基准统一与归算，以计算出新的相位分区综合改正数数据，并将其直接扣除在相位观测值上，即可避免用户端定位的重新收敛，从而实现用户星基增强高精度定位的连续性。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (4)

1.一种基于分区切换的星基增强用户定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，用户获取通过网络或者卫星播发的复数个分区中每个分区的逐个历元的分区综合改正数数据，并在该复数个分区中选择一个分区记为原分区，选择另外一个分区记为备选分区，其中，所述分区综合改正数数据包括：伪距分区综合改正数和相位分区综合改正数；

步骤S2，当所述原分区无法再提供所述分区综合改正数数据时，用户切换使用所述备选分区的分区综合改正数数据，并统一所述原分区与备选分区的相位分区综合改正数的基准；

步骤S3，根据所述步骤S1中获取的所述备选分区的每前后两个历元之间的相位分区综合改正数的变化量，归算获得分区切换后所述备选分区的相位分区综合改正数；

步骤S4，利用所述步骤S1中获取的所述备选分区的逐个历元的伪距分区综合改正数以及分区切换后所述备选分区的逐个历元的相位分区综合改正数，计算获取用户的空间三维坐标。

2.根据权利要求1所述的基于分区切换的星基增强用户定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

通过公式(1)计算获得分区切换后所述备选分区的第一个历元t₁的第j观测目标的相位分区综合改正数：

其中，j为大于0的自然数，其表示观测目标的序号；表示分区切换后备选分区b的第一个历元t₁的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示原分区a中最后一个历元t₀的第j观测目标的相位分区综合改正数。

3.根据权利要求1所述的基于分区切换的星基增强用户定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

通过公式(2)、(3)计算获得分区切换后所述备选分区的第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数，m为大于1的自然数：

其中，表示分区切换后备选分区b的第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示分区切换后备选分区b的第m-1个历元t_m-1的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示所述步骤S1中获取的备选分区b的第m个历元t_m的第j观测目标与第m-1个历元t_m-1的第j观测目标之间的相位分区综合改正数的变化量；表示所述步骤S1中获取的备选分区b的第m个历元t_m的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示所述步骤S1中获取的备选分区b的第m-1个历元t_m-1的第j观测目标的相位分区综合改正数。

4.根据权利要求1所述的基于分区切换的星基增强用户定位方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

在任意所述历元，根据所述步骤S1中获取的所述备选分区的逐个历元的伪距分区综合改正数以及分区切换后所述备选分区的逐个历元的相位分区综合改正数，构建基于分区切换的星基增强用户定位观测方程(4)：

其中，P_i ^j(f)表示用户i的第j观测目标的伪距观测数据；表示用户i的第j观测目标的相位观测数据；f表示伪距观测数据和相位观测数据的频点标示；表示用户i与第j观测目标之间的理论几何距离；c表示光速；dt_i表示用户i的观测站钟差；dt^j表示第j观测目标的目标钟差；表示与频率有关的电离层模型延迟改正误差；表示基于理论模型的对流层斜路径延迟；δ_EO表示星基增强参数；ΔP^j表示所述步骤S1中获取的备选分区b中对应的所述历元的第j观测目标的伪距分区综合改正数；表示用户i对第j观测目标的相位观测值的模糊度；δL^j表示分区切换后备选分区b对应的所述历元的第j观测目标的相位分区综合改正数；表示用户i与第j观测目标之间的第一剩余误差，表示用户i与第j观测目标之间的第二剩余误差；

根据所述观测方程(4)，进行用户坐标的逐个历元解算，从而获取用户的空间三维坐标。