CN111352137B - 一种顾及广播星历误差的多模gnss异步rtk定位方法 - Google Patents

一种顾及广播星历误差的多模gnss异步rtk定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种顾及广播星历误差的多模GNSS异步RTK定位方法，首先参考精密星历和精密钟差评定异步RTK模型中每颗卫星的广播星历轨道误差和钟差误差在通信延迟时间内变化的统计值；然后，将这些统计值作为附加产品添加到RTCM差分信号格式文件中，播发给RTK终端设备；其次，用户在接收到广播星历轨道误差和钟差在通信延迟时间变化的统计值后，结合终端RTK定位时的差分数据龄期(通信延迟)优化计算每颗卫星的随机模型误差，然后再利用双差观测值模型进行多模GNSS异步RTK定位解算，从而提高终端RTK的定位效果。

Description

一种顾及广播星历误差的多模GNSS异步RTK定位方法
技术领域
本发明属于GNSS导航定位技术领域，特别涉及一种顾及广播星历误差的多模GNSS异步RTK定位方法。
背景技术
实时动态差分(RTK)技术是实时高精度全球卫星导航定位系统(GNSS)应用中使用最为广泛的厘米级定位技术，RTK终端一般是通过无线网络接入高精度GNSS服务产品/基准站数据。在实际应用中不可避免会发生通信延迟或中断的情况，当基准站数据发生延迟时，为了获得流动站当前时刻的位置，终端必须使用基准站的历史观测值，此时，基准站和流动站的数据是异步的，称为异步RTK。RTK终端一般是基于广播星历，异步双差观测值中的广播星历轨道和钟差误差难以消除，RTK定位效果会随着通信延迟的增长而显著下降。GNSS系统已经从80年代的单GPS发展为如今的GPS/GLONASS/BDS/Galileo四大卫星导航定位系统。在进行异步RTK定位时，由于不同系统轨道类型和卫星钟特性的差异，不同广播星历误差在同样的通信延迟时间内会呈现明显的差异，因此采用多模GNSS异步RTK定位时需考虑不同卫星广播星历误差差异的影响。
发明内容
针对上述问题，本文提出一种顾及广播星历误差的多模GNSS异步RTK定位方法，通过评定GPS/GLONASS/BDS/Galileo卫星的广播星历误差在通信延迟时间的变化优化多模GNSS异步RTK定位的随机模型，提高多模GNSS异步RTK的定位精度及可靠性。
本发明首先参考精密星历和精密钟差评定异步RTK模型中每颗卫星的广播星历轨道误差和钟差误差在通信延迟时间内变化的统计值；然后，将这些统计值作为附加产品添加到RTCM差分信号格式文件中，播发给RTK终端设备；其次，用户在接收到广播星历轨道误差和钟差在通信延迟时间变化的统计值后，结合终端RTK定位时的差分数据龄期(通信延迟)优化计算每颗卫星的随机模型误差，然后再利用双差观测值模型进行多模GNSS异步RTK定位解算，从而提高终端RTK的定位效果。
本发明的具体技术方案如下：
一种顾及广播星历误差的多模GNSS异步RTK定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：参考精密星历和精密钟差，评定不同卫星的广播星历误差在通信延迟时间内变化的统计值，并将这些值发送给用户；其中时刻ti某卫星广播星历轨道和钟差误差在通信延迟dt时间内的变化值计算公式如下：
Figure BDA0002466934190000021
式中Δr(ti)、Δa(ti)、Δc(ti)分别表示广播星历轨道在时刻ti的径向、切向和法向误差，Δclk(ti)表示卫星钟差在时刻ti的误差，Δr(ti+dt)、Δa(ti+dt)、Δc(ti+dt)分别表示广播星历轨道在时刻ti+dt的径向、切向和法向误差，Δclk(ti+dt)表示卫星钟差在时刻ti+dt的误差，其中广播星历的轨道和钟差误差是以精密星历为参考计算的；
Δr(ti,ti+dt)、Δa(ti,ti+dt)、Δc(ti,ti+dt)和Δclk(ti,ti+dt)分别表示广播星历轨道径向、切向、法向以及卫星钟差误差从时刻ti到时刻ti+dt的变化值；卫星的广播星历轨道误差和钟差误差在通信延迟时间内变化的RMS统计值可用以下公式计算：
Figure BDA0002466934190000022
其中N表示采样点的总个数；σr(dt)、σa(dt)、σc(dt)、σclk(dt)分别表示广播星历轨道径向、切向、法向以及卫星钟差误差在dt通信延迟时间内变化的RMS统计结果；
步骤2：将步骤1评定的GPS/GLONASS/BDS/Galileo每颗卫星在特定通信延迟时间的广播星历轨道误差以及钟差误差变化的统计值进行编码，并作为附加产品添加到RTCM格式文件中，播发给用户端；
步骤3：用户端根据接收到的广播星历轨道或者钟差误差在给定通信延迟时间内的变化统计值计算优化后的异步RTK随机模型中卫星观测值的先验误差
Figure BDA0002466934190000031
Figure BDA0002466934190000032
Figure BDA0002466934190000033
Figure BDA0002466934190000034
是接收机端观测值的噪声，根据卫星高度角确定；
Figure BDA0002466934190000035
是指空间信号测距误差；ωr、ωa、ωc分别表示轨道径向、切向、法向误差在卫星测距信号方向的投影系数；
步骤4：异步RTK参数估计，在步骤3确定了异步RTK定位的随机模型后，结合函数模型
y＝Aa+Bb+ε (5)
用卡尔曼滤波或者序贯最小二乘估计模糊度、坐标参数；其中a是双差模糊度参数向量，b是坐标等实参数向量；A、B是与之对应的系数矩阵；y是多模GNSS卫星的双差观测值向量，包括载波相位和伪距和观测值，ε是随机噪声向量；
步骤5：RTK固定解更新，在求解出模糊度浮点向量后固定双差模糊度，然后利用条件最小二乘/卡尔曼滤波更新即可得到RTK的固定解坐标。
上述顾及广播星历误差的多模GNSS异步RTK定位方法中，步骤2中将和通信延迟时间相关的广播星历轨道和钟差误差作为附加产品添加到RTCM格式文件中，将GPS，GLONASS，BDS，Galileo等系统所有卫星的广播星历轨道径向、切向和法向误差和卫星钟差误差在指定通信延迟时间内变化的统计值编码后发送给用户。
本发明的有益技术效果如下：
本发明给出了一种GNSS异步RTK模型中与通信延迟相关的广播星历轨道和钟差误差的评估方法，定量计算GPS/GLONASS/BDS/Galileo卫星的广播星历误差在特定通信延迟时间变化的统计值并播发给用户，通过充分考虑不同GNSS卫星广播星历误差变化的差异性，为异步RTK定位模型多模GNSS卫星观测值分配更为合理的权重，进而降低广播星历误差变化较大的卫星对异步RTK的定位不良影响，克服了GNSS RTK定位在通信短时中断/延迟等情况下定位精度低、可靠性差的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
图2为本发明GNSS卫星广播星历轨道径向误差随通信延迟时间变化的统计结果。
图3为本发明GNSS卫星广播星历钟差误差随通延迟信时间变化的统计结果。
图4为本发明不同时间段GNSS卫星广播星历误差在15秒延迟时间内变化的统计结果。
图5为本发明多模GNSS异步RTK随机模型优化前和优化后的比对效果说明图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。参见图1，实施例的各步骤具体实现如下：
一、计算广播星历误差在通信延迟时间内变化的统计值
对于同步观测值，基准站和流动站对应的卫星发射时刻非常接近，由于广播星历轨道误差和钟差误差具有较强的时间相关性，因而站间做差后广播星历轨道误差和钟差误差基本可以消除；然而对于异步观测值，基准站和流动站对应的卫星发射时刻相差较大，站间做差后广播星历误差难以消除，此外不同系统不同卫星的广播星历误差在同样的通信延迟时间内的变化可能存在明显差异。通过参考精密星历和精密钟差，可以评定不同卫星的广播星历误差在通信延迟时间内变化的统计值，并将这些值发送给用户。需要说明的，不同时段的广播星历误差在给定通信延迟时间内的变化统计值具有一致性，因此，我们无需实时计算异步RTK模型的广播星历误差，当卫星更新或者广播星历出现异常时不定期更新与通信延迟时间相关的广播星历误差即可。
某时刻ti卫星广播星历轨道和钟差误差在通信延迟dt时间内的变化值计算公式如下：
Figure BDA0002466934190000051
式中Δr(ti)、Δa(ti)、Δc(ti)分别表示广播星历轨道在时刻ti的径向、切向和法向误差，Δclk(ti)表示卫星钟差在时刻ti的误差，Δr(ti+dt)、Δa(ti+dt)、Δc(ti+dt)和广播星历轨道在时刻ti+dt的径向、切向和法向误差，Δclk(ti+dt)表示卫星钟差在时刻ti+dt的误差，广播星历的轨道和钟差误差是以精密星历为参考计算的；
Δr(ti,ti+dt)、Δa(ti,ti+dt)、Δc(ti,ti+dt)和Δclk(ti,ti+dt)分别表示广播星历轨道径向、切向、法向以及卫星钟差误差从时刻ti到时刻ti+dt的变化值；卫星的广播星历轨道误差或者钟差误差在通信延迟dt时间内变化的统计值σ可用以下公式计算：
Figure BDA0002466934190000052
其中N表示采样点的总个数。
二、生成RTCM格式文件
附加产品包括和通信延迟时间相关的广播星历轨道或者钟差误差产品。主要包括广播星历轨道径向、切向、法向误差以及钟差误差在指定通信延迟时间内(如1s、2s.....30s)的变化统计值。
具体实施时，本领域技术人员可自行指定广播星历轨道、钟差误差在通信延迟时间内变化的统计值σ的传播方式。本发明提出一种改进的RTCM格式文件，将广播星历轨道和钟差误差在通信延迟时间内变化的统计值作为附加产品添加到RTCM数据流中，如表1所示。把该RTCM格式文件播发给RTK终端定位用户。用户可以根据当前定位时刻的差分数据龄期计算每颗卫星的广播星历轨道误差和钟差误差。
表1 广播星历误差在通信延迟时间内变化的统计值
电文号 Message NO. Bits(10)
卫星系统 System type Bits(3)
卫星号 PRN Bits(6)
通信延迟时间 t<sub>d</sub> Bits(6)
轨道径向 σ<sub>r</sub>(t<sub>d</sub>) Bits(8)
轨道切向 σ<sub>a</sub>(t<sub>d</sub>) Bits(8)
轨道法向 σ<sub>c</sub>(t<sub>d</sub>) Bits(8)
卫星钟差 σ<sub>clk</sub>(t<sub>d</sub>) Bits(8)
格式说明：第1行是RTCM的电文号，在实际使用中可自定义，应区别于现有的电文号；第2行是系统类型，包括GPS，GLONASS，BDS，Galileo等；第3行是卫星的PRN号；第4行是通信延迟时间，单位是秒，其范围可以设定为1-30秒；第5到7行分别是广播星历卫星轨道径向、切向和法向误差在指定通信延迟时间内变化的统计值，单位是毫米(mm)；第5到7行分别是广播星历钟差误差在指定通信延迟时间内变化的统计值，单位是毫米(mm)；第3列是不同字段所占用的比特数，在实际使用中可适当调整。
三、用户进行RTK定位
当用户接受到基准站的观测值以及和通信延迟时间相关的广播星历轨道和钟差误差后，即可计算优化后的异步RTK随机模型中的某颗卫星观测值先验误差
Figure BDA0002466934190000061
Figure BDA0002466934190000062
Figure BDA0002466934190000063
传统RTK随机模型中的先验误差仅包含
Figure BDA0002466934190000064
是接收机端观测值的噪声，一般根据卫星高度角确定；
Figure BDA0002466934190000065
是指空间信号测距误差，主要包括广播星历轨道和钟差误差，异步RTK模型中，这项误差主要和差分数据龄期/通信延迟时间dt相关；公式(4)给出了异步RTK模型中空间信号误差的计算方法，其中ωr，ωa，ωc分别表示轨道径向、切向、法向误差在卫星测距信号方向的投影系数。根据公式(3)和(4)即可计算出多模GNSS异步RTK模型中每颗卫星观测值的等效随机误差。
在确定了异步RTK定位的随机模型后，结合函数模型
y＝Aa+Bb+ε (5)
即可用卡尔曼滤波或者序贯最小二乘估计模糊度、坐标参数等。其中a是双差双差模糊度参数向量，b是坐标等实参数向量等；A、B是与之对应的系数矩阵；y是双差观测值向量，包括载波相位和伪距和观测值，ε是随机噪声向量。
在求解出模糊度浮点向量及其方差协方差阵后，可以用LAMBDA方法等固定双差模糊度，然后利用条件最小二乘更新即可得到RTK的固定解坐标。
图2和图3给出了几颗GPS/BDS/GLONASS/Galileo卫星在特定通信延迟时间(1-15s)内广播星历径向误差以及钟差误差变化的RMS统计值结果,从图中可以看出随着通信延迟时间的增长广播星历误差变化的统计值逐渐变大，但是不同GNSS卫星在同样的通信延迟时间内广播星历径向以及钟差误差变化的RMS统计值差异较大，因此根据不同GNSS卫星广播星历的误差变化优化多模GNSS异步RTK的随机模型显得尤为必要。
图4是根据不同天的星历数据评估的几颗GNSS卫星在15秒通信延迟内广播星误差变化的RMS统计结果，从图中可以看出不同天的广播星历误差在给定通信延迟时间内变化的统计值较为一致，因此，在实际操作中无需实时评估异步RTK模型的广播星历误差，当卫星更新或者广播星历出现异常时不定期更新与通信延迟时间相关的广播星历误差即可。
图5是某超短基线多模GNSS异步RTK随机模型优化前和优化后的定位误差结果，异步RTK差分数据龄期为0-15s，从图中可以看出随机模型优化后多模GNSS异步RTK的定位精度有了显著提升。随机模型优化前东(E)、北(N)、高(U)方向误差的标准差(STD)分别为1.2,1.2和2.4cm，随机模型优后三个方向的STD分别为0.6、1.0和1.5cm，在东方向和高程方向定位误差显著降低。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种顾及广播星历误差的多模GNSS异步RTK定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：参考精密星历和精密钟差，评定不同卫星的广播星历误差在通信延迟时间内变化的统计值，并将这些值发送给用户；其中时刻ti某卫星广播星历轨道和钟差误差在通信延迟dt时间内的变化值计算公式如下：
Figure FDA0003168792000000011
式中Δr(ti)、Δa(ti)、Δc(ti)分别表示广播星历轨道在时刻ti的径向、切向和法向误差，Δclk(ti)表示卫星钟差在时刻ti的误差，Δr(ti+dt)、Δa(ti+dt)、Δc(ti+dt)分别表示广播星历轨道在时刻ti+dt的径向、切向和法向误差，Δclk(ti+dt)表示卫星钟差在时刻ti+dt的误差，其中广播星历的轨道和钟差误差是以精密星历为参考计算的；
Δr(ti,ti+dt)、Δa(ti,ti+dt)、Δc(ti,ti+dt)和Δclk(ti,ti+dt)分别表示广播星历轨道径向、切向、法向以及卫星钟差误差从时刻ti到时刻ti+dt的变化值；卫星的广播星历轨道误差和钟差误差在通信延迟时间内变化的RMS统计值采用以下公式计算：
Figure FDA0003168792000000012
其中N表示采样点的总个数；σr(dt)、σa(dt)、σc(dt)、σclk(dt)分别表示广播星历轨道径向、切向、法向以及卫星钟差误差在dt通信延迟时间内变化的RMS统计结果；
步骤2：将步骤1评定的GPS/GLONASS/BDS/Galileo每颗卫星在特定通信延迟时间的广播星历轨道误差以及钟差误差变化的统计值进行编码，并作为附加产品添加到RTCM格式文件中，播发给用户端；
步骤3：用户端根据接收到的广播星历轨道或者钟差误差在给定通信延迟时间内的变化统计值计算优化后的异步RTK随机模型中卫星观测值的先验误差
Figure FDA0003168792000000021
Figure FDA0003168792000000022
Figure FDA0003168792000000023
Figure FDA0003168792000000024
是接收机端观测值的噪声，根据卫星高度角确定；
Figure FDA0003168792000000025
是指空间信号测距误差；ωr、ωa、ωc分别表示轨道径向、切向、法向误差在卫星测距信号方向的投影系数；
步骤4：异步RTK参数估计，在步骤3确定了异步RTK定位的随机模型后，结合函数模型
y＝Aa+Bb+ε (5)
用卡尔曼滤波或者序贯最小二乘估计模糊度、坐标参数；其中a是双差模糊度参数向量，b是坐标等实参数向量；A、B是与之对应的系数矩阵；y是多模GNSS卫星的双差观测值向量，包括载波相位和伪距的观测值，ε是随机噪声向量；
步骤5：RTK固定解更新，在求解出模糊度浮点向量后固定双差模糊度，然后利用条件最小二乘/卡尔曼滤波更新即可得到RTK的固定解坐标。
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