CN112835082A - 一种gnss区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法、电子设备、存储介质 - Google Patents

一种gnss区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法、电子设备、存储介质 Download PDF

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CN112835082A CN202110007136.5A CN202110007136A CN112835082A CN 112835082 A CN112835082 A CN 112835082A CN 202110007136 A CN202110007136 A CN 202110007136A CN 112835082 A CN112835082 A CN 112835082A
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Abstract

本发明提供一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，包括步骤：基准站相位模糊度浮点解解算，固定模糊度成整数，提取电离层和对流层大气延迟信息，选择基准站坐标和大气延迟数据，计算终端大气延迟数据和质量指标，约束终端PPP算法。本发明涉及电子设备和存储方法。本发明采用PPP模糊度固定技术提取基准站的电离层和对流层大气延迟信息，把基准站的大气延迟信息播发给终端用户，终端用户接收到基准站大气延迟信息后利用其周边基准站的大气延迟信息计算用户端的大气延迟数据以及大气延迟数据的质量指标，最后采用计算得到的大气延迟数据及其质量指标信息约束终端PPP的电离层和对流层参数，使得PPP定位能够快速获得高精度位置坐标。

Description

一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方 法、电子设备、存储介质
技术领域
本发明涉及GNSS卫星定位技术领域，尤其涉及一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法、电子设备、存储介质。
背景技术
精密单点定位技术(PPP,precise point positioning)可以采用一台接收机，利用卫星伪距和相位观测值，以及卫星精密轨道钟差数据解算得到用户的绝对位置坐标。PPP技术可以利用单台接收机实时获得厘米级精度的定位服务，不依赖于基准站，但收敛时间长。实时动态差分定位技术(RTK，real-time kinematic)是实时处理两个测量站的载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。RTK技术收敛时间快，但依赖于流动站与基准站间的距离。为了结合两种技术的优点，近年来发展了PPP-RTK技术。PPP-RTK技术是利用稀疏的基准站网生成区域电离层和对流层产品，电离层和对流层数据产品统称为大气产品，把大气产品播发给用户端进行PPP增强定位，使PPP能够在1分钟左右实时获得厘米级定位服务。
终端用户接收到高精度电离层和对流层产品后，采用PPP技术约束用户端的电离层和对流层延迟参数，可以在1分钟左右实时获得厘米级的绝对定位服务。上述技术流程为区域增强PPP-RTK的基本技术流程，此技术的关键点之一在于电离层和对流层大气产品的数据质量。现有技术方案采用的内符合方差质量指标普遍比实际情况更优，准确性较低；内插距离计算的质量指标脱离了基准站的实际大气数据，只与距离有关；固定的经验值局限性较大。电离层和对流层产品精度的可靠性是提供可靠PPP-RTK服务的前提，大气产品精度异常将很大程度降低PPP收敛速度，甚至导致定位结果出现粗差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，提供精度更可靠的电离层和对流层产品，避免或减弱精度差的大气产品对终端PPP定位的影响。
本发明提供一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，包括以下步骤：
基准站相位模糊度浮点解解算，采用无电离层组合模型解算浮点模糊度，采用MW组合估计宽巷模糊度浮点解，通过所述宽巷模糊度浮点解计算宽巷模糊度整数解，通过所述宽巷模糊度整数解和无电离层组合模糊度浮点解计算基础模糊度浮点解；
固定模糊度成整数，利用所述MW组合固定宽巷模糊度，搜索窄巷模糊度，得到模糊度固定解；
提取大气延迟信息，通过基准站PPP解算得到天顶湿对流层未知参数值，将所述天顶湿对流层未知参数值作为对流层延迟产品的数值，提取电离层延迟，取参考星的浮点模糊度作为基准，得到非差电离层延迟；
选择基准站数据，接收生成的基准站坐标以及电离层和对流层数据信息，通过单点定位模式计算终端的概略位置坐标，终端根据自己的概略坐标选择附近若干基准站的数据；
计算用户终端的大气延迟数据和质量指标，建立电离层模型，得到区域电离层模型产品以及对应的质量因子，利用用户概略坐标和电离层模型计算用户端的电离层延迟数据，建立对流层模型，得到用户端的对流层延迟数据以及数据质量因子；
约束终端PPP算法，采用非差非组合模型，将用户端电离层和对流层作为未知参数进行估计，将电离层数据质量因子和对流层数据质量因子分别作为电离层参数和对流层参数方差约束条件，进行PPP解算，得到高精度定位结果。
进一步地，所述基准站相位模糊度浮点解解算步骤中，所述无电离层组合观测方程为：
Figure BDA0002883959740000031
其中，PIF和ΦIF分别为伪距和相位的无电离层组合观测值，P1和P2分别为第一和第二频率的伪距观测值，Φ1和Φ2分别为第一和第二频率以米为单位的相位观测值，f1和f2分别为第一和第二频率的频率值，r为测站，s为卫星，c为光速，c＝299792458.0m/s，
Figure BDA0002883959740000032
为测站至卫星的真实几何距离，dtr为接收机钟差，dts为卫星钟差，Ttrop为对流层延迟，
Figure BDA0002883959740000033
为地球固体潮改正、地球自转改正以及其他没有进行模型改正的误差，λ1和λ2为第一和第二频率的波长，N1和N2为第一和第二频率的模糊度，
Figure BDA0002883959740000034
为地球固体潮改正、地球自转改正，相位缠绕改正以及其他没有进行模型改正的误差；无电离层组合模糊度浮点解
Figure BDA0002883959740000035
进一步地，MW组合求宽巷模糊度浮点解公式为：
Figure BDA0002883959740000036
其中，λwl＝c/(f1-f2)为宽巷波长；
利用宽巷UPD产品对宽巷模糊度卫星端相位偏差进行改正，通过星间单差对接收机端相位偏差进行消除，所述UPD产品为卫星端的未矫正相位模糊度小数偏差，所述星间单差为卫星与某颗参考星作差，分别对每颗卫星的单差宽巷浮点模糊度进行时间滤波取平均值，再对平均值进行四舍五入取整得到宽巷模糊度整数解Nwl；
所述基础模糊度浮点解计算公式为：
Figure BDA0002883959740000041
进一步地，所述固定模糊度成整数步骤中，采用lamda法搜索窄巷模糊度。
进一步地，所述提取大气延迟信息步骤中，所述提取电离层延迟公式为：
Figure BDA0002883959740000042
基准站PPP解算中，模糊度固定是基于星间单差，忽略相位观测值的噪声影响，所述提取电离层延迟公式表示为：
Figure BDA0002883959740000043
(5)其中，
Figure BDA0002883959740000044
为参考星的模糊度。
进一步地，所述计算用户终端的大气延迟数据和质量指标步骤中，所述电离层模型采用多项式模型，模型公式为：
Figure BDA0002883959740000045
其中，stecs是卫星s的电离层延迟，
Figure BDA0002883959740000046
是多项式系数，
Figure BDA0002883959740000047
是测站i的位置坐标纬度和经度，
Figure BDA0002883959740000048
是建模区域中心点坐标的纬度和经度。
进一步地，所述计算用户终端的大气延迟数据和质量指标步骤中，所述建立电离层模型包括：
对选择的若干基准站的电离层进行基准统一：选择一颗公共的参考星，然后每个基准站的卫星电离层与参考星的各自电离层进行作差，得到单差电离层stec；
利用区域内单站电离层数据拟合出公式(5)的多项式系数；
利用拟合得到的多项式系数重新计算得到每个基准站每颗卫星的电离层延迟计算值stec0；
基准站单差电离层stec减去stec0得到每个基准每颗卫星的电离层残差；
利用基准站的电离层残差，采用反距离加权内插方法内插得到用户端的电离层残差，将此残差的绝对值作为电离层产品的质量因子QI；
利用用户概略坐标和多项式模型计算用户端的电离层延迟数据。
进一步地，所述计算用户终端的大气延迟数据和质量指标步骤中，采用反距离加权方法建立对流层模型，包括以下步骤：
将所有基准站的天顶对流层湿延迟值归算到高程为用户位置高程H米处的对流层，得到高程为H米的每个基准站的天顶湿对流层延迟值zwd0；
采用反距离内插方法内插出用户位置的天顶湿延迟；
利用2至最后一号基准站的对流层数据，采用反距离加权方法内插出1号基准站的对流层zwd'，zwd'减去zwd0得到1号基准站的对流层残差Δzwd，分别计算其他基准站的对流层残差，再采用反距离加权方法内插用户端的对流层残差Δzwd0，将Δzwd0的绝对值作为对流层产品的质量因子QI。
一种电子设备，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明首先采用PPP模糊度固定技术提取基准站的电离层和对流层大气延迟信息，然后把基准站的大气延迟信息播发给终端用户，终端用户接收到基准站大气延迟信息后利用其周边基准站的大气延迟信息计算用户端的大气延迟数据以及大气延迟数据的质量指标，最后采用计算得到的大气延迟数据及其质量指标信息约束终端PPP的电离层和对流层参数，使得PPP定位能够快速获得高精度位置坐标。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
基准站相位模糊度浮点解解算，采用无电离层组合模型解算浮点模糊度，无电离层组合观测方程为：
Figure BDA0002883959740000071
其中，PIF和ΦIF分别为伪距和相位的无电离层组合观测值，P1和P2分别为第一和第二频率的伪距观测值，Φ1和Φ2分别为第一和第二频率以米为单位的相位观测值，f1和f2分别为第一和第二频率的频率值，r为测站，s为卫星，c为光速，c＝299792458.0m/s，
Figure BDA0002883959740000072
为测站至卫星的真实几何距离，dtr为接收机钟差，dts为卫星钟差，Ttrop为对流层延迟，
Figure BDA0002883959740000073
为地球固体潮改正、地球自转改正以及其他没有进行模型改正的误差，λ1和λ2为第一和第二频率的波长，N1和N2为第一和第二频率的模糊度，
Figure BDA0002883959740000074
为地球固体潮改正、地球自转改正，相位缠绕改正以及其他没有进行模型改正的误差；无电离层组合模糊度浮点解
Figure BDA0002883959740000075
采用MW组合估计宽巷模糊度浮点解，利用宽巷UPD产品对宽巷模糊度卫星端相位偏差进行改正，通过星间单差对接收机端相位偏差进行消除，UPD产品为卫星端的未矫正相位模糊度小数偏差，可以通过事先计算得到；星间单差为卫星与某颗参考星作差，分别对每颗卫星的单差宽巷浮点模糊度进行时间滤波取平均值，再对平均值进行四舍五入取整得到宽巷模糊度整数解Nwl。MW组合求宽巷模糊度浮点解公式为：
Figure BDA0002883959740000076
其中，λwl＝c/(f1-f2)为宽巷波长；
由宽巷模糊度整数解Nwl和无电离层组合模糊度浮点解
Figure BDA0002883959740000077
计算基础模糊度浮点解
Figure BDA0002883959740000078
计算公式为：
Figure BDA0002883959740000081
固定模糊度成整数，利用MW组合固定宽巷模糊度，采用lamda法搜索窄巷模糊度，得到模糊度固定解。
提取大气延迟信息，通过基准站PPP解算得到天顶湿对流层未知参数值，将天顶湿对流层未知参数值作为对流层延迟产品的数值，提取电离层延迟公式为：
Figure BDA0002883959740000082
基准站PPP解算中，模糊度固定是基于星间单差，忽略相位观测值的噪声影响，提取电离层延迟公式(4)表示为：
Figure BDA0002883959740000083
(5)其中，
Figure BDA0002883959740000084
为参考星的模糊度，接收机坐标、卫星钟差和卫星端相位bias已知，接收机钟差和对流层参数以及单差模糊度参数由PPP解算得到。因此电离层存在基准偏差
Figure BDA0002883959740000085
但同一个站同一个历元的不同卫星的基准偏差是一致的。取参考星的浮点模糊度作为基准，可以得到非差电离层延迟stec。需要注意的是此非差电离层stec存在基准偏差，但对PPP增强约束等大多数场景应用是无影响。
选择基准站数据，用户通过网络或者卫星信号接收生成的基准站坐标以及电离层和对流层数据信息，通过单点定位模式计算终端的概略位置坐标，终端根据自己的概略坐标选择附近若干基准站的数据，本实施例中，选择附近6个基准站的数据。
计算用户终端的大气延迟数据和质量指标，建立电离层模型，电离层模型采用多项式模型，模型公式为：
Figure BDA0002883959740000091
其中，stecs是卫星s的电离层延迟，
Figure BDA0002883959740000092
是多项式系数，
Figure BDA0002883959740000093
是测站i的位置坐标纬度和经度，
Figure BDA0002883959740000094
是建模区域中心点坐标的纬度和经度。
建立电离层模型包括以下步骤：
对选择的若干基准站的电离层进行基准统一：选择一颗公共的参考星，然后每个基准站的卫星电离层与参考星的各自电离层进行作差，得到单差电离层stec；
利用区域内单站电离层数据拟合出公式(5)的多项式系数；
利用拟合得到的多项式系数重新计算得到每个基准站每颗卫星的电离层延迟计算值stec0；
基准站单差电离层stec减去stec0得到每个基准每颗卫星的电离层残差；
利用基准站的电离层残差，采用反距离加权内插方法内插得到用户端的电离层残差，将此残差的绝对值作为电离层产品的质量因子QI；
通过以上五个步骤可以得到区域电离层模型产品以及对应的质量因子，利用用户概略坐标和多项式模型计算用户端的电离层延迟数据。
采用反距离加权方法建立对流层模型，包括以下步骤：
将所有基准站的天顶对流层湿延迟值归算到高程为用户位置高程H米处的对流层，得到高程为H米的每个基准站的天顶湿对流层延迟值zwd0；
采用反距离内插方法内插出用户位置的天顶湿延迟；
利用2至最后一号基准站的对流层数据，采用反距离加权方法内插出1号基准站的对流层zwd'，zwd'减去zwd0得到1号基准站的对流层残差Δzwd，以此类推，分别计算其他基准站的对流层残差，再采用反距离加权方法内插用户端的对流层残差Δzwd0，将Δzwd0的绝对值作为对流层产品的质量因子QI。
通过以上三步计算得到用户端的对流层延迟数据以及数据质量因子QI。
采用基准站的实际大气数据进行反推大气产品数据质量，并且可以根据用户的不同位置给出不同的数据质量因子。根据基准站的大气延迟以及用户与基准站间的距离关系计算一种更可靠的质量因子。
约束终端PPP算法，采用非差非组合模型，将用户端电离层和对流层作为未知参数进行估计，并利用计算延迟数据和质量指标步骤计算得到的电离层和对流层数据作为虚拟观测值分别约束电离层参数和对流层参数。电离层数据质量因子和对流层数据质量因子分别作为电离层参数和对流层参数方差约束条件。最后进行PPP解算，可以快速得到高精度定位结果。
一种电子设备，包括：处理器；
存储器；以及程序，其中程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法。
本发明首先采用PPP模糊度固定技术提取基准站的电离层和对流层大气延迟信息，然后把基准站的大气延迟信息播发给终端用户，终端用户接收到基准站大气延迟信息后利用其周边基准站的大气延迟信息计算用户端的大气延迟数据以及大气延迟数据的质量指标，最后采用计算得到的大气延迟数据及其质量指标信息约束终端PPP的电离层和对流层参数，使得PPP定位能够快速获得高精度位置坐标。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
基准站相位模糊度浮点解解算，采用无电离层组合模型解算浮点模糊度，采用MW组合估计宽巷模糊度浮点解，通过所述宽巷模糊度浮点解计算宽巷模糊度整数解，通过所述宽巷模糊度整数解和无电离层组合模糊度浮点解计算基础模糊度浮点解；
固定模糊度成整数，利用所述MW组合固定宽巷模糊度，搜索窄巷模糊度，得到模糊度固定解；
提取大气延迟信息，通过基准站PPP解算得到天顶湿对流层未知参数值，将所述天顶湿对流层未知参数值作为对流层延迟产品的数值，提取电离层延迟，取参考星的浮点模糊度作为基准，得到非差电离层延迟；
选择基准站数据，接收生成的基准站坐标以及电离层和对流层数据信息，通过单点定位模式计算终端的概略位置坐标，终端根据自己的概略坐标选择附近若干基准站的数据；
计算用户终端的大气延迟数据和质量指标，建立电离层模型，得到区域电离层模型产品以及对应的质量因子，利用用户概略坐标和电离层模型计算用户端的电离层延迟数据，建立对流层模型，得到用户端的对流层延迟数据以及数据质量因子；
约束终端PPP算法，采用非差非组合模型，将用户端电离层和对流层作为未知参数进行估计，将电离层数据质量因子和对流层数据质量因子分别作为电离层参数和对流层参数方差约束条件，进行PPP解算，得到高精度定位结果。
2.如权利要求1所述的一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，其特征在于：所述基准站相位模糊度浮点解解算步骤中，所述无电离层组合观测方程为：
Figure FDA0002883959730000021
其中，PIF和ΦIF分别为伪距和相位的无电离层组合观测值，P1和P2分别为第一和第二频率的伪距观测值，Φ1和Φ2分别为第一和第二频率以米为单位的相位观测值，f1和f2分别为第一和第二频率的频率值，r为测站，s为卫星，c为光速，c＝299792458.0m/s，
Figure FDA0002883959730000022
为测站至卫星的真实几何距离，dtr为接收机钟差，dts为卫星钟差，Ttrop为对流层延迟，
Figure FDA0002883959730000023
为地球固体潮改正、地球自转改正以及其他没有进行模型改正的误差，λ1和λ2为第一和第二频率的波长，N1和N2为第一和第二频率的模糊度，
Figure FDA0002883959730000024
为地球固体潮改正、地球自转改正，相位缠绕改正以及其他没有进行模型改正的误差；无电离层组合模糊度浮点解
Figure FDA0002883959730000025
3.如权利要求2所述的一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，其特征在于：MW组合求宽巷模糊度浮点解公式为：
Figure FDA0002883959730000026
其中，λwl＝c/(f1-f2)为宽巷波长；
利用宽巷UPD产品对宽巷模糊度卫星端相位偏差进行改正，通过星间单差对接收机端相位偏差进行消除，所述UPD产品为卫星端的未矫正相位模糊度小数偏差，所述星间单差为卫星与某颗参考星作差，分别对每颗卫星的单差宽巷浮点模糊度进行时间滤波取平均值，再对平均值进行四舍五入取整得到宽巷模糊度整数解Nwl；
所述基础模糊度浮点解计算公式为：
Figure FDA0002883959730000031
4.如权利要求1所述的一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，其特征在于：所述固定模糊度成整数步骤中，采用lamda法搜索窄巷模糊度。
5.如权利要求2所述的一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，其特征在于：所述提取大气延迟信息步骤中，所述提取电离层延迟公式为：
Figure FDA0002883959730000032
基准站PPP解算中，模糊度固定是基于星间单差，忽略相位观测值的噪声影响，所述提取电离层延迟公式表示为：
Figure FDA0002883959730000033
Figure FDA0002883959730000039
其中，
Figure FDA0002883959730000034
为参考星的模糊度。
6.如权利要求5所述的一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，其特征在于：所述计算用户终端的大气延迟数据和质量指标步骤中，所述电离层模型采用多项式模型，模型公式为：
Figure FDA0002883959730000035
其中，stecs是卫星s的电离层延迟，
Figure FDA0002883959730000036
是多项式系数，
Figure FDA0002883959730000037
是测站i的位置坐标纬度和经度，
Figure FDA0002883959730000038
是建模区域中心点坐标的纬度和经度。
7.如权利要求6所述的一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，其特征在于：所述计算用户终端的大气延迟数据和质量指标步骤中，所述建立电离层模型包括：
对选择的若干基准站的电离层进行基准统一：选择一颗公共的参考星，然后每个基准站的卫星电离层与参考星的各自电离层进行作差，得到单差电离层stec；
利用区域内单站电离层数据拟合出公式(5)的多项式系数；
利用拟合得到的多项式系数重新计算得到每个基准站每颗卫星的电离层延迟计算值stec0；
基准站单差电离层stec减去stec0得到每个基准每颗卫星的电离层残差；
利用基准站的电离层残差，采用反距离加权内插方法内插得到用户端的电离层残差，将此残差的绝对值作为电离层产品的质量因子QI；
利用用户概略坐标和多项式模型计算用户端的电离层延迟数据。
8.如权利要求1所述的一种GNSS区域增强电离层和对流层大气产品质量指标计算方法，其特征在于：所述计算用户终端的大气延迟数据和质量指标步骤中，采用反距离加权方法建立对流层模型，包括以下步骤：
将所有基准站的天顶对流层湿延迟值归算到高程为用户位置高程H米处的对流层，得到高程为H米的每个基准站的天顶湿对流层延迟值zwd0；
采用反距离内插方法内插出用户位置的天顶湿延迟；
利用2至最后一号基准站的对流层数据，采用反距离加权方法内插出1号基准站的对流层zwd'，zwd'减去zwd0得到1号基准站的对流层残差Δzwd，分别计算其他基准站的对流层残差，再采用反距离加权方法内插用户端的对流层残差Δzwd0，将Δzwd0的绝对值作为对流层产品的质量因子QI。
9.一种电子设备，其特征在于包括：处理器；
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求1-8任意一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行如权利要求1-8任意一项所述的方法。
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