CN110095796A - 一种跨系统mw紧组合实时动态精密导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，属于卫星导航与定位领域。包括获取基站与移动站接收机输出的原始伪距与载波相位观测量；构造MW紧组合，得到MW组合下观测量L_MW；求卫星q和卫星s宽巷单差观测量、宽巷双差观测量、跨系统双差观测量；计算MW宽巷ISB_MW；将MW宽巷组合模型代替双频伪距观测量，得到跨系统固定双频模糊度方程。本发明在双模双频紧组合的基础上引入宽巷模型的形式，保留了双模双频紧组合在收星受限情况下实现模糊度固定的优势，并且能获得更准确的载波相位ISB估计值，同时，跨系统MW紧组合利用伪距和载波相位组合构成的MW宽巷观测量替代双频伪距观测量，有利于降低直接引用伪距带来的误差风险，提高紧组合定位性能。

Description

一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法

技术领域

本发明涉及一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，属于卫星导航与定位领域。

背景技术

模糊度固定是基于载波相位差分的实时动态方法获得高精度与高可靠性定位的关键技术之一。双模MW松组合是根据载波相位和伪距观测量特点，构造宽巷组合模型，获得更长波长和弱电离层特点的新观测量，有利于辅助提高模糊度固定率的方法。该方法需要满足收星数至少5颗，或者2颗北斗卫星加上2颗GPS卫星的基本条件。在恶劣的环境下，可用卫星数相对较少，如何在收星受限的情况下固定模糊度是提升模糊度固定成功率的有效途径之一。

为了解决在收星受限情况下难以固定模糊度的问题，双模双频紧组合是一种可行的解决方案。该组合方式可以在只有4颗卫星甚至3颗卫星情况下实现模糊度固定，并且在收星不足情况下，有效地提高了模糊度解算模型观测量的冗余度，可以实现比松组合更高的定位性能。另一方面，由于双模双频紧组合模型直接应用了伪距观测量，而伪距具有噪声较大、精度不足等问题，影响紧组合模糊度固定。为了进一步提高双模双频紧组合定位性能，有必要引入MW宽巷组合模型。首先，MW宽巷组合模型在收星受限情况下实现模糊度固定的能力与双模双频紧组合相当，优于松组合模型。同时，由于GPS和北斗的MW组合波长相差并不大，和L2频段的波长差占比相同，对于控制单差模糊度偏差以及统计宽巷ISB有利，可以帮助固定窄巷紧组合模糊度。其次，可以获得更准确的载波相位ISB估计值，进而提高定位性能。最后，用伪距和载波相位组合构成的MW宽巷观测量，替代双频伪距观测量，有利于降低直接引用伪距带来的误差风险，提高紧组合定位性能。因此，本文研究一种跨系统MW紧组合方法，进一步提高紧组合定位性能。

发明内容

本发明的目的是为了提高定位性能而提供一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法。

本发明的目的是这样实现的：一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，具体包括以下步骤：

步骤1、获取基站与移动站接收机输出的原始伪距与载波相位观测量；

步骤2、利用步骤1中的原始观测量构造MW紧组合，得到MW组合下观测量L_MW；

步骤3、通过站间差分的方式得到卫星q和卫星s宽巷单差观测量；

步骤4、判断卫星q和卫星s是否处于同一系统，若是，则设置参考星为s，构造宽巷双差观测量，转化为同系统内标准双差的形式，然后进行步骤7；否则进行步骤5；

步骤5、若卫星q和卫星s不是同一系统的卫星，引入新约束条件进一步转化，得到跨系统双差观测量；

步骤6、引入步骤5中得到的跨系统双差观测量，计算MW宽巷ISB_MW；

步骤7、将步骤4、5、6中得到的MW宽巷组合模型代替双频伪距观测量，得到跨系统固定双频模糊度方程。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、步骤1所述原始伪距与载波相位观测量分别为：

式中，上标s和Q分别表示卫星的PRN号和卫星系统，Q表示为G、C分别对应GPS、BDS；下标r和j(j＝1,2)分别表示接收机ID和观测值频段号；与分别表示伪距与载波相位观测值减计算值的残差量；x_r表示用户位置、对流层等非弥散项增量；表示对应x_r的线性化几何设计矩阵；t_r与t^s分别表示接收机与卫星端钟差；对应频点B₁的一阶电离层延迟误差，表示电离层比例系数；与分别表示与频点相关的接收机与卫星端的伪距偏差；表示载波相位波长；表示整周模糊度；与分别表示与频点相关的接收机与卫星端载波相位偏差，包含载波相位硬件偏差与初始相位等；与分别表示伪距与载波相位观测噪声。

2、所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、将L1频段和L2频段的载波相位改为：

式中，L₁和L₂分别是L1频段和L2频段的载波相位，f₁和f₂分别是L1频段和L2频段的频率值，将伪距电离层延迟改为：

步骤2.2、构造MW宽巷组合模型，获得新的观测量L_MW：

将上述四个式子都带入下式，可化简为将几何距离和电离层消除的形式，

步骤2.3、考虑接收机对双频载波相位和伪距的系统延时偏差ISB，将上式改为：

L_MW＝λ_MW·N_MW+c·ι_MW+ε_MW。

3、所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1、卫星q和卫星s不是同一系统的卫星，设s为GPS，q为北斗，进一步转化，

式中，是北斗宽巷波长，是GPS宽巷波长，是GPS的宽巷单差模糊度，为GPS和北斗MW组合的波长差；

步骤5.2、采用北斗1号卫星和GPS参考星之间的模糊度固定为0的形式引入新约束条件，将上式转为：

式中，是MW宽巷组合的ISB，通过推导，将MW宽巷组合跨系统模糊度转为北斗和北斗1号卫星的形式，跨系统产生的系统偏差被ISB_MW吸收。

4、所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤6.1、根据就近取整原理计算宽巷单差模糊度

步骤6.2、带入单北斗模糊度计算出北斗j和GPS参考星的

步骤6.3、对N颗北斗卫星计算得到的ISB平滑得到ISB_MW；

5、所述步骤7具体包括将跨系统MW宽巷组合模型代替双频伪距观测量，得到跨系统固定双频模糊度方程：

式中，和ISB_MW分别为L1频段的载波相位ISB、L2频段的载波相位ISB以及MW宽巷的ISB，和分别为GPS与GPS参考星的双差模糊度矩阵，和分别为北斗与GPS参考星的双差模糊度矩阵；宽巷观测量由载波相位参与构建，通过宽巷替代伪距观测量进行MW紧组合可提高模糊度固定成功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明公开了一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，该方法在双模双频紧组合的基础上引入MW宽巷模型。保留了双模双频紧组合在收星受限情况下实现模糊度固定的优势，并且使用MW宽巷观测量替代双频伪距观测量，降低直接引用伪距带来的误差风险，提高紧组合定位性能。因此，这种新的方法具有更好的模糊度解算的性能是可以被预见的。

附图说明

图1是跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明公开了一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，属于卫星精密导航与定位领域。在双模双频紧组合的基础上引入宽巷模型的形式，保留了双模双频紧组合在收星受限情况下实现模糊度固定的优势，并且可以获得更准确的载波相位ISB估计值，进而提高定位性能。同时，跨系统MW紧组合利用伪距和载波相位组合构成的MW宽巷观测量替代双频伪距观测量，有利于降低直接引用伪距带来的误差风险，提高紧组合定位性能。因此，本文研究的跨系统MW紧组合可以在收星受限时实现模糊度固定，并提高紧组合定位性能。

如附图1所示，是跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法流程图。下面以北斗系统及GPS系统的双频信号即：B₁＝1561.098MHZ，B₂＝1207.14MHZ，L1＝1575.42MHZ， L2＝1227.60MHZ作为实施例，并结合附对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

步骤1、获取基站与移动站接收机输出的原始伪距与载波相位观测量；

式中，上标s和Q分别表示卫星的PRN号和卫星系统，Q可表示为G、C分别对应GPS、BDS；下标r和j(j＝1,2)分别表示接收机ID和观测值频段号；与分别表示伪距与载波相位观测值减计算值的残差量；x_r表示用户位置、对流层等非弥散项增量；表示对应x_r的线性化几何设计矩阵；t_r与t^s分别表示接收机与卫星端钟差；对应频点B₁的一阶电离层延迟误差，表示电离层比例系数；与分别表示与频点相关的接收机与卫星端的伪距偏差；表示载波相位波长；表示整周模糊度；与分别表示与频点相关的接收机与卫星端载波相位偏差，包含载波相位硬件偏差与初始相位等；与分别表示伪距与载波相位观测噪声。

步骤2、利用步骤1中的原始观测量构造MW紧组合，得到MW组合下观测量L_MW；

对于北斗或GPS，将L1频段和L2频段的载波相位改为：

式中，L₁和L₂分别是L1频段和L2频段的载波相位，f₁和f₂分别是L1频段和L2频段的频率值。类似地，将伪距电离层延迟改为：

构造MW宽巷组合模型，获得新的观测量L_MW：

将式(2)、式(3)、式(4)和式(5)都带入式(6)，化简后可以将几何距离和电离层消除的形式，

必须考虑接收机对双频载波相位和伪距的系统延时偏差ISB，将式(7)改为：

L_MW＝λ_MW·N_MW+c·ι_MW+ε_MW (8)

步骤3、利通过站间差分的方式得到卫星q和卫星s宽巷单差观测量；

步骤4、设置参考星为s，构造宽巷双差观测量，若卫星q和卫星s是同一系统的卫星，转化为同系统内标准双差的形式，否则进行步骤5；

进一步，设参考星为s，构造宽巷双差观测量：

若卫星q和卫星s是同一系统的卫星，则并不涉及跨系统问题，上式转化同系统内标准双差的形式：

步骤5、若卫星q和卫星s不是同一系统的卫星，引入新约束条件进一步转化，得到跨系统双差观测量；

若卫星q和卫星s不是同一系统的卫星，设s为GPS，q为北斗，进一步转化，

式中，是北斗宽巷波长，是GPS宽巷波长，是GPS的宽巷单差模糊度，为GPS和北斗MW组合的波长差。由于系统的不同，不可以直接计算出宽巷混合双差模糊度，采用北斗1号卫星和GPS参考星之间的模糊度固定为0的形式来引入新约束条件，将上式转为：

式中，是MW宽巷组合的ISB。因此通过推导，可以将MW宽巷组合跨系统模糊度转为北斗和北斗1号卫星的形式，跨系统产生的系统偏差被ISB_MW吸收。

步骤6、引入步骤5中得到的跨系统双差观测量计算ISB_MW；

根据式(13)，在单历元中，若北斗卫星j和北斗1号卫星可以成功固定模糊度，则直接引入跨系统宽巷观测量计算ISB_MW：

上式中，为宽巷单差模糊度，可以直接通过就近取整方法计算宽巷单差模糊度：

其中，是GPS参考星MW单差观测量。

分析式(14)，先根据就近取整原理计算宽巷单差模糊度然后带入单北斗模糊度可以计算出北斗j和GPS参考星的最后对N颗北斗卫星计算得到的ISB平滑得到ISB_MW。

步骤7、将步骤4、5、6中得到的MW宽巷组合模型代替双频伪距观测量，得到跨系统固定双频模糊度方程；

根据式(13)，将跨系统MW宽巷组合模型代替双频伪距观测量，得到跨系统固定双频模糊度方程：

式中，和ISB_MW分别为L1频段的载波相位ISB、L2频段的载波相位ISB以及MW宽巷的ISB，和分别为GPS与GPS参考星的双差模糊度矩阵，和分别为北斗与GPS参考星的双差模糊度矩阵。

本发明的步骤2中构造MW紧组合时，必须考虑接收机对双频载波相位和伪距的系统延时偏差ISB；步骤5利用采用北斗1号卫星和GPS参考星之间的模糊度固定为0的形式来引入新约束条件，可以将MW宽巷组合跨系统模糊度转为北斗和北斗1号卫星的形式，跨系统产生的系统偏差被ISB_MW吸收。步骤6中利用北斗卫星双差模糊度辅助，在静态或动态中都可以直接准确、快速地计算ISB_MW。步骤7利用步骤4、5、6中得到的MW宽巷组合模型代替双频伪距观测量，得到跨系统固定双频模糊度方程，宽巷观测量是由载波相位参与构建的，通过宽巷替代伪距观测量进行MW紧组合可以进一步提高模糊度固定成功率。

Claims (6)

1.一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、获取基站与移动站接收机输出的原始伪距与载波相位观测量；

步骤2、利用步骤1中的原始观测量构造MW紧组合，得到MW组合下观测量L_MW；

步骤3、通过站间差分的方式得到卫星q和卫星s宽巷单差观测量；

步骤4、判断卫星q和卫星s是否处于同一系统，若是，则设置参考星为s，构造宽巷双差观测量，转化为同系统内标准双差的形式，然后进行步骤7；否则进行步骤5；

步骤5、若卫星q和卫星s不是同一系统的卫星，引入新约束条件进一步转化，得到跨系统双差观测量；

步骤6、引入步骤5中得到的跨系统双差观测量，计算MW宽巷ISB_MW；

步骤7、将步骤4、5、6中得到的MW宽巷组合模型代替双频伪距观测量，得到跨系统固定双频模糊度方程。

2.根据权利要求1所述一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，其特征在于，步骤1所述原始伪距与载波相位观测量分别为：

式中，上标s和Q分别表示卫星的PRN号和卫星系统，Q表示为G、C分别对应GPS、BDS；下标r和j(j＝1,2)分别表示接收机ID和观测值频段号；与分别表示伪距与载波相位观测值减计算值的残差量；x_r表示用户位置、对流层非弥散项增量；表示对应x_r的线性化几何设计矩阵；t_r与t^s分别表示接收机与卫星端钟差；对应频点B₁的一阶电离层延迟误差，表示电离层比例系数；与分别表示与频点相关的接收机与卫星端的伪距偏差；表示载波相位波长；表示整周模糊度；与分别表示与频点相关的接收机与卫星端载波相位偏差，包含载波相位硬件偏差与初始相位；与分别表示伪距与载波相位观测噪声。

3.根据权利要求2所述一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、将L1频段和L2频段的载波相位改为：

式中，L₁和L₂分别是L1频段和L2频段的载波相位，f₁和f₂分别是L1频段和L2频段的频率值，将伪距电离层延迟改为：

步骤2.2、构造MW宽巷组合模型，获得新的观测量L_MW：

将上述四个式子都带入下式，可化简为将几何距离和电离层消除的形式：

步骤2.3、考虑接收机对双频载波相位和伪距的系统延时偏差ISB，将上式改为：

L_MW＝λ_MW·N_MW+c·ι_MW+ε_MW。

4.根据权利要求3所述一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1、卫星q和卫星s不是同一系统的卫星，设s为GPS，q为北斗，进一步转化，

式中，是北斗宽巷波长，是GPS宽巷波长，是GPS的宽巷单差模糊度，为GPS和北斗MW组合的波长差；

步骤5.2、采用北斗1号卫星和GPS参考星之间的模糊度固定为0的形式引入新约束条件，将上式转为：

式中，是MW宽巷组合的ISB，通过推导，将MW宽巷组合跨系统模糊度转为北斗和北斗1号卫星的形式，跨系统产生的系统偏差被ISB_MW吸收。

5.根据权利要求4所述一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，其特征在于，所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤6.1、根据就近取整原理计算宽巷单差模糊度

步骤6.2、带入单北斗模糊度计算出北斗j和GPS参考星的

步骤6.3、对N颗北斗卫星计算得到的ISB平滑得到ISB_MW；

6.根据权利要求5所述一种跨系统MW紧组合实时动态精密导航定位方法，其特征在于，所述步骤7具体包括将跨系统MW宽巷组合模型代替双频伪距观测量，得到跨系统固定双频模糊度方程：

式中，和ISB_MW分别为L1频段的载波相位ISB、L2频段的载波相位ISB以及MW宽巷的ISB，和分别为GPS与GPS参考星的双差模糊度矩阵，和分别为北斗与GPS参考星的双差模糊度矩阵；宽巷观测量由载波相位参与构建，通过宽巷替代伪距观测量进行MW紧组合可提高模糊度固定成功率。