CN111856534A - 智能终端的双模gnss载波精密单点定位方法及系统 - Google Patents

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CN111856534A CN202010718188.9A CN202010718188A CN111856534A CN 111856534 A CN111856534 A CN 111856534A CN 202010718188 A CN202010718188 A CN 202010718188A CN 111856534 A CN111856534 A CN 111856534A
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/43—Determining position using carrier phase measurements, e.g. kinematic positioning; using long or short baseline interferometry
    • G01S19/44—Carrier phase ambiguity resolution; Floating ambiguity; LAMBDA [Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment] method

Abstract

本发明提供了一种智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法及系统，包括：GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)、北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)、原始观测量生成单元(113)、卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)和定位解算、输出显示单元(115)。本发明使用GPS和北斗双模系统的SSR数据进行增强，卫星数更多，载波相位模糊度解算的收敛速度更快，定位精度更高更稳定。

Description

智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，具体地，涉及智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法及系统。尤其地，涉及一种基于星基增强技术的便携式智能设备双模GNS精密单点定位方法。
背景技术
为了满足移动定位需求，现在的便携式智能设备(如智能手机、平板电脑等)普遍集成了全球导航卫星系统(GNSS)模块，从而实现户外基于卫星信号的定位与导航功能。目前大多数基于便携式智能设备的卫星定位方式都是基于伪距观测量，通过差分、卫星广播或经验模型公式等方式消除或削弱伪距中存在的各种时延及误差影响，诸如电离层时延、对流层时延、卫星轨道误差、卫星钟差等等。上述一些定位方法如今已经有了较为广泛性的应用，一般定位误差在5～10m，能够满足一般日常出行的需要，但对于更加高需求的场景就需要提高定位精度以及定位的稳定性。
一般而言，由于手机设备中的低成本射频前端和线极化天线，导致了设备内部观测的热噪声、多路径误差较大，伪距观测量中的噪声往往在10m左右的数量级，这对于提升定位精度造成了很大的障碍。另一方面载波相位观测量具有厘米级的噪声量级，虽然具有整周模糊度等诸多限制，仍然是高精度定位的理想观测量。目前在智能便携设备上基于载波相位的定位方式往往有两个困难点，一是如何快速解算载波相位的整周模糊度，二是如何解决手机duty cycle对于载波相位整周数跳变的影响。对于整周模糊度，存在一种快速的模糊度解算方法LAMBDA，可以用于整周数解算。对于duty cycle的影响，Android 9以后的系统支持将观测方式设置为载波相位连续跟踪，即不会产生周数跳变的现象。综上，基于载波的智能便携设备定位已经成为可能。
另一方面，一般的差分定位可以很大程度地消除用户设备的观测量和参考站站观测之间的共模误差，如在短基线情况下的电离层延时、对流层延时、卫星钟差等等。但差分定位仍然存在一定限制，比如长基线情况下(例如非城市地区参考站密度不够，无法保证短基线)，电离层、对流层时延不再为共模误差，除此以外一些其他的非共模误差例如卫星轨道误差等等也无法完全消除。现在有一种基于星基增强的精密单点定位技术，可以实时获取各类误差的模型参量，从而不再需要受限于与参考站距离以及误差种类，对于观测量进行进一步的误差校正。一般将上述误差表示方式称为误差的State Space Representation(SSR)，SSR数据可以通过网络RTCM协议获取，也可以通过星基增强的方式从卫星广播获取，而星基的进一步优势就在于其覆盖区域更广。
最后，由于目前的星基增强技术大都针对GPS卫星系统，本发明拟针对GPS和北斗双模系统设计便携式智能设备端的增强定位方法。
综上所述，发明一种基于星基增强技术的便携式智能设备双模GNSS载波精密单点定位方法具有实用价值。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法及系统。
根据本发明提供的一种智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，包括：
步骤S1：在每一个历元时刻，GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数；
步骤S2：在每一个历元时刻，北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括北斗卫星钟差校正参数和北斗卫星轨道校正参数；
步骤S3：在每一个历元时刻，原始观测量生成单元(113)通过调用移动终端操作系统API获得手机原始GNSS观测量，通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量，同时获取卫星导航电文数据，进而解析出电文信息，将解析出的电文信息和伪距、ADR观测量一起进行载波相位模糊度的解算，使用LAMBDA算法，得到完整的载波相位观测量以及模糊度解算状态的标志位，另外输出原始观测量中的卫星信号发射时间ReceivedSvTimeNanos；
步骤S4：将步骤S1、步骤S2及步骤S3输出的数据被传入卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)中，用于计算SSR轨道校正量和时钟校正量；
步骤S5：在定位解算、输出显示单元，用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，输出SSR轨道校正后的卫星坐标；用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，之后再经过电离层时延和对流层时延校正，得到校正后的伪距和载波相位，使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位，输出最终定位结果以及模糊度解算的标志位。
优选地，所述步骤S3中解析出的电文信息包括：星历、电离层参数以及钟差参数；
所述步骤S4中计算SSR轨道校正量和时钟校正量：
首先计算卫星信号接收时刻的地球坐标系下，信号发送时刻的GPS及北斗卫星位置坐标和速度矢量，然后与校正数据结合算得SSR和时钟的校正量。
优选地，所述步骤S1：
所述GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数包括：
(1)轨道校正参考时间trO；
(2)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于速度和位置矢量所在平面方向的分量δOradial、δOalong和δOcross；
(3)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于轨道平面方向的分量随时间的变化率
Figure BDA0002598987410000031
和
Figure BDA0002598987410000032
(4)时钟校正参考时间trC；
(5)卫星时钟校正量的多项式系数C0、C1、C2。
优选地，所述通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量的方法如下：
伪距：(tRxSeconds-tTxSeconds)·SpeedOfLight；
ADR：调取AccumulatedDeltaRangeMeters直接获得；
其中，
tRxSeconds表示定位终端接收信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
tTxSeconds表示卫星发射信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
SpeedOfLight表示光在真空中传播的速度，为299792458m/s。
优选地，所述计算SSR轨道校正量和时钟校正量的计算方法如下：
Figure BDA0002598987410000041
δC＝C0+C1(t-trC)+C2(t-trC)2
其中，
δO为轨道校正量在三个方向上的分量所组成的向量；
δC为时钟校正量；
t为卫星信号发送时刻的时间。
优选地，所述步骤S5中用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，校正方法如下：
XOrbit＝Xbroadcast-[eradial ealong ecross]δO
其中，
eradial，ealong和ecross对应三个误差方向的ECEF坐标向量，Xbroadcast是通过星历计算得到的卫星ECEF坐标，XOrbit是SSR校正后得到的卫星位置坐标。
优选地，所述步骤S5中用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，校正方法如下：
Figure BDA0002598987410000042
其中，
tbroadcast是卫星广播信号中得到的卫星时钟，tsatellite是经过SSR校正后得到的卫星时钟。
优选地，所述使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位：
设初始迭代ECEF坐标为xr，第i颗卫星的ECEF坐标为
Figure BDA0002598987410000044
ρi为第i颗卫星的载波相位观测量，列出观测方程：
Figure BDA0002598987410000043
其中，br为相对初始迭代值xr的偏差估计值，c为光速，Δtr为接收端的钟差。
则定位估计值为：
Figure BDA0002598987410000051
将估计值作为初值代回观测方程，可进一步得到更加精确的定位估计，直到‖br‖2最终小于定位精度所预设的阈值。
根据本发明提供的一种智能终端的双模GNSS载波精密单点定位系统，包括：
模块S1：在每一个历元时刻，GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数；
模块S2：在每一个历元时刻，北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括北斗卫星钟差校正参数和北斗卫星轨道校正参数；
模块S3：在每一个历元时刻，原始观测量生成单元(113)通过调用移动终端操作系统API获得手机原始GNSS观测量，通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量，同时获取卫星导航电文数据，进而解析出电文信息，将解析出的电文信息和伪距、ADR观测量一起进行载波相位模糊度的解算，使用LAMBDA算法，得到完整的载波相位观测量以及模糊度解算状态的标志位，另外输出原始观测量中的卫星信号发射时间ReceivedSvTimeNanos；
模块S4：将模块S1、模块S2及模块S3输出的数据被传入卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)中，用于计算SSR轨道校正量和时钟校正量；
模块S5：在定位解算、输出显示单元，用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，输出SSR轨道校正后的卫星坐标；用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，之后再经过电离层时延和对流层时延校正，得到校正后的伪距和载波相位，使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位，输出最终定位结果以及模糊度解算的标志位；
所述模块S3中解析出的电文信息包括：星历、电离层参数以及钟差参数；
所述模块S4中计算SSR轨道校正量和时钟校正量：
首先计算卫星信号接收时刻的地球坐标系下，信号发送时刻的GPS及北斗卫星位置坐标和速度矢量，然后与校正数据结合算得SSR和时钟的校正量；
所述模块S1：
所述GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数包括：
(1)轨道校正参考时间tro；
(2)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于速度和位置矢量所在平面方向的分量δOradial、δOalong和δOcross；
(3)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于轨道平面方向的分量随时间的变化率
Figure BDA0002598987410000061
和
Figure BDA0002598987410000062
(4)时钟校正参考时间trC；
(5)卫星时钟校正量的多项式系数C0、C1、C2；
所述通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量的方法如下：
伪距：(tRxSeconds-tTxSeconds)·SpeedOfLight；
ADR：调取AccumulatedDeltaRangeMeters直接获得；
其中，
tRxSeconds表示定位终端接收信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
tTxSeconds表示卫星发射信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
SpeedOfLight表示光在真空中传播的速度，为299792458m/s；
所述计算SSR轨道校正量和时钟校正量的计算方法如下：
Figure BDA0002598987410000063
δC＝C0+C1(t-trC)+C2(t-trC)2
其中，
δO为轨道校正量在三个方向上的分量所组成的向量；
δC为时钟校正量；
t为卫星信号发送时刻的时间；
所述模块S5中用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，校正方法如下：
XOrbit＝Xbroadcast-[eradial ealong ecross]δO
其中，
eradial，ealong和ecross对应三个误差方向的ECEF坐标向量，Xbroadcast是通过星历计算得到的卫星ECEF坐标，XOrbit是SSR校正后得到的卫星位置坐标；
所述模块S5中用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，校正方法如下：
Figure BDA0002598987410000071
其中，
tbroadcast是卫星广播信号中得到的卫星时钟，tsatellite是经过SSR校正后得到的卫星时钟；
所述使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位：
设初始迭代ECEF坐标为xr，第i颗卫星的ECEF坐标为
Figure BDA0002598987410000074
ρi为第i颗卫星的载波相位观测量，列出观测方程：
Figure BDA0002598987410000072
其中，br为相对初始迭代值xr的偏差估计值，c为光速，Δtr为接收端的钟差。
则定位估计值为：
Figure BDA0002598987410000073
将估计值作为初值代回观测方程，可进一步得到更加精确的定位估计，直到‖br‖2最终小于定位精度所预设的阈值。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明使用GPS和北斗双模系统的SSR数据进行增强，可见卫星数更多，载波相位模糊度解算的收敛速度更快，定位精度更高更稳定。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是可选实施例中双模星基增强的载波精密单点定位方法的系统框图；
图2是可选实施例中GPS卫星SSR数据获取、解析单元的工作原理框图；
图3是可选实施例中北斗卫星SSR数据获取、解析单元的工作原理框图；
图4是可选实施例中原始观测量生成单元的工作原理框图；
图5是可选实施例中卫星时钟、轨道校正量计算单元的工作原理框图；
图6是可选实施例中定位解算、输出显示单元的工作原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，包括：
步骤S1：在每一个历元时刻，GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数；
步骤S2：在每一个历元时刻，北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括北斗卫星钟差校正参数和北斗卫星轨道校正参数；
步骤S3：在每一个历元时刻，原始观测量生成单元(113)通过调用移动终端操作系统API获得手机原始GNSS观测量，通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量，同时获取卫星导航电文数据，进而解析出电文信息，将解析出的电文信息和伪距、ADR观测量一起进行载波相位模糊度的解算，使用LAMBDA算法，得到完整的载波相位观测量以及模糊度解算状态的标志位，另外输出原始观测量中的卫星信号发射时间ReceivedSvTimeNanos；
步骤S4：将步骤S1、步骤S2及步骤S3输出的数据被传入卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)中，用于计算SSR轨道校正量和时钟校正量；
步骤S5：在定位解算、输出显示单元，用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，输出SSR轨道校正后的卫星坐标；用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，之后再经过电离层时延和对流层时延校正，得到校正后的伪距和载波相位，使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位，输出最终定位结果以及模糊度解算的标志位。
具体地，所述步骤S3中解析出的电文信息包括：星历、电离层参数以及钟差参数；
所述步骤S4中计算SSR轨道校正量和时钟校正量：
首先计算卫星信号接收时刻的地球坐标系下，信号发送时刻的GPS及北斗卫星位置坐标和速度矢量，然后与校正数据结合算得SSR和时钟的校正量。
具体地，所述步骤S1：
所述GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数包括：
(1)轨道校正参考时间trO；
(2)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于速度和位置矢量所在平面方向的分量δOradial、δOalong和δOcross；
(3)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于轨道平面方向的分量随时间的变化率
Figure BDA0002598987410000091
和
Figure BDA0002598987410000092
(4)时钟校正参考时间trC；
(5)卫星时钟校正量的多项式系数C0、C1、C2。
具体地，所述通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量的方法如下：
伪距：(tRxSeconds-tTxSeconds)·SpeedOfLight；
ADR：调取AccumulatedDeltaRangeMeters直接获得；
其中，
tRxSeconds表示定位终端接收信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
tTxSeconds表示卫星发射信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
SpeedOfLight表示光在真空中传播的速度，为299792458m/s。
具体地，所述计算SSR轨道校正量和时钟校正量的计算方法如下：
Figure BDA0002598987410000093
δC＝C0+C1(t-trC)+C2(t-trC)2
其中，
δO为轨道校正量在三个方向上的分量所组成的向量；
δC为时钟校正量；
t为卫星信号发送时刻的时间。
具体地，所述步骤S5中用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，校正方法如下：
XOrbit＝Xbroadcast-[eradial ealong ecross]δO
其中，
eradial，ealong和ecross对应三个误差方向的ECEF坐标向量，Xbroadcast是通过星历计算得到的卫星ECEF坐标，Xorbit是SSR校正后得到的卫星位置坐标。
具体地，所述步骤S5中用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，校正方法如下：
Figure BDA0002598987410000101
其中，
tbroadcast是卫星广播信号中得到的卫星时钟，tsatellite是经过SSR校正后得到的卫星时钟。
具体地，所述使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位：
设初始迭代ECEF坐标为xr，第i颗卫星的ECEF坐标为
Figure BDA0002598987410000104
ρi为第i颗卫星的载波相位观测量，列出观测方程：
Figure BDA0002598987410000102
其中，br为相对初始迭代值xr的偏差估计值，c为光速，Δtr为接收端的钟差。
则定位估计值为：
Figure BDA0002598987410000103
将估计值作为初值代回观测方程，可进一步得到更加精确的定位估计，直到‖br‖2最终小于定位精度所预设的阈值。
根据本发明提供的一种智能终端的双模GNSS载波精密单点定位系统，包括：
模块S1：在每一个历元时刻，GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数；
模块S2：在每一个历元时刻，北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括北斗卫星钟差校正参数和北斗卫星轨道校正参数；
模块S3：在每一个历元时刻，原始观测量生成单元(113)通过调用移动终端操作系统API获得手机原始GNSS观测量，通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量，同时获取卫星导航电文数据，进而解析出电文信息，将解析出的电文信息和伪距、ADR观测量一起进行载波相位模糊度的解算，使用LAMBDA算法，得到完整的载波相位观测量以及模糊度解算状态的标志位，另外输出原始观测量中的卫星信号发射时间ReceivedSvTimeNanos；
模块S4：将模块S1、模块S2及模块S3输出的数据被传入卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)中，用于计算SSR轨道校正量和时钟校正量；
模块S5：在定位解算、输出显示单元，用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，输出SSR轨道校正后的卫星坐标；用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，之后再经过电离层时延和对流层时延校正，得到校正后的伪距和载波相位，使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位，输出最终定位结果以及模糊度解算的标志位；
所述模块S3中解析出的电文信息包括：星历、电离层参数以及钟差参数；
所述模块S4中计算SSR轨道校正量和时钟校正量：
首先计算卫星信号接收时刻的地球坐标系下，信号发送时刻的GPS及北斗卫星位置坐标和速度矢量，然后与校正数据结合算得SSR和时钟的校正量；
所述模块S1：
所述GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数包括：
(1)轨道校正参考时间trO；
(2)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于速度和位置矢量所在平面方向的分量δOradial、δOalong和δOcross；
(3)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于轨道平面方向的分量随时间的变化率
Figure BDA0002598987410000121
和
Figure BDA0002598987410000122
(4)时钟校正参考时间trC；
(5)卫星时钟校正量的多项式系数C0、C1、C2；
所述通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量的方法如下：
伪距：(tRxSeconds-tTxSeconds)·SpeedOfLight；
ADR：调取AccumulatedDeltaRangeMeters直接获得；
其中，
tRxSeconds表示定位终端接收信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
tTxSeconds表示卫星发射信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
SpeedOfLight表示光在真空中传播的速度，为299792458m/s；
所述计算SSR轨道校正量和时钟校正量的计算方法如下：
Figure BDA0002598987410000123
δC＝C0+C1(t-trC)+C2(t-trC)2
其中，
δO为轨道校正量在三个方向上的分量所组成的向量；
δC为时钟校正量；
t为卫星信号发送时刻的时间；
所述模块S5中用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，校正方法如下：
XOrbit＝Xbroadcast-[eradial ealong ecross]δO
其中，
eradial，ealong和ecross对应三个误差方向的ECEF坐标向量，Xbroadcast是通过星历计算得到的卫星ECEF坐标，XOrbit是SSR校正后得到的卫星位置坐标；
所述模块S5中用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，校正方法如下：
Figure BDA0002598987410000124
其中，
tbroadcast是卫星广播信号中得到的卫星时钟，tsatellite是经过SSR校正后得到的卫星时钟；
所述使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位：
设初始迭代ECEF坐标为xr，第i颗卫星的ECEF坐标为
Figure BDA0002598987410000133
ρi为第i颗卫星的载波相位观测量，列出观测方程：
Figure BDA0002598987410000131
其中，br为相对初始迭代值xr的偏差估计值，c为光速，Δtr为接收端的钟差。
则定位估计值为：
Figure BDA0002598987410000132
将估计值作为初值代回观测方程，可进一步得到更加精确的定位估计，直到‖br‖2最终小于定位精度所预设的阈值。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述中任一项所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法的步骤。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
针对现有基于星基增强技术的精密单点定位解决方案的缺失，本发明的目的是提供一种基于星基增强技术的便携式智能设备的实时高精度双模GNSS精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)方法。所述方法针对目前已有的星基增强技术，结合模糊度解算后的载波相位观测量，在卫星系统的选择上创新性地选择了GPS和北斗双模系统；并且针对智能设备无法提供星历和SSR数据的特点，设计了一种导航电文的解析方式。
根据本发明提供的基于星基增强技术且面向便携式智能设备的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，包括：
S1：在每一个历元时刻，GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，主要是通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以一定格式转换为对应误差模型的参量，包括GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数。
S2：在每一个历元时刻，BDS卫星SSR数据获取、解析单元(112)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，主要是通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以一定格式转换为对应误差模型的参量，包括北斗卫星钟差校正参数和北斗卫星轨道校正参数。
S3：在每一个历元时刻，原始观测量生成单元(113)通过调用Android(不限于安卓，包括安卓，ios在内的移动终端操作系统)API获得手机原始GNSS观测量，通过一定的计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量，同时也能获取卫星导航电文数据，进而解析出星历、电离层参数、钟差参数。将以上电文信息和伪距、ADR观测量一起进行载波相位模糊度的解算，使用LAMBDA算法，得到完整的载波相位观测量以及模糊度解算状态(无模糊度解、浮点解或固定解)的标志位。另外，原始观测量中的卫星信号发射时间ReceivedSvTimeNanos也被一并输出至后续单元。
S4：上述三个单元的数据被传入卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)中，用于计算SSR轨道校正量和时钟校正量。首先计算卫星信号接收时刻的ECEF地心地固坐标系下，信号发送时刻的GPS及北斗卫星位置坐标和速度矢量，然后与校正数据结合算得SSR和时钟、轨道的校正量。
S5：最后在定位解算、输出显示单元，用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标；用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，之后再经过电离层时延和对流层时延校正，得到校正后的伪距和载波相位。使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位，输出最终定位结果以及模糊度解算的标志位。
图1给出了本发明的整体框图，主要包含四个部分：GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)、北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)，原始观测量生成单元(113)、卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)和定位解算、输出显示单元(115)。数据输入来自前三个单元，各单元对于数据都进行一定的处理，最后一个单元包含了数据输出。
图2给出了GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)的具体实施细节及输出。其中“GPS广播SSR数据获取”模块是指调用Android API获得手机原始GNSS观测中的SSR数据的电文部分，通过“数据解析”模块解析得到GPS轨道校正数据以及GPS时钟校正数据。在“GPS轨道校正数据”模块和“GPS时钟校正数据”模块中进行数据整合后，送至输出。
在GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)最终输出数据中，包括多组GPS轨道、时钟校正参数，每组对应于一个GPS卫星ID，每个对应ID的一组数据下包括：
(1)轨道校正参考时间tro
(2)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于速度和位置矢量所在平面方向的分量δOradial、δOalong和δOcross。
(3)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于轨道平面方向的分量随时间的变化率
Figure BDA0002598987410000151
和
Figure BDA0002598987410000152
(4)时钟校正参考时间trC
(5)卫星时钟校正量的多项式系数C0、C1、C2.
图3给出了北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)的具体实时细节及输出。各模块作用与GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)作用相同，不同的是各时间参数都应基于北斗时进行计算。
图4给出了原始观测量生成单元(113)的内部结构框图及输出。“原始观测量获取”模块通过Android API获取原始观测中的观测量部分GnssMeasurement，通过组装得到伪距和ADR观测量，方法如下：
伪距：(tRxSeconds-tTxSeconds)·SpeedOfLight
ADR：调取AccumulatedDeltaRangeMeters直接获得，AccumulatedDeltaRangeMeters即是手机提供的ADR观测量的名称，通过调取手机的API接口获取
“导航电文获取”模块通过Android API获取原始观测中的导航电文部分GnssNavigationMessage，将得到的电文数据解析得到卫星的广播星历、广播电离层参数和广播钟差参数。
图5给出了卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)的内部结构框图及输入输出。其中“轨道校正量计算”模块的输入包括来自GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)的GPS轨道校正数据，来自北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)的北斗轨道校正数据以及来自原始观测量生成单元(113)的广播星历和卫星信号发送时间。“时钟校正量计算”模块的输入包括来自GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)的GPS时钟校正数据，来自北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)的北斗时钟校正数据以及来自原始观测量生成单元(113)的卫星信号发送时间。最终两个模块分别输出SSR轨道校正量和SSR时钟校正量。校正量的计算方法如下：
Figure BDA0002598987410000161
δC＝C0+C1(t-trC)+C2(t-trC)2
其中δO为轨道校正量在三个方向上的分量所组成的向量，δC为时钟校正量，t为卫星信号发送时刻的时间。
图6给出了定位决算、输出显示单元(115)的内部结构以及输入输出。其中“轨道校正”模块的输入包括来自卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)的SSR轨道校正量以及来自原始观测量生成单元(113)的广播星历，输出SSR校正后的卫星坐标。校正方法如下：
XOrbit＝Xbroadcast-[eradial ealong ecross]δO
其中eradial，ealong和ecross对应三个误差方向的ECEF坐标向量，Xbroadcast是通过星历计算得到的卫星ECEF坐标，XOrbit是SSR校正后得到的卫星位置坐标。
“时钟校正”模块的输入包括来自原始观测量生成单元(113)的广播钟差、伪距和ADR，以及来自卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)的SSR时钟校正量，得到SSR校正后的卫星时钟，从而输出校正后的伪距和ADR。时钟校正方法如下：
Figure BDA0002598987410000162
其中tbroadcast是卫星广播信号中得到的卫星时钟，tsatellite是经过SSR校正后得到的卫星时钟。
“电离层、对流层时延校正”模块的输入包括来自原始观测量生成单元(113)的广播电离层参数，以及“时钟校正”模块的伪距和ADR，通过传统的电离层和对流层造成时延的模型进行时延校正，输出校正后的伪距和ADR。
“载波相位模糊度解算及精密单点定位计算”模块上述各模块输出的校正伪距、校正ADR以及校正卫星坐标作为输入，进行载波相位模糊度的解算以及精密单点定位的计算，载波相位模糊度采用LAMBDA算法，在估算出具有模糊度的载波相位后，列出观测方程，通过迭代最小二乘法得到定位结果。具体方法是：
假设初始迭代ECEF坐标为xr，第i颗卫星的ECEF坐标为
Figure BDA0002598987410000163
ρi为第i颗卫星的载波相位观测量，列出观测方程
Figure BDA0002598987410000171
其中，br为相对初始迭代值xr的偏差估计值，c为光速，Δtr为接收端的钟差。
则定位估计值为
Figure BDA0002598987410000172
将估计值作为初值代回观测方程，可进一步得到更加精确的定位估计，直到‖br‖2最终小于定位精度所能接受的阈值。
“定位结果输出地图显示”模块将上述模块的定位结果作为输入，可以将ECEF坐标化为经纬度坐标，通过地图API在地图上显示，以获取直观的定位结果。此外根据定位结果的状态，若未得到满足精度的定位结果，则不会将其在地图上显示。
优选例2：
基于星基增强技术且面向便携式智能设备的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，包括：
S1：在每一个历元时刻，GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，主要是通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以一定格式转换为对应误差模型的参量，包括GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数。
S2：在每一个历元时刻，北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，主要是通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以一定格式转换为对应误差模型的参量，包括北斗卫星钟差校正参数和北斗卫星轨道校正参数。
S3：在每一个历元时刻，原始观测量生成单元(113)通过调用Android API获得手机原始GNSS观测量，通过一定的计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量，同时也能获取卫星导航电文数据，进而解析出星历、电离层参数、钟差参数。将以上电文信息和伪距、ADR观测量一起进行载波相位模糊度的解算，使用LAMBDA算法，得到完整的载波相位观测量以及模糊度解算状态(无模糊度解、浮点解或固定解)的标志位。另外，原始观测量中的卫星信号发射时间ReceivedSvTimeNanos也被一并输出至后续单元。
S4：上述三个单元的数据被传入卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)中，用于计算SSR轨道校正量和时钟校正量。首先计算卫星信号接收时刻的地球坐标系下，信号发送时刻的GPS及北斗卫星位置坐标和速度矢量，然后与校正数据结合算得SSR和时钟的校正量。
S5：最后在定位解算、输出显示单元，用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标；用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，之后再经过电离层时延和对流层时延校正，得到校正后的载波相位。使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位，输出最终定位结果以及模糊度解算的标志位。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在每一个历元时刻，GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数；
步骤S2：在每一个历元时刻，北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括北斗卫星钟差校正参数和北斗卫星轨道校正参数；
步骤S3：在每一个历元时刻，原始观测量生成单元(113)通过调用移动终端操作系统API获得手机原始GNSS观测量，通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量，同时获取卫星导航电文数据，进而解析出电文信息，将解析出的电文信息和伪距、ADR观测量一起进行载波相位模糊度的解算，使用LAMBDA算法，得到完整的载波相位观测量以及模糊度解算状态的标志位，另外输出原始观测量中的卫星信号发射时间ReceivedSvTimeNanos；
步骤S4：将步骤S1、步骤S2及步骤S3输出的数据被传入卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)中，用于计算SSR轨道校正量和时钟校正量；
步骤S5：在定位解算、输出显示单元，用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，输出SSR轨道校正后的卫星坐标；用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，之后再经过电离层时延和对流层时延校正，得到校正后的伪距和载波相位，使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位，输出最终定位结果以及模糊度解算的标志位。
2.根据权利要求1所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，所述步骤S3中解析出的电文信息包括：星历、电离层参数以及钟差参数；
所述步骤S4中计算SSR轨道校正量和时钟校正量：
首先计算卫星信号接收时刻的地球坐标系下，信号发送时刻的GPS及北斗卫星位置坐标和速度矢量，然后与校正数据结合算得SSR和时钟的校正量。
3.根据权利要求1所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，所述步骤S1：
所述GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数包括：
(1)轨道校正参考时间trO；
(2)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于速度和位置矢量所在平面方向的分量δOradial、δOalong和6Ocross；
(3)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于轨道平面方向的分量随时间的变化率
Figure FDA0002598987400000021
和
Figure FDA0002598987400000022
(4)时钟校正参考时间trC；
(5)卫星时钟校正量的多项式系数C0、C1、C2。
4.根据权利要求1所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，所述通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量的方法如下：
伪距：(tRxSeconds-tTxSeconds)·SpeedOfLight；
ADR：调取AccumulatedDeltaRangeMeters直接获得；
其中，
tRxSeconds表示定位终端接收信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
tTxSeconds表示卫星发射信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
SpeedOfLight表示光在真空中传播的速度，为299792458m/s。
5.根据权利要求3所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，所述计算SSR轨道校正量和时钟校正量的计算方法如下：
Figure FDA0002598987400000023
δC＝C0+C1(t-trC)+C2(t-trC)2
其中，
δO为轨道校正量在三个方向上的分量所组成的向量；
δC为时钟校正量；
t为卫星信号发送时刻的时间。
6.根据权利要求1所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，所述步骤S5中用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，校正方法如下：
XOrbit＝Xbroadcast-[eradial ealong ecross]δO
其中，
eradial，ealong和ecross对应三个误差方向的ECEF坐标向量，Xbroadcast是通过星历计算得到的卫星ECEF坐标，XOrbit是SSR校正后得到的卫星位置坐标。
7.根据权利要求1所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，所述步骤S5中用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，校正方法如下：
Figure FDA0002598987400000031
其中，
tbroadcast是卫星广播信号中得到的卫星时钟，tsatellite是经过SSR校正后得到的卫星时钟。
8.根据权利要求1所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法，其特征在于，所述使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位：
设初始迭代ECEF坐标为xr，第i颗卫星的ECEF坐标为
Figure FDA0002598987400000034
ρi为第i颗卫星的载波相位观测量，列出观测方程：
Figure FDA0002598987400000032
其中，br为相对初始迭代值xr的偏差估计值，c为光速，Δtr为接收端的钟差。
则定位估计值为：
Figure FDA0002598987400000033
将估计值作为初值代回观测方程，可进一步得到更加精确的定位估计，直到||br||2最终小于定位精度所预设的阈值。
9.一种智能终端的双模GNSS载波精密单点定位系统，其特征在于，包括：
模块S1：在每一个历元时刻，GPS卫星SSR数据获取、解析单元(111)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数；
模块S2：在每一个历元时刻，北斗卫星SSR数据获取、解析单元(112)负责接收GPS卫星实时的SSR数据，通过解析卫星广播的导航电文中的数据信息，将二进制比特流以预设格式转换为对应误差模型的参量，包括北斗卫星钟差校正参数和北斗卫星轨道校正参数；
模块S3：在每一个历元时刻，原始观测量生成单元(113)通过调用移动终端操作系统API获得手机原始GNSS观测量，通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量，同时获取卫星导航电文数据，进而解析出电文信息，将解析出的电文信息和伪距、ADR观测量一起进行载波相位模糊度的解算，使用LAMBDA算法，得到完整的载波相位观测量以及模糊度解算状态的标志位，另外输出原始观测量中的卫星信号发射时间ReceivedSvTimeNanos；
模块S4：将模块S1、模块S2及模块S3输出的数据被传入卫星时钟、轨道校正量计算单元(114)中，用于计算SSR轨道校正量和时钟校正量；
模块S5：在定位解算、输出显示单元，用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，输出SSR轨道校正后的卫星坐标；用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，之后再经过电离层时延和对流层时延校正，得到校正后的伪距和载波相位，使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位，输出最终定位结果以及模糊度解算的标志位；
所述模块S3中解析出的电文信息包括：星历、电离层参数以及钟差参数；
所述模块S4中计算SSR轨道校正量和时钟校正量：
首先计算卫星信号接收时刻的地球坐标系下，信号发送时刻的GPS及北斗卫星位置坐标和速度矢量，然后与校正数据结合算得SSR和时钟的校正量；
所述模块S1：
所述GPS卫星钟差校正参数和GPS卫星轨道校正参数包括：
(1)轨道校正参考时间trO；
(2)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于速度和位置矢量所在平面方向的分量δOradial、δOalong和δOcrrss；
(3)卫星位置误差在法向、切向以及垂直于轨道平面方向的分量随时间的变化率
Figure FDA0002598987400000041
和
Figure FDA0002598987400000042
(4)时钟校正参考时间trC；
(5)卫星时钟校正量的多项式系数C0、C1、C2；
所述通过计算组合得到所有可见卫星的伪距、ADR等观测量的方法如下：
伪距：(tRxSeconds-tTxSeconds)·SpeedOfLight；
ADR：调取AccumulatedDeltaRangeMeters直接获得；
其中，
tRxSeconds表示定位终端接收信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
tTxSeconds表示卫星发射信号的时刻，单位为s，可通过调用手机终端的API接口获取；
SpeedOfLight表示光在真空中传播的速度，为299792458m/s；
所述计算SSR轨道校正量和时钟校正量的计算方法如下：
Figure FDA0002598987400000051
δC＝C0+C1(t-trC)+C2(t-trC)2
其中，
δO为轨道校正量在三个方向上的分量所组成的向量；
δC为时钟校正量；
t为卫星信号发送时刻的时间；
所述模块S5中用SSR轨道校正量校正广播星历算出的卫星坐标，校正方法如下：
XOrbit＝Xbroadcast-[eradial ealong ecross]δO
其中，
eradial，ealong和ecross对应三个误差方向的ECEF坐标向量，Xbroadcast是通过星历计算得到的卫星ECEF坐标，XOrbit是SSR校正后得到的卫星位置坐标；
所述模块S5中用广播钟差和SSR时钟校正量校正载波相位中的钟差部分，输出钟差校正后的伪距和载波相位，校正方法如下：
Figure FDA0002598987400000052
其中，
tbroadcast是卫星广播信号中得到的卫星时钟，tsatellite是经过SSR校正后得到的卫星时钟；
所述使用校正后的载波相位和卫星坐标进行精密单点定位：
设初始迭代ECEF坐标为xr，第i颗卫星的ECEF坐标为
Figure FDA0002598987400000061
ρi为第i颗卫星的载波相位观测量，列出观测方程：
Figure FDA0002598987400000062
其中，br为相对初始迭代值xr的偏差估计值，c为光速，Δtr为接收端的钟差。
则定位估计值为：
Figure FDA0002598987400000063
将估计值作为初值代回观测方程，可进一步得到更加精确的定位估计，直到||br||2最终小于定位精度所预设的阈值。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的智能终端的双模GNSS载波精密单点定位方法的步骤。
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