CN114624753A - 利用bds3-ppp服务与短报文实现ppp-ar的方法及系统 - Google Patents

利用bds3-ppp服务与短报文实现ppp-ar的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用BDS3‑PPP服务与短报文实现PPP‑AR的方法，涉及卫星定位技术领域，包括：接收并解码BDS3‑PPP服务播发的改正数；通过地面站网将改正数与广播星历结合，获取轨道和钟差；以轨道和钟差为基础对卫星端FCB进行估计；对估计得到的卫星端FCB进行编码，利用地面终端通过短报文的方式将FCB参数发送到北斗三号GEO卫星；北斗三号GEO卫星接收到FCB参数，按照地面终端的需求将FCB参数转发给指定用户终端；用户终端接收短报文传输的FCB参数，结合BDS3‑PPP播放的改正数，实现终端的PPP‑AR。本发明提出了该方法对应的系统，实现网络环境未覆盖区域的PPP‑AR，提高了基于BDS3‑PPP服务的精密单点定位的精度，使其满足专业测绘的需求，且解决了专业通信卫星费用昂贵的问题，有效降低了应用成本。

Description

利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域，特别是涉及一种利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法及系统。
背景技术
北斗三号组网成功后提供的精密单点定位服务(BDS3-PPP)是首个系统端的高精度定位服务，能在不依赖地面站网和网络通信，只依靠北斗三号GEO卫星的情况下提供实时动态分米级，静态厘米级的定位服务。BDS3-PPP服务为调查类测绘提供了完美的解决方案，因为此类测绘对定位精度的要求一般在分米级，恰好处于该服务的精度范围。但对于传统专业测绘所需的厘米级定位精度，BDS3-PPP服务尚不能保障稳定的厘米级定位精度，从而限制了该服务在传统专业测绘领域的应用。
现有技术中，BDS3-PPP服务精度受限的原因主要是其只支持浮点PPP。对于浮点PPP而言，由于受未知小数周偏差(FCB)的影响，其模糊度只能停留在浮点解而不能实现固定，从而限制了PPP的定位精度。而为了实现PPP非差模糊度的固定，目前普遍采用的策略是用地面站网估计出FCB，然后通过网络或卫星通信的方式发送给用户，用户接收到FCB之后，能实现PPP的固定解。
在实际应用中，用户在有网络的作业区域一般优先选择网络RTK的方式进行定位，而精密单点定位模糊度固定(PPP-AR)处于备选的地位。PPP-AR是一个较大的用途在于解决无网络环境的专业测绘，在无网络环境时，利用卫星通信实现PPP-AR成了唯一的选择，而租借商用卫星实现这一功能又被其高昂的成本所限制。
发明内容
本发明为了解决以上至少一种技术缺陷，提供一种利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法及系统，实现无网络环境下的PPP-AR，使其满足专业测绘的需求，有效降低了应用成本。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，包括以下步骤：
S1：接收并解码BDS3-PPP服务播发的改正数；
S2：通过地面站网将改正数与广播星历结合，获取高精度的轨道和钟差；
S3：以高精度的轨道和钟差为基础对卫星端FCB进行估计；
S4：对估计得到的卫星端FCB进行编码，利用地面终端通过短报文的方式将FCB参数发送到北斗三号GEO卫星；
S5：北斗三号GEO卫星接收到FCB参数，按照地面终端的需求将FCB参数转发给指定用户终端；
S6：用户终端接收短报文传输的FCB参数，结合BDS3-PPP播放的改正数，实现终端的PPP-AR。
本方案提供了一种基于BDS3-PPP服务和地面站网估计卫星端FCB，然后利用北斗三号GEO卫星短报文功能来实现星基PPP-AR的方法。通过这种方式，可以实现网络环境未覆盖区域的PPP-AR，一方面提高了基于BDS3-PPP服务的精密单点定位的精度，使其满足专业测绘的需求，另一方便解决了专业通信卫星费用昂贵的问题，提供了星基增强的另一种思路。
其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：基于BDS3-PPP播发的现有高精度的轨道和钟差，使用消电离层组合计算消电离层组合形式的浮点模糊度；
S32：将浮点模糊度转换为宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合；
S33：利用MV组合计算含有宽巷FCB的宽巷模糊度，并对宽巷模糊度进行多历元的平滑，目的是消弱噪声与多路径效应的干扰，同时得到宽巷整周模糊度和宽巷FCB；
S34：将宽巷整周模糊度代入浮点模糊度中，计算得到窄巷FCB的初值；
S35：根据窄巷FCB的初值，利用最小二乘法得到精化的窄巷FCB；
宽巷FCB和窄巷FCB即为卫星端FCB，从而完成对卫星端FCB的估计。
上述方案中，步骤S34中将宽巷整周模糊度代入浮点模糊度，但并不带入宽巷FCB，因其噪声会影响窄巷FCB的精度，此步骤可以得到一种相对于原始窄巷FCB增加了一个常量的一个新的窄巷FCB，对于一个卫星来说这个常量不会影响到窄巷FCB的性质，因此利用该方法可以得到窄巷FCB的初值。
上述方案中，对于FCB的估计，首先利用消电离层组合得到含有硬件延迟的浮点模糊度，利用星际单差组合消除接收端硬件延迟；由于消电离层组合中的模糊度不具有整数特性，因此需要将其转换为宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合，具体表示为：
Figure BDA0003519744140000031
其中f1和f2表示载波频率，i,j表示卫星号对应的星间单差，m表示接收机，
Figure BDA0003519744140000032
表示星间单差宽巷模糊度；
Figure BDA0003519744140000033
表示星间单差窄巷模糊度；
Figure BDA0003519744140000034
表示浮点模糊度。
其中，在所述步骤S32中，分解后的宽巷模糊度和窄巷模糊度同样不具备整周特性，因此需要将其拆分为整数周与小数周的组合，具体表示为：
Figure BDA0003519744140000035
其中，n表示对应组合的模糊度，
Figure BDA0003519744140000036
表示宽巷FCB；
Figure BDA0003519744140000037
表示窄巷FCB。
其中，在所述步骤S4中，地面终端采用S/L波段与北斗三号GEO卫星进行通信，将短报文发送到北斗三号GEO卫星。
本方案还提供一种利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的系统，用于实现利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，具体包括地面站网、北斗三号GEO卫星、用户终端；还包括地面终端；其中：所述地面站网设置有FCB估计模块；
所述地面站网用于接收并解码BDS3-PPP服务播发的改正数并将改正数与广播星历结合，获取高精度的轨道和钟差；
所述FCB估计模块以高精度的轨道和钟差为基础对卫星端FCB进行估计；
所述地面终端对估计得到的卫星端FCB进行编码，并通过短报文的方式将FCB参数发送到北斗三号GEO卫星；
北斗三号GEO卫星接收到FCB参数，按照地面终端的需求将FCB参数转发给指定用户终端；
用户终端接收短报文传输的FCB参数，结合BDS3-PPP播放的改正数，实现终端的PPP-AR。
其中，所述FCB估计模块包括浮点模糊度计算单元、转换单元、宽巷FCB计算单元和窄巷FCB计算单元；其中：
所述浮点模糊度计算单元基于BDS3-PPP播发的现有高精度的轨道和钟差，使用消电离层组合计算消电离层组合形式的浮点模糊度；
所述转换单元用于将浮点模糊度转换为宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合；
所述宽巷FCB计算单元用于利用MV组合计算含有宽巷FCB的宽巷模糊度，并对宽巷模糊度进行多历元的平滑，得到宽巷整周模糊度和宽巷FCB；
所述窄巷FCB计算单元用于将宽巷整周模糊度代入浮点模糊度中，计算得到窄巷FCB的初值，并根据窄巷FCB的初值，利用最小二乘法得到精化的窄巷FCB；宽巷FCB和窄巷FCB即为卫星端FCB。
其中，在所述转换单元中，宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合的具体表示为：
Figure BDA0003519744140000041
其中f1和f2表示载波频率，i,j表示卫星号对应的星间单差，m表示接收机，
Figure BDA0003519744140000042
表示星间单差宽巷模糊度；
Figure BDA0003519744140000043
表示星间单差窄巷模糊度；
Figure BDA0003519744140000044
表示浮点模糊度。
其中，在所述转换单元中，分解后的宽巷模糊度和窄巷模糊度同样不具备整周特性，因此需要将其拆分为整数周与小数周的组合，具体表示为：
Figure BDA0003519744140000045
其中，n表示对应组合的模糊度，
Figure BDA0003519744140000046
表示宽巷FCB；
Figure BDA0003519744140000047
表示窄巷FCB。
其中，所述地面终端采用S/L波段与所述北斗三号GEO卫星(2)进行通信，将短报文发送到北斗三号GEO卫星。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出了一种利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法及系统，基于BDS3-PPP服务和地面站网估计卫星端FCB，然后利用北斗三号GEO卫星短报文功能来实现星基PPP-AR的方法。通过这种方式，可以实现网络环境未覆盖区域的PPP-AR，一方面提高了基于BDS3-PPP服务的精密单点定位的精度，使其满足专业测绘的需求，另一方便解决了专业通信卫星费用昂贵的问题，有效降低了应用成本。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为本发明步骤S3的具体流程图；
图3为本发明所述系统的模块连接示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，包括以下步骤：
S1：接收并解码BDS3-PPP服务播发的改正数；
S2：通过地面站网将改正数与广播星历结合，获取高精度的轨道和钟差；
S3：以高精度的轨道和钟差为基础对卫星端FCB进行估计；
S4：对估计得到的卫星端FCB进行编码，利用地面终端通过短报文的方式将FCB参数发送到北斗三号GEO卫星；
S5：北斗三号GEO卫星接收到FCB参数，按照地面终端的需求将FCB参数转发给指定用户终端；
S6：用户终端接收短报文传输的FCB参数，结合BDS3-PPP播放的改正数，实现终端的PPP-AR。
本方案提供了一种基于BDS3-PPP服务和地面站网估计卫星端FCB，然后利用北斗三号GEO卫星短报文功能来实现星基PPP-AR的方法。通过这种方式，可以实现网络环境未覆盖区域的PPP-AR，一方面提高了基于BDS3-PPP服务的精密单点定位的精度，使其满足专业测绘的需求，另一方便解决了专业通信卫星费用昂贵的问题，提供了星基增强的另一种思路。
在具体实施过程中，所述PPP服务由PPP-B2b信号承载，其实首个系统端的高精度定位服务，在不依赖用户基站和网络通信，只依靠北斗三号GEO卫星的情况下提供实时动态分米级，静态厘米级的精密单点定位服务。
实施例2
更具体的，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：基于BDS3-PPP播发的现有高精度的轨道和钟差，使用消电离层组合计算消电离层组合形式的浮点模糊度；
S32：将浮点模糊度转换为宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合；
S33：利用MV组合计算含有宽巷FCB的宽巷模糊度，并对宽巷模糊度进行多历元的平滑，目的是消弱噪声与多路径效应的干扰，同时得到宽巷整周模糊度和宽巷FCB；
S34：将宽巷整周模糊度代入浮点模糊度中，计算得到窄巷FCB的初值；
S35：根据窄巷FCB的初值，利用最小二乘法得到精化的窄巷FCB；
宽巷FCB和窄巷FCB即为卫星端FCB，从而完成对卫星端FCB的估计。
在具体实施过程中，步骤S34中将宽巷整周模糊度代入浮点模糊度，但并不带入宽巷FCB，因其噪声会影响窄巷FCB的精度，此步骤可以得到一种相对于原始窄巷FCB增加了一个常量的一个新的窄巷FCB，对于一个卫星来说这个常量不会影响到窄巷FCB的性质，因此利用该方法可以得到窄巷FCB的初值。
在具体实施过程中，对于FCB的估计，首先利用消电离层组合得到含有硬件延迟的浮点模糊度，利用星际单差组合消除接收端硬件延迟；由于消电离层组合中的模糊度不具有整数特性，因此需要将其转换为宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合，具体表示为：
Figure BDA0003519744140000061
其中f1和f2表示载波频率，i,j表示卫星号对应的星间单差，m表示接收机；
Figure BDA0003519744140000062
表示星间单差宽巷模糊度；
Figure BDA0003519744140000063
表示星间单差窄巷模糊度；
Figure BDA0003519744140000064
表示浮点模糊度。
更具体的，在所述步骤S32中，分解后的宽巷模糊度和窄巷模糊度同样不具备整周特性，因此需要将其拆分为整数周与小数周的组合，具体表示为：
Figure BDA0003519744140000065
其中，n表示对应组合的模糊度，
Figure BDA0003519744140000066
表示宽巷FCB；
Figure BDA0003519744140000067
表示窄巷FCB。
更具体的，在所述步骤S4中，地面终端采用S/L波段与北斗三号GEO卫星进行通信，将短报文发送到北斗三号GEO卫星，其可穿透平流层和对流层，保证极端天气条件下的通信。
在具体实施过程中，北斗三号GEO卫星的短报文功能相较于北斗二号在通信宽带上有了质的飞跃。北斗三号的区域短报文通信服务，通信容量提高到1000万次每小时，单次通信能力高达1000汉字，能很轻松的满足FCB参数的传输。同时，北斗三号短报文终端的天线要求降低，接收机发射功率降低到1-3瓦，天线尺寸会减小，这使得北斗短报文产品更容易普及应用。
实施例3
更具体的，在实施例2的基础上，本方案还提供一种利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的系统，用于实现利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，具体包括地面站网、北斗三号GEO卫星、用户终端；还包括地面终端；其中：所述地面站网设置有FCB估计模块；
所述地面站网用于接收并解码BDS3-PPP服务播发的改正数并将改正数与广播星历结合，获取高精度的轨道和钟差；
所述FCB估计模块以高精度的轨道和钟差为基础对卫星端FCB进行估计；
所述地面终端对估计得到的卫星端FCB进行编码，并通过短报文的方式将FCB参数发送到北斗三号GEO卫星；
北斗三号GEO卫星接收到FCB参数，按照地面终端的需求将FCB参数转发给指定用户终端；
用户终端接收短报文传输的FCB参数，结合BDS3-PPP播放的改正数，实现终端的PPP-AR。
更具体的，所述FCB估计模块包括浮点模糊度计算单元、转换单元、宽巷FCB计算单元和窄巷FCB计算单元；其中：
所述浮点模糊度计算单元基于BDS3-PPP播发的现有高精度的轨道和钟差，使用消电离层组合计算消电离层组合形式的浮点模糊度；
所述转换单元用于将浮点模糊度转换为宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合；
所述宽巷FCB计算单元用于利用MV组合计算含有宽巷FCB的宽巷模糊度，并对宽巷模糊度进行多历元的平滑，得到宽巷整周模糊度和宽巷FCB；
所述窄巷FCB计算单元用于将宽巷整周模糊度代入浮点模糊度中，计算得到窄巷FCB的初值，并根据窄巷FCB的初值，利用最小二乘法得到精化的窄巷FCB；宽巷FCB和窄巷FCB即为卫星端FCB。
更具体的，在所述转换单元中，宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合的具体表示为：
Figure BDA0003519744140000081
其中f1和f2表示载波频率，i,j表示卫星号对应的星间单差，m表示接收机；
Figure BDA0003519744140000082
表示星间单差宽巷模糊度；
Figure BDA0003519744140000083
表示星间单差窄巷模糊度；
Figure BDA0003519744140000084
表示浮点模糊度。
更具体的，在所述转换单元中，分解后的宽巷模糊度和窄巷模糊度同样不具备整周特性，因此需要将其拆分为整数周与小数周的组合，具体表示为：
Figure BDA0003519744140000085
其中，n表示对应组合的模糊度，
Figure BDA0003519744140000086
表示宽巷FCB；
Figure BDA0003519744140000087
表示窄巷FCB。
更具体的，所述地面终端采用S/L波段与所述北斗三号GEO卫星(2)进行通信，将短报文发送到北斗三号GEO卫星。
本方案可实现非差模糊度固定的PPP-AR。PPP-AR一方面可以加快PPP收敛时间，另一方面可以提升定位精度和可靠性，使其可以应用于专业测绘领域。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：接收并解码BDS3-PPP服务播发的改正数；
S2：通过地面站网将改正数与广播星历结合，获取高精度的轨道和钟差；
S3：以高精度的轨道和钟差为基础对卫星端FCB进行估计；
S4：对估计得到的卫星端FCB进行编码，利用地面终端通过短报文的方式将FCB参数发送到北斗三号GEO卫星；
S5：北斗三号GEO卫星接收到FCB参数，按照地面终端的需求将FCB参数转发给指定用户终端；
S6：用户终端接收短报文传输的FCB参数，结合BDS3-PPP播放的改正数，实现终端的PPP-AR。
2.根据权利要求1所述的利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：基于BDS3-PPP播发的现有高精度的轨道和钟差，使用消电离层组合计算消电离层组合形式的浮点模糊度；
S32：将浮点模糊度转换为宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合；
S33：利用MW组合，即载波宽巷组合与伪距窄巷组合的差，计算含有宽巷FCB的宽巷模糊度，并对宽巷模糊度进行多历元的平滑，得到宽巷整周模糊度和宽巷FCB；
S34：将宽巷整周模糊度代入浮点模糊度中，计算得到窄巷FCB的初值；
S35：根据窄巷FCB的初值，利用最小二乘法得到精化的窄巷FCB；
宽巷FCB和窄巷FCB即为卫星端FCB，从而完成对卫星端FCB的估计。
3.根据权利要求2所述的利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，其特征在于，在所述步骤S32中，宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合的具体表示为：
Figure FDA0003519744130000011
其中N表示模糊度，f1和f2表示载波频率，i,j表示卫星号对应的星间单差，m表示接收机，
Figure FDA0003519744130000012
表示星间单差宽巷模糊度；
Figure FDA0003519744130000013
表示星间单差窄巷模糊度；
Figure FDA0003519744130000021
表示浮点模糊度。
4.根据权利要求3所述的利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，其特征在于，在所述步骤S32中，分解后的宽巷模糊度和窄巷模糊度同样不具备整周特性，因此需要将其拆分为整数周与小数周的组合，具体表示为：
Figure FDA0003519744130000022
其中，n表示对应组合的模糊度，
Figure FDA0003519744130000023
表示宽巷FCB；
Figure FDA0003519744130000024
表示窄巷FCB。
5.根据权利要求1所述的利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，地面终端采用S/L波段与北斗三号GEO卫星进行通信，将短报文发送到北斗三号GEO卫星。
6.利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的系统，包括地面站网(1)、北斗三号GEO卫星(2)、用户终端(3)；其特征在于，还包括地面终端(4)；其中：所述地面站网(1)设置有FCB估计模块(5)；
所述地面站网(1)用于接收并解码BDS3-PPP服务播发的改正数并将改正数与广播星历结合，获取高精度的轨道和钟差；
所述FCB估计模块(5)以高精度的轨道和钟差为基础对卫星端FCB进行估计；
所述地面终端(4)对估计得到的卫星端FCB进行编码，并通过短报文的方式将FCB参数发送到北斗三号GEO卫星；
北斗三号GEO卫星接收到FCB参数，按照地面终端的需求将FCB参数转发给指定用户终端；
用户终端接收短报文传输的FCB参数，结合BDS3-PPP播放的改正数，实现终端的PPP-AR。
7.根据权利要求6所述的利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的系统，其特征在于，所述FCB估计模块(5)包括浮点模糊度计算单元(51)、转换单元(52)、宽巷FCB计算单元(53)和窄巷FCB计算单元(53)；其中：
所述浮点模糊度计算单元(51)基于BDS3-PPP播发的现有高精度的轨道和钟差，使用消电离层组合计算消电离层组合形式的浮点模糊度；
所述转换单元(52)用于将浮点模糊度转换为宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合；
所述宽巷FCB计算单元(53)用于利用MV组合计算含有宽巷FCB的宽巷模糊度，并对宽巷模糊度进行多历元的平滑，得到宽巷整周模糊度和宽巷FCB；
所述窄巷FCB计算单元(53)用于将宽巷整周模糊度代入浮点模糊度中，计算得到窄巷FCB的初值，并根据窄巷FCB的初值，利用最小二乘法得到精化的窄巷FCB；宽巷FCB和窄巷FCB即为卫星端FCB。
8.根据权利要求7所述的利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的系统，其特征在于，在所述转换单元(52)中，宽巷模糊度和窄巷模糊度的组合的具体表示为：
Figure FDA0003519744130000031
其中f1和f2表示载波频率，i,j表示卫星号对应的星间单差，m表示接收机，
Figure FDA0003519744130000032
表示星间单差宽巷模糊度；
Figure FDA0003519744130000033
表示星间单差窄巷模糊度；
Figure FDA0003519744130000034
表示浮点模糊度。
9.根据权利要求8所述的利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的系统，其特征在于，在所述转换单元中，分解后的宽巷模糊度和窄巷模糊度同样不具备整周特性，因此需要将其拆分为整数周与小数周的组合，具体表示为：
Figure FDA0003519744130000035
其中，n表示对应组合的模糊度，
Figure FDA0003519744130000036
表示宽巷FCB；
Figure FDA0003519744130000037
表示窄巷FCB。
10.根据权利要求6所述的利用BDS3-PPP服务与短报文实现PPP-AR的系统，其特征在于，所述地面终端采用S/L波段与所述北斗三号GEO卫星进行通信，将短报文发送到北斗三号GEO卫星。
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