CN114384573A - 基于精密产品的单站位移计算方法、电子设备、存储介质和程序产品 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于精密产品的单站位移计算方法，包括步骤：通过非差原始观测方程计算在起点时间和当前时间下对应的时间域单差方程，计算参考星、非参考星对应的星间双差方程；通过星基播发的精密产品与广播星历结合，获得高精度的卫星轨道及钟差信息，采用星历相关状态的参数进行广播星历与精密产品的匹配；采用IGGIII法进行多粗差探测；采用分段法，逐步进行时间差分；将原始的伪距观测值和载波观测值代入方程中，求解出高精度时间变化量，结合起点位置坐标，获得当前的厘米级精确位置，并通过协方差阵对结果精度进行评估。本发明通过接收卫星播发的精密产品，当差分中断时，通过历元间+星间双差的模型，继续维持厘米级的定位精度。

Description

基于精密产品的单站位移计算方法、电子设备、存储介质和程 序产品

技术领域

本发明涉及GNSS卫星导航定位技术领域，尤其涉及基于精密产品的单站位移计算方法、电子设备、存储介质和程序产品。

背景技术

RTK(Real Time Kinematic)动态载波相位差分技术，其本质是相对定位。相对定位的原理是确定未知点相对于一个已知点的坐标，大多数情况下，这个已知点都是固定的，称之为基准站。其目的就是确定移动站和基准站之间的高精度的位置矢量。

卫星原始观测值本质上是距离观测值，该距离观测值包括伪距观测值及载波相位观测值，伪距观测值的测距精度较低(CA码3米，P码0.3米)，载波相位观测值的测距精度较高(2-3毫米)，信号从产生、发出、传播乃至最后的接收阶段，都会受到各种各样误差的影响，包括卫星端硬件延迟、卫星钟差、卫星轨道误差，传播过程中的电离层误差、对流层误差、地面反射等引起的多路径效应等。只有消除或者改正掉各项误差参数，才能恢复到高精度的距离观测值上，得到精确、稳定、可靠的定位结果。

RTK解算中，为了消除各种误差，一般采用站间+星间的双差模型，其可以消除或削弱掉卫星轨道误差、卫星钟差、电离层误差、对流层误差、接收机钟差等等。

式中，i,j表示参考星i与非参考星j，m,n表示基准站m与移动站n，

表示双差伪距观测值，

表示双差卫星到地面几何距离，

表示双差对流层延迟，

表示双差电离层延迟，λ为载波波长，

为双差模糊度，

为双差残余误差。

常规短基线情况下，由于基准站与移动站距离较近，故对流层延迟及电离层延迟基本可以忽略，代估参数仅剩位置参数和模糊度参数。

RTK算法作为应用最为普遍的相对定位算法，其主要依托于物理基准站或VRS虚拟基准站，进而与移动站组成双差观测方程进行解算，但是实际作业时，由于通讯故障、网络延迟或者信号干扰等都会影响差分数据的接收，甚至彻底中断，其会造成以下影响：

1)差分龄期增大，精度及可靠性显著下降

如果基准站和移动站严格同步，则差分龄期为0，采用双差模型可将各项误差基本消除，但是随着差分龄期的增大，移动站数据在不断更新，而基站的数据仍然维持在之前的状态，则双差模型难以将各项误差消除，且残余误差会随着差分龄期的增大快速递增。这将严重影响RTK的定位精度，并容易导致固定错误，从而使整体的可靠性显著下降。

2)差分中断，无法进行高精度解算

当差分龄期增大到一定程度(一般为20～30秒)，RTK解算无法继续维持，仅能继续进行移动站单点定位，精度为米级，无法进行厘米级高精度解算。在一些对精度及可靠性要求较高的场景，如高精度测绘、无人机、自动驾驶等场景，其基本丧失作业能力，甚至带来极大的安全隐患。

3)单站仅能单点定位，米级精度

如果仅有单移动站时，常规算法仅能进行单点定位，其精度为米级，如进行精密单点定位则需要较长时间才能收敛，稳定性较差，无法满足应用需求。

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基于精密产品的单站位移计算方法，解决了RTK定位解算时，由于网络延迟或中断导致的差分龄期增大甚至中断，定位精度迅速发散并无法固定的问题。

本发明提供基于精密产品的单站位移计算方法，包括以下步骤：

数学模型构建，建立非差原始观测方程，通过所述非差原始观测方程计算在起点时间和当前时间下对应的时间域单差方程，通过所述时间域单差方程计算参考星、非参考星对应的星间双差方程；

精密产品匹配，通过星基播发的精密产品与广播星历结合，获得高精度的卫星轨道及钟差信息，采用星历相关状态的参数进行广播星历与精密产品的匹配；

多粗差探测，采用IGGIII法进行多粗差探测；

分段式推算，采用分段法，逐步进行时间差分；

高精度定位结果获取，将原始的伪距观测值和载波观测值代入方程中，求解出高精度时间变化量，结合起点位置坐标，获得当前的厘米级精确位置，并通过协方差阵对结果精度进行评估。

进一步地，所述数学模型构建步骤中，所述非差原始观测方程为：

P＝ρ+δ+c·t^s-c·t_r+T+I+ε

φ＝ρ+δ+c·t^s-c·t_r+T-I+λ·N+ξ

其中，P为伪距，ρ为卫星到地面几何距离，δ为轨道误差，c为光速，t^s为卫星钟差，t_r为接收机钟差，T为对流层误差，I为电离层误差，ε为伪距残余误差，φ为载波，λ为波长，N为模糊度，ξ为载波残余误差；

起点时间为t₀，当前时间为t_m，则时间域单差方程为：

其中，0m下标表示时间当前时间t_m与起点时间t₀的时间差下标；

参考星i，非参考星j，则星间双差方程为：

其中，i上标、j上标表示参考星i与非参考星j进行星间单差上标。

进一步地，所述数学模型构建步骤中，采用消电离层组合消除电离层误差，无电离层伪距组合为：

其中，m、n为组合系数；

同时满足电离层一阶项影响为零和几何项系数为1，即：

进一步地，所述精密产品匹配步骤中，所述星基播发的精密产品为高精度SSR改正数；对星历进行缓存处理；精密轨道与精密钟差的时段一致。

进一步地，所述多粗差探测步骤中，伪距与载波分开处理，并进行阈值设定。

进一步地，所述多粗差探测步骤中，在求取标准化残差时，引入中位数进行计算，具体形式如下：

其中，v_i为观测值残差，

为标准化残差，a_med为中位数，σ为方差；

每次对标准化残差最大的卫星观测值进行剔除操作，进而进行迭代处理，进行多次抗差，若抗差次数超过设定阈值，则判断当前历元不可靠，不进行结果输出。

进一步地，所述分段式推算步骤中，以预设时间为一个时段，将预设时间内时间与起点时间进行时间差分，预设时间后选择新的起点，重复此过程。

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基于精密产品的单站位移计算方法。

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基于精密产品的单站位移计算方法。

一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现基于精密产品的单站位移计算方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1)单站位移计算方法数学模型

本发明采用历元间+星间双差模型，消除接收机钟差，通过消电离层组合消除电离层一阶项的误差影响，同时接收星基播发的高精度轨道及钟差改正数，对无法消除的轨道及钟差残差进行削弱，最终在无基站情况下实现单站厘米级高精度位移推算，或者在RTK解算差分龄期增大或者中断时，在一定时间内能够持续维持高精度厘米级定位精度。

2)精密产品延迟处理策略

基于星基播发的精密产品为高精度SSR改正数，考虑到星历更新等问题，需对星历进行缓存处理。另外由于精密轨道常基于弧段进行解算，当轨道发生弧段切换时，精密钟差同样会发生跳变，为防止钟差及轨道不同步发生跳变，需缓存钟差改正数，从而保证精密轨道与精密钟差的时段一致性。

也可采用参数估计或者精密产品外推的方法，对由于改正数延迟或者钟差轨道不一致导致的误差进行参处理。

3)分段式递推算法

随着差分龄期的增加，一直与起点进行时间差分，一些误差会随着时间的增大而增大，如对流层误差、电离层二阶项等。维持时间较短时，其残余误差并不会对精度造成显著影响，但若时间过大，则误差无法忽略，定位精度会逐步降低最终失效。本发明专利采用分段递推算法，逐步进行时间差分，如以10分钟为一个时段，10分中内都与起点进行时间差分，10分钟后选择新的起点，重复上述过程，从而削弱由于时间差较长导致的残余误差增大的问题。

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为本发明的基于精密产品的单站位移计算方法流程图；

图2为本发明实施例的单站位移推算结果序列图。

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。

基于精密产品的单站位移计算方法，通过接收卫星播发的精密产品，当差分中断时，通过历元间+星间双差的模型，继续维持厘米级的定位精度。如图1所示，包括以下步骤：

数学模型构建，建立非差原始观测方程，方程如下：

P＝ρ+δ+c·t^s-c·t_r+T+I+ε

φ＝ρ+δ+c·t^s-c·t_r+T-I+λ·N+ξ

其中，P为伪距，ρ为卫星到地面几何距离，δ为轨道误差，c为光速，t^s为卫星钟差，t_r为接收机钟差，T为对流层误差，I为电离层误差，ε为伪距残余误差，φ为载波，λ为波长，N为模糊度，ξ为载波残余误差；

通过非差原始观测方程计算在起点时间和当前时间下对应的时间域单差方程。起点时间为t₀，当前时间为t_m，则时间域单差方程为：

其中，0m下标表示时间当前时间t_m与起点时间t₀的时间差下标，由于对流层为时间缓变量，故一段时间内通过时间差残余误差可以忽略不计，模糊度参数当无周跳发生时也可以消除掉。

通过时间域单差方程计算参考星、非参考星对应的星间双差方程。参考星i，非参考星j，则星间双差方程为：

其中，i上标、j上标表示参考星i与非参考星j进行星间单差上标，通过星间单差，可以消除掉接收机钟差参数。

通过历元间+星间单差模型后，残余误差项为卫星轨道误差、卫星钟差、电离层误差，其中卫星轨道误差及卫星钟差可以通过精密产品解算进行削弱，为了消除电离层误差，采用消电离层组合，具体模型如下：

以L1和L2上的伪距观测方程为例，假设其组合系数为m、n，则无电离层伪距组合：

上式中，需要同时满足电离层一阶项影响为零和几何项系数为1，即：

载波观测值消电离层系数同理可获得。

精密产品匹配，通过星基播发的精密产品与广播星历结合，优选的，星基播发的精密产品为高精度SSR改正数，获得高精度的卫星轨道及钟差信息，采用星历相关状态的参数IODE进行广播星历与精密产品的匹配，考虑到星历更新等问题，需对星历进行缓存处理。另外，由于精密轨道常基于弧段进行解算，当轨道发生弧段切换时，精密钟差同样会发生跳变，为防止异常，需保证精密轨道与精密钟差的时段一致性。

多粗差探测，采用IGGIII法进行多粗差探测，且伪距与载波分开处理，可根据实际情况进行阈值设定。对为了反映所有观测值的整体情况，在求取标准化残差时，引入中位数进行计算，具体形式如下：

式中，v_i为观测值残差，

为标准化残差，a_med为中位数，σ为方差。每次对标准化残差最大的卫星观测值进行剔除操作，进而进行迭代处理，进行多次抗差，若抗差次数超过设定阈值，则判断当前历元不可靠，不进行结果输出。

进行时间域差分时有两种方式，一种为随着时间的累积，一直与起点进行时间差分，但是随着时间的积累，各项无法严格消除的误差会随着时间的增大而增大，如对流层误差、电离层二阶项等。另外一种为相邻历元进行时间差分，但是由于解算精度问题，每次都会产生解算误差，虽然相邻历元间的各项误差可以消除的比较干净，但不断推算会导致误差累积，从而导致精度发散。

在一实施例中，采用分段法，逐步进行时间差分。具体地，以预设时间为一个时段，将预设时间内时间与起点时间进行时间差分，预设时间后选择新的起点，重复此过程。如以10分钟为一个时段，10分钟内都与起点进行时间差分，10分钟后选择新的起点，重复上述过程，从而削弱误差累积及时间差较长导致的残余误差增大的问题。

高精度定位结果获取，将原始的伪距观测值和载波观测值代入方程中，即可快速求解出高精度时间变化量，结合起点位置坐标，即可获得当前的厘米级精确位置，并通过协方差阵对结果精度进行评估。

本发明采用历元间+星间双差消电离层模型，其通过接收卫星播发的精密轨道与精密钟差参数，削弱了卫星轨道及钟差的影响，从而实现了高精度的单站厘米级定位解算。其在无基准站场景仍可实现厘米级的相对定位，同时在差分龄期增大甚至中断时，仍可在一定时间内持续维持厘米级定位精度，从而在可靠性及可用性上得到了显著提升。

如图2所示，从起点开始差分即中断，全程采用精密产品进行单站位移推算，可长时间维持厘米级精度。

本发明提供基于精密产品的单站位移计算方法，采用时间域差分模型，通过引入高精度的卫星轨道及钟差改正数，采用消电离层组合来削弱差分龄期增大带来的影响，从而计算出高精度的时间域位移变化矢量，最终获得高精度位置结果，具体目的如下：

(1)差分龄期增大甚至彻底中断后，仍可维持厘米级精度

基于单基站或者VRS技术进行RTK定位时，如果网络通讯正常，差分龄期一般可以稳定在3秒以内，采用站间+星间双差模型可较好的削弱误差的影响，而当差分龄期进一步增大，增大到5秒、10秒甚至20秒时，常规双差模型无法消除卫星端误差及大气误差，精度快速发散，无法固定，最后直接单点定位米级精度。本发明引入精密轨道+精密钟差参数，采用历元间+星间双差模型，采用精密产品对残余误差进行修正，并且用消电离层模型削弱大气的影响，从而实现高精度定位。

(2)实现单站厘米级实时定位

基于精密产品的单站位移计算方法，在已知点启动，若已知点坐标精确已知，则后续可持续获取高精度真实坐标，若已知点坐标精度较差，甚至是单点定位结果，则可持续获取高精度的相对坐标，保证相对位置的准确性，实现厘米级的相对定位。

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基于精密产品的单站位移计算方法。

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基于精密产品的单站位移计算方法。

一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现基于精密产品的单站位移计算方法。

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.基于精密产品的单站位移计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

数学模型构建，建立非差原始观测方程，通过所述非差原始观测方程计算在起点时间和当前时间下对应的时间域单差方程，通过所述时间域单差方程计算参考星、非参考星对应的星间双差方程；

精密产品匹配，通过星基播发的精密产品与广播星历结合，获得高精度的卫星轨道及钟差信息，采用星历相关状态的参数进行广播星历与精密产品的匹配；

多粗差探测，采用IGGIII法进行多粗差探测；

分段式推算，采用分段法，逐步进行时间差分；

高精度定位结果获取，将原始的伪距观测值和载波观测值代入方程中，求解出高精度时间变化量，结合起点位置坐标，获得当前的厘米级精确位置，并通过协方差阵对结果精度进行评估。

2.如权利要求1所述的基于精密产品的单站位移计算方法，其特征在于：所述数学模型构建步骤中，所述非差原始观测方程为：

P＝ρ+δ+c·t^s-c·t_r+T+I+ε

φ＝ρ+δ+c·t^s-c·t_r+T-I+λ·N+ξ

其中，P为伪距，ρ为卫星到地面几何距离，δ为轨道误差，c为光速，t^s为卫星钟差，t_r为接收机钟差，T为对流层误差，I为电离层误差，ε为伪距残余误差，φ为载波，λ为波长，N为模糊度，ξ为载波残余误差；

起点时间为t₀，当前时间为t_m，则时间域单差方程为：

其中，0m下标表示时间当前时间t_m与起点时间t₀的时间差下标；

参考星i，非参考星j，则星间双差方程为：

其中，i上标、j上标表示参考星i与非参考星j进行星间单差上标。

3.如权利要求2所述的基于精密产品的单站位移计算方法，其特征在于：所述数学模型构建步骤中，采用消电离层组合消除电离层误差，无电离层伪距组合为：

其中，m、n为组合系数；

同时满足电离层一阶项影响为零和几何项系数为1，即：

4.如权利要求1所述的基于精密产品的单站位移计算方法，其特征在于：所述精密产品匹配步骤中，所述星基播发的精密产品为高精度SSR改正数；对星历进行缓存处理；精密轨道与精密钟差的时段一致。

5.如权利要求1所述的基于精密产品的单站位移计算方法，其特征在于：所述多粗差探测步骤中，伪距与载波分开处理，并进行阈值设定。

6.如权利要求5所述的基于精密产品的单站位移计算方法，其特征在于：所述多粗差探测步骤中，在求取标准化残差时，引入中位数进行计算，具体形式如下：

其中，v_i为观测值残差，

为标准化残差，a_med为中位数，σ为方差；

每次对标准化残差最大的卫星观测值进行剔除操作，进而进行迭代处理，进行多次抗差，若抗差次数超过设定阈值，则判断当前历元不可靠，不进行结果输出。

7.如权利要求1所述的基于精密产品的单站位移计算方法，其特征在于：所述分段式推算步骤中，以预设时间为一个时段，将预设时间内时间与起点时间进行时间差分，预设时间后选择新的起点，重复此过程。

8.一种电子设备，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1-7任意一项所述的方法。

9.一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1-7任意一项所述的方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的方法。

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