CN110907973A - 网络rtk基线双差模糊度检验方法、装置及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，包括以下步骤：固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查，利用ratio值检验通过和闭合环检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；对所述残差进行多历元滤波平滑；计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则认为卫星双差模糊度固定错误，予以剔除；否则，认为卫星双差模糊度固定正确，予以保留。本发明提高虚拟参考站的虚拟观测数据的精度，从而可以提高网络RTK的精度和稳定性。

Description

网络RTK基线双差模糊度检验方法、装置及定位方法
技术领域
本发明涉及网络RTK定位技术领域，具体涉及一种网络RTK基线双差模糊度检 验方法、装置及定位方法。
背景技术
1、网络RTK定位技术
虚拟参考站(Virtual Reference Station，VRS)模式是网络RTK(Real-timekinematic，实 时动态)定位最常用的定位模式。在某一区域内建立多个(3个或者3个以上)的GNSS卫星连 续跟踪基准站(参考站)，对该地区构成网状覆盖，为该区域内的定位用户提供实时的高精 度误差改正信息，提高用户的定位精度，这种技术称为网络RTK技术。利用这些坐标已知的 参考站在用户附近生成一个虚拟观测值(虚拟参考站VRS)，通过这些坐标已知的参考站可 以解算出参考站之间的双差模糊度，进而求解出双差大气误差，然后利用某种内插方法内插 出虚拟参考站的大气误差(虚拟参考站的位置坐标由用户单点定位的概略坐标得到)，从而 对虚拟参考站的虚拟观测值进行修正，这样可以得到比较精确的虚拟观测值。最后用户可以 采用常规RTK技术与他附近的这个虚拟参考站进行差分定位。由于虚拟参考站与用户距离非 常近，所以这个距离(一般小于10米，由单点定位精度决定)不影响常规RTK定位技术的性 能。所以网络RTK服务的好坏的关键因素之一是虚拟参考站的虚拟观测值的精度，而虚拟观 测值的精度取决于误差改正的精度。基线双差模糊度难免有固定错误的情况，基线双差模糊 度固定错误后，计算得到的基线双差大气就是粗差。利用错误的基线双差大气进行大气建 模，严重影响虚拟参考站的虚拟观测值的精度。剔除错误的基线双差模糊度可以提高大气建 模的精度，从而可以提高网络RTK定位的精度和稳定性。
2、基线双差模糊度解算方法
基线双差模糊度解算方法一般采用三步法，首先采用MW组合或者相位线性组合解算宽 巷模糊度浮点解并固定成整数，然后解算无电离层组合模糊度的浮点解，最后分离单频模糊 度并固定成整数。
第一步，双差宽巷模糊度固定：现有的基线宽巷模糊度解算方法一般有相位线性组合法 和MW组合法。相位线性组合公式为：
Figure BDA0001800986280000011
式中，
Figure BDA0001800986280000021
是站间星间双差算子，φ1，φ2分别表示两个频率以周为单位的相位观测值，ρ 为卫星与参考站间的几何距离，I1，I2分别表示卫星信号传播路径上两个频率的电离层延迟 值，T为对流层延迟值，ε1，ε2分别表示两个频率上的未模型化误差和噪声误差，λ1，λ2分 别表示两个频率的波长，N1，N2分别表示两个频率的模糊度。
Figure BDA0001800986280000022
即是双差宽巷模 糊度值，宽巷波长较长，大约为0.86米，对于基线不长，比如70千米以内，通过观测值组 双差，残余误差项大部分都小于半个波长0.43米，通过若干历元平滑取整后很容易求得宽巷 模糊度。
第二步，无电离层组合模糊度浮点解计算，无电离层组合模糊度计算公式如下：
Figure BDA0001800986280000023
式中，
Figure BDA0001800986280000024
表示以周为单位的无电离层组合观测值，
Figure BDA0001800986280000025
为窄巷波长，C为真空 中的光速，其他符号与公式(1)相同。利用伪距同时估计双差对流层
Figure BDA0001800986280000026
和双差无电离层 组合的模糊度
Figure BDA0001800986280000027
第三步，分离两个频率的模糊度并固定成整数，分离模糊度公式如下：
Figure BDA0001800986280000028
由第一步和第二步得到宽巷模糊度
Figure BDA0001800986280000029
和无电离层组合模糊度
Figure BDA00018009862800000210
后，即可计 算出双差窄巷模糊度
Figure BDA00018009862800000211
的浮点解，然后采用最小二乘模糊度降相关平差法(LAMBDA) 搜索正确的整数解。通过固定的双差宽巷模糊度
Figure BDA00018009862800000212
和窄巷模糊度
Figure BDA00018009862800000213
可以计算 出第二个频率模糊度整数解
Figure BDA00018009862800000214
最后通过公式(4)提取基线的双差电离层和双差对流层，利用某种内插方法进行大气建 模得到虚拟参考站与主参考站间双差大气，从而对虚拟参考站的虚拟观测值进行修正，这样 可以得到精确的虚拟观测值。
Figure BDA00018009862800000215
3、基线双差模糊度检验方法
目前对基线双差模糊度检验的方法主要有最小二乘模糊度降相关平差法(LAMBDA)中 的ratio值检验和闭合环检查方法。采用LAMBDA搜索法，当观测方程存在系统偏差时，搜 索得到的最优模糊度结果中仍然存在一定概率的错误模糊度，且由于闭合环检核本身的检核 缺陷，对于同时存在错误模糊度的两条基线仍然可以通过闭合环检查，使得错误模糊度通过 检核。遗留下来的错误模糊度严重影响后续的大气建模精度。
现有的基线双差模糊度检验方法主要有最小二乘模糊度降相关平差法(LAMBDA)中的 ratio值检验，以及闭合环检查。
1、最小二乘模糊度降相关平差法(LAMBDA)中的ratio值检验法。验证最优整数解的 方差是否明显小于次优整数解的方差。在整数最小二乘解算时，当最优解较次优解有明显差 异时，可以认为最优解较其他整数解都有明显差异，因此可以以此来验证最优解的正确性。 假定最优解的方差为
Figure BDA0001800986280000031
次优解的方差为
Figure BDA0001800986280000032
则ratio值为
Figure BDA0001800986280000033
目前常用方法认 为ratio值大于3时，最优解正确。但是此方法中，即使ratio值大于3也难以保证最优解里的所 有整数都正确，而且并不能实现所有ratio值都大于3。
2、闭合环检查算法的原理是：当多条基线能够构成闭合环路时，它们的双差模糊度之 和必定会为零；如果双差模糊度之和不为零，那么其中至少有一条基线的模糊度是错误的。 此方法的缺点是即使双差模糊度之和为零，但也不能保证所有模糊度是正确的。因为如果这 颗卫星的某条基线模糊度错误地多固定了一周，而另一条基线少了一周，它们的双差模糊度 之和还是为零。此外，如果这颗卫星的双差模糊度之和不为零，也无法判断具体是哪条基线 的模糊度错误。
发明内容
本发明提供了一种网络RTK基线双差模糊度检验方法、装置及RTK定位方法， 解决了网络RTK(NRTK)基线双差模糊度固定错误而未被检测出来的问题，本发明 可以剔除大部分错误固定的双差模糊度，提高虚拟参考站的虚拟观测数据的精度，从 而可以提高网络RTK的精度和稳定性。
本发明采用的技术方案具体如下：
一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，所述方法包括以下步骤：
固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查，利用ratio值检验通过和闭合环检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；
对所述残差进行多历元滤波平滑；
计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；
计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；
对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则认为卫星双差模糊度固定错误，予以剔除；否则， 认为卫星双差模糊度固定正确，予以保留。
进一步地，通过将检验通过和检查通过的双差模糊度带入以下公式计算每颗卫星无电离层组合的残差：
Figure BDA0001800986280000041
其中，ΔV是单位为周的残差；
Figure BDA0001800986280000042
是站间星间双差算子；
Figure BDA0001800986280000043
表示以周为单位的无电离层组合观测值；
Figure BDA0001800986280000044
为窄巷波长，C为真空中的光速，f1和f2分别表示两 个频率；ρ为卫星与参考站间的几何距离；
Figure BDA0001800986280000045
为双差对流层；
Figure BDA0001800986280000046
和
Figure BDA0001800986280000047
为固定后 的双差模糊度。
进一步地，通过对残差多历元取平均实现残差多历元滤波平滑，如果双差模糊度大小发生变化，则重新开始对残差进行多历元滤波平滑。
进一步地，按照以下公式计算滤波平滑后的残差的单位权中误差：
Figure RE-GDA0001938167000000049
其中，σ为滤波平滑后的残差的单位权中误差；
Figure RE-GDA00019381670000000410
和P分别为残差向量和对应的权重，n为残差的数量。
进一步地，每颗卫星连续平滑一分钟后参与计算双差模糊度检验的阈值。
进一步地，所述阈值为单位权中误差的三倍，并且阈值保持不小于0.2周。
进一步地，通过以下公式对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差：
Figure BDA00018009862800000411
其中，|ΔV′i|为标准化残差。
本发明还提供了一种网络RTK定位方法，包括所述双差模糊度检验方法。
进一步地，所述双差模糊度通过坐标已知的参考站解算得出。
本发明还提供了一种网络RTK基线双差模糊度检验装置，所述装置包括：
残差计算单元，用于在固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查后，利用检验通过和检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；
滤波平滑单元，用于对所述残差进行多历元滤波平滑；
单位权中误差计算单元，用于计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；
阈值计算单元，用于计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；
残差选择单元，用于对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则认为卫星双差模糊度固定错 误，予以剔除；否则，认为卫星双差模糊度固定正确，予以保留。
本发明还提供了一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序执行如下步骤：
固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查，利用ratio值检验通过和闭合环检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；
对所述残差进行多历元滤波平滑；
计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；
计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；
对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则认为卫星双差模糊度固定错误，予以剔除；否则， 认为卫星双差模糊度固定正确，予以保留。
本发明在ratio值检验和闭合环检查方法的基础上，增加另外一种模糊度检验方法。即对无电离层组合的残差进行检测，通过异常的残差来剔除错误的双差模糊度。 本发明可以进一步剔除错误固定的模糊度，提高网络RTK的服务质量。
附图说明
图1为本发明基线双差模糊度检验方法流程图；
图2为本发明网络RTK基线双差模糊度检验装置结构图。
具体实施方式
本发明是基于ratio值检验和闭合环检查的基础上增加的另外一种模糊度检验方法。首先采用ratio值检验，然后采用闭合环检查方法，在这两种检验方法通过后再采 用本发明中的方法。采用ratio值检验和闭合环检查后还是会留下部分错误的模糊度， 通过错误的模糊度计算得到的双差大气既是粗差。本发明可以进一步剔除错误固定的 模糊度，减少错误的双差模糊度可以减少错误的双差大气，可以提高大气建模精度， 提高虚拟参考站的虚拟观测数据的精度，提高网络RTK的定位精度和稳定性。
下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
实施例一：
本发明提供了一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，流程如图1所示，具体实现步骤如 下：
步骤1，固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查，把检验通过的模糊度带 入公式(5)计算每颗移动卫星的无电离层组合残差；
Figure BDA0001800986280000061
ΔV是单位为周的残差，由于无电离层组合波长较短，以周为单位效果更优；
Figure BDA0001800986280000062
和
Figure BDA0001800986280000063
为固定后的双差模糊度；其他符号的意义与公式(2)一致。
步骤2，步骤1计算的残差保持以周为单位，后续的残差处理都是基于单位为周的残差。 对残差进行多历元滤波平滑，即多历元取平均，减小无电离层组合噪声的影响。但是需要注 意平滑弧段的大小，当双差模糊度大小发生变化时，需要重新开始平滑；
步骤3，每个历元按公式(6)计算平滑后残差的单位权中误差σ；
Figure RE-GDA0001938167000000065
Figure RE-GDA0001938167000000066
和P分别为残差向量和对应的权重，n为残差的数量。
步骤4，每颗卫星连续平滑一分钟后参与计算模糊度检验的阈值，阈值的取值为步骤3 计算得到的单位权中误差σ的三倍，并且阈值保持不小于0.2周；
步骤5，通过公式(7)把平滑后的残差进行标准化，标准化残差|ΔV′i|与步骤4计算得到 的阈值进行比较。如果绝对值大于阈值，则认为这颗卫星双差模糊度固定错误；否则，认为 模糊度固定正确。
Figure BDA0001800986280000067
本发明还提供了一种网络RTK定位方法，包括所述双差模糊度检验方法，所述双差模糊度通过坐标已知的参考站解算得出。
实施例二：
本发明还提供了一种网络RTK基线双差模糊度检验装置，如图2所示，所述装置 包括：
残差计算单元，用于在固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查后，利用检验通过和检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；
滤波平滑单元，用于对所述残差进行多历元滤波平滑；
单位权中误差计算单元，用于计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；
阈值计算单元，用于计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；
残差选择单元，用于对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则认为卫星双差模糊度固定错 误，予以剔除；否则，认为卫星双差模糊度固定正确，予以保留。
实施例三：
本发明还提供了一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序执行如下步骤：
固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查，利用ratio值检验通过和闭合环检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；
对所述残差进行多历元滤波平滑；
计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；
计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；
对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则认为卫星双差模糊度固定错误，予以剔除；否则， 认为卫星双差模糊度固定正确，予以保留。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对 本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于 本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查，利用ratio值检验通过和闭合环检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；
对所述残差进行多历元滤波平滑；
计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；
计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；
对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则判断卫星双差模糊度固定错误，予以剔除；否则，判断卫星双差模糊度固定正确，予以保留。
2.如权利要求1所述的一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，其特征在于，通过将检验通过和检查通过的双差模糊度带入以下公式计算每颗卫星无电离层组合的残差：
Figure FDA0001800986270000011
其中，ΔV是单位为周的残差；
Figure FDA0001800986270000012
是站间星间双差算子；
Figure FDA0001800986270000013
表示以周为单位的无电离层组合观测值；
Figure FDA0001800986270000014
为窄巷波长，C为真空中的光速，f1和f2分别表示两个频率；ρ为卫星与参考站间的几何距离；
Figure FDA0001800986270000015
为双差对流层；
Figure FDA0001800986270000016
和
Figure FDA0001800986270000017
为固定后的双差模糊度。
3.如权利要求2所述的一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，其特征在于，通过对残差多历元取平均实现残差多历元滤波平滑，如果双差模糊度大小发生变化，则重新开始对残差进行多历元滤波平滑。
4.如权利要求3所述的一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，其特征在于，按照以下公式计算滤波平滑后的残差的单位权中误差：
Figure RE-FDA0001938166990000018
其中，σ为滤波平滑后的残差的单位权中误差；ΔV和P分别为残差向量和对应的权重，n为残差的数量。
5.如权利要求4所述的一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，其特征在于，每颗卫星连续平滑一分钟后参与计算双差模糊度检验的阈值。
6.如权利要求5所述的一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，其特征在于，所述阈值为单位权中误差的三倍，并且阈值保持不小于0.2周。
7.如权利要求6所述的一种网络RTK基线双差模糊度检验方法，其特征在于，通过以下公式对滤波平滑后的残差进行标准化：
Figure FDA0001800986270000021
其中，|ΔV′i|为标准化残差。
8.一种网络RTK定位方法，其特征在于，包括如权利要求1-7任一权利要求所述双差模糊度检验方法。
9.如权利要求8所述的一种网络RTK定位方法，其特征在于，所述双差模糊度通过坐标已知的参考站解算得出。
10.一种网络RTK基线双差模糊度检验装置，其特征在于，所述装置包括：
残差计算单元，用于在固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查后，利用检验通过和检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；
滤波平滑单元，用于对所述残差进行多历元滤波平滑；
单位权中误差计算单元，用于计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；
阈值计算单元，用于计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；
残差选择单元，用于对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则判断卫星双差模糊度固定错误，予以剔除；否则，判断卫星双差模糊度固定正确，予以保留。
11.一种存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序执行如下步骤：
固定基线双差模糊度并进行ratio值检验和闭合环检查，利用ratio值检验通过和闭合环检查通过的双差模糊度计算每颗卫星无电离层组合的残差；
对所述残差进行多历元滤波平滑；
计算滤波平滑后的残差的单位权中误差；
计算每颗卫星双差模糊度检验的阈值；
对滤波平滑后的残差进行标准化得到标准化残差，将标准化残差的绝对值与阈值进行比较，如果绝对值大于阈值，则判断卫星双差模糊度固定错误，予以剔除；否则，判断卫星双差模糊度固定正确，予以保留。
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