CN111045042A - 一种基于“云-端”架构的ppp-rtk增强方法与系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于“云‑端”架构的PPP‑RTK增强方法，首先全球范围内的海量高精度用户端进行PPP，在其位置收敛后，生成基于自身精确位置的空间改正信息(包括电离层改正数、对流层改正数)，并通过通信链路将其上传至“云”。然后在“云”统一智能化处理海量用户端的空间改正信息，生成网格化的空间改正参数，并利用低轨卫星向对应区域的用户播发空间改正信息。用户端利用收到的改正信息再次进行PPP，并将基于自身精密位置的空间改正信息上传至“云”，通过这样海量用户端智能演进的方式实现全球范围内的PPP‑RTK服务。本发明解决了传统PPP‑RTK服务需要大量建设地面监测站成本巨大且无法实现全球范围内广域的PPP‑RTK服务的问题。

Description

一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强方法与系统
技术领域
本发明属于卫星导航增强领域，涉及一种提高精密单点定位性能的系统和方法。
背景技术
在精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)发展过程中，传统的浮点解PPP技术首次收敛时间较长，后续发展的固定解PPP技术虽可在一定程度上提高定位精度并缩短首次收敛时间，但即使利用多系统的观测数据，固定解PPP技术的首次收敛时间仍然在十分钟左右，且信号失锁后需要的收敛时间与首次收敛时间几乎相同，这样的定位性能对于实时高精度、高动态领域的应用而言是难以接受的。因此基于低轨星座的全球导航增强系统成为卫星导航领域的研究热点，并且近年来低轨通信星座呈现井喷式的发展，国内外公司提出的Starlink、Oneweb、鸿雁星座等达到了数百颗～1万余颗，利用北斗/GNSS联合低轨卫星加速PPP收敛的研究也逐步开展。
利用北斗/GNSS卫星联合低轨卫星进行PPP时，由于在双频、多频的定位模型中，除了估计模糊度参数，还需要估计对流层延迟、电离层延迟等空间改正参数，这些是制约低轨卫星增强北斗/GNSS PPP瞬时收敛的主要因素。并且当低轨卫星数量较少时，利用低轨卫星增强北斗/GNSS PPP更加无法实现瞬时收敛，造成以上问题的主要原因是空间参数未知，从而影响了最终定位方程的收敛。为了克服这样的问题，目前的主要方法是采用PPP-RTK(Real Time Kinematic,RTK)体制，通过在地面布设大量的监测站，布设密度约为30～80公里，在此基础上对区域的空间信息进行监测并播放改正数，用于加速用户PPP的收敛。虽然PPP-RTK的加速用户收敛效果较好，但是要实现广域PPP-RTK服务，需要建设数量巨大的地面监测站，成本巨大，且难以实现全球范围内的覆盖。
发明内容
本发明解决的技术问题是：进一步缩短低轨卫星增强北斗/GNSS的定位收敛时间，避免全球范围内大量建站，提出了一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强系统与方法。通过海量用户不断智能演进实现全球范围的PPP-RTK服务，从而实现在低轨卫星增强北斗/GNSSPPP后，进一步缩短PPP的收敛时间。
本发明的技术解决方案是：一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强方法，包括如下步骤：
(1)全球范围内的海量用户端利用卫星导航系统进行单点定位，在其收敛后获得自身位置信息以及该位置对应的电离层延迟改正数、对流层延迟改正数；
(2)所述海量用户端通过通信链路，将所述自身的位置信息以及对应的电离层延迟改正数、对流层延迟改正数作为空间改正信息上传至“云”；
(3)在“云”基于海量的空间改正信息，进行内插生成网格化的空间改正信息；
(4)“云”生成的网格化的空间改正信息通过低轨卫星向对应区域的用户播发；
(5)用户端基于播发的空间改正信息更新自身的位置信息，在最终收敛后，在此基础上将该位置的空间改正信息通过通信链路再次上传至“云”；
(6)重复步骤(3)～(5)，通过这样海量用户端智能演进的方式，实现“云”端更高精度的网格化改正信息生成。
所述的电离层延迟改正数的获取方法为，采用公式
Figure BDA0002329165430000021
其中，
Figure BDA0002329165430000022
表示每个频率上的电离层延迟，
Figure BDA0002329165430000023
是包含了已经矫正了天线相位中心、天线相位中心变化、地球自转、相对论效应的卫星与用户之间的距离，
Figure BDA0002329165430000024
表示载波相位观测量，
Figure BDA0002329165430000025
表示对流层延迟，λj表示电磁波j的波长，fr,j表示接收机端的载波相位硬件偏差，
Figure BDA0002329165430000026
表示卫星端的载波相位硬件偏差，
Figure BDA0002329165430000027
表示模糊度，
Figure BDA0002329165430000031
表示载波相位的测量误差。
所述的对流层延迟改正数的获取方法为，采用公式
Figure BDA0002329165430000032
其中，
Figure BDA0002329165430000033
表示对流层延迟，
Figure BDA0002329165430000034
表示双频无电离层的载波相位观测量，
Figure BDA0002329165430000035
是包含了已经矫正了天线相位中心、天线相位中心变化、地球自转、相对论效应的卫星与用户之间的距离，λj表示电磁波j的波长，fr,j表示接收机端的载波相位硬件偏差，
Figure BDA0002329165430000036
表示卫星端的载波相位硬件偏差，
Figure BDA0002329165430000037
表示模糊度，
Figure BDA0002329165430000038
表示载波相位的测量误差。
所述的云端进行内插生成网格化的空间改正信息，具体为：
利用公式
Figure BDA0002329165430000039
计算得到内插系数，
式中，n为海量用户的数量，αi为内插系数，下标中的u表示网格化前的用户点，i表示网格化后的用户点，X表示的是本地平面坐标系下的坐标。
所述的“云”为包括低轨星座、导航星座、地面处理系统统一构建的数据互联互通的云平台。
所述步骤(2)中的通信链路为卫星通信链路、全球短报文或地面网络链路。
一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强系统，包括用户端、低轨星座、导航星座和云服务平台，其中：
用户端：利用导航星座进行单点定位，获得自身的位置信息以及对应的电离层延迟改正数、对流层延迟改正数并发送给云服务平台；基于新的空间改正信息更新自身的定位信息，并在此基础上重新获得在新位置下对应的空间改正信息上传至云服务平台；
云服务平台：基于海量的空间改正信息，进行内插生成网格化的空间改正信息，并通过低轨星座将网格化的空间改正信息向对应区域的用户客户端播发。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)区别于传统的PPP-RTK服务，本发明提出了利用全球范围内的海量用户进行PPP，并将其基于位置的空间改正信息智能化处理，避免了在全球范围内建站，同时能够利用海量用户实现全球范围的PPP-RTK服务。
(2)区别于传统的“云-端”服务器需要系统升级后才能实现性能升级的处理方式。本发明提出了智能演进“云-端”，用户接入数量越大，“云-端”不断智能演进提高系统的服务能力。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明方法的流程框图；
图3为本发明“云”处理的结果。
具体实施方式
本发明借鉴PPP-RTK的思想，利用已经精确估计自身位置的海量PPP用户，通过双向通信链路(卫星通信链路或全球短报文或地面网络链路)将已经估计出基于自身位置的空间改正信息传输到由低轨卫星组成的“云-端”，再由“云-端”进行空间建模生成空间改正模型和参数，并将空间改正参数和模型通过低轨卫星播发给用户，用户利用播发的空间改正信息和模型可以进一步缩短低轨卫星增强北斗/GNSS的精密单点定位的首次初始化时间。
本发明中，“云”是指借助于各类通信链路实现天地一体化数据共享的平台(主要包括低轨星座、导航星座、地面处理系统等统一构建)，“端”是指海量的高精度用户端。
如图1所示，为本发明方法的原理图。首先是全球范围内的海量高精度用户进行北斗/GNSS PPP，在其位置精确收敛后，生成基于其位置的空间改正信息(主要包括对流层延迟、电离层延迟的改正信息)。这些海量用户生成了基于自身位置的空间改正信息后，通过多种的通信方式(北斗短报文等)将其上传至“云”。然后在“云”统一智能化处理海量用户的空间改正信息，生成空间改正模型与参数，并利用低轨卫星向对应的用户播发对应的空间改正信息。用户利用播发的改正信息再次进行PPP，并将自身空间改正信息接入“云”，通过这样海量用户智能演进的方式实现全球范围内的PPP-RTK服务
如图2所示，为本发明方法的流程图，主要步骤如下：
步骤1，全球范围内海量高精度用户进行北斗/GNSS PPP
全球范围内的海量高精度用户进行北斗/GNSS PPP时，利用接收机的观测值进行定位，伪距观测量与载波相位观测量的方程可以表示为：
Figure BDA0002329165430000051
Figure BDA0002329165430000052
该方程中，
Figure BDA0002329165430000053
表示伪距观测量，
Figure BDA0002329165430000054
表示载波相位观测量，
Figure BDA0002329165430000055
是包含了已经矫正了天线相位中心、天线相位中心变化、地球自转、相对论效应的卫星与用户之间的距离，ts表示卫星的钟差，tr表示接收机的钟差，
Figure BDA0002329165430000056
表示每个频率上的电离层延迟，
Figure BDA0002329165430000057
表示对流层延迟，c表示光速，dr,j表示接收机端的伪距硬件延迟，
Figure BDA0002329165430000058
表示卫星端的伪距硬件延迟，
Figure BDA0002329165430000059
表示伪距的测量误差，λj表示电磁波j的波长，fr,j表示接收机端的载波相位硬件偏差，
Figure BDA00023291654300000510
表示卫星端的载波相位硬件偏差，
Figure BDA00023291654300000511
表示模糊度，
Figure BDA00023291654300000512
表示载波相位的测量误差。
用户利用观测值方程与各种矫正模型(矫正模型为PPP中的通用模型)，进行卡尔曼滤波，通过一定时间的观测累计，位置收敛得到精密坐标，利用该精密坐标和观测量可以求解出每个观测值上的高精度非差电离层延迟：
Figure BDA00023291654300000513
上式中的
Figure BDA00023291654300000514
同时可以是组合的波长，其他符号的含义与前述的符号含义相同，宽巷与窄巷的小数偏差会影响到电离层的延迟估计，但是由其误差引起的电离层偏差为系统偏差且不会影响电离层在空间域的建模，如果在系统端与用户端采用相同的处理策略，该误差则可完全忽略。同理，利用精密坐标和观测量可以求解出每个用户端的对流层延迟，计算该延迟的表达式为：
Figure BDA00023291654300000515
上式中的f为对应的解算得到的卫星端与接收机端的小数偏差，
Figure BDA00023291654300000516
表示对流层延迟，
Figure BDA0002329165430000061
表示双频无电离层的载波相位观测量，
Figure BDA0002329165430000062
是包含了已经矫正了天线相位中心、天线相位中心变化、地球自转、相对论效应的卫星与用户之间的距离，λj表示电磁波j的波长，fr,j表示接收机端的载波相位硬件偏差，
Figure BDA0002329165430000063
表示卫星端的载波相位硬件偏差，
Figure BDA0002329165430000064
表示模糊度，
Figure BDA0002329165430000065
表示载波相位的测量误差。
步骤2，海量用户通过北斗短报文等方式将基于自身位置的空间改正信息上传至“云-端”。
在步骤1中，海量的用户利用PPP得到自身的精确位置后，利用步骤1中的公式与原理，计算出基于自身位置的空间改正信息，步骤2将这些信息与自身的位置坐标上传至“云-端”。
这里的“云”主要包括低轨星座、导航星座、地面处理系统等统一构建的数据互联互通的“云”平台。
步骤3“云”统一智能化处理海量用户的空间改正信息，并利用低轨卫星向用户播发空间改正信息
在步骤2中，将海量的信息上传至“云”，步骤3统一智能化处理这些海量信息。
“云”利用各海量用户上传的基于位置的空间改正信息，通过精确内插来生成网格化的空间改正信息。“云”处理的主要流程是：首先原始的海量位置的信息是杂乱无序的，如果不处理此类数据直接播发会增加下行链路的压力，然后针对每一个网格化的点，利用已有的原始数据进行插值，最后循环该过程生成最终的网格化信息，附图3是对该过程的图形化表示。
Figure BDA0002329165430000066
上式中，n为海量用户的数量，αi为内插系数，下标中的u和i分别表示网格化的点与海量的用户，X表示的是本地平面坐标系下的坐标，Min是要保证内插系数最小，主要是保证被差值的点距离已知点距离最近。
利用该公式，逐历元生成非差的空间改正信息。为了防止由于信息传播中延迟影响定位的实时性，需要对内插后的网格化空间改正信息进行短期内的预报。“云-端”处理好网格化的空间改正信息后，利用低轨卫星面向对应区域的用户播发这样的网格化空间改正信息。
步骤4“云-端”智能演进实现全球范围内的PPP-RTK服务
利用低轨卫星播发的空间改正信息完成定位后的用户端，继续接入“云”，将基于自身位置的空间改正信息再次上传至“云”，“云”继续智能化处理这些海量信息，接入的用户数量越多，形成的网格空间改正信息越精确，最终形成智能演进“云-端”系统。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)全球范围内的海量用户端利用卫星导航系统进行单点定位，在其收敛后获得自身位置信息以及该位置对应的电离层延迟改正数、对流层延迟改正数；
(2)所述海量用户端通过通信链路，将所述自身的位置信息以及对应的电离层延迟改正数、对流层延迟改正数作为空间改正信息上传至“云”；
(3)在“云”基于海量的空间改正信息，进行内插生成网格化的空间改正信息；
(4)“云”生成的网格化的空间改正信息通过低轨卫星向对应区域的用户播发；
(5)用户端基于播发的空间改正信息更新自身的位置信息，在最终收敛后，在此基础上将该位置的空间改正信息通过通信链路再次上传至“云”；
(6)重复步骤(3)～(5)，通过这样海量用户端智能演进的方式，实现“云”端更高精度的网格化改正信息生成。
2.根据权利要求1所述的一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强方法，其特征在于：所述的电离层延迟改正数的获取方法为，采用如下公式计算
Figure FDA0002329165420000011
其中，
Figure FDA0002329165420000012
表示每个频率上的电离层延迟，
Figure FDA0002329165420000013
是包含了已经矫正了天线相位中心、天线相位中心变化、地球自转、相对论效应的卫星与用户之间的距离，
Figure FDA0002329165420000014
表示载波相位观测量，
Figure FDA0002329165420000015
表示对流层延迟，λj表示电磁波j的波长，fr,j表示接收机端的载波相位硬件偏差，
Figure FDA0002329165420000016
表示卫星端的载波相位硬件偏差，
Figure FDA0002329165420000017
表示模糊度，
Figure FDA0002329165420000018
表示载波相位的测量误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强方法，其特征在于：所述的对流层延迟改正数的获取方法为，采用如下公式计算
Figure FDA0002329165420000021
其中，Ti k表示对流层延迟，
Figure FDA0002329165420000022
表示双频无电离层的载波相位观测量，
Figure FDA0002329165420000023
是包含了已经矫正了天线相位中心、天线相位中心变化、地球自转、相对论效应的卫星与用户之间的距离，λj表示电磁波j的波长，fr,j表示接收机端的载波相位硬件偏差，
Figure FDA0002329165420000024
表示卫星端的载波相位硬件偏差，
Figure FDA0002329165420000025
表示模糊度，
Figure FDA0002329165420000026
表示载波相位的测量误差。
4.根据权利要求1所述的一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强方法，其特征在于：所述的云端进行内插生成网格化的空间改正信息，具体为：
利用公式
Figure FDA0002329165420000027
计算得到内插系数，
式中，n为海量用户端的数量，αi为内插系数，下标中的u表示网格化前的用户点，i表示网格化后的用户点，X表示的是本地平面坐标系下的坐标。
5.根据权利要求1所述的一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强方法，其特征在于：所述的“云”为包括低轨星座、导航星座、地面处理系统统一构建的数据互联互通的云平台。
6.根据权利要求1所述的一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强方法，其特征在于：所述步骤(2)中的通信链路为卫星通信链路、全球短报文或地面网络链路。
7.一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强系统，其特征在于：包括用户端、低轨星座、导航星座和云服务平台，其中：
用户端：利用导航星座进行单点定位，获得自身的位置信息以及对应的电离层延迟改正数、对流层延迟改正数并发送给云服务平台；基于新的空间改正信息更新自身的定位信息，并在此基础上重新获得在新位置下对应的空间改正信息上传至云服务平台；
云服务平台：基于海量的空间改正信息，进行内插生成网格化的空间改正信息，并通过低轨星座将网格化的空间改正信息向对应区域的用户客户端播发。
8.根据权利要求1所述的一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强系统，其特征在于：所述的电离层延迟改正数的获取方法为，采用如下公式计算
Figure FDA0002329165420000031
其中，
Figure FDA0002329165420000032
表示每个频率上的电离层延迟，
Figure FDA0002329165420000033
是包含了已经矫正了天线相位中心、天线相位中心变化、地球自转、相对论效应的卫星与用户之间的距离，
Figure FDA0002329165420000034
表示载波相位观测量，
Figure FDA0002329165420000035
表示对流层延迟，λj表示电磁波j的波长，fr,j表示接收机端的载波相位硬件偏差，
Figure FDA0002329165420000036
表示卫星端的载波相位硬件偏差，
Figure FDA0002329165420000037
表示模糊度，
Figure FDA0002329165420000038
表示载波相位的测量误差。
9.根据权利要求1所述的一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强系统，其特征在于：所述的对流层延迟改正数的获取方法为，采用如下公式计算
Figure FDA0002329165420000039
其中，Ti k表示对流层延迟，
Figure FDA00023291654200000310
表示双频无电离层的载波相位观测量，
Figure FDA00023291654200000311
是包含了已经矫正了天线相位中心、天线相位中心变化、地球自转、相对论效应的卫星与用户之间的距离，λj表示电磁波j的波长，fr,j表示接收机端的载波相位硬件偏差，
Figure FDA00023291654200000312
表示卫星端的载波相位硬件偏差，
Figure FDA00023291654200000313
表示模糊度，
Figure FDA00023291654200000314
表示载波相位的测量误差。
10.根据权利要求1所述的一种基于“云-端”架构的PPP-RTK增强系统，其特征在于：所述的基于海量的空间改正信息，进行内插生成网格化的空间改正信息，具体为：
利用公式
Figure FDA00023291654200000315
计算得到内插系数，
式中n为海量用户端的数量，αi为内插系数，下标中的u表示网格化前的用户点，i表示网格化后的用户点，X表示的是本地平面坐标系下的坐标。
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