CN109782313A - 地面精密单点定位数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地面精密单点定位的数据处理方法，包括以下步骤：S1：对GNSS接收机观测数据做周跳粗差探测修正；S2：载波相位观测值平滑伪码观测值；S3：利用接收到的低轨卫星广播的GNSS精密星历做拉格朗日内插后修正GNSS广播星历误差星钟误差；S4：利用误差模型修正对流层误差、卫星天线相位中心偏差、固体潮误差、地球自转改正等误差。本发明使地面接收机不受地面网络限制，实现cm级高精度单点定位；为后续低轨导航增强卫星系统建设应用发展推广奠定技术基础。

Description

地面精密单点定位数据处理方法

技术领域

本发明涉及卫星领域，具体地，涉及一种利用低轨卫星广播精密信息进行地面精密度单点定位的数据处理方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，特别是美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲Galileo系统和中国北斗系统，已在全球或区域实现了广泛应用，为各领域用户提供全天候、实时的高精度定位和导航服务。应用领域包括海军导航、车辆引导、导弹制导、精密定位、工程测量、设备安装、时间传递、速度测量等。目前，利用GNSS卫星信号已经能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态定位，分米级甚至厘米级精度的动态定位。

GNSS定位按照定位方式分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是利用一台接收机所获得的观测数据来确定接收机位置的方式。相对定位(差分定位)是利用多台接收机所获得的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方式。

精密单点定位技术(Precise Point Positioning，PPP)指的是利用精密卫星轨道和精密卫星钟差产品，对单台GNSS接收机所获得的伪距和载波进行定位解算的方法。与相对定位相比，精密单点定位具有单机作业、作业不受基线长度的限制、直接得到测站坐标的优点。

精密单点定位精度与数据预处理的质量密切相关，其关键在于能否准确并可靠探测出相位观测值中的周跳、粗差及误差修正。

发明内容

当前精密单点定位数据处理方法都是基于通过地面网络等方式直接得到精密星历、星钟数据。应用受地面网络布置限制，利用低轨卫星广播精密信息，地面进行精密单点定位将成为未来重要发展趋势，本发明的目的是提供一种利用低轨卫星广播精密信息进行地面精密单点定位的数据处理方法，主要包括周跳粗差探测修正方法和各项误差修正方法。

本发明具体通过以下技术方案实现：

地面精密单点定位数据处理方法，包括以下步骤：

S1：对接收机观测数据做周跳粗差探测修正；

S2：载波相位观测值平滑伪码观测值；

S3：利用接收到的低轨卫星广播的GNSS精密星历做拉格朗日内插后修正GNSS广播星历误差星钟误差；

S4：利用误差模型修正对流层误差、卫星天线相位中心偏差、固体潮误差、地球自转改正等误差。

2、根据权利要求1所述的利用低轨卫星广播精密信息进行地面精密度单点定位的数据处理方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

S11：电离层残差组合观测法探测周跳；

S12：Melbourne-Wubbena组合观测法探测周跳粗差，并剔除探测出粗差；

S13：计算周跳点周跳值，然后修正原始观测值。

优选地，步骤S2包括以下步骤：

S21：双频组合消除测码伪距观测值电离层延迟以及载波相位观测值的电离层延迟；

S22：利用一段时间消除电离层延迟的载波相位观测值和码伪距观测值进行相位平滑伪码处理；

优选地，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：收齐当前时刻前后9个时刻点精密星历数据，做拉格朗日内插，得当前时刻观测卫星精密星历；

S32：收齐当前时刻前后9个时刻点精密钟差数据，做拉格朗日内插，得当前时刻观测卫星精密钟差。

优选地，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：利用固体潮误差模型修正固体潮误差；

S42：利用对流层误差模型Saastamoinen及VMF映射函数模型修正对流层误差；

S43：利用天线相位中心误差模型修正天线相位中心误差；

S44：利用地球自转改正模型修正地区自转误差。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明使地面接收机不受地面网络限制，实现cm级高精度单点定位。

(2)本发明为后续低轨导航增强卫星系统建设应用发展推广奠定技术基础。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1基于低轨广播信息的精密单点定位数据处理流程框图。

图2影响单点定位精度误差示意图。

图3不同类型GPS卫星天线相位中心偏差值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本发明一种利用低轨卫星广播精密信息进行地面精密单点定位的数据处理方法包括以下步骤：

S1：对接收机观测数据做周跳粗差探测修正；

S2：载波相位观测值平滑伪码观测值；

S3：利用接收到的低轨卫星广播的GNSS精密星历做拉格朗日内插后修正GNSS广播星历误差星钟误差；

S4：利用误差模型修正对流层误差、卫星天线相位中心偏差、固体潮误差、地球自转改正等误差。

所述步骤S1包括以下步骤：

S11：电离层残差组合观测法探测周跳；

S12：Melbourne-Wubbena组合观测法探测周跳粗差，并剔除探测出粗差；

S13：计算周跳点周跳值，然后修正原始观测值。

对于L₁和L₂的伪距观测值P₁和P₂，相位观测值和我们可以列出下列原始性观测方程：

上式变化可得：

式中，C_I代表电离层影响，ρ代表接收机至卫星的真实距离加同频率无关的偏差项，c代表光速，λ1，λ2分别表示L1、L2载波的波长，N1、N2分别代表L1、L2相位的模糊度。

所述步骤S11中电离层残差组合观测法探测周跳的公式为如式(7),根据公式2和公式4变化得出：

式中，L_I与接收机到卫星的几何距离无关，且消除了轨道误差、接收机钟差、卫星钟差以及对流层延迟等所有与频率无关的误差项，仅与频率间电离层延迟、频率间模糊度之差以及观测值噪声有关，所以一般称为电离层残差组合。没有周跳时，随时间变化缓慢，一旦有周跳，会比较显著地变化。相邻历元间求差值构造周跳检测量：

运用误差传播定律得：

以三倍检验量为限，得其限差为±0.07周，则理论上能探测出大于0.07周的组合周跳，实际上由于历元间电离层、多路径等效应，可探测出大于1周的组合周跳。

所述步骤S12中Melbourne-Wubbena组合观测法探测周跳粗差公式如式10

推导过程由公式2、4、6、7组合得到，式中，N_w＝N₁-N₂，

在周跳探测中利用模糊度互差Nw直接作时间差。精密伪距定位精度可达几个厘米，假设观测过程中，载波相位观测值的中误差周，精密伪距定位中误差为σ_P＝±20cm，根据误差传播定律：

可得σ_NΔ＝±0.236，若取4倍中误差为限差，上式的值域为[-0.944，0.944]，如果不在这个值域内，则表明发生了粗差或周跳。

成立，则认为历元i-1到i之间有周跳，从i历元数据开始划分一个新的弧段；

成立，则认为历元i为粗差，i历元观测值进行剔除。

所述步骤S13具体包括如下步骤：

在周跳发生位置分段，以均方根误差σ最小的段作为基准段，其他段的宽巷组合<N_w>_k和电离层残差组合<δ L_I>_k分别与基准段作差：

其中，k为第k段，j为基准段，ΔN_wk为第k段<N_w>_k与基准段<N_w>_j的差，同样，Δ(δL_I)表示第k段<δ L_I>_k与基准段<δ L_I>_j的差。这样，从上式中可求出不同分段间的周跳。

所述步骤S2包括以下步骤：

S21：双频组合消除测码伪距观测值电离层延迟以及载波相位观测值的电离层延迟；

S22：利用一段时间消除电离层延迟的载波相位观测值和码伪距观测值进行相位平滑伪码处理；

首先用双频观测值消除电离层延迟，对测码伪距有：

对载波相位观测值有：

对于已消除了电离层延迟的观测值而言，显然有：

λN_i＝P(i)-λΦ(i) (17)

在进行事后处理时，若某弧段中共有n个已修复了周跳的相互连接的观测值，则该弧段的载波相位观测值的整周模糊度的估计值＜λN＞为：

用相位平滑后的伪距观测值为：

步骤S3：利用接收到的低轨卫星广播的GPS精密星历做拉格朗日内插后修正GPS广播星历误差星钟误差；

假设已知y＝f(x)的函数表(x_i,f(x_i))(i＝0,1,...,n,x_i≠x_j,当i≠j),[a,b]为包含所有x_i的区间，则存在唯一多项式使

f(x_i)＝P_n(x_i),(i＝0,1,...,n) (20)

已知区间[x_k,x_k+1]的端点处的函数值y_k＝f(x_k),y_k+1＝f(x_k+1)，使其线性插值多项式L₁(x)满足

L₁(x_k)＝y_k,L₁(x_k+1)＝y_k+1 (21)

其中：称为Lagrange线形插值基函数。

步骤S4：利用误差模型修正对流层误差、卫星天线相位中心偏差、固体潮误差、地球自转改正等误差。所有影响定位误差见附图2，精密单点定位主要修正考虑固体潮误差、对流层误差、天线相位中心误差、地球自转改正。具体包括以下步骤：

步骤S41：利用固体潮误差模型修正固体潮误差；固体潮改正公式为

式中GM_j为摄动天体的引力常数(j＝2表示月球，j＝3表示太阳)；φ、λ分别表示测站纬度和经度；r表示测站到地心的失径；表示测站在地心参考框架下的单位矢量；R_j为摄动天体到地心的失径；为天体在地心参考框架下的单位矢量；l₂、h₂分别表示二阶Love数和Shida数(l₂＝0.609、h₂＝0.0852)；θ_g表示格林尼治平恒星时。

步骤S42：利用对流层误差模型Saastamoinen及VMF映射函数模型修正对流层误差；

常规对流层改正模型公式为：

式中ΔT表示传播路径上总的对流层延迟，ZHD表示天顶干分量延迟，ZWD表示天顶湿分量延迟，m(ε)_h、m(ε)_w分别表示干延迟投影函数和湿延迟投影函数，ε表示高度角，T表示测站处气温(绝对温度，单位：K)，P、e表示测站处大气压和水汽压(单位：毫巴)；B为测站纬度，h为测站高程(单位：千米)，a,b,c为映射系数，与测站纬度有关。

步骤S43：利用天线相位中心误差模型修正天线相位中心误差；不同类型的GPS卫星天线相位中心偏差不同、取值情况见附图3。

步骤S44：利用地球自转改正模型修正地区自转误差。

GPS所采用的WGS84坐标系为地固坐标系，而非惯性坐标系，当GPS卫星发射的信号从GPS卫星天线到GPS接收机天线的传播期间，WGS84坐标系会相对于GPS卫星旋转，而信号发射历元时刻的GPS卫星坐标是在WGS84地固系中计算出来的，因此必须进行地球自转改正。

假设ω为地球自转角速度，c为真空中光速，则旋转的角度为：

上式中，Δτ为卫星信号传播到接收机的时间延迟。由此引起GPS卫星在WGS84坐标系中的坐标变化(ΔX，ΔY，ΔZ)为：

其中(X，Y，Z)为GPS卫星的瞬时坐标。

本发明通过提出了利用低轨卫星广播精密信息进行地面精密单点定位数据处理方法，为实现高精度厘米级定位奠定了技术基础，为低轨导航增强卫星奠定了技术基础，可广泛应用于高精度测绘、精密农业、智能交通等领域。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种地面精密单点定位的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对接收机观测数据做周跳粗差探测修正；

S2：载波相位观测值平滑伪码观测值；

S3：利用接收到的低轨卫星广播的GNSS精密星历做拉格朗日内插后修正GNSS广播星历误差星钟误差；

S4：利用误差模型修正对流层误差、卫星天线相位中心偏差、固体潮误差、地球自转改正等误差。

2.根据权利要求1所述的地面精密单点定位的数据处理方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

S11：电离层残差组合观测法探测周跳；

S12：Melbourne-Wubbena组合观测法探测周跳粗差，并剔除探测出粗差；

S13：计算周跳点周跳值，然后修正原始观测值。

3.根据权利要求1所述的利用低轨卫星广播精密信息进行地面精密度单点定位的数据处理方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S21：双频组合消除测码伪距观测值电离层延迟以及载波相位观测值的电离层延迟；

S22：利用一段时间消除电离层延迟的载波相位观测值和码伪距观测值进行相位平滑伪码处理。

4.根据权利要求1所述的地面精密度单点定位的数据处理方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31：收齐当前时刻前后9个时刻点精密星历数据，做拉格朗日内插，得当前时刻观测GNSS卫星精密星历；

S32：收齐当前时刻前后9个时刻点精密钟差数据，做拉格朗日内插，得当前时刻观测GNSS卫星精密钟差。

5.根据权利要求1所述的地面精密度单点定位的数据处理方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：利用固体潮误差模型修正固体潮误差；

S42：利用对流层误差模型Saastamoinen及VMF映射函数模型修正对流层误差；

S43：利用天线相位中心误差模型修正天线相位中心误差；

S44：利用地球自转改正模型修正地区自转误差。