CN111812676A - 一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法。实时PPP(precise point positioning)需要实时接收轨道和钟差改正数，当实时数据流中断或存在较大时延时，难以保证用户高精度定位的连续性与可靠性。为解决这一问题，本发明基于区域参考站网，利用先前历元的模糊度、卫星FCBs(fractional‑cycle biases)以及短时预测的对流层延迟，在当前历元采用广播星历的无电离层组合对包括轨道误差、卫星钟差以及接收机相关误差在内的综合误差进行提取与加权建模，并播发给用户。当实时轨道和钟差改正数存在中断或滞后时，用户仍然可以采用广播星历和综合误差代替，持续实现高精度增强定位。

Description

一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法
技术领域
本发明涉及一种采用广播星历对实时数据流中断进行综合补偿的固定解PPP方法， 属于GNSS定位与导航技术领域。
背景技术
实时精密产品的连续稳定性是影响PPP定位连续性与可靠性的关键因素，目前基于 广播星历状态域改正的实时数据流精度已能满足实时PPP的定位精度需求，但连续性与稳定性较差，且实时数据流信息具有滞后性，且存在一定的不确定性，主要表现在精密 星历生成服务系统临时故障或网络延迟导致的数据中断或较大的数据时延。尽管卫星轨 道改正具有较高的时域相关性，但卫星钟差随时间变化较快，其时域相关性较弱，对于 厘米级定位而言，使用不同步卫星钟差进行定位一般只能维持少数几秒钟。当精密星历 中断数十秒至数分钟时，用户终端定位的实时性和可靠性将难以保障。因此，有必要建 立一套不完全依赖于实时精密钟差、轨道的增强服务体系，在实时数据流中断的情况下 保障用户的持续可靠定位，提高PPP定位的连续性与可靠性。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决实时数据流滞后或中断情况下，用户无法实现持 续高精度定位的问题。
技术方案：本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于广播星历的实 时数据流中断综合补偿方法，该方法包括以下步骤：
(1)各基准站进行浮点精密单点定位(precise point positioning，PPP)数据处理， 获取PPP浮点解；
(2)通过星间单差模糊度固定，各基准站实现PPP固定解；
(3)在模糊度固定的基础上，逐个基准站提取所观测到卫星的综合误差；
(4)对区域基准站网共同观测到的卫星，通过多站进行综合误差加权，提高其精度与稳定性。
进一步的，步骤(1)的方法具体如下：
根据基准站的分布情况，构建Delaunay三角网，各基准站实时接收分析中心播发的 轨道和钟差改正数，采用公式(1)所述重参化模型对观测数据进行浮点PPP数据处理，对于基准站r和观测到的卫星s，s＝1,…,j，r＝1,…,i，i和j为基准站和卫星的总数，在 某一历元t0，基于无电离层组合的重参化载波相位观测方程为：
Figure BDA0002562986580000021
式中，t0表示观测历元；r和s分别代表不同的接收机和卫星；
Figure BDA0002562986580000022
为t0历元的 载波观测值；
Figure BDA0002562986580000023
为t0历元的站星距；c为光速；
Figure BDA0002562986580000024
和
Figure BDA0002562986580000025
为t0历元的重参化接收 机钟差和卫星钟差，分别吸收了接收机端和卫星端无电离层组合的伪距硬件延迟；
Figure BDA0002562986580000026
为t0历元的对流层延迟；
Figure BDA0002562986580000027
为t0历元的非差无电离层组合模糊度；br(t0)和bs(t0)分 别为t0历元的接收机端和卫星端的小数偏差。
进一步的，步骤(2)的方法如下：在步骤(1)中浮点解的基础上，首先选择高度 角大于45度的卫星作为参考卫星，采用星间单差组合消除接收机端的硬件延迟，然后对 浮点模糊度的卫星端宽巷小数偏差(fractional-cycle biases，FCBs)进行改正，采用Melbourne-Wübbena(MW)组合固定宽巷模糊度，最后，通过步骤(1)中浮点PPP得 到的无电离层模糊度和已经固定的宽巷模糊度，计算窄巷浮点模糊度和协方差矩阵，通 过对卫星端的窄巷小数偏差进行改正，采用最小二乘降相关算法固定窄巷模糊度，通过 已固定的宽巷和窄巷模糊度重构无电离层组合模糊度，并对公式(1)中的待估参数进 行更新。
进一步的，步骤(3)的方法如下：
在步骤(2)中模糊度固定的基础上，各基准站进行单站综合误差提取，为了简化描述，随机选择一颗卫星k作为参考卫星，基准站的坐标已知，一旦模糊度成功固定， 每个卫星的高精度倾斜对流层延迟可以通过式(2)进行提取：
Figure BDA0002562986580000028
式中，
Figure BDA0002562986580000029
为t0历元固定的单差模糊度，对于参考星而言，单差模糊度为0，通过上式提取的倾斜对流层是有偏的，其中包含了参考星的非差模糊度
Figure BDA00025629865800000210
以及接收机端的FCBs，即：
Figure BDA00025629865800000211
当实时轨道和钟差改正数存在时延或中断时，在当前历元t1，采用广播星历计算t1历 元的综合误差公式如下：
Figure BDA00025629865800000212
式中，t1＝t0+dt，dt表示时间间隔；
Figure BDA00025629865800000213
为t1历元的载波观测值；
Figure BDA00025629865800000214
表示t1历元采用广播星历计算的站星距；
Figure BDA0002562986580000031
为t1历元的对流层延迟；
Figure BDA0002562986580000032
为t1历元固定的 单差模糊度；bs(t1)为t1历元的卫星FCBs，由式(4)可知，通过改正倾斜对流层延迟、 单差模糊度以及卫星FCBs，可以得到包括轨道误差、卫星钟差以及接收机钟差在内的综 合误差具体表达式如下：
Figure BDA0002562986580000033
式中，
Figure BDA0002562986580000034
表示轨道误差，
Figure BDA0002562986580000035
和
Figure BDA0002562986580000036
为t1历元的重参化接收机钟差和卫星钟差；
考虑到模糊度在无周跳弧段为常数项，对流层和卫星FCBs随时间变化缓慢，可以进 行短时预报，因此，在无周跳的连续观测弧段，可以认为：
Figure BDA0002562986580000037
式中，
Figure BDA0002562986580000038
表示在dt时间间隔内对流层延迟的变化量，且该变化量是影响综合误 差精度的主要因素，采用线性外推模型对倾斜对流层延迟进行短时预报，并将式(6) 代入式(5)，即可得到单个基准站r在历元t1的综合误差。
进一步的，步骤(4)的方法如下：
在步骤3)得到单个基准站的综合误差后，为了提高其精度和可靠性，通过预设范围内的多个基准站进行加权，具体如下：
Figure BDA0002562986580000039
式中，n为加权所使用的基准站数目，在Delaunnay三角网中，基准站数目通常为3；ai表示加权系数，满足如下关系式：
Figure BDA00025629865800000310
式中，di表示用户到基准站i的距离。
将加权后的综合误差播发给用户，当实时数据流滞后或中断时，用户仍然可以基于 广播星历，采用生成的综合误差对轨道误差和钟差进行补偿，实现持续高精度增强定位。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明提出一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法，通过对倾斜对流层 进行短时预报，由各基准站提取综合误差并播发给用户，有效解决了在实时数据流时延大或中断情况下，用户定位连续性和精度差的问题：1.提高了低高度角卫星的对流层预 测精度；2.提高了用户的定位精度；3.提高了用户端历元的固定率。
附图说明
图1为本发明一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法的实施流程图；
图2为在60s时延情况下，不采用LEM模型与采用LEM模型(本发明方法)对流 层预测误差随高度角的变化对比图；
图3为在60s时延情况下，不采用LEM模型与采用LEM模型(本发明方法)对流 层预测误差RMS统计值随高度角的变化对比图；
图4为在60s时延情况下，不采用LEM模型与采用LEM模型(本发明方法)对应 的综合误差精度分布；
图5为在60s时延情况下，不采用LEM模型与采用LEM模型(本发明方法)对应 的用户端PPP固定解平面误差分布对比图；
图6为在60s时延情况下，不采用LEM模型与采用LEM模型(本发明方法)对应 的用户端PPP定位高程误差分布对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些说明仅用于阐述本发 明而不限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，对本发明的等价形式及扩展形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提出一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法，通过区域的基准站 对包括轨道误差、卫星钟差以及接收机相关误差在内的综合误差进行提取与加权，并播发给用户，保障用户在实时数据流时延较大或中断的情况下，仍然可以实现持续高精度 定位。
1)各基准站进行浮点精密单点定位(precise point positioning，PPP)数据处理，获 取PPP浮点解
根据基准站的分布情况，构建Delaunay三角网，各基准站实时接收分析中心播发的 轨道和钟差改正数，采用公式(1)所述重参化模型对观测数据进行浮点PPP数据处理。对于基准站r(r＝1,…,i)和观测到的卫星s(s＝1,…,j)，在某一历元t0，基于无电离层 组合(ionosphere-free，IF)的重参化载波相位观测方程为：
Figure BDA0002562986580000051
式中，t0表示观测历元；r和s分别代表不同的接收机和卫星；
Figure BDA0002562986580000052
为t0历元的 载波观测值；
Figure BDA0002562986580000053
为t0历元的站星距；c为光速；
Figure BDA0002562986580000054
和
Figure BDA0002562986580000055
为t0历元的重参化接收 机钟差和卫星钟差，分别吸收了接收机端和卫星端无电离层组合的伪距硬件延迟；
Figure BDA0002562986580000056
为t0历元的对流层延迟；
Figure BDA0002562986580000057
为t0历元的非差无电离层组合模糊度；br(t0)和bs(t0)分 别为t0历元的接收机端和卫星端的小数偏差。
2)通过星间单差模糊度固定，各基准站实现PPP固定解
在步骤1)中浮点解的基础上，首先选择合适的参考卫星(高度角大于45度)，采用星间单差组合消除接收机端的硬件延迟，然后对浮点模糊度的卫星端宽巷小数偏差(fractional-cycle biases，FCBs)进行改正，采用Melbourne-Wübbena(MW)组合固定 宽巷模糊度，最后，通过步骤1)中浮点PPP得到的无电离层模糊度和已经固定的宽巷模 糊度，计算窄巷浮点模糊度和协方差矩阵，通过对卫星端的窄巷小数偏差进行改正，采 用最小二乘降相关算法固定窄巷模糊度。通过已固定的宽巷和窄巷模糊度重构无电离层 组合模糊度，并对公式(1)中的待估参数进行更新。
3)在模糊度固定的基础上，逐个基准站提取所观测到卫星的综合误差
在步骤2)中模糊度固定的基础上，各基准站进行单站综合误差提取。为了简化描述，随机选择一颗卫星k作为参考卫星，基准站的坐标精确已知，一旦模糊度成功固定， 每个卫星的高精度倾斜对流层延迟可以通过式(2)进行提取：
Figure BDA0002562986580000058
式中，
Figure BDA0002562986580000059
为t0历元固定的单差模糊度，对于参考星而言，单差模糊度为0，通过上式提取的倾斜对流层是有偏的，其中包含了参考星的非差模糊度
Figure BDA00025629865800000510
以及接收机端的FCBs，即：
Figure BDA00025629865800000511
当实时轨道和钟差改正数存在时延或中断时，在当前历元t1，采用广播星历计算综 合误差的公式如下：
Figure BDA00025629865800000512
式中，t1＝t0+dt，dt表示时间间隔；
Figure BDA00025629865800000513
为t1历元的载波观测值；
Figure BDA00025629865800000514
表示t1历元采用广播星历计算的站星距；
Figure BDA0002562986580000061
为t1历元的对流层延迟；
Figure BDA0002562986580000062
为t1历元固定的 单差模糊度；bs(t1)为t1历元的卫星FCBs。由式(4)可知，通过改正倾斜对流层延迟、 单差模糊度以及卫星FCBs，可以得到包括轨道误差、卫星钟差以及接收机钟差在内的综 合误差具体表达式如下：
Figure BDA0002562986580000063
式中，
Figure BDA0002562986580000064
表示轨道误差；
Figure BDA0002562986580000065
和
Figure BDA0002562986580000066
为t1历元的重参化接收机钟差和卫星钟差。
考虑到模糊度在无周跳弧段为常数项，对流层和卫星FCBs随时间变化缓慢，可以进 行短时预报，因此，在无周跳的连续观测弧段，可以认为：
Figure BDA0002562986580000067
式中，
Figure BDA0002562986580000068
表示在dt时间间隔内对流层延迟的变化量，且该变化量是影响综合误 差精度的主要因素，采用线性外推模型(linear extrapolation model，LEM)对倾斜对流 层延迟进行短时预报，并将式(6)代入式(5)，即可得到单个基准站r在历元t1的综合 误差。
4)对区域基准站网共同观测到的卫星，通过多站进行综合误差加权，提高其精度与稳定性
在步骤3)得到单个基准站的综合误差后，为了提高其精度和可靠性，通过附近的多个基准站(200km以内)进行加权，具体如下：
Figure BDA0002562986580000069
式中，n为加权所使用的基准站数目，在Delaunnay三角网中，基准站数目通常为3；ai表示加权系数，满足如下关系式：
Figure BDA00025629865800000610
式中，di表示用户到基准站i的距离；
将加权后的综合误差播发给用户，当实时数据流滞后或中断时，用户仍然可以基于 广播星历，采用生成的综合误差对轨道误差和钟差进行补偿，实现持续高精度增强定位。
本发明采用以上技术方案后，相比于不采用LEM模型，取得如下有益效果：在实时数据流时延60s的情况下，未采用LEM模型低高度角卫星对流层预测误差接近0.6m， 明显偏离0附近，对应的均值与标准差分别为0.011m和0.085m，(如图2a)，而本发明 方法所有卫星对流层建模误差近似白噪声，在0附近波动，对应的均值与标准差分别为 0.002m和0.023m(如图2b)，采用LEM前后，标准差减小了72.9％；图3是不同高度 角区间的对流层预测误差RMS统计值，对应10～20度的低高度角卫星，采用LEM前后， RMS值由0.195m减小为0.038m，精度提高了80.5％；图4是采用LEM前后，生成的综 合误差精度分布对比图，采用LEM后，综合误差的精度由7.8cm提高为1.7cm，精度提 高了78.2％；图5是用户端PPP固定解平面定位误差分布对比图，不采用LEM模型平面 定位误差分布较散，N方向和E方向精度分别为0.145m和0.035m，而本发明方法的平 面定位误差更集中于0附近，N方向和E方向精度分别为0.014m和0.015m，分别提高 了90.3％和57.1％；图6是用户端PPP定位高程方向误差分布对比图，不采用LEM模型， 误差分布明显存在系统性偏差，而本发明方法误差在0附近波动，根据统计结果可得， 采用LEM前后，高程方向精度由0.230m提高为0.041m，精度提高了82.2％，同时，历 元固定率也由11.9％提高为98.3％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出：在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)各基准站进行浮点精密单点定位(precise point positioning，PPP)数据处理，获取PPP浮点解；
(2)通过星间单差模糊度固定，各基准站实现PPP固定解；
(3)在模糊度固定的基础上，逐个基准站提取所观测到卫星的综合误差；
(4)对区域基准站网共同观测到的卫星，通过多站进行综合误差加权，提高定位精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法，其特征在于，步骤(1)的方法具体如下：根据基准站的分布情况，构建Delaunay三角网，各基准站实时接收分析中心播发的轨道和钟差改正数，采用公式(1)所述重参化模型对观测数据进行浮点PPP数据处理，对于基准站r和观测到的卫星s，s＝1,…,j，r＝1,…,i，i和j为基准站和卫星的总数，在某一历元t0，基于无电离层组合的重参化载波相位观测方程为：
Figure FDA0002562986570000011
式中，t0表示观测历元；r和s分别代表不同的接收机和卫星；
Figure FDA0002562986570000012
为t0历元的载波观测值；
Figure FDA0002562986570000013
为t0历元的站星距；c为光速；
Figure FDA0002562986570000014
和
Figure FDA0002562986570000015
为t0历元的重参化接收机钟差和卫星钟差，分别吸收了接收机端和卫星端无电离层组合的伪距硬件延迟；
Figure FDA0002562986570000016
为t0历元的对流层延迟；
Figure FDA0002562986570000017
为t0历元的非差无电离层组合模糊度；br(t0)和bs(t0)分别为t0历元的接收机端和卫星端的小数偏差。
3.根据权利要求2所述的一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法，其特征在于，步骤(2)的方法如下：在步骤(1)中浮点解的基础上，首先选择高度角大于45度的卫星作为参考卫星，采用星间单差组合消除接收机端的硬件延迟，然后对浮点模糊度的卫星端宽巷小数偏差(fractional-cycle biases，FCBs)进行改正，采用Melbourne-Wübbena(MW)组合固定宽巷模糊度，最后，通过步骤(1)中浮点PPP得到的无电离层模糊度和已经固定的宽巷模糊度，计算窄巷浮点模糊度和协方差矩阵，通过对卫星端的窄巷小数偏差进行改正，采用最小二乘降相关算法固定窄巷模糊度，通过已固定的宽巷和窄巷模糊度重构无电离层组合模糊度，并对公式(1)中的待估参数进行更新。
4.根据权利要求3所述的一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法，其特征在于，步骤(3)的方法如下：在步骤(2)中模糊度固定的基础上，各基准站进行单站综合误差提取，随机选择一颗卫星k作为参考卫星，基准站的坐标已知，一旦模糊度成功固定，每个卫星的高精度倾斜对流层延迟可以通过式(2)进行提取：
Figure FDA0002562986570000021
式中，
Figure FDA0002562986570000022
为t0历元固定的单差模糊度，对于参考星而言，单差模糊度为0，通过上式提取的倾斜对流层是有偏的，其中包含了参考星的非差模糊度
Figure FDA0002562986570000023
以及接收机端的FCBs，即：
Figure FDA0002562986570000024
当实时轨道和钟差改正数存在时延或中断时，在当前历元t1，采用广播星历计算t1历元的综合误差公式如下：
Figure FDA0002562986570000025
式中，t1＝t0+dt，dt表示时间间隔；
Figure FDA0002562986570000026
为t1历元的载波观测值；
Figure FDA0002562986570000027
表示t1历元采用广播星历计算的站星距；
Figure FDA0002562986570000028
为t1历元的对流层延迟；
Figure FDA0002562986570000029
为t1历元固定的单差模糊度；bs(t1)为t1历元的卫星FCBs，由式(4)可知，通过改正倾斜对流层延迟、单差模糊度以及卫星FCBs，可以得到包括轨道误差、卫星钟差以及接收机钟差在内的综合误差具体表达式如下：
Figure FDA00025629865700000210
式中，
Figure FDA00025629865700000211
表示轨道误差，
Figure FDA00025629865700000212
和
Figure FDA00025629865700000213
为t1历元的重参化接收机钟差和卫星钟差；
在无周跳的连续观测弧段，可以认为：
Figure FDA00025629865700000214
式中，
Figure FDA00025629865700000215
表示在dt时间间隔内对流层延迟的变化量，采用线性外推模型对倾斜对流层延迟进行短时预报，并将式(6)代入式(5)，即可得到单个基准站r在历元t1的综合误差。
5.根据权利要求4所述的一种基于广播星历的实时数据流中断综合补偿方法，其特征在于，步骤(4)的方法如下：
在步骤(3)得到单个基准站的综合误差后，通过预设范围内的多个基准站进行加权，具体如下：
Figure FDA0002562986570000031
式中，n为加权所使用的基准站数目，ai表示加权系数，满足如下关系式：
Figure FDA0002562986570000032
式中，di表示用户到基准站i的距离；
将加权后的综合误差播发给用户，当实时数据流滞后或中断时，用户基于广播星历，采用生成的综合误差对轨道误差和钟差进行补偿，提高定位精度。
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