CN111025346A - 一种快速估计gnss精密卫星钟差的方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法及存储介质，包括：固定测站坐标，获取预处理后的伪距和相位观测量，根据固定测站坐标、预处理后的伪距和相位观测量构建非差无电离层组合观测方程；在没有周跳情况时，对多个测站对应的无电离层相位观测值进行历元间作差，构建消电离层历元间相位差分组合观测方程；结合非差无电离层组合观测方程和非差无电离层组合观测方程，得到估计的钟差变化量和钟差初始值，从而得到钟差。本发明使用伪距、相位观测值和非差钟差估计方法估计相应卫星参考时刻的绝对钟差参信息，然后结合历元间差分估计算法估计的相对钟差恢复对应时刻的绝对钟差，可以提高钟差估计精度又可以提高数据处理的效率。

Description

一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法及存储介质

技术领域

本发明涉及GNSS实时精密单点定位技术领域，具体涉及一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法及存储介质。

背景技术

实时轨道钟差信息是支撑实时精密单点定位实现的关键产品，它实际上为定位用户提供了实时的时空基准。由于卫星轨道的平滑特性，通常预报几个小时的卫星轨道的精度能够保证在厘米级，IGS(International GNSS Service)组织超快星历中的预报轨道精度能够达到5cm，与最终产品相差不大，满足实时PPP精密单点定位的需求；而卫星原子钟的频率非常高，对外界干扰非常敏感而且钟差存在不规则变化，其变化具有随机性，因此长时间的预报钟差的精度较低，IGS(International GNSS Service)组织超快星历中的GPS预报钟差精度在3ns，(GPS卫星播发的导航电文中包含广播星历和预报星历。广播星历可用于GPS实时定位计算,预报星历则用于在较长的时间周期内对GPS卫星的位置进行预报。)等效距离误差为0.9m，显然无法满足实时PPP精密单点定位的需求。

当前针对实时钟差研究主要有两种，基于传统消电离层组合模型的非差钟差估计方法和基于历元间差分的钟差估计方法。非差钟差估计方法是利用非差消电离层组合观测值，固定卫星轨道和测站坐标，解算卫星钟差、接收机钟差、对流层参数和模糊度参数，该方法由于需要计算大量的模糊度参数，联合多系统进行钟差解算时，随着测站数和卫星数的增加，模糊度参数还会增加，因此实时数据处理十分耗时。历元间差分的钟差估计方法是在相位观测值在没有周跳发生的情况下，通过历元间作差消除模糊度参数，有效减少待估参数个数，只估计钟差和对流层参数，相比非差钟差估计方法，其计算效率大大提高，但该方法计算的钟差精度依赖于初始钟差的精度，因此初始钟差的精度决定其最终的估计精度，相比于非差算法其精度较低。

历元间差分算法虽然减少了待估参数，提高了数据处理效率，但其仅用到相位观测值，估计得到的是历元相对钟差，排除了伪距观测值的贡献。为了从历元相对钟差中恢复出绝对钟差，需要参考时刻的绝对钟差信息。该信息可从广播星历和预报星历中获得，但由广播星历和预报星历中获得的钟差信息只有几个纳秒的精度，若使用该钟差参考信息，虽然对定位的结果影响不大，但却导致钟差估计的精度较低。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明的目的在于提供一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法及存储介质，解决现有技术钟差估计的精度较低或效率低的问题。

本发明采用技术方案如下：

一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，包括：

步骤S1:固定测站坐标，获取预处理后的伪距和相位观测量，根据固定测站坐标、预处理后的伪距和相位观测量构建非差无电离层组合观测方程；

所述非差无电离层组合观测方程为：

式中，

分别为固定测站坐标及各种误差改正之后的消电离层伪距和载波相位残差量；dt_r为含有接收机端伪距硬件延迟影响的接收机钟差；dt^j为含有卫星端伪距硬件延迟偏差影响的卫星钟差；

为对流层湿延迟映射函数；dT_i为对流层湿延迟参数；

为含有硬件延迟影响的实时模糊度参数；ε(P)、ε(L)分别为伪距、相位的观测噪声及未模型化的误差；c为常数；r为接收机，j为卫星；

步骤S2:在没有周跳情况时，对多个测站对应的无电离层相位观测值进行历元间作差，构建消电离层历元间相位差分组合观测方程；

所述消电离层历元间相位差分组合观测方程为：

式中，Δ为两个相邻历元之间的差分运算符；

为消电离层历元间差分观测值；Δdt_r、Δdt^j分别为接收机和卫星钟差的历元间变化量，即Δdt(i)＝dt(i)-dt(i-1)；

为对流层湿延迟映射函数历元间变化量；dT_i为对流层湿延迟参数，短时间内基本不变；Δε(L)为相位历元间观测噪声及未模型化的误差，i为历元标识；

步骤S3:结合非差无电离层组合观测方程和非差无电离层组合观测方程，得到估计的钟差变化量和钟差初始值，根据钟差dt(i)方程：

得到钟差；式中，dt(i)为当前历元的钟差值；dt(0)为参考历元的钟差初始值；

钟差的累积变化量。

进一步的，包括：根据非差无电离层组合观测方程和钟差方程，得到估计钟差初始值的伪距观测方程：

根据钟差初始值的伪距观测方程得到伪距误差方程：

判断钟差初始值是否收敛，若不收敛，根据钟差初始值的伪距观测方程和伪距误差方程进行伪距观测值的改正，直到钟差初始值收敛。

进一步的，获取处理后的伪距和相位观测量的步骤包括：

选取分布均匀的基准站数据，所述基准站数据包括预报卫星轨道、海洋潮汐和地球极移参数，以及基站的伪距和相位观测量数据；将基站坐标固定为已知值；

对数据进行数据完整性检测，和/或粗差探测，和/或周跳探测处理；

对数据进行误差模型改正，所述误差模型改正包括固体潮改正，和/或DCB改正，和/或卫星天线相位中心改正，得到预处理后的伪距和相位观测量。

进一步的，所述数据完整性检测步骤包括:判断卫星系统是否所需系统，若不是所需系统，将该数据剔除；判断相位观测量信息是否齐全，若不齐全，将该数据剔除。

进一步的，所述粗差探测步骤包括：根据不同系统设定不同阈值，对伪距进行判断，若超过指定阈值则将数据剔除。

进一步的，所述周跳探测步骤包括：使用LI组合和MW组合进行周跳探测，若发生周跳则进行标记，并不对数据进行修复，且对发生周跳的数据对应的卫星跟踪弧段加1。

进一步的，所述固体潮改正通过IERS Conventions公约推荐模型进行改正。

进一步的，所述DCB改正根据伪距观测值频率及类型对伪距双频消电离层组合观测量进行改正，DCB改正量计算公式如下：

式中，

i,k为相应频点；Δ_DCB为DCB改正量，DCB_P1P2为P1、P2的差分码偏差,P1为第一个伪距，P2为第二个伪距，DCB_P1Pk为P1与第k个频率的差分码偏差,DCB_P1Pi为P1与第i个频率的差分码偏差。

进一步的，所述天线相位中心改正采用IGS绝对天线相位中心改正模型进行改正。

一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明使用伪距、相位观测值和非差钟差估计方法估计相应卫星参考时刻的绝对钟差参信息，然后结合历元间差分估计算法估计的相对钟差恢复对应时刻的绝对钟差，既可以提高钟差估计精度又可以提高数据处理的效率。

附图说明

图1为本发明一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法实施例的流程示意图；

图2为本发明一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法另一具体实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例：

请参考图1-2所示，一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，如图1所示，包括：

步骤S1:固定测站坐标，获取预处理后的伪距和相位观测量，根据固定测站坐标、预处理后的伪距和相位观测量构建非差无电离层组合观测方程；

所述非差无电离层组合观测方程为：

式中，

分别为固定测站坐标及各种误差改正之后的消电离层伪距和载波相位残差量；dt_r为含有接收机端伪距硬件延迟影响的接收机钟差；dt^j为含有卫星端伪距硬件延迟偏差影响的卫星钟差；

为对流层湿延迟映射函数；dT_i为对流层湿延迟参数；

为含有硬件延迟影响的实时模糊度参数；ε(P)、ε(L)分别为伪距、相位的观测噪声及未模型化的误差；c为常数；r为接收机，j为卫星。

步骤S2:在没有周跳情况时，对多个测站对应的无电离层相位观测值进行历元间作差，构建消电离层历元间相位差分组合观测方程；

所述消电离层历元间相位差分组合观测方程为：

；

式中Δ为两个相邻历元之间的差分运算符；

为消电离层历元间差分观测值；Δdt_r、Δdt^j分别为接收机和卫星钟差的历元间变化量，即Δdt(i)＝dt(i)-dt(i-1)；

为对流层湿延迟映射函数历元间变化量；dT_i为对流层湿延迟参数，短时间内基本不变；Δε(L)为相位历元间观测噪声及未模型化的误差，i为历元标识；

步骤S3:结合非差无电离层组合观测方程和非差无电离层组合观测方程，得到估计的钟差变化量和钟差初始值，根据钟差方程：

计算得到钟差dt(i)；式中，dt(i)为当前历元的钟差值；dt(0)为参考历元的钟差初始值；

钟差的累积变化量。

进一步的，根据非差无电离层组合观测方程和钟差方程，得到估计钟差初始值的伪距观测方程：

根据钟差初始值的伪距观测方程得到伪距误差方程：

判断钟差初始值是否收敛，若不收敛，根据钟差初始值的伪距观测方程和伪距误差方程进行伪距观测值的改正，直到钟差初始值收敛。

进一步的，获取处理后的伪距和相位观测量的步骤包括：

选取分布均匀的基准站数据，所述基准站数据包括预报卫星轨道、海洋潮汐和地球极移参数，以及基站的伪距和相位观测量数据；将基站坐标固定为已知值；

对数据进行数据完整性检测，和/或粗差探测，和/或周跳探测处理；

对数据进行误差模型改正，所述误差模型改正包括固体潮改正，和/或DCB改正，和/或卫星天线相位中心改正，得到预处理后的伪距和相位观测量。

进一步的，所述数据完整性检测步骤包括:判断卫星系统是否所需系统，若不是所需系统，将该数据剔除；判断相位观测量信息是否齐全，若不齐全，将该数据剔除。

进一步的，所述粗差探测步骤包括：根据不同系统设定不同阈值，对伪距进行判断，若超过指定阈值则将数据剔除。

进一步的，所述周跳探测步骤包括：使用LI组合和MW组合进行周跳探测，若发生周跳则进行标记，并不对数据进行修复，且对发生周跳的数据对应的卫星跟踪弧段加1。

进一步的，所述固体潮改正通过IERS Conventions公约推荐模型进行改正。

进一步的，所述DCB改正根据伪距观测值频率及类型对伪距双频消电离层组合观测量进行改正，DCB改正量计算公式如下：

式中，

i,k为相应频点；Δ_DCB为DCB改正量，DCB_P1P2为P1、P2的差分码偏差,P1为第一个伪距，P2为第二个伪距，DCB_P1Pk为P1与第k个频率的差分码偏差,DCB_P1Pi为P1与第i个频率的差分码偏差。

进一步的，所述天线相位中心改正采用IGS绝对天线相位中心改正模型进行改正。

作为另一具体实施例，如图2所示，本发明包括：

步骤(1)：选取分布均匀的基准站数据；

步骤(2)：获取预报卫星轨道、海洋潮汐、地球极移等参数，基站坐标固定为已知值；

步骤(3)：对数据进行预处理，包括数据完整性检测、粗差探测、周跳探测等；

步骤(4)：误差模型改正，包括固体潮改正、DCB改正、卫星天线相位中心改正等。

固体潮包含多种周期项影响，无法通过全天的位置序列取平均来消除，可通过IERS Conventions推荐的模型进行改正；

所述DCB改正步骤如下，根据伪距观测值频率及类型对伪距双频消电离层组合观测量进行改正，DCB改正量计算公式如下：

式中，

i,k为相应频点；

所述天线相位中心改正步骤如下：采用IGS绝对天线相位中心改正模型，最新版本为igs14_wwww.atx；

步骤(5)：采用预处理后的伪距和相位观测量，并固定测站坐标构建非差无电离层组合观测方程，所述非差无电离层组合观测方程表示为：

式中，

分别为固定测站坐标及各种误差改正之后的消电离层伪距和载波相位残差量；dt_r含有接收机端伪距硬件延迟影响的接收机钟差；dt^j为含有卫星端伪距硬件延迟偏差影响的卫星钟差；

为对流层湿延迟映射函数；dT_i为对流层湿延迟参数；

为含有硬件延迟影响的实时模糊度参数；ε(P)、ε(L)分别为伪距、相位的观测噪声及未模型化的误差；

步骤(6)：在没有周跳的情况下，对多个测站对应的无电离层相位观测值进行历元间作差，构建消电离层历元间相位差分组合观测方程，所述消电离层历元间相位差分组合观测方程为：

式中，Δ为两个相邻历元之间的差分运算符；

为消电离层历元间差分观测值；Δdt_r、Δdt^j分别为接收机和卫星钟差的历元间变化量，即Δdt(i)＝dt(i)-dt(i-1)；

为对流层湿延迟映射函数历元间变化量；dT_i为对流层湿延迟参数(短时间内基本不变)；Δε(L)为相位历元间观测噪声及未模型化的误差；

步骤(7)：由于接收机钟差与卫星钟差线性相关，故以某一基站的卫星钟差作为基准，将其约束为0，即增加一个虚拟观测方程：

采用扩展卡尔曼滤波器进行参数估计：假设有m个测站，每个测站观测到n颗卫星，单一系统观测到k个卫星，则将式(3)表示成矩阵形式的误差方程有：

式中，

为状态向量，分别含有m个接收机钟差变化量、m个对流层湿延迟参数及k个卫星钟差变化量；Ω_i为观测量的协方差阵；Q_i为系统的过程噪声矩阵；方程中设计矩阵H和观测向量l分别为：

H＝[A B C] (8)

其中，

c为真空中光速；

为相应测站对流层湿延迟映射函数历元间变化量；

为相应测站观测卫星j的消电离层历元间差分观测值。

步骤(8)：将估计的钟差变化量进行累加，并结合钟差初始值可得钟差为：

式中，dt(i)为当前历元的钟差值；dt(0)为参考历元的钟差初始值；

钟差的累积变化量。

步骤(9)：将式(10)中得到dt_r(i)、dt^s(i)代入(2)式，即得估计钟差初始值的伪距观测方程：

将历元差分估计的钟差变化量累积量

及对流层是延迟dT_i移至方程左边，即得伪距误差方程：

步骤(10)：新开一个Kalman滤波器以估计卫星钟差及接收机钟差初始值，基准条件的选取同步骤(7)；表示成矩阵形式的误差方程为：

式中，状态向量

包含m个接收机钟差初始值，k个卫星钟差初始值；

其中设计矩阵H和观测向量l分别为：

H＝[A C] (16)

式中，矩阵A、C与式(8)中的矩阵A、C相同；

为相应测站对应卫星的伪距观测值。

步骤(11)：判定钟差初始值是否收敛：若收敛，则后续历元不再计算钟差初始值，即不再进行步骤(8)(9)(10)；若不收敛，则继续执行步骤(8)(9)(10)计算钟差初始值，直至收敛；

步骤(12)：根据式(10)将伪距估计的钟差初始值及相位估计的钟差变化量进行计算，得到高精度的卫星和接收机钟差。

本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，本发明的方法如果以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，可以存储在该计算机存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机存储介质不包括电载波信号和电信信号。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，包括：

步骤S1:固定测站坐标，获取预处理后的伪距和相位观测量，根据固定测站坐标、预处理后的伪距和相位观测量构建非差无电离层组合观测方程；

所述非差无电离层组合观测方程为：

式中，

分别为固定测站坐标及各种误差改正之后的消电离层伪距和载波相位残差量；dt_r为含有接收机端伪距硬件延迟影响的接收机钟差；dt^j为含有卫星端伪距硬件延迟偏差影响的卫星钟差；

为对流层湿延迟映射函数；dT_i为对流层湿延迟参数；

为含有硬件延迟影响的实时模糊度参数；ε(P)、ε(L)分别为伪距、相位的观测噪声及未模型化的误差；c为常数；r为接收机，j为卫星；

步骤S2:在没有周跳情况时，对多个测站对应的无电离层相位观测值进行历元间作差，构建消电离层历元间相位差分组合观测方程；

所述消电离层历元间相位差分组合观测方程为：

式中，Δ为两个相邻历元之间的差分运算符；

为消电离层历元间差分观测值；Δdt_r、Δdt^j分别为接收机和卫星钟差的历元间变化量，即Δdt(i)＝dt(i)-dt(i-1)；

为对流层湿延迟映射函数历元间变化量；dT_i为对流层湿延迟参数，短时间内基本不变；Δε(L)为相位历元间观测噪声及未模型化的误差，i为历元标识；

步骤S3:结合非差无电离层组合观测方程和非差无电离层组合观测方程，得到估计的钟差变化量和钟差初始值，根据钟差方程：

得到钟差dt(i)；式中，dt(i)为当前历元的钟差值；dt(0)为参考历元的钟差初始值；

钟差的累积变化量。

2.根据权利要求1所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，包括：根据非差无电离层组合观测方程和钟差方程，得到估计钟差初始值的伪距观测方程：

根据钟差初始值的伪距观测方程得到伪距误差方程：

判断钟差初始值是否收敛，若不收敛，根据钟差初始值的伪距观测方程和伪距误差方程进行伪距观测值的改正，直到钟差初始值收敛。

3.根据权利要求1所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，获取处理后的伪距和相位观测量的步骤包括：

选取分布均匀的基准站数据，所述基准站数据包括预报卫星轨道、海洋潮汐和地球极移参数，以及基站的伪距和相位观测量数据；将基站坐标固定为已知值；

对数据进行数据完整性检测，和/或粗差探测，和/或周跳探测处理；

对数据进行误差模型改正，所述误差模型改正包括固体潮改正，和/或DCB改正，和/或卫星天线相位中心改正，得到预处理后的伪距和相位观测量。

4.根据权利要求3所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，所述数据完整性检测步骤包括:判断卫星系统是否所需系统，若不是所需系统，将该数据剔除；判断相位观测量信息是否齐全，若不齐全，将该数据剔除。

5.根据权利要求3所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，所述粗差探测步骤包括：根据不同系统设定不同阈值，对伪距进行判断，若超过指定阈值则将数据剔除。

6.根据权利要求3所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，所述周跳探测步骤包括：使用LI组合和MW组合进行周跳探测，若发生周跳则进行标记，并不对数据进行修复，且对发生周跳的数据对应的卫星跟踪弧段加1。

7.根据权利要求3所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，所述固体潮改正通过IERS Conventions公约推荐模型进行改正。

8.根据权利要求3所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，所述DCB改正根据伪距观测值频率及类型对伪距双频消电离层组合观测量进行改正，DCB改正量计算公式如下：

；

式中，

i,k为相应频点；Δ_DCB为DCB改正量，DCB_P1P2为P1、P2的差分码偏差,P1为第一个伪距，P2为第二个伪距，DCB_P1Pk为P1与第k个频率的差分码偏差,DCBP1Pi为P1与第i个频率的差分码偏差。

9.根据权利要求3所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法，其特征在于，所述天线相位中心改正采用IGS绝对天线相位中心改正模型进行改正。

10.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-9任一项所述的快速估计GNSS精密卫星钟差的方法。

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