CN110208835A - 一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，差分基站采用基站端同型号接收机和用户端同型号接收机接收卫星信号，采用伪距双差法对多卫星导航系统间偏差分别进行估计。差分基站向用户播发差分修正信息，它包含双频消电离层伪距差分校正量，卫星导航系统间偏差，差分基站的位置。用户利用接收到的卫星信号和差分修正信息，采用跨系统紧组合方式实现差分定位，获得具有较高定位精度的结果。本发明充分利用消电离层延迟组合消除电离层对定位结果影响的优势，卫星和收机码硬件延迟误导致的系统间偏差具有较好的稳定性，通过跨系统紧组合方式实现用户端伪距差分定位，以期达到即使可见卫星较少的条件下能够实现高精度定位的目的。

Description

一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法

技术领域

本发明涉及一种差分定位方法，特别是一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，属于局域增强技术、卫星定位技术领域。

背景技术

随着我国港口建设和全球航运经济的快速发展，港口和航运、港口建设施工、海洋开发、石油工程、航道测量及疏浚、航标布设、救助打捞等用户对沿海港口航道测绘服务的需求日益增加。加之现代空间定位技术以及海洋水文观测等技术在海道测量中的推广应用，传统的沿海港口航道的测绘范围也逐步突破港界的限制，从港池航道拓展到公共锚地、干线航路，直至沿海通航水域。因此，迫切需要基于全球导航卫星系统(GNSS)提供精准定位信息的定位方法。

考虑到传统松组合差分全球导航卫星系统(DGNSS)，观测量模型忽略卫星码硬件延迟误差和收机码硬件延迟误差，致使定位精度仅能满足低精度用户需求。此外，传统松组合DGNSS使用多导航卫星系统观测量时需要至少四颗以上卫星观测量，且需要考虑电离层延迟误差的影响。这不但导致定位算法复杂，效率低下，而且使得定位算法冗余性、适应性降低。因此，鉴于电离层延迟对定位精度影响较大，卫星和收机码硬件延迟误导致的系统间偏差具有较好稳定性，如何充分利用这些误差特性，提高定位系统冗余性、适应性是满足高精度用户需求的关键所在。综上所述，设计一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法具有相当的迫切性。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效修正导航系统卫星观测量提高用户端信号精度、提高差分定位精度的基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法。

本发明的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，包括以下步骤：

步骤1：差分基站利用两台相同型号接收机同时接收全球导航卫星系统的卫星信号并保存，通过伪距消电离层组合模型处理两台接收机收到的全球导航卫星系统的卫星信号，生成伪距消电离层差分改正数，获取差分基站位置；

步骤2：利用步骤1中处理过的全球导航卫星系统的卫星信号，通过伪距双差法对GPS与BDS的系统间偏差和GPS与Galileo的系统间偏差进行估计得到偏差估计值，其中GPS作为参考系统；

步骤3：差分基站向用户播发伪距消电离层差分校正量，所述伪距消电离层差分校正量包括步骤1中的伪距消电离层差分改正数、差分基站位置、GPS与BDS系统间的偏差估计值和GPS与Galileo系统间的偏差估计值；

步骤4：用户采用与步骤1中相同型号接收机接收全球导航卫星系统的卫星信号，通过伪距消电离层组合模型处理收到的全球导航卫星系统卫星信号，同时接收至少一个差分基站播发的伪距消电离层差分校正量；

步骤5：对步骤4中用户接收机接收的全球导航卫星系统卫星信号情况进行判断，当接收的卫星信号大于或等于4颗时，进行卫星观测信息与差分信息的时间和卫星信息一致性检验；

步骤6：当步骤5中的一致性检验通过后，利用伪距消电离层差分校正量对用户接收机接收到的全球导航卫星系统卫星信号进行差分修正，并采用紧组合方式处理修正过的卫星信号，通过空间距离交会原理获取高精度差分定位结果。

本发明还包括：

1.步骤1中差分基站端接收全球导航卫星的卫星信号来自GPS导航卫星系统或BDS导航卫星系统或Galileo导航卫星系统。

2.步骤1中所述卫星信号的单频伪距观测量满足：

其中：q为参考星编号；*(q)为编号q卫星所属的卫星导航系统；a为接收机编号；1为频率1；2为频率2；P为伪距观测量，单位为米；ρ为几何距离，单位为米；c为光速，单位为米；dT为接收机钟差，单位为秒；d为卫星钟差，单位为秒；B为接收机码硬件延迟，单位为秒；b为卫星码硬件延迟，单位为秒；α为对流层映射函数；T为对流层延迟误差；单位为米；k为电离层映射函数；I为电离层延迟误差，单位为米；ε为噪声，单位为米；τ为两系统时间偏差，单位为秒；当*(q)系统为参考系统时，τ＝0；k₁为频率1的电离层影射函数，k₂为频率2的电离层影射函数。

3.步骤1中所述的伪距消电离层组合模型为满足：

其中，为设定系数；IF—伪距消电离层组合方式

4.步骤1中所述的差分基站位置为坐标系CGCS2000中的基站定位坐标(x_a,y_a,z_a)。

5.步骤2中所述系统间偏差为满足：

其中，i卫星代表GPS卫星或BDS卫星或Galileo卫星。

6.步骤2中所述伪距双差法中的解算双差伪距观测量为：

7.步骤6中所述修正后的用户端的伪距测量为满足：

其中：u为用户端。

8.步骤6中所述空间距离交会原理中的结算模型为：

其中(x⁽ⁿ⁾,y⁽ⁿ⁾,z⁽ⁿ⁾)代表第n颗卫星位置；

对进行最小二乘解算，获取最终的高精度差分定位结果，输出用户的位置(x_u,y_u,z_u)。

本发明有益效果：本发明通过双频伪距观测量消电离层组合方式消除电离层延时误差，并生成伪距差分校正量。本发明充分利用消电离层延迟组合消除电离层对定位结果影响的优势，卫星和收机码硬件延迟误导致的系统间偏差具有较好的稳定性，通过跨系统紧组合方式实现用户端伪距差分定位，以期达到即使可见卫星较少的条件下能够实现高精度定位的目的。差分基站采用基站端同型号接收机和用户端同型号接收机接收卫星信号，采用伪距双差法对多卫星导航系统间偏差分别进行估计。差分基站向用户播发差分修正信息，它包含双频消电离层伪距差分校正量，卫星导航系统间偏差，差分基站的位置。用户利用接收到的卫星信号和差分修正信息，采用跨系统紧组合方式实现差分定位，获得具有较高定位精度的结果。本发明充分利用消电离层组合优势，卫星和收机码硬件延迟误导致的系统间偏差具有较好的稳定性，提取消电离层伪距校正量作为用户端差分信息，估计不同卫星导航系统间偏差，并播发给用户，用以修正导航系统卫星观测量，提高用户端信号精度，在真正意义上提高差分定位精度。本发明集成全球差分定位，大气科学，海洋环境，计算机处理等技术，利用消电离层组合，考虑系统间偏差稳定性，通过基站提取消电离层伪距校正量信息，卫星导航系统间偏差，有效为船舶进出口及沿海航行、港口建设施工、海洋开发、石油工程、航道测量及疏浚、航标布设、救助打捞等提供精准的定位信息。

附图说明

图1是运用本发明的基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法的实施例一示意图。

具体实施方式

本发明采用GNSS差分定位技术，确保用户定位精度。本发明基于消电离层组合，考虑系统间偏差稳定性，进行用户端导航系统卫星信号的差分修正，实现高精度定位，包括以下步骤：

步骤1，差分基站利用两台相同型号接收机同时接收全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号并保存，通过伪距消电离层组合模型处理两台接收机收到的全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，生成伪距消电离层差分改正数，获取差分基站位置；

步骤2，利用步骤1中处理过的全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，通过伪距双差法对GPS/BDS系统间偏差、GPS/Galileo系统间偏差进行估计，其中GPS作为参考系统；

步骤3，差分基站向用户播发伪距消电离层差分校正量，其中，伪距消电离层差分校正量包括步骤1中的伪距消电离层差分改正数、差分基站位置，步骤2中的GPS/BDS系统间偏差估计值、GPS/Galileo系统间偏差估计值；

步骤4，用户采用与步骤1中相同型号接收机接收全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，通过伪距消电离层组合模型处理收到的全球导航卫星系统(GNSS)卫星信号，同时接收至少一个差分基站的伪距消电离层差分校正量；

步骤5，对步骤4中用户接收机接收的全球导航卫星系统(GNSS)卫星信号情况进行判断，当卫星信号大于或等于4颗时，进行卫星观测信息与差分信息的时间、卫星信息一致性检验；

步骤6，当步骤5中的一致性检验通过后，利用伪距消电离层差分校正量对用户接收机接收到的全球导航卫星系统卫星信号进行差分修正，并采用紧组合方式处理修正过得卫星信号，通过空间距离交会原理获取高精度差分定位结果。

实施例一：

本发明是基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，具体步骤包括：

步骤1，差分基站利用两台相同型号接收机同时接收全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，其中卫星信号的单频伪距观测量如下所示：

其中：q—参考星编号，

*(q)—编号q卫星所属的卫星导航系统，

a—接收机编号，

1—频率1，

2—频率2，

P—伪距观测量，单位为米，

ρ—几何距离，单位为米，

c—光速，单位为米，

dT—接收机钟差，单位为秒，

d—卫星钟差，单位为秒，

B—接收机码硬件延迟，单位为秒，

b—卫星码硬件延迟，单位为秒，

α—对流层映射函数，

T—对流层延迟误差，单位为米，

k—电离层映射函数，

I—电离层延迟误差，单位为米，

ε—噪声，单位为米，

τ—两系统时间偏差，单位为秒，

当*(q)系统为参考系统时，τ＝0。

通过伪距消电离层组合模型处理两台接收机收到的全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号。其中，差分基站伪距消电离层组合为：

其中，为设定系数。

差分基站生成的伪距消电离层差分改正数为：

其中：PRC—伪距消电离层差分改正数，单位为米，

IF—伪距消电离层组合方式。

差分基站获取的差分基站位置为坐标系CGCS2000中的基站定位坐标(x_a,y_a,z_a)。

步骤2，利用步骤1中处理过的全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，通过伪距双差法对GPS/BDS系统间偏差、GPS/Galileo系统间偏差进行估计，其中GPS作为参考系统。系统间偏差为，

其中，i卫星仅代表GPS/BDS/Galileo卫星。

伪距双差法解算双差伪距观测量为：

步骤3，差分基站向用户播发伪距消电离层差分校正量，其中，伪距消电离层差分校正量包括步骤1中的伪距消电离层差分改正数、差分基站位置，步骤2中的GPS/BDS系统间偏差估计值、GPS/Galileo系统间偏差估计值；

步骤4，用户采用与步骤1中相同型号接收机接收全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，通过步骤1中的伪距消电离层组合处理收到的全球导航卫星系统(GNSS)卫星信号，同时接收至少一个差分基站的伪距消电离层差分校正量；

步骤5，对步骤4中用户接收机接收的全球导航卫星系统(GNSS)卫星信号情况进行判断，当卫星信号大于或等于4颗时，进行卫星观测信息与差分信息的时间、卫星信息一致性检验；

步骤6，当步骤5中的一致性检验通过后，利用伪距消电离层差分校正量对用户接收机接收到的全球导航卫星系统卫星信号进行差分修正，其中修正后的用户端的伪距测量

其中：u—用户端，

用户端采用紧组合方式处理修正过得卫星信号，通过空间距离交会原理获取高精度差分定位结果。其中，差分定位结算模型为：

其中(x⁽ⁿ⁾,y⁽ⁿ⁾,z⁽ⁿ⁾)代表第n颗卫星位置。

进行最小二乘解算，获取最终的高精度水下差分定位结果，输出用户的位置(x_u,y_u,z_u)。

步骤1、步骤2和步骤4中利用电离层延迟误差频率间相关性、时空相关性，通过伪距消电离层组合模型处理收到的全球导航卫星系统(GNSS)卫星信号，排除电离层延迟误差对系统间偏差估计和差分定位的影响。步骤3和步骤4中对GPS/BDS系统间偏差、GPS/Galileo系统间偏差进行估计，并将系统偏差估计值加入伪距消电离层差分校正量播发给用户，能够提高用户端差分定位的精度，满足高精度用户的需求；步骤6中采用紧组合方式实现差分定位，在用户端接收3个不同全球卫星导航系统4颗及以上卫星信号情况下都可以实现高精度定位，提高了差分定位的冗余性和适应性。

本发明具体实施方式还包括：

步骤1，差分基站接收机接收全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，并通过双频伪距观测量消电离层组合方式消除电离层延时误差，并生成双频消电离层伪距差分校正量；

步骤2，差分基站分别利用与步骤1中同型号接收机、与步骤3中同型号的接收机同时接收全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，采用伪距双差法对GPS/BDS、GPS/Galileo系统间偏差分别进行估计，其中GPS作为参考系统；

步骤3，差分基站向用户播发差分修正信息，它包含双频消电离层伪距差分校正量，GPS/BDS、GPS/Galileo系统间偏差，差分基站的位置；

步骤4，用户接收机接收GNSS的卫星信号并通过双频伪距观测量消电离层组合方式消除电离层延时误差，同时接收至少一个差分基站的差分修正信息；

步骤5，用户接收机接收多于4颗GNSS的卫星信号和来自差分基站的差分修正信息后，进行卫星观测信息与差分信息的时间、数据一致性检验；

步骤6，当用户端卫星信号与差分信息通过数据一致性检验后，利用差分信息将接收卫星信号进行差分修正，采用紧组合处理多个卫星导航系统修正过的信息，通过空间距离交会原理获取最终的高精度差分定位结果。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不偏离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的调整，但这些相应的调整都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：差分基站利用两台相同型号接收机同时接收全球导航卫星系统的卫星信号并保存，通过伪距消电离层组合模型处理两台接收机收到的全球导航卫星系统的卫星信号，生成伪距消电离层差分改正数，获取差分基站位置；

步骤2：利用步骤1中处理过的全球导航卫星系统的卫星信号，通过伪距双差法对GPS与BDS的系统间偏差和GPS与Galileo的系统间偏差进行估计得到偏差估计值，其中GPS作为参考系统；

步骤3：差分基站向用户播发伪距消电离层差分校正量，所述伪距消电离层差分校正量包括步骤1中的伪距消电离层差分改正数、差分基站位置、GPS与BDS系统间的偏差估计值和GPS与Galileo系统间的偏差估计值；

步骤4：用户采用与步骤1中相同型号接收机接收全球导航卫星系统的卫星信号，通过伪距消电离层组合模型处理收到的全球导航卫星系统卫星信号，同时接收至少一个差分基站播发的伪距消电离层差分校正量；

步骤5：对步骤4中用户接收机接收的全球导航卫星系统卫星信号情况进行判断，当接收的卫星信号大于或等于4颗时，进行卫星观测信息与差分信息的时间和卫星信息一致性检验；

步骤6：当步骤5中的一致性检验通过后，利用伪距消电离层差分校正量对用户接收机接收到的全球导航卫星系统卫星信号进行差分修正，并采用紧组合方式处理修正过的卫星信号，通过空间距离交会原理获取高精度差分定位结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于：步骤1中差分基站端接收全球导航卫星的卫星信号来自GPS导航卫星系统或BDS导航卫星系统或Galileo导航卫星系统。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于：步骤1中所述卫星信号的单频伪距观测量满足：

其中：q为参考星编号；*(q)为编号q卫星所属的卫星导航系统；a为接收机编号；1为频率1；2为频率2；P为伪距观测量，单位为米；ρ为几何距离，单位为米；c为光速，单位为米；dT为接收机钟差，单位为秒；d为卫星钟差，单位为秒；B为接收机码硬件延迟，单位为秒；b为卫星码硬件延迟，单位为秒；α为对流层映射函数；T为对流层延迟误差；单位为米；k为电离层映射函数；I为电离层延迟误差，单位为米；ε为噪声，单位为米；τ为两系统时间偏差，单位为秒；当*(q)系统为参考系统时，τ＝0；k₁为频率1的电离层影射函数，k₂为频率2的电离层影射函数。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于：步骤1中所述的伪距消电离层组合模型为满足：

其中，为设定系数；IF—伪距消电离层组合方式。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于：步骤1中所述的差分基站位置为坐标系CGCS2000中的基站定位坐标(x_a,y_a,z_a)。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于：步骤2中所述系统间偏差为满足：

其中，i卫星代表GPS卫星或BDS卫星或Galileo卫星。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于：步骤2中所述伪距双差法中的解算双差伪距观测量为：

。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于：步骤6中所述修正后的用户端的伪距测量为满足：

其中：u为用户端。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于消电离层组合的跨系统紧组合差分定位方法，其特征在于：步骤6中所述空间距离交会原理中的结算模型为：

其中(x⁽ⁿ⁾,y⁽ⁿ⁾,z⁽ⁿ⁾)代表第n颗卫星位置；

对进行最小二乘解算，获取最终的高精度差分定位结果，输出用户的位置(x_u,y_u,z_u)。