CN115856966A - 用于实现多gnss多频率非组合精密单点定位的方法 - Google Patents

用于实现多gnss多频率非组合精密单点定位的方法 Download PDF

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张宝成
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Abstract

本发明提出一种基于多GNSS系统多频率观测数据实现非组合精密单点定位(PPP)的方法；该方法在单系统双频非组合PPP模型的基础上，提出一种联合处理多系统、多频率观测数据的模型和方法，在该模型中顾及BDS系统GEO卫星伪距多路径效应影响和GLONASS系统频分多址技术的特点，分别引入伪距多路径参数和卫星频率号的线性函数模型来精化BDS和GLONASS模型中的伪距观测信息，构建满秩灵活的兼容GPS、GLONASS、BDS、Galileo四系统的多频率联合处理的非组合PPP模型，利用滤波或最小二乘方法进行参数估计，实现精密定位、授时和大气延迟提取等各类应用。

Description

用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法
技术领域
本发明涉及高精度定位系统，尤其涉及一种用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法。
背景技术
精密单点定位(precise point positioning，PPP)技术是GNSS领域内一种高精度的绝对定位技术。根据对电离层延迟的处理方式不同，现有PPP技术的函数模型主要有“消电离层组合”和“非组合”两种模型。非组合模型是近年来提出的一种新的PPP函数模型，其相对于传统消电离层组合模型具有理论上的最优性、实施上的灵活性、应用上的广泛性等优势，相关学者已对非组合PPP模型与算法、定位与授时性能及其在大气延迟精密提取与码偏差估计等方面展开了研究，并取得了丰硕的研究成果。近年来，随着世界各国、组织建立的多个GNSS系统日趋完善，为用户端的定位、导航和授时应用提供了越来越丰富的数据支持，因而多系统多频率融合的精密单点定位技术成为当前的研究热点。
发明内容
本发明主要目的在于：提供一种用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，不仅能够联合处理多个GNSS系统，而且能够处理双频及以上任意频率的原始观测数据。
本发明所采用的技术方案是：一种用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，本方法包括以下步骤：
S1、选用多GNSS系统单测站的伪距和相位观测数据，构建单系统多频率的原始观测方程；
S2、基于所述的单系统多频率的原始观测方程，拓展为GPS、Galileo和BDS系统多频率的观测方程；
S3、在所述的GPS、Galileo和BDS系统多频率的观测方程中，引入各统的卫星钟差作为已知信息，然后对各项参数重新整合以消除观测方程存在的秩亏后，得到满秩的GPS与BDS和Galileo三系统联合的多频观测方程；
S4、在S3所述的GPS与BDS和Galileo三系统联合的多频观测方程的基础上，对BDS系统GEO卫星的伪距观测值中增加多路径偏差参数，得到顾及BDS系统GEO卫星伪距多路径效应的GNSS多频多系统观测方程；
S5、顾及GLONASS系统采用频分多址技术，引入卫星频率号的线性函数来模型化GLONASS接收机端伪距硬件延迟，并参照S1构建GLONASS系统新的伪距观测方程；
S6、基于S1中单系统多频率的原始观测方程，和S5得到的GLONASS系统新的伪距观测方程，引入GLONASS系统的卫星钟差作为已知信息，然后对各项参数重新整合以消除单系统多频率的观测方程存在的秩亏问题后，得到顾及伪距频间偏差IFB(inter-frequencybias，IFB)影响的满秩GLONASS非组合精密单点定位模型；
S7、联合所述的S3、S4和S6的结果，组成多系统满秩的灵活兼容多频观测信息的非组合精密单点定位模型；利用滤波或最小二乘方法进行参数估计，对所述的多系统满秩的灵活兼容多频观测信息的非组合精密单点定位模型进行求解，获得测站坐标的改正值向量并改正到其近似坐标上，得到精确的测站坐标解。
按上述方法，S1中的多GNSS系统单测站的伪距和相位观测数据，包括BDS2系统的双频或三频，BDS3系统的双频、三频、四频或五频，GPS系统的双频或三频，GLONASS系统的双频，Galileo系统的双频、三频、四频或五频观测数据。
按上述方法，所述S1构建的单系统多频率的原始观测方程为：
Figure SMS_1
其中，
Figure SMS_3
和/>
Figure SMS_6
分别表示伪距和相位观测值，单位为米，其所含的站星距初值、对流层干延迟及其他精密改正已被事先改正，单位为米，S表示卫星号，r表示接收机号，f表示频段号，/>
Figure SMS_7
为测站到卫星的单位向量，/>
Figure SMS_4
为坐标的改正值向量，c表示光速，Δtr和ΔtS是接收机和卫星钟差，单位为秒，br，f和/>
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表示接收机r和卫星S对应频率f的伪距硬件延迟，单位为秒，/>
Figure SMS_8
表示电离层斜延迟，单位为米，其系数/>
Figure SMS_9
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，Tr为天顶对流层湿延迟，单位为米，其投影函数为
Figure SMS_2
为接收机r与卫星S之间频率f对应的吸收了相位偏差的浮点模糊度，单位为周，观测噪声和其他未模型化误差视为白噪声并在观测方程中省略。
按上述方法，所述S2中，GPS、Galileo和BDS系统多频率的观测方程具体为：
Figure SMS_10
式中，上标G、E和C分别为GPS、Galileo和BDS的系统标识。
按上述方法，S3所述的满秩的GPS与BDS和Galileo三系统联合的多频观测方程为：
Figure SMS_11
/>
其中，
Figure SMS_14
和/>
Figure SMS_18
表示经卫星钟差改正后的新观测值，/>
Figure SMS_21
Figure SMS_13
为对应GPS系统的接收机钟差，/>
Figure SMS_16
为消电离层组合系数项，其中上标T表示G、E、C系统之一，/>
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为系统间偏差，/>
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为经参数重组的电离层延迟，/>
Figure SMS_12
为第1和第2频点之间的接收机差分码偏差，
Figure SMS_17
第1和第2频点之间的卫星差分码偏差，
Figure SMS_22
为IFB信息，
Figure SMS_23
为参数重组后的模糊度信息，系数/>
Figure SMS_15
按上述方法，S4所述的顾及伪距多路径影响的GNSS多频多系统观测方程中BDS伪距观测量为：
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其中
Figure SMS_25
为增加的伪距多路径偏差参数，Cgeo为BDS的GEO卫星号，当为GEO卫星观测值时，可设为非0参数，当为非GEO卫星观测值时，/>
Figure SMS_26
按上述方法，所述的S5构建的GLONASS系统新的伪距观测方程具体为：
Figure SMS_27
其中ηS，R为卫星S的频率号，ηS，R的取值范围为(-7，-6，...，+5，+6)，新增的
Figure SMS_28
为测站伪距频间偏差IFB参数，/>
Figure SMS_29
重定义为各频段上频率号为0的接收机伪距硬件延迟。
按上述方法，所述的S6得到的顾及伪距频间偏差IFB影响的满秩GLONASS非组合精密单点定位模型具体为：
Figure SMS_30
其中
Figure SMS_31
和/>
Figure SMS_32
同样表示经卫星钟差改正后的新观测值，/>
Figure SMS_33
Figure SMS_34
Figure SMS_35
按上述方法，所述的S7组成的多系统满秩的灵活兼容多频观测信息的非组合精密单点定位模型具体为：
Figure SMS_36
其中
Figure SMS_37
与其他系统的表达形式一致，且对于BDS系统GEO卫星的伪距观测值中/>
Figure SMS_38
设为非0参数，而对于BDS系统非GEO卫星观测值/>
Figure SMS_39
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法的步骤。
本发明产生的有益效果是：能够联合处理多GNSS系统和双频及以上任意多频率的观测数据，能够解算第三及以上任意频率的伪距硬件延迟，其为不同频率卫星与接收机伪距硬件延迟的线性组合，可进一步用来估计多频码偏差参数；针对BDS的GEO卫星伪距观测数据的多路径问题，增加了用于削弱其影响的待估参数，针对GLONASS卫星频分多址的特征，增加了卫星频率号的线性函数来模型化接收机端的伪距硬件延迟，从而精化了函数模型并提高了其应用性能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，包括以下步骤：
S1、选用多GNSS系统单测站的伪距和相位观测数据，构建单系统多频率的原始观测方程。多GNSS系统单测站的伪距和相位观测数据，包括BDS2系统的双频或三频，BDS3系统的双频、三频、四频或五频，GPS系统的双频或三频，GLONASS系统双频，Galileo系统的双频、三频、四频或五频观测数据。
构建的单系统多频率的原始观测方程为：
Figure SMS_40
其中，
Figure SMS_43
和/>
Figure SMS_47
分别表示伪距和相位观测值，单位为米，其所含的站星距初值、对流层干延迟及其他精密改正已被事先改正，单位为米，S表示卫星号，r表示接收机号，f表示频段号，/>
Figure SMS_48
为测站到卫星的单位向量，/>
Figure SMS_42
为坐标的改正值向量，c表示光速，Δtr和ΔtS是接收机和卫星钟差，单位为秒，br，f和/>
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表示接收机r和卫星S对应频率f的伪距硬件延迟，单位为秒，/>
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表示电离层斜延迟，单位为米，其系数/>
Figure SMS_46
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，Tr为天顶对流层湿延迟，单位为米，其投影函数为
Figure SMS_41
为接收机r与卫星S之间频率f对应的吸收了相位偏差的浮点模糊度，单位为周，观测噪声和其他未模型化误差视为白噪声并在观测方程中省略。
S2、基于所述的单系统多频率的原始观测方程，拓展为GPS、Galileo和BDS系统多频率的观测方程，具体为：
Figure SMS_49
式中，上标G、E和C分别为GPS、Galileo和BDS的系统标识。
S3、在所述的GPS、Galileo和BDS系统多频率的观测方程中，引入各统的卫星钟差作为已知信息，然后对各项参数重新整合以消除观测方程存在的秩亏问题后，得到满秩的GPS、Galileo、以及BDS的G/E/C多频观测方程，即GPS与BDS和Galileo三系统联合的多频观测方程：
Figure SMS_51
，其中，/>
Figure SMS_57
和/>
Figure SMS_59
表示经卫星钟差改正后的新观测值，/>
Figure SMS_53
为对应GPS系统的接收机钟差，
Figure SMS_54
为消电离层组合系数项，其中上标T表示G、E、C系统之一，/>
Figure SMS_60
为系统间偏差，/>
Figure SMS_61
为经参数重组的电离层延迟，/>
Figure SMS_50
为第1和第2频点之间的接收机差分码偏差，
Figure SMS_55
为第1和第2频点之间的卫星差分码偏差，
Figure SMS_56
为IFB信息，
Figure SMS_58
为参数重组后的模糊度信息，系数/>
Figure SMS_52
S4、在S3所述的GPS与BDS和Galileo三系统联合的多频观测方程基础上，对BDS的GEO卫星的伪距观测值中增加多路径偏差参数，得到顾及BDS系统GEO卫星伪距多路径效应的BDS伪距观测量为：
Figure SMS_62
其中
Figure SMS_63
为增加的伪距多路径偏差参数，Cgeo为BDS的GEO卫星号，当为GEO卫星观测值时，可设为非0参数，当为非GEO卫星观测值时，/>
Figure SMS_64
S5、顾及GLONASS系统采用频分多址技术，引入卫星频率号的线性函数来模型化GLONASS接收机端伪距硬件延迟，并参照S1构建GLONASS系统新的伪距观测方程：
Figure SMS_65
其中ηS，R为卫星S的频率号，ηS，R的取值范围为(-7，-6，...，+5，+6)，新增的
Figure SMS_66
为测站伪距频间偏差IFB参数，/>
Figure SMS_67
重定义为各频段上频率号为0的接收机伪距硬件延迟。
S6、基于S1中单系统多频率的原始观测方程，和S5得到的GLONASS系统新的伪距观测方程，引入GLONASS系统的卫星钟差作为已知信息，然后对各项参数重新整合以消除单系统多频率的观测方程存在的秩亏问题后，得到顾及伪距频间偏差IFB影响的满秩GLONASS非组合精密单点定位模型为：
Figure SMS_68
其中
Figure SMS_69
和/>
Figure SMS_70
同样表示经卫星钟差改正后的新观测值，/>
Figure SMS_71
Figure SMS_72
Figure SMS_73
S7、联合S3、S4和S6的结果，得到多系统满秩的灵活兼容多频观测信息的非组合精密单点定位模型：
Figure SMS_74
其中
Figure SMS_75
与其他系统的表达形式一致，且对于BDS的GEO卫星的伪距观测值/>
Figure SMS_76
设为非0参数，而对于BDS的非GEO卫星观测值的/>
Figure SMS_77
利用滤波或最小二乘方法进行参数估计，对所述的多系统满秩的灵活兼容多频观测信息的非组合精密单点定位模型进行求解，获得测站坐标的改正值向量并改正到其近似坐标上，得到精确的坐标解。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法的步骤。
本发明在传统PPP技术的基础上，提出了一种适用于多个GNSS系统、多频率观测数据联合实现非组合PPP的方法，在联合多个GNSS系统实现PPP时，顾及BDS的GEO卫星伪距多路径效应，同时考虑GLONASS系统频分多址(FDMA)特征，不仅能够联合处理多个GNSS系统，而且能够处理双频及以上任意频率的非组合观测数据。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，本方法包括以下步骤：
S1、选用多GNSS系统单测站的伪距和相位观测数据，构建单系统多频率的原始观测方程；
S2、基于所述的单系统多频率的原始观测方程，拓展为GPS、Galileo和BDS系统多频率的观测方程；
S3、在所述的GPS、Galileo和BDS系统多频率的观测方程中，引入各统的卫星钟差作为已知信息，然后对各项参数重新整合以消除观测方程存在的秩亏后，得到满秩的GPS与BDS和Galileo三系统联合的多频观测方程；
S4、在S3所述的GPS与BDS和Galileo三系统联合的多频观测方程基础上，对BDS系统的GEO卫星的伪距观测值中增加多路径偏差参数，得到顾及BDS系统GEO卫星伪距多路径效应的GNSS多频多系统观测方程；
S5、顾及GLONASS系统采用频分多址技术，引入卫星频率号的线性函数来模型化GLONASS接收机端伪距硬件延迟，并参照S1构建GLONASS系统新的伪距观测方程；
S6、基于S1中单系统多频率的原始观测方程，和S5得到的GLONASS系统新的伪距观测方程，引入GLONASS系统的卫星钟差作为已知信息，然后对各项参数重新整合以消除单系统多频率的观测方程存在的秩亏后，得到顾及伪距频间偏差IFB影响的满秩GLONASS非组合精密单点定位模型；
S7、联合所述的S3、S4和S6的结果，组成多系统满秩的灵活兼容多频观测信息的非组合精密单点定位模型；利用滤波或最小二乘方法进行参数估计，对所述的多系统满秩的灵活兼容多频观测信息的非组合精密单点定位模型进行求解，获得测站坐标的改正值向量并改正到其近似坐标上，得到精确的测站坐标解。
2.根据权利要求1所述的用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，S1中的多GNSS系统单测站的伪距和相位观测数据，包括BDS2系统的双频或三频，BDS3系统的双频、三频、四频或五频，GPS系统的双频或三频，GLONASS系统的双频，Galileo系统的双频、三频、四频或五频观测数据。
3.根据权利要求1所述的用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，所述S1构建的单系统多频率的原始观测方程为：
Figure FDA0003742571860000021
其中，
Figure FDA0003742571860000022
和/>
Figure FDA0003742571860000023
分别表示伪距和相位观测值，单位为米，其所含的站星距初值、对流层干延迟及其他精密改正已被事先改正，单位为米，S表示卫星号，f表示接收机号，f表示频段号，/>
Figure FDA0003742571860000024
为测站到卫星的单位向量，/>
Figure FDA0003742571860000025
为坐标的改正值向量，c表示光速，Δtr和ΔtS是接收机和卫星钟差，单位为秒，br，f和/>
Figure FDA0003742571860000026
表示接收机r和卫星S对应频率f的伪距硬件延迟，单位为秒，/>
Figure FDA0003742571860000027
表示电离层斜延迟，单位为米，其系数/>
Figure FDA0003742571860000028
为其他频率f与第1频率电离层延迟间的比值，λf为对应频率f的波长，Tr为天顶对流层湿延迟，单位为米，其投影函数为
Figure FDA0003742571860000029
为接收机r与卫星S之间频率f对应的吸收了相位偏差的浮点模糊度，单位为周，观测噪声和其他未模型化误差视为白噪声并在观测方程中省略。
4.根据权利要求3所述的用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，所述S2中，GPS、Galileo和BDS系统多频率的观测方程具体为：
Figure FDA00037425718600000210
式中，上标G、E和C分别为GPS、Galileo和BDS的系统标识。
5.根据权利要求4所述的用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，S3所述的满秩的GPS与BDS和Galileo三系统联合的多频观测方程为：
Figure FDA0003742571860000031
其中，
Figure FDA0003742571860000032
和/>
Figure FDA0003742571860000033
表示经卫星钟差改正后的新观测值，/>
Figure FDA0003742571860000034
为对应GPS系统的接收机钟差，/>
Figure FDA0003742571860000035
为消电离层组合系数项，其中上标T表示G、E、C系统之一，/>
Figure FDA0003742571860000036
为系统间偏差，/>
Figure FDA0003742571860000037
为经参数重组的电离层延迟，/>
Figure FDA0003742571860000038
为第1和第2频点之间的接收机差分码偏差，
Figure FDA0003742571860000039
为第1和第2频点的卫星差分码偏差，
Figure FDA00037425718600000310
为IFB信息，
Figure FDA00037425718600000311
为参数重组后的模糊度信息，系数/>
Figure FDA00037425718600000312
6.根据权利要求5所述的用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，S4所述的顾及伪距多路径影响的GNSS多频多系统观测方程中BDS伪距观测量：
Figure FDA00037425718600000313
其中
Figure FDA00037425718600000314
为增加的伪距多路径偏差参数，Cgeo为BDS的GEO卫星号，当为GEO卫星观测值时设为非0常数，当为非GEO卫星观测值时，/>
Figure FDA00037425718600000315
7.根据权利要求6所述的用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，所述的S5构建的GLONASS系统新的伪距观测方程具体为：
Figure FDA00037425718600000316
其中ηS，R为卫星S的频率号，ηS，R的取值范围为(-7，-6，...，+5，+6)，新增的
Figure FDA00037425718600000317
为测站伪距频间偏差IFB参数，/>
Figure FDA0003742571860000041
重定义为各频段上频率号为0的接收机伪距硬件延迟。
8.根据权利要求7所述的用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，所述S6得到的顾及伪距频间偏差IFB影响的满秩GLONASS非组合精密单点定位模型为：
Figure FDA0003742571860000042
其中
Figure FDA0003742571860000043
和/>
Figure FDA0003742571860000044
同样表示经卫星钟差改正后的观测值，/>
Figure FDA0003742571860000045
Figure FDA0003742571860000046
Figure FDA0003742571860000047
9.根据权利要求7所述的用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法，其特征在于，所述的S7组成的多系统满秩的灵活兼容多频观测信息的非组合精密单点定位模型具体为：
Figure FDA0003742571860000048
其中
Figure FDA0003742571860000049
与其他系统的表达形式一致，且对于BDS系统GEO卫星的伪距观测值/>
Figure FDA00037425718600000410
设为非0参数，而对于BDS系统非GEO卫星观测值的/>
Figure FDA00037425718600000411
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至9中任意一项所述用于实现多GNSS多频率非组合精密单点定位的方法的步骤。
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