CN115356757A - 一种gnss终端定位数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GNSS终端定位数据处理方法，属于GNSS定位数据处理技术领域。本发明从SSR、OSR理论的一致性出发，融合了SSR、OSR两种改正数；使用OSR改正数进行误差修正阶段，不再做二次差，仅在用户观测数据与OSR改正数间做一次差，能够在使用OSR含有的误差信息进行误差修正的同时，保留其组建非差观测方程的能力；在组建方程阶段，对SSR和OSR同时组建非差观测方程，不再含有双差观测方程，可以同时求解。本发明能够实现对SSR、OSR两种改正数的融合，同时拥有SSR使用范围广、OSR收敛速度快等两者的优点，提高定位精度和可靠性，且可以在SSR与OSR两种定位模式间自适应无缝切换。

Description

一种GNSS终端定位数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种GNSS终端定位数据处理方法，属于GNSS定位数据处理技术领域。

背景技术

在GNSS定位过程中，已知条件为卫星的位置坐标(S1-S4)和由地面接收机(R1)测得的接收机至卫星几何距离，如图1所示，未知条件为接收机坐标、接收机和卫星间的时间系统差，后者简称接收机钟差。其定位基本原理为当一个接收机同时观测到四颗及四颗以上的卫星时，根据距离交会原理，由已知条件列方程求解未知条件。

在GNSS定位中，影响定位精度的主要因素是各种误差项。为了提高定位精度，削弱各种误差项的影响，从而有了独立于GNSS系统外的额外增强服务。目前GNSS增强服务主流形式有两种，即SSR和OSR。SSR即状态空间域增强服务，OSR即观测域增强服务，两者均包含了GNSS定位中涉及的各种误差信息。用户端在使用SSR或OSR改正数后，可以消去GNSS定位中的绝大部分误差，从而实现高精度定位。其中，广域增强系统和星基增强系统属于状态空间域增强服务(SSR)，其对应的终端数据处理技术为精密单点定位(PPP,Precise PointPosition)；差分系统、局域增强系统和地基增强系统属于观测域增强服务(OSR)，其对应的终端数据处理技术为实时动态载波相位差分(RTK,Real-Time Kinematic)。

图2为SSR与OSR改正数的示意图，地面上放置有相距较近(30公里内)的R1、R2两台接收机，其中R1为OSR服务的基准站，R2为接收SSR和OSR服务的定位终端，天上卫星用S标识。SR1、SR2分别为卫星至接收机的信号传播路径。从图中可看出，影响GNSS定位精度的误差来源主要分为两类，即与卫星有关的误差和卫星信号传播过程中的误差。其中，与卫星有关的误差分别是轨道误差、卫星钟差、信号偏差，与卫星信号传播过程有关的误差分别是电离层延迟、对流层延迟。从图2也能看出SSR与OSR改正数的区别。SSR为直接改正数，用户直接在定位过程中使用以消去与卫星有关、信号传播有关的各种误差项；OSR为间接改正数，其实质为包含有各种误差信息的基准站观测值，由于用户站(R2)和基准站(R1)间距离需较近，因此上述影响定位精度的误差项在用户站和基准站间差异较小，可认为相等。

由于SSR向用户播发的是绝对误差改正数，用户在使用SSR改正数后可直接得到全球统一的定位结果，我们称之为绝对定位；与之不同的是，OSR向用户播发的是含有误差信息的基准站观测值，用户在使用过程中需用自身接收机观测到的数据减去基准站播发的OSR观测数据，因此用户使用OSR改正数得到的定位结果是用户站相对于基准站的位置，即R2相对于R1的坐标差，称之为相对定位。OSR改正数中同时包含了基准站R1的测站坐标，用基准站R1坐标加上求解出的R2相对于R1坐标差，同样可得到R2的绝对坐标。

SSR与OSR服务的主要差异如表1所示，需要指出的是，SSR中的大气改正数即电离层延迟与对流层延迟，具有空间属性，仅在小区域范围内可认为是变化稳定的。因此仅在服务端基准站较近范围内(250公里)SSR才拥有大气改正数。不过这并不影响SSR服务的范围与用户终端的定位精度，当大气改正数存在时，用户端算法可以做到快速初始化(1-3分钟)，无大气改正数时，SSR终端用户需要大约15-30分钟来等待算法完成初始化。

表1

从表1中可看出，SSR服务的优点是覆盖范围广、无用户数量限制，单工通信有利于保障用户本地数据安全，缺点是无电离层延迟和对流层延迟等大气信息的情况下需要较长初始化时间(15-30分钟)，这个时间称为收敛时间；而OSR服务的优点是收敛速度快，仅需30秒，缺点是通信流量大，依赖网络，且双工通信存在用户上限，用户的数据隐私性也受到威胁。

现有SSR与OSR的终端定位数据处理流程如图3所示，从图3中可看出，整个数据处理流程可分为三部分，分别是误差修正、组建方程与解方程。由于SSR与OSR间的差异，上述三部分的处理细节有所不同。在误差改正部分，使用SSR改正数的处理方式为直接将改正数用于观测数据的卫星轨道、卫星钟差、信号偏差等误差修正中，修正后得到的是不含误差的绝对观测数据；使用OSR改正数的处理方式为在用户自身观测数据与OSR改正数之间做差分，差分消去了两者间的共同部分误差，其结果是用户测站相对于OSR基准站的相对观测值，得到的是不含误差的相对观测数据。在组建方程部分，经SSR改正后得到的是绝对观测数据，SSR方式组建的是非差观测方程；而经OSR改正后得到的是相对观测数据，OSR方式组建的是双差观测方程。最后对方程进行求解，SSR终端得到用户的绝对坐标，OSR终端得到用户相对于OSR基准站的相对坐标。

因此，目前针对SSR和OSR的数据处理方式是独立的，通过SSR组建非差观测方程，通过OSR组建双差观测方程，分别求解各自的方程，分别得到绝对坐标和相对坐标，并没有真正的将这两种改正数进行融合，无法充分利用两种改正数的优势，进而影响最终的定位精度和可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种GNSS终端定位数据处理方法，以解决目前采用两种改正数进行处理时存在的融合性差导致的定位精度低的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种GNSS终端定位数据处理方法，该方法包括以下步骤：

1)获取用户站观测数据、SSR改正数和OSR改正数；

2)对用户站观测数据和OSR改正数进行一次差处理，实现对用户站观测数据的误差修正；根据获取的SSR改正数对用户站观测数据的卫星轨道误差、卫星钟差、信号偏差、电离层延迟和对流层延迟进行修改；

3)根据修改后的卫星轨道误差、卫星钟差、信号偏差、电离层延迟和对流层延迟数据组建第一非差观测方程；根据得到的用户站观测数据和OSR改正数的一次差处理结果组建第二非差观测方程；

4)对第一非差观测方程和第二非差观测方程进行同时求解，以实现对用户站的定位。

本发明从SSR、OSR理论的一致性出发，融合了SSR、OSR两种改正数；使用OSR改正数进行误差修正阶段，不再做二次差，仅在用户观测数据与OSR改正数间做一次差，能够在使用OSR含有的误差信息进行误差修正的同时，保留其组建非差观测方程的能力；在组建方程阶段，对SSR和OSR同时组建非差观测方程，不再含有双差观测方程，可以同时求解。本发明能够实现对SSR、OSR两种改正数的融合，同时拥有SSR使用范围广、OSR收敛速度快等两者的优点，提高定位精度和可靠性。

进一步地，所述步骤3)中建立的第二非差观测方程为：

其中下标i表示用户站接收机i，上标k表示卫星k，

表示用户站接收机i测量所得到的卫星k的伪距观测量；

为用户站接收机至卫星的几何距离；dx_i、dy_i、dz_i分别为用户站接收机坐标参数；

是线性化后的用户站接收机坐标参数的系数；c为真空下的光速；dt_i和δt_k分别为接收机钟差和卫星钟差；

为用户站接收机i与卫星k间的载波相位整周模糊度；dB_i为接收机载波信号偏差；ε_R为伪距粗差；ε_P为载波粗差；λ为载波信号波长；

为载波观测量；

为经卫星轨道产品改正后的用户站接收机至卫星几何距离。

进一步地，所述步骤3)中建立的第一非差观测方程为：

其中下标i表示用户站接收机i，上标k表示卫星k，

表示用户站接收机i测量所得到的卫星k的伪距观测量；

为用户站接收机至卫星的几何距离；dx_i、dy_i、dz_i分别为用户站接收机坐标参数；

是线性化后的用户站接收机坐标参数的系数；c为真空下的光速；dt_i和δt_k分别为接收机钟差和卫星钟差；

为用户站接收机i与卫星k间的载波相位整周模糊度；dB_i为接收机载波信号偏差；ε_R为伪距粗差；ε_P为载波粗差；λ为载波信号波长；

为载波观测量；

为经卫星轨道产品改正后的用户站接收机至卫星几何距离。

进一步地，当步骤1)中获取的改正数仅有SSR改正数时，利用SSR改正数对用户站观测数据进行修正，以此建立第一非差观测方程，对第一非差观测方程进行求解，得到用户站的位置信息。

进一步地，当步骤1)中获取的改正数仅有OSR改正数时，利用OSR改正数和用户站观测数据进行一次站间差处理，以此建立第二非差观测方程，对第二非差观测方程进行求解，得到用户站的位置信息。

本发明通过将两种改正数融合处理后，能够实现两种改正数处理算法的统一，可实现两种改正数处理方法的无缝切换，当仅有SSR或仅有OSR改正数时，终端同样可以正常工作，进一步提升了算法的鲁棒性。

进一步地，所述第二非差观测方程的建立过程为：

根据用户站观测数据确定线性化后的用户站GNSS观测方程，包括用户站伪距观测方程和用户站载波观测方程；

基于用户站所在设定范围内基准站接收机在同一历元对相同卫星的观测值建立基准站的观测方程，包括基准站伪距观测方程和基准站站载波观测方程；

将用户站伪距观测方程减去基准站伪距观测方程，将用户站载波观测方程减去基准站站载波观测方程。

附图说明

图1是GNSS定位基本原理示意图；

图2是SSR和OSR两种改正数的原理示意图；

图3是现有GNSS终端定位数据处理方法流程图；

图4是本发明GNSS终端定位数据处理方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明通过对用户站观测数据和OSR改正数进行一次差处理，实现对用户站观测数据的误差修正；并根据获取的SSR改正数对用户站观测数据的卫星轨道误差、卫星钟差、信号偏差、电离层延迟和对流层延迟进行修改；然后根据修改后的卫星轨道误差、卫星钟差、信号偏差、电离层延迟和对流层延迟数据组建第一非差观测方程；根据得到的用户站观测数据和OSR改正数的一次差处理结果组建第二非差观测方程；最后对第一非差观测方程和第二非差观测方程进行同时求解，以实现对用户站的定位。该方法的具体实现流程如图4所示，下面针对该过程进行详细说明。

本发明与现有的GNSS终端定位数据处理方法(如图3所示)相比，改进主要有两方面：一是使用OSR改正数进行误差修正阶段，不再做二次差，而是仅在用户观测数据与OSR改正数间做一次差，此做法的目的是在使用OSR含有的误差信息进行误差修正的同时，保留其组建非差观测方程的能力；二是在组建方程阶段，对SSR和OSR同时组建非差观测方程，同时求解，以实现两种改正数的有机融合。

1.获取用户站观测数据、SSR改正数和OSR改正数。

本实施例通过用户站接收机获取用户站观测数据，这里的用户站观测数据主要包括有伪距数据和载波数据，SSR向用户站播发的是绝对误差改正数，OSR向用户播发的是含有误差信息的基准站观测值。

2.利用获取的用户站观测数据、SSR改正数和OSR改正数进行误差修正。

在误差改正部分，使用SSR改正数的处理方式为直接将改正数用于观测数据的卫星轨道误差、卫星钟差、信号偏差、电离层延迟和对流层延迟的修正中，修正后得到的是不含误差的绝对观测数据。使用OSR改正数的处理方式为在用户自身观测数据与OSR改正数之间做差分，差分消去了两者间的共同部分误差，其结果是用户测站相对于OSR基准站的相对观测值，得到的是不含误差的相对观测数据。

3.基于误差修正结果分别组建第一非差观测方程和第二非差观测方程。

线性化后的用户端GNSS观测方程：

式(1)为用户端伪距观测方程，式中用下标i表示用户站接收机i，上标k表示卫星k；

表示用户站接收机i测量所得到的卫星k的伪距观测量；

为接收机至卫星的几何距离；dx_i、dy_i、dz_i分别为接收机坐标参数，

是线性化后的接收机坐标参数的系数，系数可由卫星坐标和接收机初始坐标计算得到，可看作常数；c为真空下的光速；dt_i和δt_k分别为接收机钟差和卫星钟差；δ_ion为电离层延迟误差；δ_trop为对流层延迟误差；δb_k为卫星k伪距信号偏差；ε_R为伪距粗差。

式(2)为用户站载波观测方程，λ为载波信号波长，

为载波观测量，

为接收机i与卫星k间的载波相位整周模糊度，δB_k为卫星载波信号偏差，dB_i为接收机载波信号偏差，ε_P为载波粗差。除此之外，其余各项含义与式(1)相同。

SSR中含有卫星轨道产品、卫星钟差产品、卫星信号偏差产品、电离层延迟产品、对流层延迟产品，其中卫星轨道产品用于修正

卫星钟差产品用于消去δt_k，卫星信号偏差产品用于消去δb_k和δB_k，电离层延迟产品用于消去δ_ion，对流层延迟产品用于消去δ_trop。

经SSR产品改正后的用户站观测方程为第一非差观测方程，见式(3)和(4)：

式(3)、(4)中，

为经卫星轨道产品改正后的接收机至卫星几何距离。等号左边均为已知量，可计算得到，等号右边均为未知参数及其线性化后的系数，至此可以直接组非差方程求解未知参数。

OSR实质为用户附近基准站接收机在同一历元对相同卫星的观测值，式(5)、(6)为基准站接收机j线性化后的观测方程，其中下标j表示基准站接收机j，其余各项含义与式(1)、(2)相同。由于OSR改正数中含有接收机j的准确坐标，因此其观测方程中不含有dx_j、dy_j、dz_j这三项未知参数。

OSR改正数的使用方法为差分，具体做法为式(1)减式(5)，式(2)减式(6)，这种不同接收机间对同一颗卫星的观测方程作差的方法称为站间单差。

经OSR产品站间单差后的用户端观测方程见式(7)、(8)：

经站间单差后，带有下标k且仅与卫星有关的误差项得到消除，同时由于用户接收机与基准站接收机距离较近，可认为两接收机的电离层延迟和对流层延迟相同，因此δ_ion和δ_trop也在站间差后被消除。

式(7)、(8)即为第二非差观测方程。

4.对第一非差观测方程和第二非差观测方程进行同时求解，以实现对用户站的定位。

从上式可看出，第一非差观测方程(式(3)和式(4))和第二非差观测方程(式(7)和式(8))具有相同的形式，因此可以一同组建非差方程，然后共同求解未知参数，即用户站i的坐标。

通过上述过程，本发明融合了SSR改正数和OSR改正数，能够同时拥有SSR使用范围广、OSR收敛速度快等两者的优点，且基于这两种改正数建立的都是非差观测方程，可以同时进行求解。此外，本发明不仅可以同时处理SSR、OSR两种改正数，且当仅有SSR或仅有OSR改正数时，终端同样可以正常工作，使终端的鲁棒性得到提升。上述方法也可以作为一种计算机程序设置在GNSS终端上，此外还可以在SSR与OSR两种定位模式间自适应无缝切换，进一步提升定位精度。

Claims (6)

1.一种GNSS终端定位数据处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)获取用户站观测数据、SSR改正数和OSR改正数；

2)对用户站观测数据和OSR改正数进行一次差处理，实现对用户站观测数据的误差修正；根据获取的SSR改正数对用户站观测数据的卫星轨道误差、卫星钟差、信号偏差、电离层延迟和对流层延迟进行修改；

3)根据修改后的卫星轨道误差、卫星钟差、信号偏差、电离层延迟和对流层延迟数据组建第一非差观测方程；根据得到的用户站观测数据和OSR改正数的一次差处理结果组建第二非差观测方程；

4)对第一非差观测方程和第二非差观测方程进行同时求解，以实现对用户站的定位。

2.根据权利要求1所述的GNSS终端定位数据处理方法，其特征在于，所述步骤3)中建立的第二非差观测方程为：

其中下标i表示用户站接收机i，上标k表示卫星k，

表示用户站接收机i测量所得到的卫星k的伪距观测量；

为用户站接收机至卫星的几何距离；dx_i、dy_i、dz_i分别为用户站接收机坐标参数；

是线性化后的用户站接收机坐标参数的系数；c为真空下的光速；dt_i和δt_k分别为接收机钟差和卫星钟差；

为用户站接收机i与卫星k间的载波相位整周模糊度；dB_i为接收机载波信号偏差；ε_R为伪距粗差；ε_P为载波粗差；λ为载波信号波长；

为载波观测量；ρ_i′^k为经卫星轨道产品改正后的用户站接收机至卫星几何距离。

3.根据权利要求1或2所述的GNSS终端定位数据处理方法，其特征在于，所述步骤3)中建立的第一非差观测方程为：

其中下标i表示用户站接收机i，上标k表示卫星k，

表示用户站接收机i测量所得到的卫星k的伪距观测量；

为用户站接收机至卫星的几何距离；dx_i、dy_i、dz_i分别为用户站接收机坐标参数；

是线性化后的用户站接收机坐标参数的系数；c为真空下的光速；dt_i和δt_k分别为接收机钟差和卫星钟差；

为用户站接收机i与卫星k间的载波相位整周模糊度；dB_i为接收机载波信号偏差；ε_R为伪距粗差；ε_P为载波粗差；λ为载波信号波长；

为载波观测量；ρ_i′^k为经卫星轨道产品改正后的用户站接收机至卫星几何距离。

4.根据权利要求1或2所述的GNSS终端定位数据处理方法，其特征在于，当步骤1)中获取的改正数仅有SSR改正数时，利用SSR改正数对用户站观测数据进行修正，以此建立第一非差观测方程，对第一非差观测方程进行求解，得到用户站的位置信息。

5.根据权利要求1或2所述的GNSS终端定位数据处理方法，其特征在于，当步骤1)中获取的改正数仅有OSR改正数时，利用OSR改正数和用户站观测数据进行一次站间差处理，以此建立第二非差观测方程，对第二非差观测方程进行求解，得到用户站的位置信息。

6.根据权利要求2所述的GNSS终端定位数据处理方法，其特征在于，所述第二非差观测方程的建立过程为：

根据用户站观测数据确定线性化后的用户站GNSS观测方程，包括用户站伪距观测方程和用户站载波观测方程；

基于用户站所在设定范围内基准站接收机在同一历元对相同卫星的观测值建立基准站的观测方程，包括基准站伪距观测方程和基准站站载波观测方程；

将用户站伪距观测方程减去基准站伪距观测方程，将用户站载波观测方程减去基准站站载波观测方程。

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