CN111638535B - 一种用于gnss实时精密单点定位的混合模糊度固定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于GNSS实时精密单点定位的混合模糊度固定方法，属于卫星导航定位领域。针对实时应用场景下LAMBDA固定解可靠性不高、最优整数等变(Best Integer Equivariant，BIE)估计器固定效果强依赖于浮点模糊度精度等问题，提出一种依据判定条件在不同固定解之间自适应切换的精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)模糊度固定混合策略，以融合不同模糊度固定方法的优点并弥补相应的不足；适用于实时场景的稳定、可靠的PPP模糊度混合固定策略。

Description

一种用于GNSS实时精密单点定位的混合模糊度固定方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位领域，具体涉及一种用于GNSS实时精密单点定位的混合模糊度固定方法。

背景技术

PPP概念是由美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的Zumberge等人于1997年率先提出并实现和应用在GPS精密定位中，旨在灵活高效地处理海量的全球永久性GPS跟踪站数据，提供全球范围内的高精度绝对位置信息。PPP的实现分为两步：服务端通过全球跟踪网估计得到精密卫星轨道和钟差信息；用户端固定卫星轨道和钟差，在严密地考虑各类误差精确改正的基础上，采用合理的参数估计策略(如最小二乘或Kalman滤波)，同时求解用户坐标、接收机钟差、对流层延迟、电离层延迟和载波相位模糊度等参数，可在全球范围内获得厘米到分米级的定位精度。PPP技术避免了相对定位(如RTK)中不同测站数据由于差分而导致的相关性问题，数据处理可采用逐测站处理的方式，时间复杂度随测站个数线性增长，计算效率高，在实施中无须基准站，操作灵活方便；在定位性能方面，PPP服务范围为全球，精度与主流相对定位精度相当；此外，PPP还可以获取接收机钟差、测站对流层和电离层延迟信息，因而在授时、水汽监测和电离层建模与反演等领域具有重要的应用价值。

PPP模糊度固定是获取高精度PPP参数解的前提。而实现PPP模糊度固定的关键是将载波相位模糊度与相位小数周偏差(Fractional Cycle Bias，FCB)有效分离，恢复模糊度的整数特性。为实现该目标，国内外学者做了大量的研究工作，主要方法可分为三类：星间单差模型、整数相位钟模型与钟差解耦模型。已有学者理论推导论证了三类方法的等价性，并基于全球GNSS数据解算结果分析表明采用这三类方法得到的PPP模糊度固定解精度基本相当。基于上述方法，后续的PPP模糊度固定研究做了相应的改进与扩展，从单差到非差，从无电离层组合到非组合PPP模型，从单GPS系统到多星座GNSS，从双频到多频PPP模糊度固定等。

目前大部分PPP模糊度固定的研究与应用是利用LAMBDA降相关搜索方法实现，但该方法在复杂环境下(如实时跑车、城市遮挡环境等)存在可靠性与效率不高等问题，为获得可靠的模糊度固定解，需要实施更为复杂的质量控制与检核策略。除了LAMBDA方法，有学者将最优整数等变(Best Integer Equivariant，BIE)估计器用于后处理PPP模糊度固定，取得了不错的效果，但BIE固定效果强依赖于浮点模糊度的估计精度，尚未有研究论证其用于实时PPP模糊度固定的效果。由此可见，各类模糊度固定方法都有其优势与不足，如何整合各类方法优势的同时避免相应的不足，对于提高复杂环境下模糊度固定解的可靠性、可用性显得尤为重要。

针对实时应用场景下LAMBDA固定解可靠性不高、BIE固定效果强依赖于浮点模糊度精度等问题，提出一种依据判定条件在不同固定解之间自适应切换的PPP模糊度固定混合策略，以融合不同模糊度固定方法的优点并弥补相应的不足。研究模糊度固定前后对其它参数(如位置、接收机钟差等)的影响分析以确定最优切换策略，建立一套针对该混合策略的模糊度固定可靠性检验机制。如何充分高效地利用不同的固定解，构建合理的切换判定条件并赋予理论解释，实现不同固定解的自适应切换以获取最优固定解，是本发明拟解决的PPP模糊度固定的关键技术难点，具有重要的科研和工程应用价值。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于GNSS实时精密单点定位的混合模糊度固定方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于GNSS实时精密单点定位的混合模糊度固定方法，包括如下步骤：

步骤1：数据准备；

获取卫星精密轨道、钟差实时改正数及相位、码偏差实时产品、GNSS监测站实时流观测数据；

步骤2：构建无电离层组合PPP(Precise Point Positioning，精密单点定位)模型；

步骤2.1：非差非组合GNSS原始双频伪距与载波观测方程能够表示为如(1)所示：

式中，上标s表示卫星标识符；下标r表示接收机标识符；

表示伪距观测值；

表示载波观测值；c为真空中光速；dt_r表示接收机钟差；dt^s表示卫星钟差；

为接收机与卫星的视线方向对流层延迟；

为第一频率上接收机与卫星的视线方向电离层延迟；

为电离层频率因子，f为载波频率；b_r为接收机端伪距硬件延迟；b^s为卫星端伪距硬件延迟；B_r和B^s为相应的载波相位硬件延迟；

为载波相位整周模糊度；λ为载波相位波长；

表示伪距观测噪声和其它非模型化误差的综合；

表示载波相位多路径效应和其它非模型化误差的综合；

步骤2.2：为消除一阶电离层延迟项

需对第一频率的观测值和二频率的观测值进行如(2)所示线性组合：

式中，α、β为组合系数；

步骤2.3：无电离层组合GNSS伪距与载波观测方程表达式如(3)所示：

式中，IF表示无电离层组合标识符；

表示伪距的无电离层组合观测量；

表示载波的无电离层组合观测量；b_r,IF为无电离层组合的接收机端伪距硬件延迟；

为无电离层组合的卫星端伪距硬件延迟；B_r,IF和

为相应的载波相位硬件延迟；

为无电离层组合的载波相位浮点模糊度；λ_IF为无电离层组合的载波相位波长；

表示无电离层组合的伪距观测噪声和其它非模型化误差的综合；

表示无电离层组合的载波相位多路径效应和其它非模型化误差的综合；

利用外部精密卫星钟差产品，对(3)式的卫星钟差参数进行改正，如(4)所示：

其中，

式中，

为重新参数化后的接收机钟差；

为载波相位模糊度参数；

因为

为浮点数，不具备整数特性，无法直接对其进行整数固定，为实现PPP模糊度固定，将(4)式的无电离层组合载波相位模糊度分解为宽巷整数模糊度

和窄巷浮点模糊度

的组合，如(6)所示：

式中，f₁为第一载波相位频率；f₂为第二载波相位频率；

步骤3：宽巷模糊度固定；具体包括如下步骤：

步骤3.1：通过形成宽巷组合观测值得到宽巷模糊度，如(7)所示：

式中，

表示宽巷浮点模糊度；λ_WL为宽巷波长，对于GPS来说，为86.2cm；d_r,WL为接收机端宽巷FCB(Fractional Cycle Bias，相位小数周偏差)；

为卫星端宽巷FCB(Fractional Cycle Bias，相位小数周偏差)；

步骤3.2：选取高度角最高的卫星为参考星，采用卫星间单差法消掉接收机端宽巷FCB，利用外部提供的卫星实时FCB产品改正掉卫星端宽巷FCB，通过取整法对宽巷模糊度进行固定；

步骤4：窄巷模糊度固定；具体包括如下步骤：

步骤4.1：利用固定的宽巷整数模糊度和无电离层组合相位模糊度，重构出窄巷浮点模糊度，如(8)所示：

式中，

表示窄巷浮点模糊度；d_r,NL为接收机端窄巷FCB；

为卫星端窄巷FCB；

步骤4.2：选取高度角最高的卫星为参考星，采用卫星间单差法消掉接收机端窄巷FCB，利用外部提供的卫星实时FCB产品改正掉卫星端窄巷FCB，提取不同固定方法(如LAMBDA、BIE法)得到的滤波解中位置参数对应的协因素阵，利用协因素阵的对角线元素和最小值，来判定选取哪种模糊度固定解的结果作为最优解输出；

步骤5：PPP模糊度固定解输出；

将固定的宽巷模糊度代入(6)式中，将固定的窄巷模糊度作为伪观测值约束(6)式中的窄巷模糊度参数，更新滤波解即得到模糊度固定的PPP参数解。

本发明所带来的有益技术效果：

针对实时应用场景下LAMBDA固定解可靠性不高、最优整数等变(Best IntegerEquivariant，BIE)估计器固定效果强依赖于浮点模糊度的精度等问题，提出一种依据判定条件在不同固定解之间自适应切换的精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)模糊度固定的混合策略，以融合不同模糊度固定方法的优点并弥补相应的不足；适用于实时场景的稳定、可靠的PPP模糊度混合固定策略。

附图说明

图1为PPP模糊度固定的混合策略处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

从PPP解算结果提取浮点模糊度及其对应的协因素阵，首先选取比较成熟的模糊度固定方法，如LAMBDA和BIE，做PPP模糊度固定的混合策略研究(如图1所示)，在不损失过多计算效率的基础上，可以考虑将更多的模糊度固定方法纳入进来。LAMBDA固定解选用国内外主流的模糊度固定检验方法，需要注意的是，在实时应用场景下，PPP模糊度固定易受未模型化偏差或误差的影响，因此Ratio值普遍偏低，可考虑采用部分模糊度固定的策略，并结合Bootstrapping成功率、ADOP(Ambiguity Dilution of Precision)值等对实时PPP模糊度固定实施质量控制。BIE方法的实现涉及最优备选集的确定，可有效提升计算效率，另外可以考虑对浮点模糊度做Z变换处理(图1中虚线框表示该项为可选)，以加快搜索备选集的效率。混合策略实现的关键是确定不同模糊度固定解自适应切换的判定条件，基于后处理和实时场景的数据处理，研究PPP模糊度固定前后对其它解算参数(如位置、接收机钟差等)的影响分析以确定最优切换策略。需要注意的是，当出现LAMBDA方法无法固定的情况时，应考虑切换至BIE固定解以判定是否将其作为最优模糊度固定解输出。

一种用于GNSS实时精密单点定位的混合模糊度固定方法，包括如下步骤：

步骤1：数据准备；

获取卫星精密轨道、钟差实时改正数及相位、码偏差实时产品、GNSS监测站实时流观测数据；

步骤2：构建无电离层组合PPP(Precise Point Positioning，精密单点定位)模型；

步骤2.1：非差非组合GNSS原始双频伪距与载波观测方程可表示为如(1)所示：

式中，上标s表示卫星标识符；下标r表示接收机标识符；

表示伪距观测值；

表示载波观测值；c为真空中光速；dt_r表示接收机钟差；dt^s表示卫星钟差；

为接收机与卫星的视线方向对流层延迟；

为第一频率上接收机与卫星的视线方向电离层延迟；

为电离层频率因子，f为载波频率；b_r为接收机端伪距硬件延迟；b^s为卫星端伪距硬件延迟；B_r和B^s为相应的载波相位硬件延迟；

为载波相位整周模糊度；λ为载波相位波长；

表示伪距观测噪声和其它非模型化误差的综合；

表示载波相位多路径效应和其它非模型化误差的综合；

步骤2.2：为消除一阶电离层延迟项

需对第一、二频率的观测值进行如(2)所示线性组合：

式中，α、β为组合系数；

步骤2.3：无电离层组合GNSS伪距与载波观测方程表达式如(3)所示：

式中，IF表示无电离层组合标识符；

表示伪距的无电离层组合观测量；

表示载波的无电离层组合观测量；b_r,IF为无电离层组合的接收机端伪距硬件延迟；

为无电离层组合的卫星端伪距硬件延迟；B_r,IF和

为相应的载波相位硬件延迟；

为无电离层组合的载波相位浮点模糊度；λ_IF为无电离层组合的载波相位波长；

表示无电离层组合的伪距观测噪声和其它非模型化误差的综合；

表示无电离层组合的载波相位多路径效应和其它非模型化误差的综合；

利用外部精密卫星钟差产品，对(3)式的卫星钟差参数进行改正，如(4)所示：

其中，

式中，

为重新参数化后的接收机钟差；

为载波相位模糊度参数；

因为

为浮点数，不具备整数特性，无法直接对其进行整数固定，为实现PPP模糊度固定，将(4)式的无电离层组合载波相位模糊度分解为宽巷整数模糊度

和窄巷浮点模糊度

的组合，如(6)所示：

式中，f₁为第一载波相位频率；f₂为第二载波相位频率；

步骤3：宽巷模糊度固定；具体包括如下步骤：

步骤3.1：通过形成宽巷组合观测值得到宽巷模糊度，如(7)所示：

式中，

表示宽巷浮点模糊度；λ_WL为宽巷波长，对于GPS来说，为86.2cm；d_r,WL为接收机端宽巷FCB(Fractional Cycle Bias，相位小数周偏差)；

为卫星端宽巷FCB(Fractional Cycle Bias，相位小数周偏差)；

步骤3.2：选取高度角最高的卫星为参考星，采用卫星间单差法消掉接收机端宽巷FCB，利用外部提供的卫星实时FCB产品改正掉卫星端宽巷FCB，由于宽巷波长较长，通过取整法对宽巷模糊度进行固定；

步骤4：窄巷模糊度固定；具体包括如下步骤：

步骤4.1：利用固定的宽巷整数模糊度和无电离层组合相位模糊度，重构出窄巷浮点模糊度，如(8)所示：

式中，

表示窄巷浮点模糊度；d_r,NL为接收机端窄巷FCB；

为卫星端窄巷FCB；

步骤4.2：选取高度角最高的卫星为参考星，采用卫星间单差法消掉接收机端窄巷FCB，利用外部提供的卫星实时FCB产品改正掉卫星端窄巷FCB，由于窄巷波长较短(约为10.7cm)，若用取整法对窄巷模糊度进行固定可靠性较低。

常规做法是提取窄巷浮点模糊度及其对应的协因素阵，利用LAMBDA算法做降相关搜索固定。但该方法在复杂环境下(如实时跑车、城市遮挡环境等)存在可靠性与效率不高等问题。本发明综合不同模糊度固定方法(如LAMBDA、BIE法)的优势，提取不同固定方法得到的滤波解中位置参数对应的协因素阵，该协因素阵的对角线元素可有效反应位置解的精度和稳定性，利用对角线元素和最小来判定选取哪种模糊度固定解的结果作为最优解输出。

步骤5：PPP模糊度固定解输出

将固定的宽巷模糊度代入(6)式中，而将固定的窄巷模糊度作为伪观测值约束(6)式中的窄巷模糊度参数，更新滤波解即可得到模糊度固定的PPP参数解。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于GNSS实时精密单点定位的混合模糊度固定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：数据准备；

获取卫星精密轨道、钟差实时改正数及相位、码偏差实时产品、GNSS监测站实时流观测数据；

步骤2：构建无电离层组合精密单点定位模型；具体包括如下步骤：

步骤2.1：非差非组合GNSS原始双频伪距与载波观测方程能够表示为如(1)所示：

式中，上标s表示卫星标识符；下标r表示接收机标识符；P_r ^s表示伪距观测值；

表示载波观测值；c为真空中光速；dt_r表示接收机钟差；dt^s表示卫星钟差；

为接收机与卫星的视线方向对流层延迟；

为第一频率上接收机与卫星的视线方向电离层延迟；γ＝f₁ ²/f₂ ²为电离层频率因子，f为载波频率；b_r为接收机端伪距硬件延迟；b^s为卫星端伪距硬件延迟；B_r和B^s为相应的载波相位硬件延迟；

为载波相位整周模糊度；λ为载波相位波长；

表示伪距观测噪声和其它非模型化误差的综合；

表示载波相位多路径效应和其它非模型化误差的综合；

步骤2.2：为消除一阶电离层延迟项

需对第一频率的观测值和二频率的观测值进行如(2)所示的线性组合：

式中，α、β为组合系数；

步骤2.3：无电离层组合GNSS伪距与载波观测方程表达式如(3)所示：

式中，IF表示无电离层组合标识符；

表示伪距的无电离层组合观测量；

表示载波的无电离层组合观测量；b_r,IF为无电离层组合的接收机端伪距硬件延迟；

为无电离层组合的卫星端伪距硬件延迟；B_r,IF和

为相应的载波相位硬件延迟；

为无电离层组合的载波相位浮点模糊度；λ_IF为无电离层组合的载波相位波长；

表示无电离层组合的伪距观测噪声和其它非模型化误差的综合；

表示无电离层组合的载波相位多路径效应和其它非模型化误差的综合；

利用外部精密卫星钟差产品，对(3)式的卫星钟差参数进行改正，如(4)所示：

其中，

式中，

为重新参数化后的接收机钟差；

为载波相位模糊度参数；

因为

为浮点数，不具备整数特性，无法直接对其进行整数固定，为实现PPP模糊度固定，将(4)式的无电离层组合载波相位模糊度分解为宽巷整数模糊度

和窄巷浮点模糊度

的组合，如(6)所示：

式中，f₁为第一载波相位频率；f₂为第二载波相位频率；

步骤3：宽巷模糊度固定；具体包括如下步骤：

步骤3.1：通过形成宽巷组合观测值得到宽巷模糊度，如(7)所示：

式中，

表示宽巷浮点模糊度；λ_WL为宽巷波长，对于GPS来说，为86.2cm；d_r,WL为接收机端宽巷FCB；

为卫星端宽巷FCB；FCB为相位小数周偏差；

步骤3.2：选取高度角最高的卫星为参考星，采用卫星间单差法消掉接收机端宽巷FCB，利用外部提供的卫星实时FCB产品改正掉卫星端宽巷FCB，通过取整法对宽巷模糊度进行固定；

步骤4：窄巷模糊度固定；具体包括如下步骤：

步骤4.1：利用固定的宽巷整数模糊度和无电离层组合相位模糊度，重构出窄巷浮点模糊度，如(8)所示：

式中，

表示窄巷浮点模糊度；d_r,NL为接收机端窄巷FCB；

为卫星端窄巷FCB；

步骤4.2：选取高度角最高的卫星为参考星，采用卫星间单差法消掉接收机端窄巷FCB，利用外部提供的卫星实时FCB产品改正掉卫星端窄巷FCB，提取不同固定方法得到的滤波解中位置参数对应的协因素阵，利用协因素阵的对角线元素和最小值，来判定选取哪种模糊度固定解的结果作为最优解输出；

步骤5：PPP模糊度固定解输出；

将固定的宽巷模糊度代入(6)式中，将固定的窄巷模糊度作为伪观测值约束(6)式中的窄巷模糊度参数，更新滤波解即得到模糊度固定的PPP参数解。

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