CN112083462B - 一种海洋精密单点定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海洋精密单点定位方法，首先利用多张北斗短报文数传终端采用分时转发的方式传递北斗卫星轨道和钟差改正数。其次，在两次完整的改正数传输期间内，采用历元间差分定位，满足了高精度定位的实时性。本发明同时利用历元间差分定位，解决了接收机采样频率和北斗ID卡传输数据频率不匹配的问题。获得历元间高精度的相对位置解，通过高精度相对位置解递推绝对位置，满足了高精度定位的实时性，适应了导航的实际运行要求。

Description

一种海洋精密单点定位方法
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，涉及一种海上精密单点定位方法，特别是一种基于北斗导航通讯一体化的海洋精密单点定位方法。
背景技术
精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)技术因具有单台接收机、无需基站辅助以及高精度等优势，可以为海洋开发、海洋勘探以及海上作业保障等应用提供高精度的位置基准，是提供海洋绝对高精度位置服务的首选技术之一。
PPP的定位性能很大程度上依赖于精密卫星轨道和钟差产品的质量，随着实时高精度位置服务需求的日益凸显，国际GNSS服务(International GNSS Service，IGS)推出了精密卫星轨道和钟差产品的实时服务(Real-Time Service，RTS)，同时，Veripos、Fugro、Trimble等商业公司可以提供海上实时PPP(Real-Time PPP,RT-PPP)的高精度位置服务，该类服务的精密卫星轨道和钟差产品的数据传输均采用Imarsat海事卫星，服务成本昂贵，且用户的位置信息存在泄密的危险。随着我国北斗第三代卫星导航系统的全球组网，北斗短报文通讯功能满足全球海域覆盖的要求，且成本低、保密性好的特点，但受限于北斗短报文通讯频率和带宽限制，无法满足精密卫星轨道和钟差产品输出的需求。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种覆盖范围广、成本低、保密性能好的北斗导航通讯一体化的海洋精密单点定位方法，摆脱全球短报文的数据通讯频率和带宽限制，实现全球数据传输覆盖，保障自主安全性。
为解决上述技术问题，本发明的一种海洋精密单点定位方法，包括：
步骤1：实时获取原始观测量信息及导航电文信息；
步骤2：将用户端的可视卫星通过一张北斗卡传递给系统端；
步骤3：由系统端的多卡设备通过短报文将用户端相应可视卫星修正产品打包分时发送；
步骤4：用户端实时接收由系统端多卡北斗短报文终端分时传输的北斗卫星精密轨道和钟差改正数，并判断是否完整接受到同一历元的校正数，若是，则进入下一步，否则，进入步骤7。
步骤5：在完成同一时刻的北斗卫星轨道和钟差改正数传输后，根据修正产品对卫星位置和卫星钟差进行校正，并利用精确模型修正观测量中模型化误差，包含相位缠绕、潮汐、自旋转、相对论以及卫星天线相位抖动；
步骤6：构建无电离层组合观测模型，利用步骤5求出的模型化误差进行误差修正，通过扩展卡尔曼滤波进行PPP定位解算；
步骤7：在两次完整的差分数据传输期间内，构建非组合历元差分模型，利用LAMBDA方法进行周跳固定，完成历元间高精度相对定位解算；
步骤8：通过历元间高精度相对位置以及上一次的PPP定位结果递推用户绝对位置。
本发明还包括：
1.步骤3中系统端包括多张北斗卡，在接收到用户的可视卫星后，通过等时分组播发的方式将信号强度高的8颗北斗SSR数据播发给用户。
2.步骤5中根据修正产品对卫星位置和卫星钟差进行校正具体为：
Figure BDA0002679629220000021
Figure BDA0002679629220000022
ΔC＝C0+C1(t-t0)+C2(t-t0)2
式中：δr0，δa0，δc0，
Figure BDA0002679629220000023
分别表示t0时刻轨道坐标系下卫星轨道在径向、切向、法向方向上的改正数及其变化率
δr，δa，δc分别表示t时刻轨道坐标系下卫星轨道在径向、切向、法向方向上的改正数；
C0，C1，C2分别表示计算卫星钟差改正数的多项式系数；
Figure BDA0002679629220000024
为卫星矢量；
Figure BDA0002679629220000025
为卫星速度矢量。
[ΔX ΔY ΔZ]T表示在地心地固坐标系下的卫星位置改正量。
ΔC表示卫星钟差的改正数，单位为米。
3.步骤7中在两次完整的差分数据传输期间内，构建非组合历元差分模型具体为：
Figure BDA0002679629220000026
ΔΦ，ΔP分别表示相邻历元载波相位、伪距观测量之差，以米为单位；Δρ＝ρ(k+1)-ρ(k)，表示相邻历元卫星到接收机的几何距离之差；Δδtu表示相邻历元接收机钟差之差；ΔN表示相邻历元所有可视卫星的载波相位周跳值(以周为单位)；ΔεΦ，ΔεP-分别表示相邻历元载波相位多径及观测噪声误差之差，通过该模型完成北斗卡组间的高精度位置解算。
本发明的有益效果：本发明利用了北斗全球短报文全球覆盖、保密性好、成本低的特点，提出了基于北斗全球短报文的北斗导航通信一体化海上定位方法，一方面，采用北斗多卡分时转发的技术，摆脱了全球短报文的数据通讯频率和带宽限制；另一方面，在修正产品传输间采用历元差分的技术，保障了高精度定位的实时性需求。
附图说明
图1是基于北斗导航通讯一体化的海洋实时精密单点定位技术途径流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
结合图1，本发明基于北斗导航系统的短报文通讯功能，利用系统端多张北斗ID卡分时转发策略，实现了精密卫星轨道和钟差改正数的全球播发，即保证了定位自主安全性，又对原始载波相位和伪距观测量中所包含的主要误差进行修正，最终得到高精度绝对位置解。本发明同时利用历元间差分定位，解决了接收机采样频率和北斗ID卡传输数据频率不匹配的问题。获得历元间高精度的相对位置解，通过高精度相对位置解递推绝对位置，满足了高精度定位的实时性，适应了导航的实际运行要求。
本发明首先利用多张北斗短报文数传终端采用分时转发的方式传递北斗卫星轨道和钟差改正数。其次，在两次完整的改正数传输期间内，采用历元间差分定位，满足了高精度定位的实时性。具体包括以下步骤：
步骤1：海洋用户端实时接收北斗卫星导航系统的星历电文、导航电文信息。
步骤2：用户端向系统端播发可视卫星PRN码
海洋用户端通过一张北斗卡将按卫星高度角排序后的可用卫星PRN码发送给系统端。
步骤3：系统端分时播发精密卫星轨道和卫星钟差改正数
系统端首先利用网络获得北斗系统的精密卫星轨道和卫星钟差改正数，然后根据步骤2中的PRN码选择相应卫星的改正数。考虑到北斗ID卡的60秒的通讯频率和78.5字节的带宽限制，系统端每张卡可以播发两颗卫星的改正数。将16张北斗卡等分成四组，每隔15秒使用一组北斗卡经过4秒将前八颗相应卫星的精密轨道和钟差改正数播发给海洋用户端。
步骤4：用户端判断是否完整接收同一历元改正数
用户端实时接收由系统端多卡北斗短报文终端分时传输的北斗卫星精密轨道和钟差改正数，实时精密卫星轨道和钟差改正数遵循RTCM3.02标准中的状态空间表示(StateSpace Representation，SSR)。并判断海洋用户端北斗短报文设备是否完整的接收到新的同一时刻精密卫星轨道和钟差修正数。如果是则执行下一步，否则，直接执行步骤7。
步骤5：计算可视卫星轨道、钟差改正数以及模型化误差
a.由于实时精密卫星轨道和钟差改正数是基于广播星历的，因而先利用广播星历解算出卫星位置和钟差，随后通过SSR实现精密卫星轨道和钟差校正量的计算。
Figure BDA0002679629220000041
Figure BDA0002679629220000042
ΔC＝C0+C1(t-t0)+C2(t-t0)2 (3)
式中：δr0，δa0，δc0，
Figure BDA0002679629220000043
-分别表示t0时刻轨道坐标系下卫星轨道在径向、切向、法向方向上的改正数及其变化率
δr，δa，δc-分别表示t时刻轨道坐标系下卫星轨道在径向、切向、法向方向上的改正数；
C0，C1，C2-分别表示计算卫星钟差改正数的多项式系数；
Figure BDA0002679629220000044
-卫星矢量；
Figure BDA0002679629220000045
-卫星速度矢量。
[ΔXΔYΔZ]T-表示在地心地固坐标系下的卫星位置改正量。
ΔC-表示卫星钟差的改正数，单位为米。
b.其余的模型化误差包括对流层误差、相对论效应、地球自转校正、潮汐、天线相位缠绕等。
步骤6：构建无电离层组合观测方程式完成PPP定位解算
构建无电离层组合观测方程式，利用步骤5求出的模型化误差进行误差修正，采用扩展卡尔曼滤波求解高精度绝对位置解。
步骤7：构建非组合历元差分模型完成浮点解计算
a.建立由广播星历以及消除卫星钟差的非组合历元差分观测方程式，如下：
Figure BDA0002679629220000046
式中：ΔΦ，ΔP-分别表示相邻历元载波相位、伪距观测量之差，以米为单位；
Δρ＝ρ(k+1)-ρ(k)-表示相邻历元卫星到接收机的几何距离之差；
Δδtu-表示相邻历元接收机钟差之差；
Figure BDA0002679629220000051
-表示相邻历元所有可视卫星的载波相位周跳值(以周为单位)，如某颗没有发生周跳，则相应的ΔNj为0，j＝1,2,…,n；
ΔεΦ＝εΦ(k+1)-εΦ(k)，ΔεP＝εP(k+1)-εP(k)-分别表示相邻历元载波相位多径及观测噪声误差之差。
b.对式(4)进行线性化处理并写成矩阵形式，利用加权最小二乘法完成最优相对位置及周跳浮点解的计算。
c.利用LAMBDA方法对周跳进行固定，并更新相对位置的结果。
步骤8：递推绝对位置解
在两次完整的差分数据传输期间内，利用高精度相对定位解与前一个PPP绝对位置解，递推用户位置。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不偏离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的调整，但这些相应的调整都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种海洋精密单点定位方法，其特征在于，包括：
步骤1：实时获取原始观测量信息及导航电文信息；
步骤2：将用户端的可视卫星通过一张北斗卡传递给系统端；
海洋用户端通过一张北斗卡将按卫星高度角排序后的可用卫星PRN码发送给系统端；
步骤3：由系统端的多卡设备通过短报文将用户端相应可视卫星修正产品打包分时发送；
系统端首先利用网络获得北斗系统的精密卫星轨道和卫星钟差改正数，然后根据步骤2中的PRN码选择相应卫星的改正数；考虑到北斗ID卡的60秒的通讯频率和78.5字节的带宽限制，系统端每张卡可以播发两颗卫星的改正数，将16张北斗卡等分成四组，每隔15秒使用一组北斗卡经过4秒将前八颗相应卫星的精密轨道和钟差改正数播发给海洋用户端；
步骤4：用户端实时接收由系统端多卡北斗短报文终端分时传输的北斗卫星精密轨道和钟差改正数，并判断是否完整接受到同一历元的校正数，若是，则进入下一步，否则，进入步骤7；
步骤5：在完成同一时刻的北斗卫星轨道和钟差改正数传输后，根据修正产品对卫星位置和卫星钟差进行校正，并利用精确模型修正观测量中模型化误差，包含相位缠绕、潮汐、自旋转、相对论以及卫星天线相位抖动；
步骤6：构建无电离层组合观测模型，利用步骤5求出的模型化误差进行误差修正，通过扩展卡尔曼滤波进行PPP定位解算；
步骤7：在两次完整的差分数据传输期间内，构建非组合历元差分模型，利用LAMBDA方法进行周跳固定，完成历元间高精度相对定位解算；
步骤8：通过历元间高精度相对位置以及上一次的PPP定位结果递推用户绝对位置。
2.根据权利要求1所述的一种海洋精密单点定位方法，其特征在于，包括：步骤3所述系统端包括多张北斗卡，在接收到用户的可视卫星后，通过等时分组播发的方式将信号强度高的8颗北斗SSR数据播发给用户。
3.根据权利要求1或2所述一种海洋精密单点定位方法，其特征在于：步骤5所述根据修正产品对卫星位置和卫星钟差进行校正具体为：
Figure FDA0003866993490000021
Figure FDA0003866993490000022
ΔC＝C0+C1(t-t0)+C2(t-t0)2
式中：δr0,δa0,δc0,
Figure FDA0003866993490000023
分别表示t0时刻轨道坐标系下卫星轨道在径向、切向、法向方向上的改正数及其变化率；
δr，δa，δc分别表示t时刻轨道坐标系下卫星轨道在径向、切向、法向方向上的改正数；
C0，C1，C2分别表示计算卫星钟差改正数的多项式系数；
Figure FDA0003866993490000024
为卫星矢量；
Figure FDA0003866993490000025
为卫星速度矢量；
[ΔXΔYΔZ]T表示在地心地固坐标系下的卫星位置改正量；ΔC表示卫星钟差的改正数，单位为米。
4.根据权利要求1或2所述一种海洋精密单点定位方法，其特征在于：步骤7所述在两次完整的差分数据传输期间内，构建非组合历元差分模型具体为：
Figure FDA0003866993490000026
ΔΦ，ΔP分别表示相邻历元载波相位、伪距观测量之差，以米为单位；Δρ＝ρ(k+1)-ρ(k)，表示相邻历元卫星到接收机的几何距离之差；Δδtu表示相邻历元接收机钟差之差；ΔN表示相邻历元所有可视卫星的载波相位周跳值(以周为单位)；ΔεΦ，ΔεP分别表示相邻历元载波相位多径及观测噪声误差之差，通过该模型完成北斗卡组间的高精度位置解算。
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