CN112946699A - 通导一体低轨卫星增强gnss导航系统的方法和系统 - Google Patents

通导一体低轨卫星增强gnss导航系统的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了通导一体低轨卫星增强GNSS导航的方法和系统，低轨通导一体卫星通过其通信链路直接从网络获取高中低轨精密数据产品。接收低轨通导一体卫星播发的高中低轨精密数据产品。接收高中低导航卫星和低轨通导一体卫星播发的导航直发信号，产生原始观测数据。利用高中低轨精密数据产品对原始观测数据进行误差修正，联合精密定位，对于一些不方便或无法直接连接互联网，或地面网络信号差的环境下，用户也可以通过低轨通导一体卫星的通信功能进行高精度快速定位。

Description

通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法和系统
技术领域
本发明涉及卫星通讯领域，具体涉及通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法和系统。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)(包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo、中国北斗、日本QZSS和印度IRNSS等)主要是通过测定从卫星至接收机间的距离，采用距离后方交会原理确定运动载体位置、速度和时间。联合全球导航卫星和低轨卫星的方法卫星导航系统PVT性能与卫星轨道、钟差产品、小数点精度、电离层、对流层等误差模型精度以及模糊度参数固定的正确性相关。
利用低轨卫星运行速度快，联合中高低轨卫星的几何图像变化快，达到快速收敛的高精度定位，缺点，地面用户终端需要连网，获取相关的高中低轨卫星的精密数据产品，如精密轨道、钟差、载波相位小数数据产品，才能进行高精度定位。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是地面用户需要连接网络获取相关的高中低轨卫星的精密数据产品后，才能进行高精度定位，目的在于提供利用LEO获取卫星精密轨道与钟差的方法，通过低轨卫星的导通一体特性，直接获取网络中精密数据产品。
本发明通过下述技术方案实现：
通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法，基于低轨卫星通导一体的特性，直接获取网络中的精密数据产品，包括以下步骤：
S1：低轨通导一体卫星通过通信链路直接从网络获取国际GNSS服务机构播发的高中低轨精密数据产品；
S2：低轨通导一体卫星将所述高中低轨精密数据产品播发给地面用户接收设备；
S3：高中低导航卫星和低轨通导一体卫星播发导航直发信号给地面用户接收设备；
S4：地面用户接收设备接收高中低导航卫星和低轨通导一体卫星播发的导航直发信号，通过计算产生原始观测数据:载波相位观测量和伪距观测量；
S5：将所述载波相位观测量和伪距观测量进行组合计算，得到组合载波相位观测量和组合伪距观测量；
S6：地面用户接收设备接收低轨通导一体卫星播发的高中低轨精密数据产品，组合生成观测数据修正量；
S7：地面用户接收设备利用所述观测数据修正量对所述原始观测数据进行修正处理，得到修正后的载波相位观测量和修正后的伪距观测量；
S8：对修正后的载波相位观测量和修正后的伪距观测量进行系统差补偿运算，得到修正系统差后的载波相位观测量和修正系统差后的伪距观测量；
S9：修正系统差后的载波相位观测量和修正系统差后的伪距观测量进行联立组成结算方程组运算，得到待估计的状态向量X；
S10：利用卡尔曼滤波或着序列最小二乘方法对所述待估计的状态向量X进行估计解算，得到精密定位结果数据。
进一步，所述播发的高中低轨精密数据产品包括：接收机天线相位中心偏移数据、卫星的天线相位中心偏移数据、接收机天线相位中心变化数据、卫星天线相位中心变化数据、站点位移修正数据、相位缠绕误差数据、小数部分载波相位数据、精密卫星钟差数据、精密卫星轨道数据、电离层延迟数据和对流层延迟数据。
进一步，通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法和系统，低轨通导一体卫星通过其通信链路直接从网络获取高中低轨精密数据产品。接收低轨通导一体卫星播发的高中低轨精密数据产品。接收高中低导航卫星和低轨通导一体卫星播发的导航直发信号，产生原始观测数据。利用高中低轨精密数据产品对原始观测数据进行误差修正，联合精密定位。对于一些不方便或无法直接连接互联网，或地面网络信号差的环境下，用户也可以通过低轨通导一体卫星的通信功能进行高精度快速定位。
进一步，通过以下公式计算产生原始观测数据：
公式
Figure RE-GDA0003048744010000021
和公式
Figure RE-GDA0003048744010000022
其中，
Figure RE-GDA0003048744010000023
为载波相位观测量，
Figure RE-GDA0003048744010000024
为伪距观测量，
Figure RE-GDA0003048744010000025
为信号发射时刻的s卫星的位置到信号接收时刻接收机r的位置之间的几何距离，c为光速，dtr(tr)为接收机钟差，dTs(ts)为卫星钟差，
Figure RE-GDA0003048744010000026
为电离层延迟，
Figure RE-GDA0003048744010000027
为对流层延迟，λi为载波波长，
Figure RE-GDA0003048744010000028
为载波相位差，包括整周模糊度；
Figure RE-GDA0003048744010000029
φr，0，i:Li为频率信号在本地接收机接收时刻的初始载波相位周，
Figure RE-GDA00030487440100000210
Li频率信号在卫星上发射时刻的初始载波相位周，
Figure RE-GDA00030487440100000211
Li频率信号相位差整周模糊度；
Figure RE-GDA00030487440100000212
为载波相位改正数，
Figure RE-GDA00030487440100000213
Figure RE-GDA00030487440100000214
Figure RE-GDA00030487440100000215
为接收机r到卫星s的单位方向向量；
Figure RE-GDA00030487440100000216
Figure RE-GDA0003048744010000031
转换到东北天坐标系下的单位方向向量，Er是从ECEF坐标系到ENU坐标系的旋转矩阵；dr，pco，i和
Figure RE-GDA0003048744010000032
接收机和卫星的天线相位中心偏移PCO；dr，pcv，i(El)和
Figure RE-GDA0003048744010000033
接收机和卫星天线相位中心变化PCV；dr，disp，i：各种原因引起的站点位移；φpw：相位缠绕误差；εΦ载波相位观测量测量误差，εP伪距观测量测量误差，下标r表示用户端，下标i表示不同的频点，上标s表示卫星。
进一步，通过以下公式进行联立组成结算方程组运算，得到待估计的状态向量X：
Figure RE-GDA0003048744010000034
和
Figure RE-GDA0003048744010000035
其中， X为待估计的值，包括用户接收机位置，钟差；y为修正后的组合观测量，
Figure RE-GDA0003048744010000036
为接收机位置，dtr为接收机钟差，dTg为系统时间差，BLC为无电离层模型载波相位偏差，other为其他估计量，G为线性化系数，T为转置。
进一步，所述系统包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行上述任一所述的通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的系统。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法和系统，低轨通导一体卫星通过其通信链路直接从网络获取高中低轨精密数据产品。接收低轨通导一体卫星播发的高中低轨精密数据产品。接收高中低导航卫星和低轨通导一体卫星播发的导航直发信号，产生原始观测数据。利用高中低轨精密数据产品对原始观测数据进行误差修正，联合精密定位。对于一些不方便或无法直接连接互联网，或地面网络信号差的环境下，用户也可以通过低轨通导一体卫星的通信功能进行高精度快速定位。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明卫星通信模式图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“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发明和简化描述，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发明保护范围的限制。
实施例
如图1所示，本发明通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法和系统，低轨通导一体卫星通过其通信链路直接从网络获取国际GNSS服务等机构播发的高中低轨精密数据产品，主要包括以下表1的数据信息：
表1
Figure RE-GDA0003048744010000041
Figure RE-GDA0003048744010000051
低轨通导一体卫星通过播发步骤1中接收到的高中低轨精密数据产品。
地面用户接收设备接收高中低导航卫星和低轨通导一体卫星播发的导航直发信号，产生原始观测数据:载波相位观测量
Figure RE-GDA0003048744010000052
和伪距观测量
Figure RE-GDA0003048744010000053
下标r表示用户端，下标i表示不同的频点，上标s表示卫星。
Figure RE-GDA0003048744010000054
Figure RE-GDA0003048744010000055
其中，具体描述见附表1。
将第3部得到的原始观测量进行组合，得到组合载波相位观测量
Figure RE-GDA0003048744010000056
和组合伪距观测量
Figure RE-GDA0003048744010000061
Figure RE-GDA0003048744010000062
Figure RE-GDA0003048744010000063
其中，具体描述见附表2。
地面用户接收设备(A3)同时接收低轨通导一体卫星(A4)播发的高中低轨精密数据产品，组合生成观测数据修正量，组合成
Figure RE-GDA0003048744010000064
Figure RE-GDA0003048744010000065
其中，附录2详细描述。
利用观测数据修正量修正原始观测数据。
Figure RE-GDA0003048744010000066
Figure RE-GDA0003048744010000067
其中，附录2详细描述。
考虑不同系统时间的系统差。
Figure RE-GDA0003048744010000068
Figure RE-GDA0003048744010000069
上标表示不同系统。
联立组成解算方程组：
X为待估计的值，包括用户接收机位置，钟差等；
y为修正后的组合观测量，如表2；
y＝Gx
Figure RE-GDA00030487440100000610
Figure RE-GDA00030487440100000611
表2
Figure RE-GDA00030487440100000612
Figure RE-GDA0003048744010000071
利用卡尔曼滤波或着序列最小二乘等方法解算上述方程组，完成精密定位。
附表1
附表中所有的上标s就是卫星，所有的下标r代表接收机
Figure RE-GDA0003048744010000072
Figure RE-GDA0003048744010000081
附表2
Figure RE-GDA0003048744010000082
Figure RE-GDA0003048744010000091
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法，基于低轨卫星通导一体的特性，直接获取网络中的精密数据产品，其特征在于，包括以下步骤：
S1：低轨通导一体卫星通过通信链路直接从网络获取国际GNSS服务机构播发的高中低轨精密数据产品；
S2：低轨通导一体卫星将所述高中低轨精密数据产品播发给地面用户接收设备；
S3：高中低导航卫星和低轨通导一体卫星播发导航直发信号给地面用户接收设备；
S4：地面用户接收设备接收高中低导航卫星和低轨通导一体卫星播发的导航直发信号，通过计算产生原始观测数据:载波相位观测量和伪距观测量；
S5：将所述载波相位观测量和伪距观测量进行组合计算，得到组合载波相位观测量和组合伪距观测量；
S6：地面用户接收设备接收低轨通导一体卫星播发的高中低轨精密数据产品，组合生成观测数据修正量；
S7：地面用户接收设备利用所述观测数据修正量对所述原始观测数据进行修正处理，得到修正后的载波相位观测量和修正后的伪距观测量；
S8：对修正后的载波相位观测量和修正后的伪距观测量进行系统差补偿运算，得到修正系统差后的载波相位观测量和修正系统差后的伪距观测量；
S9：修正系统差后的载波相位观测量和修正系统差后的伪距观测量进行联立组成结算方程组运算，得到待估计的状态向量X；
S10：利用卡尔曼滤波或着序列最小二乘方法对所述待估计的状态向量X进行估计解算，得到精密定位结果数据。
2.根据权利要求1所述的通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法，其特征在于，所述播发的高中低轨精密数据产品包括：接收机天线相位中心偏移数据、卫星的天线相位中心偏移数据、接收机天线相位中心变化数据、卫星天线相位中心变化数据、站点位移修正数据、相位缠绕误差数据、小数部分载波相位数据、精密卫星钟差数据、精密卫星轨道数据、电离层延迟数据和对流层延迟数据。
3.根据权利要求1所述的通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法，其特征在于，通过以下公式计算产生原始观测数据：
公式
Figure RE-FDA0003048467720000011
和公式
Figure RE-FDA0003048467720000012
其中，
Figure RE-FDA0003048467720000013
为载波相位观测量，
Figure RE-FDA0003048467720000014
为伪距观测量，
Figure RE-FDA0003048467720000015
为信号发射时刻的s卫星的位置到信号接收时刻接收机r的位置之间的几何距离，c为光速，dtr(tr)为接收机钟差，dTs(ts)为卫星钟差，
Figure RE-FDA0003048467720000021
为电离层延迟，
Figure RE-FDA0003048467720000022
为对流层延迟，λi为载波波长，
Figure RE-FDA0003048467720000023
为载波相位差，包括整周模糊度；
Figure RE-FDA0003048467720000024
φr，0，i:Li为频率信号在本地接收机接收时刻的初始载波相位周，
Figure RE-FDA0003048467720000025
Li频率信号在卫星上发射时刻的初始载波相位周，
Figure RE-FDA0003048467720000026
Li频率信号相位差整周模糊度；
Figure RE-FDA0003048467720000027
为载波相位改正数，
Figure RE-FDA0003048467720000028
Figure RE-FDA0003048467720000029
Figure RE-FDA00030484677200000210
为接收机r到卫星s的单位方向向量；
Figure RE-FDA00030484677200000211
(ee en eu)T：转换到东北天坐标系下的单位方向向量，Er是从ECEF坐标系到ENU坐标系的旋转矩阵；dr，pco，i和
Figure RE-FDA00030484677200000212
接收机和卫星的天线相位中心偏移PCO；dr，pcv，i(El)和
Figure RE-FDA00030484677200000213
接收机和卫星天线相位中心变化PCV；dr，disp，i：各种原因引起的站点位移；φpw：相位缠绕误差；εΦ载波相位观测量测量误差，εP伪距观测量测量误差，下标r表示用户端，下标i表示不同的频点，上标s表示卫星。
4.根据权利要求1所述的通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的方法，其特征在于，通过以下公式进行联立组成结算方程组运算，得到待估计的状态向量X：
Figure RE-FDA00030484677200000214
和
Figure RE-FDA00030484677200000215
其中，X为待估计的值，包括用户接收机位置，钟差；y为修正后的组合观测量，
Figure RE-FDA00030484677200000216
为接收机位置，dtr为接收机钟差，dTg为系统时间差，BLC为无电离层模型载波相位偏差，other为其他估计量，G为线性化系数，T为转置。
5.通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的系统，其特征在于，所述系统包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1-4任一所述的通导一体低轨卫星增强GNSS导航系统的系统。
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