CN111044972A - 基于gnss精密时间同步的飞行器时差定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法及系统，该方法包括：基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得每个基站之间时间精密同步；根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；根据所述时差观测值以及基站的已知坐标，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。本发明实施例提高了飞行器的定位精度。

Description

基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法及系统
技术领域
本发明涉及无线电测量和定位技术领域，尤其涉及一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法及系统。
背景技术
到达时差(Time Difference of Arrival，简称TDOA)定位技术在无线电监测和航空领域具有十分重要的作用，具有精度高、覆盖范围广和无源的特点。
现有基于TDOA的时差定位方法，通过从信号源发出的无线电信号到达基站(4处以上)的时间差，再根据基站的位置信息，计算出信号源的位置坐标，而定位精度主要由时间同步精度和无线电信号到达不同基站的时差测量精度决定。然而，在现有的时差定位方法中，对于接收基站的时间同步的问题，暂未提供有效的解决方案，导致基站间的时间同步效果较差，降低了飞行器的定位精度。
因此，现在亟需一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位及系统来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，包括：
基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得所有基站之间的时间精密同步；
根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；
根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。
进一步地，所述基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得每个基站之间的时间精密同步，包括：
获取每个基站的GNSS观测数据，并通过探测粗差，将GNSS观测数据中存在粗差的GNSS卫星剔除，以使得每个基站的GNSS观测数据来源于不存在粗差的GNSS卫星，所述GNSS观测数据包括双频伪距和载波相位观测值；
根据剔除粗差后每个基站中的GNSS观测数据，获取每两个基站之间的GNSS共视卫星，并根据所述GNSS共视卫星的观测数据，获取所述GNSS共视卫星的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，以用于构建单差观测方程；
将单差GNSS接收机钟差、天顶对流层湿延迟和站间单差无电离层组合模糊度项作为参考估计，并根据所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值，构建误差方程；
根据法方程和所述误差方程，获取单差GNSS接收机钟差，并将其中任一基站的GNSS接收机时间作为参考时间，以使得各个基站的时间精密同步。
进一步地，在所述根据剔除粗差后每个基站中的GNSS观测数据，获取每两个基站之间的GNSS共视卫星，并根据所述GNSS共视卫星的观测数据，获取所述GNSS共视卫星的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，以用于构建单差观测方程之后，所述方法还包括：
对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的误差进行修正，以根据误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，构建误差方程。
进一步地，所述对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的误差进行修正，包括：
对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的地球自转效应误差、卫星天线相位中心偏差、卫星天线相位中心变化、接收机天线相位中心偏差、接收机天线相位中心变化、相对论效应、引力延迟、相位缠绕和对流层干延迟进行修正，得到误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值。
进一步地，所述单差观测方程为：
Figure BDA0002315784330000031
Figure BDA0002315784330000032
其中，
Figure BDA0002315784330000033
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差无电离层组合伪距观测值；
Figure BDA0002315784330000034
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差卫地距；tab表示基站a和基站b之间的单差接收机钟差；
Figure BDA0002315784330000035
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差对流层延迟；
Figure BDA0002315784330000036
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差无电离层组合载波相位观测值，单位为米；
Figure BDA0002315784330000037
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的单差无电离层组合模糊度项，单位为米；a和b表示GNSS接收机标识，i表示GNSS卫星标识；
Figure BDA0002315784330000038
Figure BDA0002315784330000039
Figure BDA00023157843300000310
Figure BDA00023157843300000311
Figure BDA00023157843300000312
其中，
Figure BDA0002315784330000041
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的伪距观测值；
Figure BDA0002315784330000042
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的伪距观测值；
Figure BDA0002315784330000043
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的伪距观测值；
Figure BDA0002315784330000044
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的伪距观测值；
Figure BDA0002315784330000045
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的载波相位观测值；
Figure BDA0002315784330000046
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的载波相位观测值；
Figure BDA0002315784330000047
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的载波相位观测值；
Figure BDA0002315784330000048
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的载波相位观测值；ρ表示卫地距；λ1和λ2分别表示L1载波和L2载波的波长；
Figure BDA0002315784330000049
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的模糊度；
Figure BDA00023157843300000410
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的模糊度；
Figure BDA00023157843300000411
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的模糊度；
Figure BDA00023157843300000412
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的模糊度；
Figure BDA00023157843300000413
表示第i个GNSS卫星下基站a的对流层干延迟投影函数；
Figure BDA00023157843300000414
表示第i个GNSS卫星下基站b的对流层干延迟投影函数；
Figure BDA00023157843300000415
表示第i个GNSS卫星下基站a的对流层湿延迟投影函数；
Figure BDA00023157843300000416
表示第i个GNSS卫星下基站b的对流层湿延迟投影函数；TD,a表示基站a的天顶对流层干延迟；TD,b表示基站b的天顶对流层干延迟；TW,a表示基站a的天顶对流层湿延迟；TW,b表示基站b的天顶对流层湿延迟；f1表示L1载波频率，f2表示L2载波频率，(xa,ya,za)表示基站a的GNSS接收机坐标；(xb,yb,zb)表示基站b的GNSS接收机坐标；
Figure BDA00023157843300000417
表示基站a对应的第i个GNSS卫星的坐标；
Figure BDA00023157843300000418
表示基站b对应的第i个GNSS卫星的坐标。
进一步地，所述误差方程为：
V＝BX-l,W；
其中，B表示设计矩阵，X表示待估参数向量，l表示观测值向量，V表示观测值残差向量，W表示观测值向量权阵，所述观测值向量权阵根据观测值先验精度获取得到的；
Figure BDA0002315784330000051
Figure BDA0002315784330000052
Figure BDA0002315784330000053
Figure BDA0002315784330000054
其中，
Figure BDA0002315784330000055
和
Figure BDA0002315784330000056
分别表示误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值；n表示GNSS卫星总数；
Figure BDA0002315784330000057
表示第n个GNSS卫星对应的基站a的非差无电离层组合伪距观测值先验方差，
Figure BDA0002315784330000058
表示第n个GNSS卫星对应的基站b的非差无电离层组合伪距观测值先验方差，
Figure BDA0002315784330000059
表示第n个GNSS卫星对应的基站a的非差无电离层组合载波相位观测值先验方差，
Figure BDA00023157843300000510
表示第n个GNSS卫星对应的基站b的非差无电离层组合载波相位观测值先验方差。
进一步地，所述根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的信号源坐标，以用于对所述目标飞行器信号源进行定位，包括：
根据接收目标飞行器信号源的基站对应的坐标信息，获取所述目标飞行器信号源的概略坐标；
将任一接收目标飞行器信号源的基站k作为参考基站，根据时差观测值和基站d坐标信息，d，k∈K，d≠k，构建观测方程：
Figure BDA0002315784330000061
其中，(xd,yd,zd)表示第d个基站的坐标信息，(x,y,z)表示目标飞行器信号源的坐标信息，c表示光速；Δtd表示当基站k为参考基站时，目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达第d个基站与参考基站k的时差；
根据接收目标飞行器信号源的基站总数K，构建K-1个观测方程，并根据泰勒级展开法和所述目标飞行器信号源的概略坐标，对K-1个观测方程进行求解，得到所述目标飞行器信号源的信号源坐标，以用于对所述目标飞行器信号源进行定位。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位系统，包括：
精密时间同步模块，基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得所有基站之间的时间精密同步；
时差获取模块，用于根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；
信号源定位模块，用于根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。
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，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
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如第一方面所提供的方法的步骤。
本发明实施例提供的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法及系统，该方法不需要原子钟，即可实现基站间精密时间同步，解决了时差定位系统中基站间精密时间同步的问题，进而实现高精度时差定位，提高了飞行器的定位精度，降低了GNSS星历误差的影响。
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基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的基于GNSS精密时间同步的时差定位示意图；
图3为本发明实施例提供的IGS跟踪站中PTBB-POTS接收机钟时间比对误差的示意图；
图4为本发明实施例提供的飞行器信号源定位结果的仿真示意图；
图5为本发明实施例提供的飞行器信号源的三维定位误差示意图；
图6为本发明实施例提供的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。
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。
图1为本发明实施例提供的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，包括：
步骤101，基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得所有基站之间的时间精密同步；
步骤102，根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；
步骤103，根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。
在本发明实施例中，图2为本发明实施例提供的基于GNSS精密时间同步的时差定位示意图，可参考图2所示，在每个定位基站中均安装有高精度GNSS接收机，基于4个以上基站中GNSS(Global Navigation Satellite System)接收机采集的数据，通过GNSS精密时间比对，实现定位基站间精密时间同步。然后，以完成时间同步后的定位基站GNSS接收机钟的时间为基准，测量目标飞行器信号源发出的同一帧无线电信号到达不同基站的时差观测值；最后，数据中心根据时差观测值，计算目标飞行器信号源的坐标，从而实现目标飞行器信号源的定位。
本发明实施例提供的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，该方法不需要原子钟，即可实现基站间精密时间同步，解决了时差定位系统中基站间精密时间同步的问题，进而实现高精度时差定位，提高了飞行器的定位精度，降低了GNSS星历误差的影响。
在上述实施例的基础上，所述基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得每个基站之间的时间精密同步，包括：
获取每个基站的GNSS观测数据，并通过探测粗差，将GNSS观测数据中存在粗差的GNSS卫星剔除，以使得每个基站的GNSS观测数据来源于不存在粗差的GNSS卫星，所述GNSS观测数据包括双频伪距和载波相位观测值；
根据剔除粗差后每个基站中的GNSS观测数据，以两处位置的基站为一组，获取每两个基站之间的GNSS共视卫星，并根据所述GNSS共视卫星的观测数据，获取所述GNSS共视卫星的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，以用于构建单差观测方程；具体地，在本发明实施例中，所述单差观测方程为：
Figure BDA0002315784330000091
Figure BDA0002315784330000092
其中，
Figure BDA0002315784330000093
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差无电离层组合伪距观测值；
Figure BDA0002315784330000094
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差卫地距；tab表示基站a和基站b之间的单差接收机钟差；
Figure BDA0002315784330000095
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差对流层延迟；
Figure BDA0002315784330000096
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差无电离层组合载波相位观测值，单位为米；
Figure BDA0002315784330000097
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的单差无电离层组合模糊度项，单位为米；a和b表示GNSS接收机标识，i表示GNSS卫星标识；
Figure BDA0002315784330000098
Figure BDA0002315784330000099
Figure BDA00023157843300000910
Figure BDA00023157843300000911
Figure BDA00023157843300000912
其中，
Figure BDA00023157843300000913
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的伪距观测值；
Figure BDA00023157843300000914
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的伪距观测值；
Figure BDA00023157843300000915
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的伪距观测值；
Figure BDA00023157843300000916
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的伪距观测值；
Figure BDA00023157843300000917
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的载波相位观测值；
Figure BDA00023157843300000918
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的载波相位观测值；
Figure BDA0002315784330000101
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的载波相位观测值；
Figure BDA0002315784330000102
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的载波相位观测值；ρ表示卫地距；λ1和λ2分别表示L1载波和L2载波的波长；
Figure BDA0002315784330000103
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的模糊度；
Figure BDA0002315784330000104
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的模糊度；
Figure BDA0002315784330000105
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的模糊度；
Figure BDA0002315784330000106
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的模糊度；
Figure BDA0002315784330000107
表示第i个GNSS卫星下基站a的对流层干延迟投影函数；
Figure BDA0002315784330000108
表示第i个GNSS卫星下基站b的对流层干延迟投影函数；
Figure BDA0002315784330000109
表示第i个GNSS卫星下基站a的对流层湿延迟投影函数；
Figure BDA00023157843300001010
表示第i个GNSS卫星下基站b的对流层湿延迟投影函数；TD,a表示基站a的天顶对流层干延迟；TD,b表示基站b的天顶对流层干延迟；TW,a表示基站a的天顶对流层湿延迟；TW,b表示基站b的天顶对流层湿延迟；f1表示L1载波频率，f2表示L2载波频率，(xa,ya,za)表示基站a的GNSS接收机坐标；(xb,yb,zb)表示基站b的GNSS接收机坐标；
Figure BDA00023157843300001011
表示基站a对应的第i个GNSS卫星的坐标；
Figure BDA00023157843300001012
表示基站b对应的第i个GNSS卫星的坐标。其中，GNSS接收机坐标是根据长时间连续的GNSS观测数据提前计算得到的；GNSS卫星的坐标是通过IGS超快速预报星历计算得到的。
将单差GNSS接收机钟差、天顶对流层湿延迟和站间单差无电离层组合模糊度项作为参考估计，并根据所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值，构建误差方程；
优选地，在上述实施例的基础上，在所述根据剔除粗差后每个基站中的GNSS观测数据，获取每两个基站之间的GNSS共视卫星，并根据所述GNSS共视卫星的观测数据，获取所述GNSS共视卫星的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，以用于构建单差观测方程之后，所述方法还包括：
对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的误差进行修正，以根据误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，构建误差方程。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的误差进行修正，包括：
对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的地球自转效应误差、卫星天线相位中心偏差、卫星天线相位中心变化、接收机天线相位中心偏差、接收机天线相位中心变化、相对论效应、引力延迟、相位缠绕和对流层干延迟进行修正，得到误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值。
在本发明实施例中，所述误差方程为：
V＝BX-l,W；
其中，B表示设计矩阵，X表示待估参数向量，l表示观测值向量，V表示观测值残差向量，W表示观测值向量权阵，所述观测值向量权阵根据观测值先验精度获取得到的；
Figure BDA0002315784330000111
Figure BDA0002315784330000112
Figure BDA0002315784330000113
Figure BDA0002315784330000114
其中，
Figure BDA0002315784330000121
和
Figure BDA0002315784330000122
分别表示误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值；n表示GNSS卫星总数；
Figure BDA0002315784330000123
表示第n个GNSS卫星对应的基站a的非差无电离层组合伪距观测值先验方差，
Figure BDA0002315784330000124
表示第n个GNSS卫星对应的基站b的非差无电离层组合伪距观测值先验方差，
Figure BDA0002315784330000125
表示第n个GNSS卫星对应的基站a的非差无电离层组合载波相位观测值先验方差，
Figure BDA0002315784330000126
表示第n个GNSS卫星对应的基站b的非差无电离层组合载波相位观测值先验方差。在本发明实施例中，非差无电离层组合伪距观测值先验方差和非差无电离层组合载波相位观测值先验方差是根据非差伪距观测值和载波相位观测值的先验标准方差和卫星高度角计算得到的。
根据法方程和所述误差方程，获取单差GNSS接收机钟差，并将任一基站的GNSS接收机时间作为参考时间，以使得各个基站的时间精密同步。
进一步地，在本发明实施例中，获取第m个历元的法方程：
Gm＝NmX；
Figure BDA0002315784330000127
Figure BDA0002315784330000128
然后，探测载波相位观测值周跳，若为首历元，则不需探测周跳；进一步地，通过法方程相加，获取整体法方程，需要说明的是，法方程相加过程中，需要考虑前后两个历元待估参数的变化，若为首历元，则不需进行法方程相加。具体地，第m(m≠1)个历元的整体法方程为：
Gm＝Gm-1+Gm；
Nm＝Nm-1+Nm；
进一步地，对上述整体法方程进行求解，得到该方程的解为：
Figure BDA0002315784330000129
方程一协方差阵为：
Figure BDA00023157843300001210
从而获取到每个基站的GNSS接收机钟差之差。最后，以其中一个基站中的GNSS接收机钟为基准，根据GNSS接收机钟差之差，调整其他基站的GNSS接收机钟的时间，以使得所有基站间的时间同步。
在上述实施例的基础上，所述根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的信号源坐标，以用于对所述目标飞行器信号源进行定位，包括：
步骤S1，根据接收目标飞行器信号源的基站对应的坐标信息，获取所述目标飞行器信号源的概略坐标(X0,Y0,Z0)；
步骤S2，将任一接收目标飞行器信号源的基站k作为参考基站，根据时差观测值和基站d坐标信息，d，k∈K，d≠k，对于基站d构建观测方程：
Figure BDA0002315784330000131
其中，(xd,yd,zd)表示第d个基站的坐标信息，(x,y,z)表示目标飞行器信号源的坐标信息，c表示光速；Δtd表示当基站k为参考基站时，目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达第d个基站与参考基站k的时差；
步骤S3，根据接收目标飞行器信号源的基站总数K，构建K-1个上述观测方程，并根据泰勒级展开法和所述目标飞行器信号源的概略坐标(X0,Y0,Z0)，对K-1个观测方程构建的方程组进行求解，当
Figure BDA0002315784330000132
时，计算过程结束，得到所述目标飞行器信号源的信号源坐标(x,y,z)，以用于对所述目标飞行器信号源进行定位；否则，令(x,y,z)＝(X0,Y0,Z0)，再次执行步骤S2至S3。
在本发明一实施例中，图3为本发明实施例提供的IGS跟踪站中PTBB-POTS接收机钟时间比对误差的示意图，可参考图3所示，从IGS服务器下载PTBB和POTS跟踪站在2019年第117天的数据，测站间距约为178公里，数据采样间隔是30秒。计算得到接收机钟差之差后，与IGS提供的事后精密钟差进行对比(IGS事后精密钟差的标称精度为0.075纳秒)。如图3所示，本发明实施例提供的方法，时间传递精度优于0.3纳秒，统计得到GNSS接收机钟差之差的均方根误差(Root Mean Square，简称RMS)为0.091纳秒。
进一步地，在本发明另一实施例中，通过以4个基站定位1架飞行器的模拟实验为例进行说明。在本发明实施例中，假设基站的坐标分别为：基站1(0km，-5km，0km)，基站2(10km，0.1km，0.01km)，基站3(20km，-0.1km，0.005km)，基站4(30km，5km，0.002km)；飞行器信号源坐标为(25km，0km，4km)。假定基站坐标误差为10米，基站间时间同步误差与到达时差测量误差的综合误差为30纳秒。在该条件下，随机模拟10000次。图4为本发明实施例提供的飞行器信号源定位结果的仿真示意图，可参考图4所示，本发明实施例提供的飞行器信号源的定位方法估计出目标飞行器的位置，和目标飞行器的实际位置基本一致；图5为本发明实施例提供的飞行器信号源的三维定位误差示意图，可参考图5所示，信号源三维定位精度基本优于250米。
图6为本发明实施例提供的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位系统的结构示意图，如图6所示，本发明实施例提供了一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位系统，包括精密时间同步模块601、时差获取模块602和信号源定位模块603，其中，精密时间同步模块601基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得所有基站之间的时间精密同步；时差获取模块602用于根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；信号源定位模块603用于根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。
本发明实施例提供的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位系统，该方法不需要原子钟，即可实现基站间精密时间同步，解决了时差定位系统中基站间精密时间同步的问题，进而实现高精度时差定位，提高了飞行器的定位精度，降低了GNSS星历误差的影响。
本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
图7为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图7，该电子设备可以包括：处理器(processor)701、通信接口(Communications Interface)702、存储器(memory)703和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信。处理器701可以调用存储器703中的逻辑指令，以执行如下方法：基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得所有基站之间的时间精密同步；根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。
此外，上述的存储器703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)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。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基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，例如包括：基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得所有基站之间的时间精密同步；根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述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所述的方法。
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 (10)

1.一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，其特征在于，包括：
基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得所有基站之间的时间精密同步；
根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；
根据所述时差观测值以及基站的已知坐标，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，其特征在于，所述基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得每个基站之间的时间精密同步，包括：
获取每个基站的GNSS观测数据，并通过探测粗差，将GNSS观测数据中存在粗差的GNSS卫星剔除，以使得每个基站的GNSS观测数据来源于不存在粗差的GNSS卫星，所述GNSS观测数据包括双频伪距和载波相位观测值；
根据剔除粗差后每个基站中的GNSS观测数据，获取每两个基站之间的GNSS共视卫星，并根据所述GNSS共视卫星的观测数据，获取所述GNSS共视卫星的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，以用于构建单差观测方程；
将单差GNSS接收机钟差、天顶对流层湿延迟和站间单差无电离层组合模糊度项作为参考估计，并根据所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值，构建误差方程；
根据法方程和所述误差方程，获取单差GNSS接收机钟差，并将其中任一基站的GNSS接收机时间作为参考时间，以使得各个基站的时间精密同步。
3.根据权利要求2所述的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，其特征在于，在所述根据剔除粗差后每个基站中的GNSS观测数据，获取每两个基站之间的GNSS共视卫星，并根据所述GNSS共视卫星的观测数据，获取所述GNSS共视卫星的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，以用于构建单差观测方程之后，所述方法还包括：
对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的误差进行修正，以根据误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值，构建误差方程。
4.根据权利要求3所述的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，其特征在于，所述对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的误差进行修正，包括：
对所述站间单差无电离层组合伪距观测值和所述站间单差无电离层组合载波相位观测值中的地球自转效应误差、卫星天线相位中心偏差、卫星天线相位中心变化、接收机天线相位中心偏差、接收机天线相位中心变化、相对论效应、引力延迟、相位缠绕和对流层干延迟进行修正，得到误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值。
5.根据权利要求2所述的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，其特征在于，所述单差观测方程为：
Figure FDA0002315784320000021
Figure FDA0002315784320000022
其中，
Figure FDA0002315784320000023
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差无电离层组合伪距观测值；
Figure FDA0002315784320000024
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差卫地距；tab表示基站a和基站b之间的单差接收机钟差；
Figure FDA0002315784320000025
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差对流层延迟；
Figure FDA0002315784320000026
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的站间单差无电离层组合载波相位观测值，单位为米；
Figure FDA0002315784320000027
表示第i个GNSS卫星下基站a和基站b的单差无电离层组合模糊度项，单位为米；a和b表示GNSS接收机标识，i表示GNSS卫星标识；
Figure FDA0002315784320000031
Figure FDA0002315784320000032
Figure FDA0002315784320000033
Figure FDA0002315784320000034
Figure FDA0002315784320000035
其中，
Figure FDA0002315784320000036
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的伪距观测值；
Figure FDA0002315784320000037
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的伪距观测值；
Figure FDA0002315784320000038
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的伪距观测值；
Figure FDA0002315784320000039
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的伪距观测值；
Figure FDA00023157843200000310
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的载波相位观测值；
Figure FDA00023157843200000311
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的载波相位观测值；
Figure FDA00023157843200000312
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的载波相位观测值；
Figure FDA00023157843200000313
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的载波相位观测值；ρ表示卫地距；λ1和λ2分别表示L1载波和L2载波的波长；
Figure FDA00023157843200000314
表示第i个GNSS卫星下基站a的L1载波的模糊度；
Figure FDA00023157843200000315
表示第i个GNSS卫星下基站b的L1载波的模糊度；
Figure FDA00023157843200000316
表示第i个GNSS卫星下基站a的L2载波的模糊度；
Figure FDA00023157843200000317
表示第i个GNSS卫星下基站b的L2载波的模糊度；
Figure FDA00023157843200000318
表示第i个GNSS卫星下基站a的对流层干延迟投影函数；
Figure FDA00023157843200000319
表示第i个GNSS卫星下基站b的对流层干延迟投影函数；
Figure FDA00023157843200000320
表示第i个GNSS卫星下基站a的对流层湿延迟投影函数；
Figure FDA00023157843200000321
表示第i个GNSS卫星下基站b的对流层湿延迟投影函数；TD,a表示基站a的天顶对流层干延迟；TD,b表示基站b的天顶对流层干延迟；TW,a表示基站a的天顶对流层湿延迟；TW,b表示基站b的天顶对流层湿延迟；f1表示L1载波频率，f2表示L2载波频率，(xa,ya,za)表示基站a的GNSS接收机坐标；(xb,yb,zb)表示基站b的GNSS接收机坐标；
Figure FDA0002315784320000041
表示基站a对应的第i个GNSS卫星的坐标；
Figure FDA0002315784320000042
表示基站b对应的第i个GNSS卫星的坐标。
6.根据权利要求5所述的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，其特征在于，所述误差方程为：
V＝BX-l, W；
其中，B表示设计矩阵，X表示待估参数向量，l表示观测值向量，V表示观测值残差向量，W表示观测值向量权阵，所述观测值向量权阵根据观测值先验精度获取得到的；
Figure FDA0002315784320000043
Figure FDA0002315784320000044
Figure FDA0002315784320000045
Figure FDA0002315784320000046
其中，
Figure FDA0002315784320000047
和
Figure FDA0002315784320000048
分别表示误差修正后的站间单差无电离层组合伪距观测值和站间单差无电离层组合载波相位观测值；n表示GNSS卫星总数；
Figure FDA0002315784320000049
表示第n个GNSS卫星对应的基站a的非差无电离层组合伪距观测值先验方差，
Figure FDA0002315784320000051
表示第n个GNSS卫星对应的基站b的非差无电离层组合伪距观测值先验方差，
Figure FDA0002315784320000052
表示第n个GNSS卫星对应的基站a的非差无电离层组合载波相位观测值先验方差，
Figure FDA0002315784320000053
表示第n个GNSS卫星对应的基站b的非差无电离层组合载波相位观测值先验方差。
7.根据权利要求6所述的基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法，其特征在于，所述根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的信号源坐标，以用于对所述目标飞行器信号源进行定位，包括：
根据接收目标飞行器信号源的基站对应的坐标信息，获取所述目标飞行器信号源的概略坐标；
将任一接收目标飞行器信号源的基站k作为参考基站，根据时差观测值和基站d坐标信息，d，k∈K，d≠k，构建观测方程：
Figure FDA0002315784320000054
其中，(xd,yd,zd)表示第d个基站的坐标信息，(x,y,z)表示目标飞行器信号源的坐标信息，c表示光速；Δtd表示当基站k为参考基站时，目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达第d个基站与参考基站k的时差；
根据接收目标飞行器信号源的基站总数K，构建K-1个观测方程，并根据泰勒级展开法和所述目标飞行器信号源的概略坐标，对K-1个观测方程进行求解，得到所述目标飞行器信号源的信号源坐标，以用于对所述目标飞行器信号源进行定位。
8.一种基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位系统，其特征在于，包括：
精密时间同步模块，基于GNSS精密时间，对多个基站进行时间同步处理，以使得所有基站之间的时间精密同步；
时差获取模块，用于根据时间精密同步后的基站中GNSS接收机中的时间，获取目标飞行器信号源对应各个基站的时差观测值，所述时差观测值为所述目标飞行器信号源发送的同一帧无线电信号到达各个基站的时差；
信号源定位模块，用于根据所述时差观测值，获取所述目标飞行器信号源的坐标，以用于对所述目标飞行器进行定位。
9.一种电子设备，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7任一项所述基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法的步骤。
10.一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7任一项所述基于GNSS精密时间同步的飞行器时差定位方法的步骤。
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