CN110673182B - 一种gnss高精度快速定位方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种GNSS高精度快速定位方法及装置，该方法包括：根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标；提取基准站观测值的残差分量，建立测站间空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标。该方法有效地降低了测量装置天线组的观测误差，充分利用天线的距离姿态信息，短时间连续观测即可达到毫米级定位精度。

Description

一种GNSS高精度快速定位方法及装置
技术领域
本发明涉及导航定位技术领域，尤其涉及一种GNSS高精度快速定位方法及装置。
背景技术
常规的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)高精度定位方法主要有RTK(Real-time Kinematic，实时动态)、PPP(Precise PointPositioning，精密单点定位技术)、静态基线后处理三种方法。
采用RTK或PPP方法，在完成模糊度固定后，可以实现单历元实时定位。一般而言，短基线情况下RTK只需要几秒即可完成模糊度固定；PPP需要几分钟至几十分钟，取决于是否有足够精确的误差改正信息。但无论是RTK还是PPP，定位精度都只能达到厘米级，应用在一些高精度定位领域，如高铁轨道平顺性测量、变形监测等时，往往无法满足精度要求。
采用静态基线后处理尽管可以达到毫米级的定位精度，但一般需要数小时甚至十几小时的连续观测来建立足够精确的误差模型。由于观测时间较长，也往往无法满足对定位时间要求较短的特定环境下的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种GNSS高精度快速定位方法及装置。
第一方面，本发明实施例提供一种GNSS高精度快速定位方法，包括：根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标；根据已固定的基准站间的双差模糊度，确定基准站观测值的残差分量，并结合所述残差分量，建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；利用所述双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标；其中，所述天线至少为三个，和所述待测点的相对位置已知，并设置在待测点预设位置处，所述基准站至少为三个，分布在待测点周围。
进一步地，所述根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度包括：根据基准站分布，选取满足预设条件的至少三个基准站，对选取后的基准站组建Delaunay三角网，得到基准站基线；提取每条基准站基线的共视卫星的观测数据，组建基准站间载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度。
进一步地，所述结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标，包括：根据每一天线间的距离，测量装置测得的平面两个方向的倾角，以及初始天线向量之间的关系，确定天线的距离姿态观测方程；利用天线间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程辅助，进行基准站与天线间的载波相位双差观测方程中双差模糊度的固定，获得每一天线的近似坐标。
进一步地，所述结合所述残差分量，建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数，包括：根据基准站观测值的残差分量与基准站坐标的空间关系，建立空间相关模型，并获得模型系数；根据所述模型系数，结合所述天线的近似坐标，得到测量装置的天线与基准站的双差改正数。
进一步地，所述利用所述双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，包括：将所述双差改正数代入基准站与天线间的载波相位双差观测方程，得到改正后的双差观测方程；根据每一天线的近似坐标，结合天线之间的载波相位双差观测方程，得到包括天线坐标改正值的GNSS观测方程；根据所述GNSS观测方程，结合天线的距离姿态观测方程进行平差，得到每一天线的精确坐标。
进一步地，所述根据所述GNSS观测方程，结合天线的距离姿态观测方程进行平差，得到每一天线的精确坐标，包括：在预设的观测时间内，对所述GNSS观测方程进行多历元序贯平差，得到GNSS观测空间下的天线坐标，并更新GNSS观测方程中的权矩阵；根据卫星坐标系到站心坐标系的平移和旋转矩阵，以及GNSS观测空间下的天线坐标和更新后的权矩阵，建立站心坐标系下的虚拟观测方程；根据所述虚拟观测方程，结合所述天线的距离姿态观测方程，进行联合平差，得到每一天线的精确坐标。
进一步地，所述天线为三个，所述根据所述天线组每一天线间的距离，测量装置测得的平面两个方向的倾角，以及初始天线向量之间的关系，确定天线的距离姿态观测方程，包括：根据每一天线间的距离，以及测量装置的初始姿态，确定三个天线的初始天线向量；同时根据预设的倾角传感器，获得测量装置在平面两个方向的倾角；再根据获取的倾角，得到从所述三个天线的初始天线向量映射到天线坐标的旋转矩阵，结合所述初始天线向量，确定天线的距离姿态观测方程。
第二方面，本发明实施例提供一种GNSS高精度快速测量装置，包括：第一处理模块，用于根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；第二处理模块，用于根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标；第三处理模块，用于根据已固定的基准站间的双差模糊度，确定基准站观测值的残差分量，并结合所述残差分量，建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；坐标确定模块，用于利用所述双差改正数解算所述基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标；其中，所述天线至少为三个，和所述待测点的相对位置已知，并设置在待测点预设位置处，所述基准站至少为三个，分布在待测点周围。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明第一方面GNSS高精度快速定位方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面GNSS高精度快速定位方法的步骤。
本发明实施例提供的GNSS高精度快速定位方法及装置，根据残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数，有效地降低了测量装置天线的观测误差，利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，短时间连续观测即可达到毫米级的定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的GNSS高精度快速定位方法流程图；
图2为本发明实施例提供的GNSS高精度快速定位方法应用场景图；
图3为本发明另一实施例提供的GNSS高精度快速定位方法流程图；
图4为本发明实施例提供的GNSS高精度快速测量装置结构图；
图5为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前的GNSS定位方法，如RTK和PPP，定位精度不高，无法满足高精度定位领域的应用，而静态基线后处理的方法在具有足够精度时，却需要数小时甚至十几小时的连续观测时间，无法满足快速定位的应用场景。
为解决这一问题，本发明实施例提供一种GNSS高精度快速定位方法。该方法可应用于高铁轨道平顺性测量场景，也可以用于变形监测场景，本发明实施例对此不作具体限定。另外，该方法对应的执行主体可以为基准站，也可以为测量装置，或者由基准站与测量装置交互实现，本发明实施例对此也不作具体限定。为了便于说明，本发明实施例以执行主体为测量装置为例，对本发明实施例提供的GNSS高精度快速定位方法进行阐述。
图1为本发明实施例提供的GNSS高精度快速定位方法流程图，如图1所示，本发明实施例提供一种GNSS高精度快速定位方法，包括：
101，根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度。
在101执行前，为了便于说明本方法，可通过在待测点上设置一测量装置。另外，本实施例中所述天线均为测量装置的天线。图2为本发明实施例提供的GNSS高精度快速定位方法应用场景图，如图2所示，测量装置202上安装有多根天线的GNSS接收机203和倾角传感器204，基准站201至少为3个。在具体应用中，天线数量优选为三根，以下实施例均以此为例进行说明。其中，GNSS接收机203用来获取GNSS观测值，倾角传感器204用来获取平面两个方向的倾角。测量装置202可预先设置在待测点预设位置，测量装置203的几何参数，如三个天线几何中心与测量基准点的几何关系，已事先测定。
进行定位测量时，在测量区段附近按预设间距布设不少于三个GNSS基准站201，优选为1～2km，基准站201的坐标事先采用静态基线网解或者其他方式进行精确测定。进行测试时，在待测点放置测量装置202，进行预设时间的静态观测，综合考虑准确度和定位时间，可选为3～5min。
在101中，载波相位是指在同一接收时刻基准站接收的卫星信号的相位相对于接收机产生的载波信号相位的测量值。双差相位观测，是在GNSS站间单差的基础再进行星间差，进一步消除了与接收机有关的误差项。载波相位双差观测方程，具体为双差载波相位观测值、双差卫地距、对应频率载波的双差模糊度和载波相位双差后的残余误差之间的关系。
组建的基准站网载波相位双差观测方程，包括：
Figure BDA0002221800980000061
其中，
Figure BDA0002221800980000069
为双差算子；
Figure BDA0002221800980000062
为双差载波相位观测值；
Figure BDA0002221800980000063
为双差卫地距；
Figure BDA0002221800980000064
为对应频率载波的双差模糊度；λf为对应频率载波的波长；
Figure BDA0002221800980000065
代表载波相位双差后的残余误差，包括轨道误差残差、大气延迟残差、多路径效应及观测噪声；下标f为频率标识，大写下标A、B为基准站标识，不代表指数含义；上标i代表参考卫星；j为卫星标识，不代表指数含义。不代表指数含义指不具体指某一基准站、天线或卫星，即A、B为任意两个基准站，j为除参考卫星外的其它任意共视卫星。
基准站至少由3个基准站进行组网得到，载波相位双差观方程反映的是基准站网中任意两个基准站的双差观测方程，所固定的双差模糊度，也是基准站网中对应的任意两个基准站的双差载波模糊度。载波相位模糊度的固定可通过模糊度搜索算法，如LAMBDA算法实现。
102根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标。
在102中，测量装置的三个天线和基准站进行组网后，同时接收并处理基准站的观测数据和天线的观测数据。组建基准站到三个天线，以及三个天线之间的载波相位双差观测方程，从而固定基准站与天线间，以及天线之间的双差模糊度，具体与101中类似。
组建基准站到三个天线以及三个天线之间的载波相位双差观测方程，即确定基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，包括：
Figure BDA0002221800980000066
Figure BDA0002221800980000067
其中，
Figure BDA0002221800980000068
代表测量装置天线进行载波相位双差后的残余误差，包括多路径效应、观测噪声；大写下标A为基准站标识，小写下标a、b为三个天线标识，均不代表指数含义；其余参数含义与(1)相同。
天线的距离姿态观测方程为反映天线位置关系的方程，主要包括天线组中每一天线的位置坐标，与测量装置的姿态角以及初始天线向量之间的关系。在固定基准站与天线间，以及天线之间的双差模糊度的基础上，结合天线的观测方程，能够得到三个天线的近似坐标。
103，根据已固定的基准站间的双差模糊度，确定基准站观测值的残差分量，并结合残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数。
在103中，基准站的双差载波相位观测值、双差卫地距为已确定，结合已固定的基准站间的双差模糊度，可得到基准站观测值的残差分量。
根据已固定的基准站间的双差模糊度，确定基准站的残差分量，即提取基准站观测值的残差分量：
Figure BDA0002221800980000071
其中，
Figure BDA0002221800980000072
为已知，
Figure BDA0002221800980000073
为已固定的基准站间的双差模糊度，则可得到基准站观测值的残差分量。
利用基准站观测值的残差分量建立测站间的空间相关模型，测站是包括基准站和天线的任意观测站点，测站间的空间相关模型反映的是任意两个测站间的双差残差相关性。根据天线近似坐标和测站的空间相关模型，能够得出天线与基准站的误差分量，即天线与基准站的双差改正数。
104，利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标。
在104中，通过该双差改正数对102中基准站与天线间的载波相位双差观测方程进行修正，利用天线近似坐标对GNSS观测方程线性化，解算得到坐标改正数。GNSS观测方程包括修正后的基准站与天线间的载波相位双差观测方程，以及天线之间的载波相位双差观测方程。主要通过平差实现，平差是基于最小二乘法原理处理各种观测结果的理论和计算方法。利用103得到的双差改正数，代入102中基准站与天线间的载波相位双差观测方程，同天线之间的载波相位双差观测方程线性化后，进行序贯平差得到天线的坐标，再结合天线的距离姿态观测方程联合平差，最后得到每一天线的精确坐标。每一天线和待测点的几何关系为已知，则可得到待测点的精确坐标。
本实施例提供的GNSS高精度快速定位方法，根据残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数，有效地降低了测量装置天线的观测误差，利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，短时间连续观测即可达到毫米级的定位精度。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度，包括：根据基准站分布，选取满足预设条件的至少三个基准站，对选取后的基准站组建Delaunay三角网，得到基准站基线；提取基准站基线共视卫星的观测数据，组建基准站网载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度。
Delaunay三角剖分是将空间点连接为三角形，使得所有三角形中最小角最大的一个技术。优选的，在得到基准站基线后，还包括对基准站网观测数据进行预处理，剔除数据不全或存在粗差等情况的GNSS卫星。基准站根据预设条件选择，通常选取10km以内的基准站，如上述实施例中选取1～2km的基准站。根据基准站的观测数据，组建如上式(1)的双差观测方程，实现固定基准站间的双差模糊度。
本实施例提供的GNSS高精度快速定位方法，对选取后的基准站组建Delaunay三角网，能够得到最优分布的基准站基线。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标，包括：根据每一天线间的距离，测量装置测得的平面两个方向的倾角，以及初始天线向量之间的关系，确定天线的距离姿态观测方程；利用天线间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程辅助，进行基准站与天线间的载波相位双差观测方程中双差模糊度的固定，获得每一天线的近似坐标。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，天线为三个，据每一天线间的距离，测量装置测得的平面两个方向的倾角，以及初始天线向量之间的关系确定天线的距离姿态观测方程，包括：根据每一天线间的距离，以及测量装置的初始姿态，确定三个天线的初始天线向量；同时根据预设的倾角传感器，获得测量装置在平面两个方向的倾角；再根据获取的倾角，得到从所述三个天线的初始天线向量映射到天线坐标的旋转矩阵，结合初始天线向量，确定天线的距离姿态观测方程。
例如，距离姿态观测方程可以为：
Figure BDA0002221800980000091
其中，(Ea Na Ua)、(Eb Nb Ub)、(Ec Nc Uc)为站心坐标系下天线a、b、c坐标；R(y)、R(p)、R(r)为测量装置的航向角、俯仰角和横滚角的旋转矩阵；Lab、Lbc、Lac为初始天线向量，由三个天线的已知距离和测量装置的初始姿态确定；俯仰角和横滚角，根据预设的倾角传感器结合装置标定参数获得，所述航向角为待求参数。
初始天线向量，由三个天线的距离和测量装置的初始姿态确定，例如，测量装置按照标准放置时天线b位于天线a正北方，天线ab距离为L，则对应的初始天线向量为(L，0，0)，初始天线向量是已知的。俯仰角和横滚角，可根据预设的倾角传感器204结合装置标定参数获得。
具体的，各旋转矩阵表示如下：
Figure BDA0002221800980000092
Figure BDA0002221800980000093
Figure BDA0002221800980000101
其中，y、p、r为测量装置的三个姿态角：航向角、俯仰角和横滚角。
作为可选实施例，在俯仰角和横滚角较小时，二者等于平台在平面两个方向的水平倾角θx、θy，考虑仪器安装误差，可以表示为如下：
p＝θx＝θx1+θx0 (9)
r＝θy＝θy1+θy0 (10)
其中，θx1、θy1为倾角传感器测得的平面两个方向的水平倾角；θx0、θy0为初始状态下，倾角传感器与测量装置在两个方向的夹角，属于仪器安装误差，在标定仪器时精确测定。
利用方程(3)、(5)辅助，进行方程(2)中模糊度参数的固定，同时得到卫星定位下测量装置的三个天线近似坐标X0。该步骤可以通过模糊度搜索方法，如LAMBDA算法实现。
本实施例提供的GNSS高精度快速定位方法，根据天线组每一天线间的距离，以及测量装置的初始姿态，确定三个天线的初始天线向量，结合姿态角生成的旋转矩阵，根据每一天线坐标参数，确定天线的观测方程，利用多基站观测和三天线距离与姿态进行约束，加速了三个天线的模糊度固定，并提高了计算结果的可靠性与稳定性。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，结合残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数，包括：根据基准站观测值的残差分量与基准站坐标的空间关系，建立空间相关模型，并获得模型系数；根据模型系数，结合天线的近似坐标，得到测量装置的天线与基准站的双差改正数。
基准站观测值的残差分量，是在固定基准站间载波相位双差观测方程中的双差模糊度后，从中提取到的残差分量。
根据基准站观测值的残差分量与基准站坐标的空间关系，建立空间相关模型，包括：
Figure BDA0002221800980000102
其中，ai,j、bi,j、ci,j为待求的模型系数；EA、NA为基准站A的平面坐标；EB、NB为基准站B的平面坐标；大写下标A、B为基准站标识，不代表指数含义；上标i代表参考卫星；j为卫星标识，不代表指数含义。
可通过最小二乘，得到模型系数ai,j、bi,j、ci,j。
根据模型系数，结合上面得到的天线近似坐标，可以得到测量装置的天线与基准站的双差改正数
Figure BDA0002221800980000111
Figure BDA0002221800980000112
本实施例提供的GNSS高精度快速定位方法，结合残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数，该双差改正数有效地降低测量装置天线组的观测误差。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，包括：将双差改正数代入基准站与天线间的载波相位双差观测方程，得到改正后的双差观测方程；根据天线近似坐标，结合天线之间的载波相位双差观测方程，得到包括天线坐标改正值的GNSS观测方程；根据GNSS观测方程，结合天线的距离姿态观测方程进行平差，得到每一天线的精确坐标。
将测量装置与基准站的双差改正数代入方程(2)，得到改正后的观测方程：
Figure BDA0002221800980000113
将三个天线的近似坐标代入方程(13)和(3)，线性化后得到GNSS观测方程：
v＝Bx-l,P0 (14)
其中，x为WGS-84坐标系下三个天线的坐标改正值；B为设计矩阵；l为观测值；P0为权矩阵；v为观测方程的真误差。
x＝[xa ya za xb yb zb xc yc zc]T (15)
Figure BDA0002221800980000121
Figure BDA0002221800980000122
Figure BDA0002221800980000123
其中，
Figure BDA0002221800980000124
为利用基准站坐标和三个天线近似坐标X0计算出的双差卫地距；下标A为基准站标识，下标a、b为三个天线标识，不代表指数含义；上标i代表参考卫星；j为卫星标识，不代表指数含义；D为双差相位观测值的先验方差，根据先验标准方差和卫星高度角计算得到；
分块矩阵Ba0、Bb0、Bc0均形式一致，以Ba0为例，形式如下：
Figure BDA0002221800980000125
其中，
Figure BDA0002221800980000126
为利用天线近似坐标X0计算出的卫地距；(xi,yi,zi)为卫星i的坐标；(xj,yj,zj)为卫星j的坐标；
Figure BDA0002221800980000127
和
Figure BDA0002221800980000128
为天线a的近似坐标；上标i代表参考卫星，j为卫星标识，不代表指数含义，即j为除i以外的其它任意共视卫星，n为观测卫星数。对GNSS观测方程(14)进行平差，结合天线的距离姿态观测方程联合平差，得到每一天线的精确坐标。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，根据GNSS观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，进行平差，得到每一天线的精确坐标，包括：在预设的观测时间内，对GNSS观测方程进行多历元序贯平差，得到GNSS观测空间下的天线坐标，并更新GNSS观测方程中的权矩阵；根据卫星坐标系到站心坐标系的平移和旋转矩阵，以及GNSS观测空间下的天线坐标和更新后的权矩阵，建立站心坐标系下的虚拟观测方程；根据虚拟观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，进行联合平差，得到每一天线的精确坐标。
预设的观测时间为上述提到，进行预设时间的静态观测，综合考虑准确度和定位时间，可选为3～5min。
对方程(14)进行多历元序贯平差，得到GNSS观测空间下的天线坐标Xg，并更新方差-协方差阵，进一步更新权矩阵，得到更新后的权矩阵Pg：
Figure BDA0002221800980000131
其中，σ0为中误差，Dg为更新后的双差相位观测值的先验方差-协方差阵，Pg为更新后的权矩阵。
根据卫星坐标系到站心坐标系的旋转和平移矩阵，以及GNSS观测空间下的天线坐标和更新后的权矩阵，建立站心坐标系下的虚拟观测方程：
Figure BDA0002221800980000132
其中，R0、V0为WGS-84卫星坐标系到站心坐标系的旋转和平移矩阵。
将虚拟观测方程方程(21)与天线的距离姿态观测方程(5)进行联合平差，待求参数包括站心坐标系下三个天线的坐标(Ea Na Ua)、(Eb Nb Ub)、(Ec Nc Uc)和航向角y，方程(5)所用到的方差-协方差阵可根据倾角传感器的测角精度和实测倾角来确定。
根据待测点到三个天线的几何关系，结合姿态角和每一天线的精确坐标，计算待测点的精确坐标。
本实施例提供的GNSS高精度快速定位方法，在预设的观测时间内，对GNSS观测方程进行多历元序贯平差，得到GNSS观测空间下的天线坐标，再结合天线的距离姿态观测方程进行联合平差，短时间连续观测即可达到毫米级的定位精度。
图3为本发明另一实施例提供的GNSS高精度快速定位方法流程图，如图3所示，组建基准站间双差观测方程，根据基准站的已知坐标，固定基准站间的双差模糊度；组建基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合倾角观测值和装置几何参数生成的距离姿态观测方程，固定双差模糊度，确定每一天线的近似坐标；根据已固定的基准站间的双差模糊度，提取基准站观测值的残差分量，并结合所述残差分量，建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；利用双差改正数得到改正后的基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程序贯平差，再同天线的距离姿态观测方程联合平差，得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标。具体方法流程可参见上述方法实施例。
为更好的说明本发明实施例提供的GNSS高精度快速定位方法，以下通过一个具体实例进行进一步说明。
为了验证本算法的有效性，需要进行精度测试。为尽可能保证测试时三个天线位置完全相同，在高铁标准铁轨上进行了测试。每个停止点尽可能对齐，计算出三个天线的定位坐标，对每一次测得的坐标进行精度分析即可得到内符合定位精度；同时根据测量装置几何参数计算轨道中线的测量坐标，同高铁设计资料进行比对，计算出横向偏差(平面，垂直于轨道中线方向)和垂向偏差(高程方向)来衡量外符合定位精度。
2018年7月6日在新建济青高铁青州段JQGTSG-05区段(里程DK117+880～DK118+823)进行了测试，该段铁路已完成了轨道精调。在该区段上选取了6个点，测量装置在每个点停5min，重复测试3次。测试结束后，计算测量装置三个天线在6个停止点3次重复测试的坐标，并计算标准差，结果如表1所示。可以看出，所有测试点三个天线的平面两个方向定位精度都在2.6mm以内，高程定位精度在4.2mm以内。
同时根据测量装置三个天线的坐标、姿态角和几何参数计算轨道中线的坐标，与济青高铁设计资料进行比对，得到测量装置测得的横向偏差和垂向偏差，计算结果如表2所示。可以看出，测试点的平面定位精度(垂直于轨道中线方向)为2.8mm，高程定位精度为2.4mm。
测试结果表明，采用本方法可以实现短时间观测条件下的毫米级高精度快速定位。
表1停止点三个天线的定位精度(标准差，mm)
Figure BDA0002221800980000141
Figure BDA0002221800980000151
表2停止点的轨道中线精度(RMS，mm)
点号 横向偏差 垂向偏差
1 2.8 2.3
2 1.9 2.1
3 1.8 2.4
4 2.2 1.7
5 0.6 2.2
6 0.5 1.3
图4为本发明实施例提供的GNSS高精度快速测量装置结构图，如图4所示，该GNSS高精度快速测量装置包括：第一处理模块401、第一处理模块402、第三处理模块403和坐标确定模块404。其中，第一处理模块401用于根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；第二处理模块402用于根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标；第三处理模块403用于根据已固定的基准站间的双差模糊度，提取基准站观测值的残差分量，并结合残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；坐标确定模块404用于利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标；其中，天线至少为三个，和待测点的相对位置已知，并设置在待测点预设位置处，基准站至少为三个，分布在待测点周围。
第一处理模块401根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度。载波相位双差观测方程反映的是基准站网中任意两个基准站的双差观测方程，所固定的双差模糊度，也是基准站网中对应的任意两个基准站的双差模糊度。
测量装置的三个天线和基准站进行组网后，天线同时接收基准站的定位数据和基准站的定位数据。第二处理模块402组建基准站到三个天线，以及三个天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，从而固定基准站与天线间，以及天线之间的双差模糊度。在固定基准站与天线间，以及天线之间的双差模糊度的基础上，第二处理模块402能够得到三个天线的近似坐标。
基准站的双差载波相位观测值、双差卫地距为已确定，第三处理模块403结合已固定的基准站间的双差模糊度，可得到基准站观测值的残差分量。第三处理模块403利用基准站观测值的残差分量建立测站间空间相关模型，测站空间相关模型反映的是任意两个测站间的双差残差相关性。第三处理模块403根据天线的近似坐标和测站空间相关模型，能够得出天线与基准站的误差分量，即天线与基准站的双差改正数。
坐标确定模块404通过该双差改正数对第二处理模块402得到的基准站与天线间的载波相位双差观测方程进行修正，利用天线近似坐标对GNSS观测方程线性化，得到坐标改正数，进而得到天线的坐标，再结合天线的距离姿态观测方程联合平差，最后得到每一天线的精确坐标。GNSS观测方程包括修正后的基准站与天线间的载波相位双差观测方程，以及天线之间的载波相位双差观测方程。每一天线和待测点的位置关系为已知，则可得到待测点的精确坐标。
本发明实施例提供的装置实施例是为了实现上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述方法实施例，此处不再赘述。
本发明实施例提供的GNSS高精度快速测量装置，根据残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数，有效地降低了测量装置天线的观测误差，利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，短时间连续观测即可达到毫米级的定位精度。
图5为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503和总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过总线504完成相互间的通信。通信接口502可以用于电子设备的信息传输。处理器501可以调用存储器503中的逻辑指令，以执行包括如下的方法：根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标；根据已固定的基准站间的双差模糊度，确定基准站观测值的残差分量，并结合残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标；其中，天线至少为三个，和待测点的相对位置已知，并设置在待测点预设位置处，基准站至少为三个，分布在待测点周围。
此外，上述的存储器503中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明上述各方法实施例的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标；根据已固定的基准站间的双差模糊度，确定基准站观测值的残差分量，并结合残差分量建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；利用双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标；其中，天线至少为三个，和待测点的相对位置已知，并设置在待测点预设位置处，基准站至少为三个，分布在待测点周围。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种GNSS高精度快速定位方法，其特征在于，包括：
根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；
根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标；
根据已固定的基准站间的双差模糊度，确定基准站观测值的残差分量，并结合所述残差分量，建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；
利用所述双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标；
所述利用所述双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，包括：
将所述双差改正数代入基准站与天线间的载波相位双差观测方程，得到改正后的双差观测方程；
根据每一天线的近似坐标，结合天线之间的载波相位双差观测方程，得到包括天线坐标改正值的GNSS观测方程；
根据所述GNSS观测方程，结合天线的距离姿态观测方程进行平差，得到每一天线的精确坐标；
其中，所述天线至少为三个，和所述待测点的相对位置已知，并设置在待测点预设位置处，所述基准站至少为三个，分布在待测点周围。
2.根据权利要求1所述的GNSS高精度快速定位方法，其特征在于，所述根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度，包括：
根据基准站分布，选取满足预设条件的至少三个基准站，对选取后的基准站组建Delaunay三角网，得到基准站基线；
提取每条基准站基线的共视卫星的观测数据，组建基准站间载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；
所述预设条件包括10km以内的基准站。
3.根据权利要求1所述的GNSS高精度快速定位方法，其特征在于，所述结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标，包括：
根据每一天线间的距离，测量装置测得的平面两个方向的倾角，以及初始天线向量之间的关系，确定天线的距离姿态观测方程；
利用天线间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程辅助，进行基准站与天线间的载波相位双差观测方程中双差模糊度的固定，获得每一天线的近似坐标。
4.根据权利要求1所述的GNSS高精度快速定位方法，其特征在于，所述结合所述残差分量，建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数，包括：
根据基准站观测值的残差分量与基准站坐标的空间关系，建立空间相关模型，并获得模型系数；
根据所述模型系数，结合所述天线的近似坐标，得到测量装置的天线与基准站的双差改正数。
5.根据权利要求1所述的GNSS高精度快速定位方法，其特征在于，所述根据所述GNSS观测方程，结合天线的距离姿态观测方程进行平差，得到每一天线的精确坐标，包括：
在预设的观测时间内，对所述GNSS观测方程进行多历元序贯平差，得到GNSS观测空间下的天线坐标，并更新GNSS观测方程中的权矩阵；
根据卫星坐标系到站心坐标系的平移和旋转矩阵，以及GNSS观测空间下的天线坐标和更新后的权矩阵，建立站心坐标系下的虚拟观测方程；
根据所述虚拟观测方程，结合所述天线的距离姿态观测方程，进行联合平差，得到每一天线的精确坐标。
6.根据权利要求3所述的GNSS高精度快速定位方法，其特征在于，所述天线为三个，所述根据每一天线间的距离，测量装置测得的平面两个方向的倾角，以及初始天线向量之间的关系，确定天线的距离姿态观测方程，包括：
根据每一天线间的距离，以及测量装置的初始姿态，确定三个天线的初始天线向量；
同时根据预设的倾角传感器，获得测量装置在平面两个方向的倾角；
再根据获取的倾角，得到从所述三个天线的初始天线向量映射到天线坐标的旋转矩阵，结合所述初始天线向量，确定天线的距离姿态观测方程。
7.一种GNSS高精度快速测量装置，其特征在于，包括：
第一处理模块，用于根据基准站间的载波相位双差观测方程，固定基准站间的双差模糊度；
第二处理模块，用于根据基准站与天线间，以及天线之间的载波相位双差观测方程，结合天线的距离姿态观测方程，确定每一天线的近似坐标；
第三处理模块，用于根据已固定的基准站间的双差模糊度，确定基准站观测值的残差分量，并结合所述残差分量，建立测站间的空间相关模型，确定天线与基准站的双差改正数；
坐标确定模块，用于利用所述双差改正数解算所述基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，进而得到待测点的精确坐标；
所述利用所述双差改正数解算基准站与天线间的载波相位双差观测方程，结合天线之间的载波相位双差观测方程和天线的距离姿态观测方程，平差后得到每一天线的精确坐标，包括：
将所述双差改正数代入基准站与天线间的载波相位双差观测方程，得到改正后的双差观测方程；
根据每一天线的近似坐标，结合天线之间的载波相位双差观测方程，得到包括天线坐标改正值的GNSS观测方程；
根据所述GNSS观测方程，结合天线的距离姿态观测方程进行平差，得到每一天线的精确坐标；
其中，所述天线至少为三个，和所述待测点的相对位置已知，并设置在待测点预设位置处，所述基准站至少为三个，分布在待测点周围。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述GNSS高精度快速定位方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述GNSS高精度快速定位方法的步骤。
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