CN110764123A - 一种基于glonass广播星历的伪距定位改进方法 - Google Patents

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CN110764123A CN201911152137.8A CN201911152137A CN110764123A CN 110764123 A CN110764123 A CN 110764123A CN 201911152137 A CN201911152137 A CN 201911152137A CN 110764123 A CN110764123 A CN 110764123A
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Abstract

本发明涉及一种基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法，包括：步骤S1，分析接收机端频间码偏差特性与建模；步骤S2，标定接收机端频间码偏差；步骤S3，确定改进后的定位模型；步骤S4，接收数据，进行伪距动态定位。本发明对接收机端频间码偏差进行了修正，同时在定位方程中引入卫星频间码偏差，大大提高了GLONASS广播星历的伪距定位精度。

Description

一种基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法
技术领域
本发明涉及卫星定位领域中的伪距单点定位技术，更具体地涉及一种基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法。
背景技术
全球导航卫星定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)为用户提供的服务包括定位、导航和授时。三种服务都是在固定的坐标系和时间基准下利用卫星天线相位中心至接收机天线相位中心之间的几何距离形成足以解算用户位置的几何构型，从而利用一定的数学模型和各项误差的改正模型为用户提供位置和时间服务。在卫星导航定位时距离的精确测量依赖于时间延迟的精确测定。信号在卫星钟脉冲驱动下开始生成测距信号，至接收机钟生成伪随机码并成功捕获信号所花费的所有时间乘以光速是测量所得的卫星至接收机间的伪距。该伪距中包含的误差有卫星和接收机钟差，通道时延，对流层和电离层延迟，多路径效应等。
其中，卫星的通道时延(也称硬件延迟)是指在卫星钟脉冲驱动下开始生成测距信号至该信号生成并最终离开卫星发射天线相位中心之间所花费的时间；接收机的通道时延是指信号到达接收机天线相位中心至接收机钟生成伪随机码并成功捕获信号所花费的时间。由于不同频点信号所途经的通道并不完全相同，所产生的通道延迟也各不相同。卫星端不同频点通道时延的差异被称为群时延(TGD,Timing Group Delay)，接收机端不同频点通道时延的差异被称为差分码偏差(DCB,Differential Code Bias)。对于采用码分多址(CDMA,Code Division Multiple Access)技术的GNSS系统(GPS、BDS、Galileo等)而言，由于卫星播发测量信号的频率相同，所有卫星仅存在几个固定频点间通道时延的差异，并通过广播星历进行播发。而GLONASS系统采用频分多址(FDMA,Frequency DivisionMultipleAccess)的方式传输信号，其频率在卫星间存在差异，从而其通道时延还包含了与频率相关的频间偏差(IFB，Inter-Frequency Bias)，GLONASS系统通道时延之差没有通过卫星播发。
传统利用导航系统广播星历进行伪距单点定位时，接收机通道时延公共部分通常作为钟差的一部分被接收机钟差吸收，而不同频点通道时延的差异则需要外部参数进行改正。其中，广播星历卫星钟差的基准，除了北斗系统(BDS)是基于单个频点(B3频点)之外，其他系统的广播星历和精密星历钟差均是基于无电离层延迟组合基准，其中GPS、GLONASS为L1/L2组合，Galileo为E1/E5a或E1/E5b。因此，无电离层组合基准下，单频用户使用钟差产品时需做TGD/DCB改正。
基于广播星历的实时单点定位中，卫星端不同频点的通道时延参数通常由卫星播发。对于GLONASS系统，其频间码偏差可高达数米，但是GLONASS广播星历中没有设计卫星的TGD以及频间偏差IFB参数。在此情况下，基于GLONASS广播星历传统伪距定位模型存在以下问题：(1)GLONASS广播星历空间信号精度较低；(2)接收机端频间码偏差不能被接收机钟差所吸收，对定位的影响体现在伪距残差中；(3)不同的接收机类型或天线类型对应不相等的硬件延迟，为频间码偏差的确定带来困难。
基于GLONASS广播星历，传统伪距定位数学模型如下式：
式中，
Figure DA00022838426956903
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值；
Figure DA00022838426956942
为卫星i至测站j的几何距离，
Figure BDA0002283842690000022
xi，yi，zi为广播星历
计算得到的卫星坐标，xj,yj,zj为待求的测站坐标；Δtj为待求的接收机钟差，DCBj i为接收机端对每颗卫星的硬件延迟；Δti为由广播星历计算得到的卫星钟差，TGDj i为每颗卫星本身的硬件延迟；c为光速，
Figure BDA0002283842690000024
为对流层延迟，通常采用模型进行改正。
以上伪距定位模型中，广播星历中的卫星钟差不包含卫星端硬件延迟TGDj i。因而定位过程中，该部分会被接收机端硬件延迟DCBj i吸收，从而定位数学模型为：
其中，ICBj i为两者混后之后不同卫星的硬件延迟，包含公共部分ICB0和频间偏差部分IFBj i(包含测站接收机和卫星两部分)，即：ICBj i＝ICB0+IFBj i；其中公共部分ICB0会被接收机钟差Δtj吸收，即：
Figure BDA0002283842690000031
从而，实际定位数学模型为：
而常规伪距定位中，待求的参数为测站坐标、测站钟差
Figure BDA0002283842690000033
忽略了IFBj i部分的影响，从而造成定位误差大大增加。
基于以上GLONASS广播星历传统伪距定位模型，获得的2018年1月10日动态定位单天时序图如图1所示。图中所选测站KOKV配置的接收机为JAVADTRE_G3TH DELTA3.6.4，天线为ASH701945G_MNONE。图中上子图是东西和南北向定位精度，下子图为高程方向定位结果时间序列，可以看到：东西向和南北向的定位精度在±10m范围内；高程方向的定位精度在±25m范围内，较水平方向的定位精度离散度更大；总体定位误差高达30m。
发明内容
为解决现有技术中GLONASS广播星历传统伪距定位精度差的问题，本发明提供一种基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法。
本发明提供的一种基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法，包括：
步骤S1，基于历史数据分析接收机端频间码偏差特性并建立函数模型；
步骤S2，确定接收机端邻频频间码偏差Δb，标定所述接收机端频间码偏差IFB_Rj i；
步骤S3，将步骤S2中标定的接收机端频间码偏差IFB_Rj i函数模型引入传统伪距定位模型，同时在该定位模型中引入卫星频间码偏差参数，确定最终的GLONASS广播星历定位模型；
步骤S4，测站实时接收观测数据以及广播星历，获取卫星实时预报轨道和卫星钟差，并基于步骤S3中的GLONASS广播星历定位模型进行伪距动态定位。
所述步骤S1包括：
步骤S11，采用历史观测数据进行伪距定位解算，得出测站坐标以及测站钟差；
步骤S12，利用步骤S11中的定位解算结果，计算测站上每颗卫星观测的定位残差
步骤S13，根据步骤S12中的定位残差特性，建立接收机端频间码偏差IFB_Rj i的函数模型。
所述步骤S11中定位解算方程为：
Figure BDA0002283842690000041
其中，
Figure BDA0002283842690000042
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；
Figure BDA0002283842690000043
为卫星i至测站j的几何距离，单位为m；
Figure BDA0002283842690000044
Δtj为接收机钟差，DCB0为接收机端硬件延迟的公共部分；IFB_Rj i为接收机端频间码偏差；
Figure BDA0002283842690000045
为基于精密钟差产品计算得到的卫星钟差，包含了卫星端本身的硬件延迟TGDj i，单位为m；c为光速；
Figure BDA0002283842690000046
为对流层延迟，单位为m。
所述步骤S12中定位残差
Figure BDA0002283842690000047
按照公式(5)计算：
Figure BDA0002283842690000048
其中，
Figure BDA0002283842690000049
为利用定位解算得到的测站坐标而计算的与卫星i之间的几何距离，单位为m；
Figure BDA00022838426900000410
为定位解算得到的测站钟差；
Figure BDA00022838426900000411
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；c为光速；
Figure BDA00022838426900000412
为对流层延迟，单位为m。
所述步骤S13中接收机端频间码偏差IFBj i的函数模型为：
IFB_Rj i＝k*Δb (6)
其中，k为卫星频率号，Δb为邻频频间码偏差。
所述步骤S2中的接收机端邻频频间码偏差Δb按照公式(7)进行解算：
Figure BDA00022838426900000413
其中，
Figure BDA00022838426900000414
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；
Figure BDA00022838426900000415
为卫星i至测站j的几何距离，单位为m；
Figure BDA00022838426900000416
Δtj为接收机钟差，DCB0为接收机端硬件延迟的公共部分；k为卫星频率号；
Figure BDA00022838426900000417
Δti+TGDj i为精密钟差产品计算得到的卫星钟差；c为光速；
Figure BDA00022838426900000418
为对流层延迟，单位为m。
所述步骤S3中最终的GLONASS广播星历定位模型为：
其中，
Figure BDA0002283842690000052
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；
Figure BDA0002283842690000053
为卫星i至测站j的几何距离，单位为m；
Figure BDA0002283842690000054
Δtj为接收机钟差，DCB0为接收机端硬件延迟的公共部分；k为卫星频率号；c为光速；
Figure BDA0002283842690000055
为对流层延迟，单位为m；Δti为卫星钟差；为卫星端频间码偏差。
本发明基于历史数据分析定位残差特性，并基于定位残差特性建立接收机端频间码偏差函数模型，对接收机端频间码偏差进行修正。同时在定位方程中引入卫星频间码偏差，大大提高了GLONASS广播星历的伪距定位精度。
附图说明
图1是基于GLONASS广播星历的传统伪距动态定位时序图。
图2是按照本发明的基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法的流程图。
图3是按照本发明实施例的基于精密星历的伪距残差时序图。
图4是按照本发明实施例的四个测站伪距残差均值与频率号的对应关系图。
图5是按照本发明实施例的基于接收机频间偏差模型伪距残差时序图。
图6(a)-(d)是基于GLONASS广播星历不同定位模型的结果比较图。
图7是定位模型验证选站分布图。
图8是全球分布的测站基于GLONASS广播星历不同定位模型的结果比较图。
具体实施方式
下面根据附图，给出本发明较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能和特点。
本发明提供一种基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法，如图2所示，包括：
步骤S1，基于历史数据分析接收机端频间码偏差特性并建立模型，包括：
步骤S11，以国际GNSS服务(IGS)提供的历史精密星历和钟差为基准，采用历史观测数据按照公式(4)进行伪距定位解算，得出测站坐标以及测站钟差：
Figure BDA0002283842690000061
其中，
Figure BDA0002283842690000062
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；
Figure BDA0002283842690000063
为卫星i至测站j的几何距离(基于精密卫星轨道以及测站概略坐标进行计算)，单位为m；
Figure BDA0002283842690000064
Δtj为接收机钟差，DCB0为接收机端硬件延迟的公共部分；
IFB_Rj i为接收机端硬件延迟的频间码偏差部分，在该步骤进行定位解算时忽略IFB_Rj i的影响，而使其反映在定位残差中；
Figure BDA0002283842690000065
为精密钟差产品计算得到的卫星钟差，包含了卫星端本身的硬件延迟TGDj i，单位为m；
c为光速；
Figure BDA0002283842690000066
为对流层延迟，单位为m，通常采用模型进行改正。
步骤S12，利用步骤S11中的定位结果，按照公式(5)计算测站上每颗卫星观测的定位残差
Figure BDA0002283842690000067
Figure BDA0002283842690000068
其中，为利用定位解算得到的测站坐标而计算的与卫星i之间的几何距离，
Figure BDA00022838426900000610
为定位解算得到的测站钟差。
步骤S13，根据定位残差特性，建立接收机端频间码偏差IFB_Rj i与卫星频率号的函数模型。具体为：首先确定定位残差与频率号之间的函数关系，然后将定位残差替换为接收机端频间码偏差IFB_Rj i。
例如，通过分析定位残差特性，得出定位残差与卫星频率号之间的函数关系为线性函数，则使
Figure BDA0002283842690000071
其中，k为卫星频率号，Δb为邻频频间码偏差，即GLONASS卫星频率编号相差为1时频间码偏差的值。则得出接收机端频间码偏差与卫星频率号的函数关系为：
IFB_Rj i＝k*Δb (6)
当然，通过分析定位残差特性得出的函数关系也可能是其他函数，例如二次函数、反函数等。
步骤S2，确定接收机端邻频频间码偏差Δb，标定接收机端频间码偏差函数模型。
邻频频间码偏差Δb可以在步骤S13中通过残差拟合得出，但基于该方法得出的参数值精度有限。因此为提高参数建模精度，将接收机端频间码偏差函数模型代入公式(4)，通过定位解算得出Δb值。例如，将公式(6)代入公式(4)，得到新的定位解算方程：
Figure BDA0002283842690000072
通过公式(7)可解算出当接收机端频间码偏差与卫星频率号为线性函数关系时，接收机端邻频频间码偏差Δb的值，从而可以标定接收机端频间码偏差的函数模型。
步骤S3，将步骤S2中标定的接收机端频间码偏差函数模型引入传统伪距定位模型，进行接收机频间码偏差的修正。同时在该定位模型中引入卫星频间码偏差参数，得到最终改进的GLONASS广播星历定位模型。
传统伪距定位模型如公式(1)所示，其中接收机端以及卫星端的硬件延迟DCBj i，TGDj i都包含了公共部分和频间偏差部分，即：DCBj i＝DCB0+IFB_Rj i，TGDj i＝TGD0+IFB_Sj i；其中公共部分DCB0,TGD0会被测站钟差Δtj吸收，即
Figure BDA0002283842690000073
则将公式(1)改写为：
Figure BDA0002283842690000074
然后，将步骤S2中标定的接收机频间码偏差函数模型代入公式(8)，例如将公式(6)代入公式(8)，则最终改进的GLONASS广播星历定位模型为：
Figure BDA0002283842690000075
通过公式(10)可以解算出测站坐标、测站钟差以及卫星端频间码偏差参数其中，卫星端频间码偏差的函数形式可以为分段常数等形式，可以采用最小二乘法、滤波法等方式将其与测站坐标和测站钟差同时进行估计。
步骤S4，测站实时接收观测数据以及广播星历，获取卫星实时预报轨道和卫星钟差，并基于步骤S3中GLONASS广播星历定位模型进行伪距动态定位。
与公式(1)的传统伪距定位数学模型相比，本发明的伪距定位方法修正了接收机端频间码偏差，并估计了广播星历播发的卫星钟差存在的频间码偏差，提高了定位精度。
下面对本发明的一种基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法的具体实施例作进一步描述。
以IGS测站AREG、RDSD、KOKV、WIND的数据为例，利用GLONASS广播星历进行数据处理，验证本发明提出定位新模型的实际应用效果。测站接收机和天线配置如表1所示。
表1测站接收机以及天线情况
Figure BDA0002283842690000083
首先基于步骤S1，利用历史数据(2018年1月1日至7日连续7天的精密轨道、钟差以及观测数据)，得到接收机端频间码偏差特性，如图3所示。图3中各颗卫星的伪距残差显示出非零均值特性。以R01、R02、R03三颗卫星为例，AREG、RDSD两个站对这三颗卫星的伪距残差均值分别为-0.20m、-1.1m、1.6m；-0.75m，-0.61m，1.68m。图4是所有四个测站伪距残差均值与所有卫星频率号的对应关系，其中各颗卫星的频率如表2所示。从图中可以看出，各颗卫星的伪距残差均值与对应的频率号存在极强的线性相关性，也即接收机端频间码偏差与频率号之间存在极强的线性相关性。
表2卫星PRN编号与频率号对应关系(每个频率号对应两颗卫星)
Figure BDA0002283842690000091
在此基础上，基于步骤S2，利用线性模型对接收机端频间码偏差进行标定。求得以上4个测站邻频频间码偏差Δb的7天的平均值分别为：0.233m，0.216m，0.148m，-0.174m，标准差分别为1.8cm、1.1cm、1.2cm、1.2cm。各天的Δb值相近，表明接收机的频间偏差表现出长期稳定的特性，从而可以对历史标定的结果进行预报，供后期定位使用。
此时，伪距残差中存在的系统差大大降低。作为示例，图5表示了AREG、RDSD站三颗卫星R01、R02、R03的伪距残差时间序列。与图3相比，3颗卫星的伪距残差非零均值特性得到了大幅的消除，尤其是R02、R03，AREG站伪距残差均值由-1.1m、1.6m减小到0.1m、0.6m，RDSD站伪距残差均值由-0.6m、1.7m减小到0.2m、0.8m。
在此基础上，基于步骤S3-S4，利用基于历史数据估计的Δb修正接收机端频间偏差，并利用GLONASS广播星历定位模型对以上四个台站2018年1月10日的观测数据进行伪距动态定位。图6画出了传统模型与改进模型两种广播星历伪距定位模型的动态定位时间序列。图中改进模型获得的定位精度明显优于传统模型，动态定位误差相对集中，且存在的偏离值较小。
进一步地，为验证GLONASS广播星历定位改进模型的可靠性，选取分布全球的25个测站进行定位验证，测站分布如图7所示。涉及的接收机主要是TRIMBLE NETR9和JAVADTRE_G3TH DELTA两种类型，采用动态定位模式进行伪距定位处理。
分别采用传统模型以及改进模型进行数据分析。改进模型在传统模型的基础上修正了测站的频间偏差，并估计每颗卫星的频间差。将25个测站2018年1月10日在南北N、东西E、高程U三个方向上动态定位结果的RMS值如图8所示，N、E、U三个方向上的平均定位精度由3.89m、3.87m、11.02m提高至1.89m、2.23m、5.77m，平均提高的百分比分别为51.1％、41.7％、48.3％。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种基于GLONASS广播星历的伪距定位改进方法，其特征在于，包括：
步骤S1，基于历史数据分析接收机端频间码偏差特性并建立函数模型；
步骤S2，确定接收机端邻频频间码偏差Δb，标定所述接收机端频间码偏差IFB_Rj i；
步骤S3，将步骤S2中标定的接收机端频间码偏差IFB_Rj i函数模型引入传统伪距定位模型，同时在该定位模型中引入卫星频间码偏差参数，确定最终的GLONASS广播星历定位模型；
步骤S4，测站实时接收观测数据以及广播星历，获取卫星实时预报轨道和卫星钟差，并基于步骤S3中的GLONASS广播星历定位模型进行伪距动态定位。
2.根据权利要求1所述的伪距定位改进方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11，采用历史观测数据进行伪距定位解算，得出测站坐标以及测站钟差；
步骤S12，利用步骤S11中的定位解算结果，计算测站上每颗卫星观测的定位残差
Figure FDA0002283842680000011
步骤S13，根据步骤S12中的定位残差特性，建立接收机端频间码偏差IFB_Rj i的函数模型。
3.根据权利要求2所述的伪距定位改进方法，其特征在于，所述步骤S11中定位解算方程为：
Figure FDA0002283842680000012
其中，为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；
Figure FDA0002283842680000014
为卫星i至测站j的几何距离，单位为m；
Figure FDA0002283842680000015
Δtj为接收机钟差，DCB0为接收机端硬件延迟的公共部分；IFB_Rj i为接收机端频间码偏差；
Figure FDA0002283842680000016
为基于精密钟差产品计算得到的卫星钟差，包含了卫星端本身的硬件延迟TGDj i，单位为m；c为光速；
Figure FDA0002283842680000017
为对流层延迟，单位为m。
4.根据权利要求2所述的伪距定位改进方法，其特征在于，所述步骤S12中定位残差
Figure FDA0002283842680000021
按照公式(5)计算：
其中，
Figure FDA0002283842680000023
为利用定位解算得到的测站坐标而计算的与卫星i之间的几何距离，单位为m；为定位解算得到的测站钟差；
Figure FDA0002283842680000025
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；c为光速；
Figure FDA0002283842680000026
为对流层延迟，单位为m。
5.根据权利要求2所述的伪距定位改进方法，其特征在于，所述步骤S13中接收机端频间码偏差IFBj i的函数模型为：
IFB_Rj i＝k*Δb (6)
其中，k为卫星频率号，Δb为邻频频间码偏差。
6.根据权利要求1所述的伪距定位改进方法，其特征在于，所述步骤S2中的接收机端邻频频间码偏差Δb按照公式(7)进行解算：
Figure FDA0002283842680000027
其中，
Figure FDA0002283842680000028
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；
Figure FDA0002283842680000029
为卫星i至测站j的几何距离，单位为m；
Figure FDA00022838426800000210
Δtj为接收机钟差，DCB0为接收机端硬件延迟的公共部分；k为卫星频率号；
Figure FDA00022838426800000211
Figure FDA00022838426800000212
为精密钟差产品计算得到的卫星钟差；c为光速；
Figure FDA00022838426800000213
为对流层延迟，单位为m。
7.根据权利要求1所述的伪距定位改进方法，其特征在于，所述步骤S3中最终的GLONASS广播星历定位模型为：
Figure FDA00022838426800000214
其中，
Figure FDA00022838426800000215
为卫星i至测站j的无电离层组合观测值，单位为m；
Figure FDA00022838426800000216
为卫星i至测站j的几何距离，单位为m；
Figure FDA00022838426800000217
Δtj为接收机钟差，DCB0为接收机端硬件延迟的公共部分；k为卫星频率号；c为光速；
Figure FDA00022838426800000218
为对流层延迟，单位为m；Δti为卫星钟差；
Figure FDA00022838426800000219
为卫星端频间码偏差。
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