CN114019551A - 一种gnss观测站网原始观测方程解算方法 - Google Patents

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CN114019551A CN202111249897.8A CN202111249897A CN114019551A CN 114019551 A CN114019551 A CN 114019551A CN 202111249897 A CN202111249897 A CN 202111249897A CN 114019551 A CN114019551 A CN 114019551A
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陈永昌
盛传贞
张京奎
蔚保国
易卿武
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    • 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
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Abstract

本发明公开了一种GNSS观测站网原始观测方程解算方法，属于卫星导航技术领域。该方法以全球或区域GNSS跟踪站网多频点伪距与相位观测数据为基础，通过增加约束条件构建满秩非差非组合全参数估计模型，实现了接收机钟差、卫星钟差、对流层延迟、电离层延迟及基础频率卫星相位偏差等定位增强参数的统一估计；通过对待估参数赋予权重，能够实现灵活选定和调整参数估值的基准，有效解决了原始的非差非组合观测方程在解算时,相位偏差估值基准选取单一的问题。该方法所估参数能够用作PPP‑RTK高精度定位增强服务，也能用于PPP、RTK等传统定位模式的服务需求。

Description

一种GNSS观测站网原始观测方程解算方法
技术领域
本发明涉及一种GNSS观测站网原始观测方程解算方法，属于卫星导航技术领域，可用于解算GNSS观测站网原始(非差非组合)观测方程。
背景技术
全球导航卫星系统(GNSS)的建立旨在提供室外定位、导航和授时服务。现今，实时高精度的卫星导航定位技术包括：实时差分动态定位(RTK)、实时精密单点定位(Real-TimePPP和Real-Time PPP-AR)、基于参考站网的实时动态定位(网络RTK)，以及PPP-RTK技术等。实时高精度定位技术的实现不仅依赖于相应的算法，还需要多种增强信息产品的支撑，如卫星钟差、卫星相位偏差以及大气延迟信息等。增强信息主要来源于GNSS观测站网的解算。
然而，在利用原始观测方程解算这些增强信息时，现有方法针对相位偏差估值基准选择的问题，主要依靠选取单个接收机或单个卫星对应的相位偏差作为所有估值的基准，未实现将所有相位偏差参数作为相位偏差估值的基准。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种GNSS观测站网原始观测方程解算方法，可解算GNSS原始观测方程，以提供PPP-AR、PPP-RTK等精密导航定位服务所需的卫星钟差、卫星相位偏差以及电离层、对流层等增强信息。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种GNSS观测站网原始观测方程解算方法，包括以下步骤：
(1)利用单个GNSS双频或多频原始观测数据，构建非差非组合观测方程：
Figure BDA0003322139780000011
其中，上标s表示卫星编号，下标r表示接收机编号，下标f表示频段号，e表示历元号，P为伪距观测值，单位为米，L为载波相位观测值，单位为米，
Figure BDA0003322139780000012
为接收机r至卫星s的几何距离，是已知值，单位为米，
Figure BDA0003322139780000013
为接收机r至卫星s的对流层投影函数模型值，Tr为天顶方向对流层延迟，单位为米，dtr为接收机r的钟差，单位为米，dts为卫星s的钟差，单位为米，br,f为接收机r对应频率f的伪距硬件延迟，单位为米，
Figure BDA0003322139780000014
为卫星s对应频率f的伪距硬件延迟，单位为米，φr,f为接收机r对应频率f的相位硬件延迟，单位为米，
Figure BDA0003322139780000015
为卫星s对应频率f的相位硬件延迟，单位为米，
Figure BDA0003322139780000021
为接收机r卫星s第1频率的电离层延迟，单位为米，
Figure BDA0003322139780000022
为其他频率与第1频率电离层延迟间的比值，λf为对应频率f的波长，单位为米，
Figure BDA0003322139780000023
为接收机r与卫星s之间频率f对应的整周模糊度，单位为米；
(2)增加约束条件类型1：
Figure BDA0003322139780000024
其中Δdti为第i个测站的接收机钟差改正值，Δdti为第i个卫星钟差的改正值，Pdti为第i个测站的接收机钟差改正值的权重，Pdti为第i个卫星钟差改正值的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数；
(3)增加约束条件类型2：选取第l和第2频率，对应每个测站和卫星分别增加约束条件br，f＝0和
Figure BDA0003322139780000025
其中f取选定的两个频率；
(4)增加约束条件类型3：对约束条件2中选定频率外的其他频率，分别增加约束条件
Figure BDA0003322139780000026
其中f取约束条件2中选定频率外的其他频率，Pbi，f为第i个测站的接收机伪距硬件延迟的权重，
Figure BDA0003322139780000027
为第i个卫星伪距硬件延迟的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数；
(5)增加约束条件类型4：对应每个频率分别增加条件
Figure BDA0003322139780000028
其中Pφi，f为第i个测站的接收机相位硬件延迟的权重，
Figure BDA0003322139780000029
为第i个卫星相位硬件延迟的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数；
(6)增加约束条件类型5：对应每个测站的每个频率，分别增加条件
Figure BDA00033221397800000210
其中ns为选做约束的卫星个数；
(7)增加约束条件类型6：对应每个卫星的每个频率，分别增加条件
Figure BDA00033221397800000211
其中nr为选做约束的测站个数；
(8)联合观测方程和6类约束条件，解算参数Tr、
Figure BDA00033221397800000212
Figure BDA00033221397800000213
参数的具体形式如下：
Figure BDA0003322139780000031
其中，
Figure BDA0003322139780000032
α＝1/(μ2-1)，β＝μ2/(μ2-1)，γf＝α·(μf+1)，κf＝α·(μf+μ2)，
Figure BDA0003322139780000033
Figure BDA0003322139780000034
Figure BDA0003322139780000035
Figure BDA0003322139780000036
Figure BDA0003322139780000037
Figure BDA0003322139780000038
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)历元参数Tr、
Figure BDA0003322139780000039
和
Figure BDA00033221397800000310
之间相互独立，单历元可解；
(2)钟差基准dtbase可选为多个测站和多个卫星的组合，并且每个测站和卫星在其中占据的权重可通过设置各站或星的Pdtr和Pdts实现灵活选取基准；
(3)相位偏差基准φbase，f可选为多个测站和多个卫星的组合，并且每个测站和卫星在其中占据的权重可通过设置各站或星的Pφr，f和
Figure BDA0003322139780000041
实现灵活选取基准；
(4)第一类模糊度基准
Figure BDA0003322139780000042
和
Figure BDA0003322139780000043
可选为多个测站和多个卫星的组合，并且可通过调节权重Pφr，f和
Figure BDA0003322139780000044
以及约束条件类型5、6中参与的测站和卫星，实现灵活选取基准；
(5)第二类模糊度基准
Figure BDA0003322139780000045
可选为多个测站和多个卫星的组合，并且可通过调节权重Pφr，f和
Figure BDA0003322139780000046
以及约束条件类型5、6中参与的测站和卫星，实现灵活选取基准。
总之，本发明提供了一种利用GNSS全球或区域跟踪站的观测数据，通过施加约束条件实现参数解算的方法，利用非差非组合观测模型，实现所有待估参数的同步估计，并可通过调节待估参数之间的权重实现灵活选取参数估值的基准，保证估计参数之间不仅具有较好的一致性、自洽性和稳定性，同时为全球、区域电离层和对流层精确建模提供了数据支撑。
具体实施方式
一种GNSS观测站网原始观测方程解算方法，包括以下步骤：
(1)选用GNSS单系统全球或区域跟踪站网的伪距和相位观测数据，包括北斗二号系统三频、北斗三号系统三频、GPS系统双频或三频、GLONASS系统双频、Galileo系统双频或三频或四频观测数据。
(2)利用跟踪站网中所有站单系统、各频率的伪距和相位观测值，构建非差非组合原始观测方程。观测方程中引入已知的卫星位置和测站坐标，即卫星至接收机的几何距离已知，待估参数包括：对流层延迟、接收机钟差、卫星钟差、接收机端伪距硬件延迟、卫星端伪距硬件延迟、接收机端相位硬件延迟、卫星端相位硬件延迟、电离层延迟、整周模糊度。
(3)构建单系统多频率的原始观测方程：
Figure BDA0003322139780000047
其中，上标s表示卫星编号，下标r表示接收机编号，下标f表示频段号，e表示历元号，P为伪距观测值，单位为米，L为载波相位观测值，单位为米，
Figure BDA0003322139780000048
为接收机r至卫星s的几何距离，是已知值，单位为米，
Figure BDA0003322139780000051
为接收机r至卫星s的对流层投影函数模型值，Tr为天顶方向对流层延迟，单位为米，dtr为接收机r的钟差，单位为米，dts为卫星s的钟差，单位为米，br，f为接收机r对应频率f的伪距硬件延迟，单位为米，
Figure BDA0003322139780000052
为卫星s对应频率f的伪距硬件延迟，单位为米，φr，f为接收机r对应频率f的相位硬件延迟，单位为米，
Figure BDA0003322139780000053
为卫星s对应频率f的相位硬件延迟，单位为米，
Figure BDA0003322139780000054
为测站r卫星s第1频率的电离层延迟，单位为米，
Figure BDA0003322139780000055
为其他频率与第1频率电离层延迟间的比值，λf为对应频率f的波长，单位为米，
Figure BDA0003322139780000056
为接收机r与卫星s之间频率f对应的整周模糊度，单位为米。
(4)增加约束条件类型1：
Figure BDA0003322139780000057
其中Δdti为第i个测站的接收机钟差改正值，Δdti为第i个卫星钟差的改正值，Pdti为第i个测站的接收机钟差改正值的权重，Pdti为第i个卫星钟差改正值的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数。
(5)增加约束条件类型2：选取第l和第2频率，对应每个测站和卫星分别增加约束条件br，f＝0和
Figure BDA0003322139780000058
其中f取选定的两个频率。
(6)增加约束条件类型3：对约束条件2中选定频率外的其他频率，分别增加约束条件
Figure BDA0003322139780000059
其中f取约束条件2中选定频率外的其他频率，Pbi，f为第i个测站的接收机伪距硬件延迟的权重，
Figure BDA00033221397800000510
为第i个卫星伪距硬件延迟的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数。
(7)增加约束条件类型4：对应每个频率分别增加条件
Figure BDA00033221397800000511
其中Pφi，f为第i个测站的接收机相位硬件延迟的权重，
Figure BDA00033221397800000512
为第i个卫星相位硬件延迟的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数。
(8)增加约束条件类型5：对应每个测站的每个频率，分别增加条件
Figure BDA00033221397800000513
其中ns为选做约束的卫星个数。
(9)增加约束条件类型6：对应每个卫星的每个频率，分别增加条件
Figure BDA00033221397800000514
其中nr为选做约束的测站个数。
(10)联合观测方程和6类约束条件，方程中的列秩亏问题得到消除，除天顶对流层延迟仍为Tr外，解得的其他参数的具体形式如下：
Figure BDA0003322139780000061
其中，
Figure BDA0003322139780000062
α＝1/(μ2-1)，β＝μ2/(μ2-1)，γf＝α·(μf+1)，κf＝α·(μf+μ2)，
Figure BDA0003322139780000063
Figure BDA0003322139780000064
Figure BDA0003322139780000065
Figure BDA0003322139780000066
Figure BDA0003322139780000067
Figure BDA0003322139780000068
总之，本发明针对解算GNSS观测站网多频原始观测方程以提供增强信息时，相位偏差估值基准单一的问题，通过对钟差、伪距硬件延迟和相位偏差增加约束条件，实现了GNSS原始(非差非组合)观测方程的解算。
本发明以全球或区域GNSS跟踪站网多频点伪距与相位观测数据为基础，通过增加约束条件构建满秩非差非组合全参数估计模型，消除观测方程的模型秩亏，最大限度提高观测数据的利用率，并同步实现包括接收机钟差、卫星钟差、相位偏差、伪距偏差、大气电离层与对流层等多类状态域参数的实时最优估计；能够通过调节待估参数之间的权重，灵活选取参数估值的基准，有效解决了原始的非差非组合观测方程在解算时，相位偏差估值基准选取单一的问题。还能够解算双频及以上频率的观测方程，生成基础频率的伪距偏差和相位偏差，以及生成消电离层组合对应的卫星钟差和接收机钟差。该方法解决了PPP-AR、PPP-RTK技术所需的卫星相位偏差、电离层和对流层等多类状态域参数的问题，所估参数能够用作PPP-RTK高精度定位增强服务，也能用于PPP、RTK等传统定位模式的服务需求。

Claims (1)

1.一种GNSS观测站网原始观测方程解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用单个GNSS双频或多频原始观测数据，构建非差非组合观测方程：
Figure FDA0003322139770000011
其中，上标s表示卫星编号，下标r表示接收机编号，下标f表示频段号，e表示历元号，P为伪距观测值，单位为米，L为载波相位观测值，单位为米，
Figure FDA0003322139770000012
为接收机r至卫星s的几何距离，是已知值，单位为米，
Figure FDA0003322139770000013
为接收机r至卫星s的对流层投影函数模型值，Tr为天顶方向对流层延迟，单位为米，dtr为接收机r的钟差，单位为米，dts为卫星s的钟差，单位为米，br,f为接收机r对应频率f的伪距硬件延迟，单位为米，
Figure FDA0003322139770000014
为卫星s对应频率f的伪距硬件延迟，单位为米，φr,f为接收机r对应频率f的相位硬件延迟，单位为米，
Figure FDA0003322139770000015
为卫星s对应频率f的相位硬件延迟，单位为米，
Figure FDA0003322139770000016
为接收机r卫星s第1频率的电离层延迟，单位为米，
Figure FDA0003322139770000017
为其他频率与第1频率电离层延迟间的比值，λf为对应频率f的波长，单位为米，
Figure FDA0003322139770000018
为接收机r与卫星s之间频率f对应的整周模糊度，单位为米；
(2)增加约束条件类型1：
Figure FDA0003322139770000019
其中Δdti为第i个测站的接收机钟差改正值，Δdti为第i个卫星钟差的改正值，Pdti为第i个测站的接收机钟差改正值的权重，Pdti为第i个卫星钟差改正值的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数；
(3)增加约束条件类型2：选取第1和第2频率，对应每个测站和卫星分别增加约束条件br,f＝0和
Figure FDA00033221397700000110
其中f取选定的两个频率；
(4)增加约束条件类型3：对约束条件2中选定频率外的其他频率，分别增加约束条件
Figure FDA00033221397700000111
其中f取约束条件2中选定频率外的其他频率，Pbi,f为第i个测站的接收机伪距硬件延迟的权重，
Figure FDA00033221397700000112
为第i个卫星伪距硬件延迟的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数；
(5)增加约束条件类型4：对应每个频率分别增加条件
Figure FDA00033221397700000113
其中Pφi,f为第i个测站的接收机相位硬件延迟的权重，
Figure FDA0003322139770000021
为第i个卫星相位硬件延迟的权重，nr为测站个数，ns为卫星个数；
(6)增加约束条件类型5：对应每个测站的每个频率，分别增加条件
Figure FDA0003322139770000022
其中ns为选做约束的卫星个数；
(7)增加约束条件类型6：对应每个卫星的每个频率，分别增加条件
Figure FDA0003322139770000023
其中nr为选做约束的测站个数；
(8)联合观测方程和6类约束条件，解算参数Tr、
Figure FDA0003322139770000024
Figure FDA0003322139770000025
参数的具体形式如下：
Figure FDA0003322139770000026
其中，
Figure FDA0003322139770000027
Br＝br,2-br,1，
Figure FDA0003322139770000028
α＝1/(μ2-1)，β＝μ2/(μ2-1)，γf＝α·(μf+1)，κf＝α·(μf+μ2)，
Figure FDA0003322139770000029
Figure FDA00033221397700000210
Figure FDA00033221397700000211
Figure FDA0003322139770000031
Figure FDA0003322139770000032
Figure FDA0003322139770000033
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