CN110161547A - 一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，属于卫星精密导航与定位领域。本发明可以利用ROTI信息自适应调整电离层估计模型参数，更为准确的描述电离层变化特性，从而有效的消除电离层延迟误差影响，有助于提升中长基线模糊度解算成功性与缩短模糊度初始固定时间；该类方法相比于传统基于电离层估计的中长基线模糊度解算方法，提升了NRTK网络中参考站间的模糊度解算性能，解决了传统电离层估计模型难以准确刻画实际环境中电离层的变化特性而影响中长基线模糊度解算的问题。

Description

一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法
技术领域
本发明涉及卫星精密导航与定位领域，具体涉及一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法。
背景技术
中长基线模糊度解算是网络实时动态定位(Network real-time kinematic,NRTK)技术实现高精度定位的关键。由于电离层延迟、对流层延迟以及卫星轨道等误差的空间相关性会随着站间基线的增加而减弱，使得站间距离超过50km的NRTK网络难以直接通过站间-星间双差组合解算模糊度。电离层延迟误差具有时空不规律特性而难以准确模型化，成为影响中长基线模糊度解算的主要误差源。因此，准确修正电离层延迟误差是NRTK技术解算参考站间模糊度的关键。目前，修正电离层延迟的方法大体可分为三种。第一种为消电离层组合，利用GNSS双频或多频信号线性组合，消除电离层一阶延迟项。由于该组合常伴随观测噪声的放大与电离层约束信息的丢失，使得模糊度解算需要较长的初始化时间。第二种为电离层模型修正，通过借助电离层修正模型或电离层修正产品,如Klobuchar模型、NeQuick模型及GIM模型等，对电离层延迟误差进行改正。同时，结合虚拟电离层观测量模型，可以进一步提升电离层延迟误差的修正效果。然而，上述电离层模型具有较低的电离层时空分辨率，无法针对小尺度、短周期的电离层波动进行精确描述，使得上上述电离层模型修正所残余的电离层延迟误差仍然会对模糊度解算造成不利影响。第三种为电离层在线估计，将电离层延迟与模糊度等分量共同参与状态估计。由于状态量的增加会造成模型强度的弱化，因而需要借助电离层约束信息来强化估计模型。然而，当描述的约束信息较为宽松时，难以强化估计模型，反之，则会造成估计模型有偏，这两种情况均会对模糊度解算造成不利影响。因此，如何准确的描述电离层约束信息，是电离层在线估计方法实现最优模糊度解算性能的关键。
针对电离层在线估计，如果增加的电离层约束信息能够真实反映电离层的时空变化特性，就可以获取最优的估计性能。传统的电离层约束信息是将电离层变化特性表征为随机游走模型，其过程噪声依据与基线距离相关的经验模型而设定。但是，由于电离层具有时空不规律特性，这种传统的经验约束模型难以准确刻画实际环境中电离层的变化特性。针对该问题，有必要提出一种能够根据实际电离层变化特性，而自适应调整的电离层估计方法。我们从研究文献中发现，电离层TEC变化率指数(Rate of TEC index,ROTI)可以准确表征电离层变化特性并且能够在线实时获取。本发明将充分利用ROTI信息，提出一种自适应的电离层估计方法，从而获取最优的中长基线模糊度解算性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法。采用了电离层在线估计方式消除电离层延迟误差。针对传统电离层约束信息难以准确描述实际电离层时空变化特性的问题，本发明充分利用了在线实时获取的ROTI信息，构建了自适应电离层估计模型，并通过卡尔曼滤波估计器，求解电离层与模糊度的浮点解，然后利用LAMBDA算法实现了中长基线模糊度解算.本发明的具体执行步骤如下：
一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，包括以下步骤：
步骤一：借助精密钟轨产品与已知参考站坐标，消除原始GNSS观测量中的站星几何距离量，同时修正地球潮汐误差与对流层干分量误差；
步骤二：考虑电离层活跃情况下，几何无关组合周跳探测方法有效性降低问题，采用M-W组合与GF组合联合周跳探测方法判定是否发生周跳；
步骤三：利用双频载波相位GF组合的时间差分观测量，实时求解电离层TEC变化率,通过求解指定时间弧度内ROT的RMS值，作为ROTI值；
步骤四：利用双频伪距与载波相位双差观测量构建M-W组合观测量，通过历元平滑模型，求解宽巷模糊度，为窄巷模糊度解算模型，提供宽巷模糊度约束信息；
步骤五：利用宽巷模糊度约束修正观测量后，将对流层湿分量、倾斜电离层与模糊度共同作为状态量参与估计，构建窄巷模糊度解算观测模型，采用高度角加权模型描述其观测模型的随机特性；
步骤六：构建窄巷模糊度解算的动态模型；同时，增加有效的对流层湿分量与模糊度约束信息，将其表征为随机游走模型，其中过程噪声依据经验模型设定；
步骤七：增加倾斜电离层约束信息，将其表征为随机游走模型，其中过程噪声设置不采用传统基于基线距离的经验模型设定，而是利用描述实时电离层变化特性的ROTI信息来自适应的调整参数，使得可以准确刻画实际电离层的变化特性；
步骤八：执行卡尔曼滤波状态估计程序，当周跳发生时，对相应的模糊度状态量执行初始化设置；当新的可见卫星参与定位时，对相应的电离层及模糊度状态量执行初始化设置；
步骤九：通过卡尔曼滤波估计求解得到模糊度的浮点解，利用LAMBDA方法求解模糊度固定解，采用比率检验方法评估模糊度固定解的正确性。
所述步骤一中修正地球潮汐误差与对流层干分量误差后：
其中与分别表示伪距与载波相位的观测量；r表示不同接收机；s表示不同卫星号；j对应北斗的不同频点fj，其中j＝1,2；表示利用已知参考站坐标求解的站星几何距离量；dset表示求解的地球固体潮修正；与表示对流层的干分量与湿分量延迟；tr与ts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；dr,j与分别表示与频点相关的接收机与卫星端的伪距偏差；λj表示载波相位波长；表示整周模糊度；δr,j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。
所述步骤二中的M-W组合与GF组合使用的检测观测量可以表示为
TGF＝Δ(φ1-φ2)＝(ki-kj)ΔI+λ1ΔN1-λ2ΔN2+εGF
其中，“Δ”时间差分操作，“WL”表示为宽巷组合模型；对于M-W组合法的周跳检测门限设定范围为1～2周，GF组合法的周跳检测设定范围为0.05～0.15m。
所述步骤三中的电离层TEC变化率根据定义，可以得到公式：
其中，Δt是历元时间差；在指定时间弧段求解ROTI值，有：
其中，N为指定时间弧段内的历元数；为指定时间弧段内ROT的均值；在本发明中将指定时间弧段设定为5min。
所述步骤四中的历元平滑模型表示为：
其中“[·]round”为就近取整操作；为浮点的宽巷模糊度，由TWL组合观测量来确定；为固定的宽巷模糊度；n为平滑历元数，通常n选定为10min，即可获取接近100％的宽巷模糊度固定率。
所述步骤五中窄巷模糊度解算观测模型，可表示为:
其中，“E”表示期望操作；表示双频的伪距与载波相位双差观测量，其中φ2修正了宽巷模糊度；τ表示对流层湿分量；g为对应的Niell倾斜映射系数；ι表示电离层向量；k＝[ki,kj]T表示电离层比例系数向量；Λ＝[λi,λj]T表示不同频率的波长向量；Is为(s×s)的单位阵；ei表示全1的(i×1)列向量；表示Kronecker积；
对应窄巷模糊度解算观测模型的随机模型，假设各频点的伪距与载波相位观测量相互独立，根据高度角加权模型可以表示为:
其中，“D”表示方差操作；单差伪距观测量的标准差表示为Cp，对应载波相位观测量的标准差表示为Cφ；Ds＝[-es Is]表示星间差分的转换矩阵；Rs+1根据高度角加权函数给定。
所述步骤六中的窄巷模糊度解算的动态模型表示为:
对流层湿分量与模糊度的约束信息的过程噪声依据经验模型给定，其中，对流层湿分量的过程噪声为模糊度的过程噪声为σa＝e-16。
本发明的有益效果在于：
相比于传统基于电离层估计的中长基线模糊度解算方法，本发明提出的一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，可以利用ROTI信息自适应调整电离层估计模型参数，从而更为准确的描述电离层变化特性，从而有效的消除电离层延迟误差影响，有助于提升中长基线模糊度解算成功性与缩短模糊度初始固定时间。因此，这种新的方法对于提升NRTK网络中参考站间的模糊度解算性能是十分有意义的。
附图说明
图1为本发明自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法的流程图。
具体实施方式
本发明目的在于提供一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法,该类方法主要解决了传统电离层估计模型难以准确刻画实际环境中电离层的变化特性而影响中长基线模糊度解算的问题。本文充分利用了能够实时获取且准确表征电离层变化特性的电离层TEC变化率指数(Rate of TEC index,ROTI)信息，提出了一种自适应电离层估计模型，结合卡尔曼最优滤波估计，有助于提升中长基线模糊度解算成功率与缩短模糊度初始固定时间。相比于传统基于电离层估计的中长基线模糊度解算方法，这种新的方法对于提升NRTK网络中参考站间的模糊度解算性能是十分有意义的。下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
步骤1，借助精密钟轨产品与已知参考站坐标，消除原始GNSS观测量中的站星几何距离量，同时修正地球潮汐误差与对流层干分量误差。
北斗双频的伪距与载波相位观测量修正了站星几何距离量，地球固定潮与对流层干分量后可表示为：
其中与分别表示伪距与载波相位的观测量；r表示不同接收机；s表示不同卫星号；j对应北斗的不同频点fj(j＝1,2)；表示利用已知参考站坐标求解的站星几何距离量。dset表示求解的地球固体潮修正；与表示对流层的干分量与湿分量延迟；tr与ts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；dr,j与分别表示与频点相关的接收机与卫星端的伪距偏差；λj表示载波相位波长；表示整周模糊度；δr,j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。
在该步骤中，精密钟轨产品来源于国际GNSS服务(IGS)提供的实时快速钟轨产品。在地球固体潮改正模型中只考虑二阶引潮位，由于三阶项影响小于2mm，在本发明中忽略不计。对流层干分量采用Saastamoinen模型进行修正。
步骤2，考虑电离层活跃情况下，几何无关(Geometric-free,GF)组合周跳探测方法有效性降低问题，采用M-W(Melbourne-Wübbena,M-W)组合与GF组合联合周跳探测方法判定是否发生周跳。
M-W组合与GF组合是两种基础的周跳探测方法，M-W法主要敏感于多径噪声影响，而GF组合主要敏感于电离层活跃干扰，所以本发明将两者联合使用，可以更为有效的探测周跳问题。两种方法使用的检测观测量可以表示为
其中，“Δ”时间差分操作，“WL”表示为宽巷组合模型。对于M-W组合法的周跳检测门限通常设定范围为1～2周，GF组合法的周跳检测设定范围为0.05～0.15m。
步骤3，利用双频载波相位GF组合的时间差分观测量，实时求解电离层TEC变化率(Rateof TEC,ROT),通过求解指定时间弧度内ROT的RMS值，作为ROTI值。
根据ROT的定义，可以得到
其中，Δt是历元时间差。在指定时间弧段求解ROTI值，有
其中，N为指定时间弧段内的历元数；为指定时间弧段内ROT的均值。在本发明中将指定时间弧段设定为5min。从上式发现，ROTI表征了在该时间弧段内电离层的变化特性。
步骤4，利用双频伪距与载波相位双差观测量构建M-W组合观测量，通过历元平滑模型，求解宽巷模糊度，为窄巷模糊度解算模型，提供宽巷模糊度约束信息。
尽管构建的M-W组合可以消除几何、电离层项，不受基线长度约束，但是组合放大了观测量噪声，需要通过历元平滑模型压制噪声，其历元平滑模型可以表示为
其中“[·]round”为就近取整操作；为浮点的宽巷模糊度，由公式(2)中的TWL组合观测量来确定；为固定的宽巷模糊度；n为平滑历元数，通常n选定为10min，即可获取接近100％的宽巷模糊度固定率。当宽巷模糊度固定后，将作为后续窄巷模糊度解算的模糊度约束信息。
步骤5，利用宽巷模糊度约束修正观测量后，构建窄巷模糊度解算观测模型，将对流层湿分量、倾斜电离层与模糊度共同作为状态量参与估计，采用高度角加权模型描述其观测模型的随机特性。
根据步骤1中的观测量方程，得到窄巷模糊度解算观测模型，可表示为
其中，“E”表示期望操作；与表示双频的伪距与载波相位双差观测量，其中φ2修正了宽巷模糊度；τ表示对流层湿分量；g为对应的Niell倾斜映射系数；ι表示电离层向量；k＝[ki,kj]T表示电离层比例系数向量；Λ＝[λi,λj]T表示不同频率的波长向量。Is为(s×s)的单位阵；ei表示全1的(i×1)列向量；表示Kronecker积。
对应式(6)的随机模型，假设各频点的伪距与载波相位观测量相互独立，根据高度角加权模型可以表示为
其中，“D”表示方差操作。单差伪距观测量的标准差表示为Cp，对应载波相位观测量的标准差表示为Cφ。Ds＝[-es Is]表示星间差分的转换矩阵。Rs+1根据高度角加权函数给定。
步骤6，构建窄巷模糊度解算的动态模型。同时，增加有效的对流层湿分量与模糊度的约束信息，将其表征为随机游走模型，其中过程噪声依据经验模型设定。
窄巷模糊度解算的动态模型表示为
对流层湿分量与模糊度的约束信息的过程噪声依据经验模型给定，其中，对流层湿分量的过程噪声为模糊度的过程噪声为σa＝e-16。
步骤7，增加倾斜电离层约束信息，将其表征为随机游走模型，其中过程噪声设置不采用传统基于基线距离的经验模型设定，而是利用描述实时电离层变化特性的ROTI信息来自适应的调整参数，使得可以准确刻画实际电离层的变化特性。
结合步骤6中，对于倾斜电离层约束信息的过程噪声根据ROTI信息给定，则有由于ROTI是在数据流中实时估计的，能够实时反映电离层的变化特性，能够自适应调整电离层约束信息的过程噪声参数，有助于更为准确的描述电离层变化特性。
步骤8，执行卡尔曼滤波状态估计程序，当周跳发生时，对相应的模糊度状态量执行初始化设置。当新的可见卫星参与定位时，对相应的电离层及模糊度状态量执行初始化设置。
结合步骤5与步骤6中窄巷模糊度的观测模型与动态模型，执行卡尔曼滤波估计程序。
步骤9，通过卡尔曼滤波估计求解得到模糊度的浮点解，利用LAMBDA方法求解模糊度固定解，采用比率检验方法评估模糊度固定解的正确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤一：借助精密钟轨产品与已知参考站坐标，消除原始GNSS观测量中的站星几何距离量，同时修正地球潮汐误差与对流层干分量误差；
步骤二：考虑电离层活跃情况下，几何无关组合周跳探测方法有效性降低问题，采用M-W组合与GF组合联合周跳探测方法判定是否发生周跳；
步骤三：利用双频载波相位GF组合的时间差分观测量，实时求解电离层TEC变化率,通过求解指定时间弧度内ROT的RMS值，作为ROTI值；
步骤四：利用双频伪距与载波相位双差观测量构建M-W组合观测量，通过历元平滑模型，求解宽巷模糊度，为窄巷模糊度解算模型，提供宽巷模糊度约束信息；
步骤五：利用宽巷模糊度约束修正观测量后，将对流层湿分量、倾斜电离层与模糊度共同作为状态量参与估计，构建窄巷模糊度解算观测模型，采用高度角加权模型描述其观测模型的随机特性；
步骤六：构建窄巷模糊度解算的动态模型；同时，增加有效的对流层湿分量与模糊度约束信息，将其表征为随机游走模型，其中过程噪声依据经验模型设定；
步骤七：增加倾斜电离层约束信息，将其表征为随机游走模型，其中过程噪声设置不采用传统基于基线距离的经验模型设定，而是利用描述实时电离层变化特性的ROTI信息来自适应的调整参数，使得可以准确刻画实际电离层的变化特性；
步骤八：执行卡尔曼滤波状态估计程序，当周跳发生时，对相应的模糊度状态量执行初始化设置；当新的可见卫星参与定位时，对相应的电离层及模糊度状态量执行初始化设置；
步骤九：通过卡尔曼滤波估计求解得到模糊度的浮点解，利用LAMBDA方法求解模糊度固定解，采用比率检验方法评估模糊度固定解的正确性。
2.根据权利要求1所述的一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，其特征在于，所述步骤一中修正地球潮汐误差与对流层干分量误差后：
其中与分别表示伪距与载波相位的观测量；r表示不同接收机；s表示不同卫星号；j对应北斗的不同频点fj，其中j＝1,2；表示利用已知参考站坐标求解的站星几何距离量；dset表示求解的地球固体潮修正；与表示对流层的干分量与湿分量延迟；tr与ts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；dr,j与分别表示与频点相关的接收机与卫星端的伪距偏差；λj表示载波相位波长；表示整周模糊度；δr,j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。
3.根据权利要求1所述的一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，其特征在于，所述步骤二中的M-W组合与GF组合使用的检测观测量可以表示为
TGF＝Δ(φ1-φ2)＝(ki-kj)ΔI+λ1ΔN1-λ2ΔN2+εGF
其中，“Δ”时间差分操作，“WL”表示为宽巷组合模型；对于M-W组合法的周跳检测门限设定范围为1～2周，GF组合法的周跳检测设定范围为0.05～0.15m。
4.根据权利要求1所述的一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，其特征在于，所述步骤三中的电离层TEC变化率根据定义，可以得到公式：
其中，Δt是历元时间差；在指定时间弧段求解ROTI值，有：
其中，N为指定时间弧段内的历元数；为指定时间弧段内ROT的均值；在本发明中将指定时间弧段设定为5min。
5.根据权利要求1所述的一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，其特征在于，所述步骤四中的历元平滑模型表示为：
其中“[·]round”为就近取整操作；为浮点的宽巷模糊度，由TWL组合观测量来确定；为固定的宽巷模糊度；n为平滑历元数，通常n选定为10min，即可获取接近100％的宽巷模糊度固定率。
6.根据权利要求1所述的一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，其特征在于，所述步骤五中窄巷模糊度解算观测模型，可表示为:
其中，“E”表示期望操作；与表示双频的伪距与载波相位双差观测量，其中φ2修正了宽巷模糊度；τ表示对流层湿分量；g为对应的Niell倾斜映射系数；ι表示电离层向量；k＝[ki,kj]T表示电离层比例系数向量；Λ＝[λi,λj]T表示不同频率的波长向量；Is为(s×s)的单位阵；ei表示全1的(i×1)列向量；表示Kronecker积；
对应窄巷模糊度解算观测模型的随机模型，假设各频点的伪距与载波相位观测量相互独立，根据高度角加权模型可以表示为:
其中，“D”表示方差操作；单差伪距观测量的标准差表示为Cp，对应载波相位观测量的标准差表示为Cφ；Ds＝[-es Is]表示星间差分的转换矩阵；Rs+1根据高度角加权函数给定。
7.根据权利要求1所述的一种自适应电离层估计模型的中长基线模糊度解算方法，其特征在于，所述步骤六中的窄巷模糊度解算的动态模型表示为:
对流层湿分量与模糊度的约束信息的过程噪声依据经验模型给定，其中，对流层湿分量的过程噪声为模糊度的过程噪声为σa＝e-16。
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