CN110501735B - 一种基于北斗三频信号的超窄巷rtk定位方法 - Google Patents

一种基于北斗三频信号的超窄巷rtk定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于北斗三频信号的超窄巷RTK定位方法，包括：S1，建立北斗超窄巷载波相位观测模型；S2，通过组合波长、电离层延迟系数、对流层延迟和测量噪声放大系数与组合系数的关系，选取最优组合系数；S3，利用超窄巷三频组合，通过多历元载波相位平滑方式降低噪声对伪距精度影响，获取多历元伪距双差概略模糊度；S4，将伪距双差概略模糊度带入到超窄巷三频组合载波相位双差模型，通过解算基线，实现RTK精密定位。本发明利用超窄巷与RTK组合的定位技术，尽管更短的波长增加了准确解算双差模糊度的难度，但如果波长足够短，可以允许双差模糊度解算存在小偏差量，而不会影响观测量精度。

Description

一种基于北斗三频信号的超窄巷RTK定位方法
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域，尤其涉及一种基于北斗三频信号的超窄巷RTK定位方法。
背景技术
卫星导航实时动态差分定位系统(Real Time Kinematic)可以为用户提供厘米级的定位，而整周模糊度的快速解算是保证实现高精度定位的关键问题之一。虽然目前对模糊度解算有多种方法，但是这些方法存在模糊度固定解正确率难以保证、模糊度搜索耗时以及解算实时性难以满足等问题，而一旦模糊度固定失败，将会极大地影响定位结果。
北斗卫星导航定位系统提供了三频观测值，通过对三频信号测量值的线性组合，可以构造超宽巷(extra wide law,EWL)、宽巷(wide law,WL)或窄巷(narrow law,NL)等组合方式。超宽巷和宽巷组合获得新的观测值具有波长较长的特点，从而促进整周模糊度准确而快速求解；但是超宽巷和宽巷组合方式都放大了测量噪声，使得直接利用超宽巷或宽巷载波相位测量值进行定位解算，难以满足精密定位需求。尽管窄巷组合观测值具有测量噪声较小的特点，但由于波长较短以及抑制误差能力弱等不利因素，导致模糊度难以准确固定，影响精密定位的可靠性。
发明内容
本发明为了解决传统方法因模糊度难以准确固定，造成定位可靠性降低的难题，提出一种基于北斗三频信号的超窄巷RTK定位方法，所述方法包括：
S1，建立三频组合系统模型，包括：组合频率和组合波长与组合系数的关系模型，电离层延迟与组合系数关系模型，对流层延迟与组合系数关系模型和观测噪声与组合系数之间的关系模型；
S2，通过所述组合波长、电离层延迟系数、对流层延迟和测量噪声放大系数与组合系数的关系，选取最优组合系数；
S3，利用超窄巷三频组合，通过多历元载波相位平滑方式降低噪声对伪距精度影响，并获取多历元伪距双差概略模糊度；
S4，将伪距双差概略模糊度带入到超窄巷三频组合载波相位双差模型，通过解算基线，实现RTK精密定位。
更进一步地，在步骤S1中，所述组合频率与组合系数的关系模型如式(1)所示为:
fc＝if1+jf2+kf3……(1)
其中，fc为组合频率，f1,f2,f3依次为导航卫星三频频率，整数i,j,k为三频组合系数；
所述组合波长与组合系数的关系模型如式(2)所示为:
λc＝λ1λ2λ3/(iλ2λ3+jλ1λ3+kλ1λ2)……(2)
其中，λc为组合波长，λ1,λ2,λ3为三频对应的波长；
所述电离层延迟与组合系数关系模型如式(3)所示为:
Figure BDA0002137064570000021
其中，ιc为三频组合电离层延迟，αion为电离层延迟系数，ι1为B1波段上的电离层延迟；
所述对流层延迟与组合系数关系模型如式(4)所示为:
τc＝αττ＝(iλc/λ1+jλc/λ2+kλc/λ3)τ＝τ……(4)
其中，τc为三频组合对流层延迟，τ为B1波段上的对流层延迟，ατ＝1；
所述观测噪声与组合系数关系模型如式(5)所示为:
Figure BDA0002137064570000031
其中，σcεφ为三频组合观测噪声，σc为观测噪声放大系数，εφ为单频载波相位测量噪声。
更进一步地，在步骤S2中，选取三频组合系数，得到三频组合系数I,J,K同时满足以下条件，包括：
依据所述组合波长模型如式(2)中组合波长λc≤0.1mm；
依据所述电离层延迟模型式(3)中i+j·f1/f2+k·f1/f3＝0，且i+j·f2/f1+k·f3/f1≠0，使电离层延迟为0；
依据所述观测噪声模型如式(5)中噪声放大系数
Figure BDA0002137064570000032
使噪声放大系数为最小值。
更进一步地，在步骤S3中，所述多历元伪距双差概略模糊度是通过第l个历元的伪距由前l-1个历元进行平滑，所述多历元伪距双差概略模糊度模型如式(6)所示为:
Figure BDA0002137064570000033
其中，
Figure BDA0002137064570000034
为第l个历元平滑后的伪距值，px为第x个历元伪距值，
Figure BDA0002137064570000035
为第x个历元载波相位值，
Figure BDA0002137064570000036
为第l-1个历元载波相位值，λC为三频组合系数I,J,K算得到的组合波长，这样可以得到伪距双差概略模糊度
Figure BDA0002137064570000037
更进一步地，在步骤S4中，所述三频组合双差模型如式(7)所示为:
φc＝ρ+τ+αionι1+λcac+σcεφ……(7)
其中，φc为载波观测量，ρ为几何距离量，ac为双差模糊度，当上式(6)中l足够大时，并且所述组合波长λC≤0.1mm，双差模糊度偏差
Figure BDA0002137064570000038
为小量，因此，无需通过伪距计算的双差模糊度ac，将伪距双差概略模糊度
Figure BDA0002137064570000041
视为伪距计算的双差模糊度ac代入上式(7)，同时，采用三频组合系数I,J,K计算得到相应的三频组合电离层延迟、三频组合对流层延迟和三频组合观测噪声并代入上式(7)，计算得到几何距离量ρ，进而实现RTK精密定位。
本发明的有益效果是：
依据RTK定位原理，针对双差模糊度固定费时费力、成功率难以完全保证，以及一旦双差模糊度固定失败对定位带来极大的风险等问题，以RTK和超窄巷三频组合为理论基础，尽管更短的波长增加了准确解算双差模糊度的难度，但如果波长足够短，可以允许双差模糊度解算存在小偏差量，而不会影响观测量精度。
通过选择超窄巷组合系数筛选三频组合系数使其满足：组合波长小于0.1mm，i+j·f1/f2+k·f1/f3＝0，且i+j·f2/f1+k·f3/f1≠0达到电离层延迟为0，噪声放大系数
Figure BDA0002137064570000042
为最小值，降低电离层延迟和噪声对北斗三频组合超窄巷RTK定位方法的影响，实现RTK精密定位。
通过选择超窄巷组合系数使得组合后波长足够小，利用多历元载波相位平滑方式降低噪声对伪距精度影响，解算伪距双差概略模糊度；即使双差模糊度的整周偏差达到10周，若限制超窄巷组合波长小于0.1mm，则双差模糊度偏差造成的影响小于1mm，其影响可以忽略；进而避免了繁琐的双差模糊度固定步骤，也避免了双差模糊度解算失败风险对RTK精密定位的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种北斗三频信号的超窄巷RTK定位方法的方法示意图。
具体实施方式
考虑到三频组合能够获得更短波长的组合，即超窄巷(extra narrow law,ENL)组合，尽管更短的波长增加了准确解算模糊度的难度，但如果波长足够短，可以允许模糊度解算存在小偏差量，而不会影响观测量精度。因此，有必要探究基于超窄巷(extra narrowlaw,ENL)组合的RTK定位技术，无需准确解算模糊度，即可实现高精度定位，消除了传统方法因模糊度固定错误，造成定位可靠性降低的难题。
下面通过实施例，并结合附图1，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
建立北斗三频超窄巷载波相位模型，通过选取最优组合系数，满足波长小于0.1mm、弱电离层延迟以及低噪声等条件，再利用多历元载波相位平滑方式降低噪声对伪距定位精度的影响，进而由伪距求得伪距双差概略模糊度，最后带入三频超窄巷载波相位双差方程，实现RTK精密定位。
步骤1：建立三频组合系统模型。
由三频组合原理，得到组合频率fc和组合波长λc与组合系数的关系，
fc＝if1+jf2+kf3……(1)
λc＝λ1λ2λ3/(iλ2λ3+jλ1λ3+kλ1λ2)……(2)
式中，f1,f2,f3依次为导航卫星三频频率，对于北斗卫星导航系统f1＝1561.098MHz,f2＝1207.14MHz,f3＝1268.52MHz，λ1,λ2,λ3为三频对应的波长，整数i,j,k为三频组合系数。
由三频组合原理，电离层延迟误差与频率直接相关，得到电离层延迟与组合系数关系，
Figure BDA0002137064570000051
式中，ιc为三频组合电离层延迟，αion为电离层延迟系数，ι1为B1波段上的电离层延迟。
由三频组合原理以及对流层的误差特性，对流层延迟大小与频率无关，
τc＝αττ＝(iλc/λ1+jλc/λ2+kλc/λ3)τ＝τ……(4)
式中，τc为三频组合对流层延迟，τ为B1波段上的对流层延迟，可见三频组合对流层延迟不变，ατ＝1。
由三频组合原理，得到观测噪声与组合系数之间的关系，
Figure BDA0002137064570000061
式中，σcεφ为三频组合观测噪声，εφ为单频载波相位测量噪声，σc为观测噪声放大系数，
Figure BDA0002137064570000062
步骤2：选取三频超窄巷组合系数。
通过考虑各项误差以选取最优组合系数，通过步骤1获得了三频组合波长、电离层延迟系数、对流层延迟和测量噪声放大系数与组合系数的关系，选取三频组合系数I,J,K值使其同时满足以下条件：
由式(2)组合波长与组合系数的模型，使得组合波长λc≤0.1mm。
由式(3)所表述的电离层延迟放大系数与组合系数的关系知，当满足i+j·f1/f2+k·f1/f3＝0，且i+j·f2/f1+k·f3/f1≠0时，则可以忽略三频组合系统电离层延迟，而因为i,j,k必须是整数，需要采取四舍五入方法，构造最优的组合系数，使i,j,k值满足电离层延迟为0，忽略电离层延迟。
由式(4)所表述的对流层延迟放大系数与组合系数无关，因此超窄巷三频组合对流层延迟保持不变。
由式(5)所表述的测量噪声放大系数与组合系数的模型，因此，为保证组合系统RTK定位的可靠性，三频组合系数使噪声放大系数
Figure BDA0002137064570000063
达到最小值。
通过以上约束条件可以获得超窄巷最优组合系数I,J,K，进而限制噪声对载波相位方程的影响。
步骤3：多历元载波相位平滑方式降低噪声对伪距精度影响。
受伪距观测量的精度限制，单频时采用伪距解算的伪距双差概略模糊度
Figure BDA0002137064570000071
仅能与伪距计算的双差模糊度a约束到
Figure BDA0002137064570000072
周甚至更差，因此不可以直接通过解算的伪距双差概略模糊度进行RTK定位。
利用超窄巷三频组合思想，当保证组合系统波长λc≤0.1mm时，则对伪距双差概略模糊度解算的准确性要求降低，即使模糊度的整周偏差达到10周，若限制超窄巷组合波长小于0.1mm，则模糊度偏差造成的影响小于1mm，其影响可以忽略，只需计算伪距双差概略模糊度
Figure BDA0002137064570000073
无需准确计算双差模糊度。
通过载波相位平滑的方式进一步降低噪声对伪距精度的影响，确保伪距解算的伪距双差概略模糊度
Figure BDA0002137064570000074
仅能与伪距计算的双差模糊度a约束到
Figure BDA0002137064570000075
周，第l个历元伪距由前l-1个历元进行平滑，
Figure BDA0002137064570000076
其中，
Figure BDA0002137064570000077
为第l个历元平滑后的伪距值，px为第x个历元伪距值，
Figure BDA0002137064570000078
为第x个历元载波相位值，
Figure BDA0002137064570000079
为第l-1个历元载波相位值，λC为三频组合系数I,J,K计算得到的组合波长。由于超窄巷组合系统的组合波长λC≤0.1mm，当l足够大时，多历元平滑可减弱多径和噪声等影响。
通过计算伪距双差概略模糊度
Figure BDA00021370645700000710
也可满足
Figure BDA00021370645700000711
为小量，进而由伪距解算模糊度存在的不准确风险对超窄巷组合模型的影响可以忽略。
步骤4：三频超窄巷组合实现RTK精密定位
由RTK定位原理，构造三频组合双差模型如下，
φc＝ρ+τ+αionι1+λcac+σcεφ……(7)
式中，φc为载波观测量，ρ为几何距离量，ac为伪距计算的双差模糊度。
通过步骤2构造超窄巷组合系数，并计算该三频组合系数对应的三频组合电离层延迟、三频组合对流层延迟和三频组合观测噪声，再由步骤3获得多历元平滑伪距双差概略模糊度
Figure BDA0002137064570000081
并视为伪距计算的双差模糊度ac，由于控制超窄巷组合波长λC≤0.1mm，可以限制模糊度偏差
Figure BDA0002137064570000082
为小量，从而越过传统复杂的整周模糊度解算步骤，通过式(7)求取到更加精确的几何距离量ρ，进而实现RTK精密定位。
具体举例说明：取超窄巷组合系数i＝5048，j＝-2000，k＝-2000时，可计算解得超窄巷组合波长λc＝0.1mm，电离层放大系数αion＝1.4×10-4，对流层放大系数ατ＝1，噪声放大系数σc＝2.94，满足弱电离层延迟以及较低测量噪声等约束条件。设伪距测量噪声为0.3m，则由100个历元平滑即可明显降低伪距的测量噪声，若控制噪声较小，则可以限制伪距双差概略模糊度的偏差
Figure BDA0002137064570000083
周，从而无需准确固定模糊度也可以保证
Figure BDA0002137064570000084
由三频组合双差模型进行修正基线，实现RTK精密定位。
虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种基于北斗三频信号的超窄巷RTK定位方法，所述方法包括：
S1，建立三频组合系统模型，包括：组合频率与组合系数的关系模型，组合波长与组合系数的关系模型，电离层延迟与组合系数关系模型，对流层延迟与组合系数关系模型和观测噪声与组合系数之间的关系模型；
S2，通过所述组合波长、电离层延迟系数、对流层延迟和测量噪声放大系数与组合系数的关系，选取最优组合系数；
S3，利用超窄巷三频组合，通过多历元载波相位平滑方式降低噪声对伪距精度影响，并获取多历元伪距双差概略模糊度；
S4，将伪距双差概略模糊度带入到超窄巷三频组合载波相位双差模型，通过解算基线，实现RTK精密定位；
在步骤S1中，所述组合频率与组合系数的关系模型如式(1)所示为:
fc＝if1+jf2+kf3……(1)
其中，fc为组合频率，f1,f2,f3依次为导航卫星三频频率，整数i,j,k为三频组合系数；
所述组合波长与组合系数的关系模型如式(2)所示为:
λc＝λ1λ2λ3/(iλ2λ3+jλ1λ3+kλ1λ2)……(2)
其中，λc为组合波长，λ1,λ2,λ3为三频对应的波长；
在步骤S2中，选取组合系数i,j,k依据所述组合波长模型如式(2)中，使组合波长λc≤0.1mm。
2.根据权利要求1所述的超窄巷RTK定位方法，其特征在于，在步骤S1中，
所述电离层延迟与组合系数关系模型如式(3)所示为:
Figure FDA0003058548670000011
其中，ιc为三频组合电离层延迟，αion为电离层延迟系数，ι1为B1波段上的电离层延迟；
所述对流层延迟与组合系数关系模型如式(4)所示为:
τc＝αττ＝(iλc/λ1+jλc/λ2+kλc/λ3)τ＝τ……(4)
其中，τc为三频组合对流层延迟，τ为B1波段上的对流层延迟，ατ＝1；
所述观测噪声与组合系数关系模型如式(5)所示为:
Figure FDA0003058548670000021
其中，σcεφ为三频组合观测噪声，σc为观测噪声放大系数，εφ为单频载波相位测量噪声。
3.根据权利要求2所述的超窄巷RTK定位方法，其特征在于，在步骤S2中，选取三频组合系数，得到三频组合系数i,j,k同时满足以下条件，包括：
依据所述电离层延迟模型式(3)中i+j·f1/f2+k·f1/f3＝0，且i+j·f2/f1+k·f3/f1≠0，使电离层延迟为0；
依据所述观测噪声模型如式(5)中噪声放大系数
Figure FDA0003058548670000022
使噪声放大系数为最小值。
4.根据权利要求3所述的超窄巷RTK定位方法，其特征在于，在步骤S3中，所述多历元伪距双差概略模糊度是通过第l个历元的伪距由前l-1个历元进行平滑，所述多历元伪距双差概略模糊度模型如式(6)所示为:
Figure FDA0003058548670000023
其中，
Figure FDA0003058548670000024
为第l个历元平滑后的伪距值，px为第x个历元伪距值，
Figure FDA0003058548670000025
为第x个历元载波相位值，
Figure FDA0003058548670000026
为第l-1个历元载波相位值，λC为三频组合系数I,J,K算得到的组合波长，这样可以得到伪距双差概略模糊度
Figure FDA0003058548670000027
5.根据权利要求4所述的超窄巷RTK定位方法，其特征在于，在步骤S4中，所述三频组合双差模型如式(7)所示为:
φc＝ρ+τ+αionι1+λcac+σcεφ……(7)
其中，φc为载波观测量，ρ为几何距离量，ac为双差模糊度，当上式(6)中l足够大时，并且所述组合波长λC≤0.1mm，双差模糊度偏差
Figure FDA0003058548670000031
为小量，因此，无需通过伪距计算的双差模糊度ac，将伪距双差概略模糊度
Figure FDA0003058548670000032
视为伪距计算的双差模糊度ac代入上式(7)，同时，采用三频组合系数i,j,k 计算得到相应的三频组合电离层延迟、三频组合对流层延迟和三频组合观测噪声并代入上式(7)，计算得到几何距离量ρ，进而实现RTK精密定位。
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