CN116047563A - 一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法 - Google Patents

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牛洁茹
李红星
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Abstract

本发明公开了一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，首先布设北斗定位增强差分基站，对基站辐射范围内海上用户实时广播差分解算后的高精度定位信息，在海上运动平台设置海上北斗高精度定位终端；之后根据需求对海上运动平台进行单点高精度定位或相对高精度定位，最后将海上运动平台设置在北斗定位增强差分基站的辐射范围内，并安装基于单点高精度定位和相对高精度定位的结果与基于北斗定位增强差分基站终端的定位数据进行比较，得到定位精度评估结果。本发明可以根据实际情况选取不同的定位方法，依据海上北斗高精度定位终端以及实时动态差分测量基站和终端实现浮标亚米级‑米级位置解算，同时也为水下用户定位提供水面定位基准。

Description

一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法
技术领域
本发明属于北斗导航领域，具体涉及一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法。
背景技术
北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是我国具有自主知识产权，独立建设和运行的卫星导航系统。北斗系统兼具导航定位、短信息通信、精密授时三大功能，可全天候、全天时提供卫星导航信息和短信息传输服务。目前我国已经全面实施北斗三号系统建设，完成全部35颗卫星的发射。
随着经济发展和技术进步，用户对定位精度要求越来越高，单纯依靠卫星导航系统(GPS单点定位精度<15米，北斗系统单点定位精度6-10米)，已经不能满足相当一部分海洋用户的需求，迫切需要提升定位精度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，基于搭建的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位终端，采用实时精密单点定位(PPP)、单点双频高精度定位、动平台相对定位方法，实现浮标亚米级-米级位置解算，同时也为水下用户定位提供水面定位基准。
实现本发明目的的具体技术方案为：
一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，包括以下步骤：
步骤1、布设北斗定位增强差分基站，对基站辐射范围内海上用户实时广播差分解算后的高精度定位信息，在海上运动平台设置海上北斗高精度定位终端；
步骤2、对海上运动平台进行单点高精度定位；
步骤3、对海上运动平台进行相对高精度定位；
步骤4、将海上运动平台设置在北斗定位增强差分基站的辐射范围内，并安装基于单点高精度定位和相对高精度定位的结果与基于北斗定位增强差分基站终端的定位数据进行比较，得到定位精度评估结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的技术方案能够根据实际情况选取不同的定位方法，根据是否能够实时获取卫星轨道和精密星历，自适应选用实时精密单点、单点双频定位两种高精度定位模式，实现了以厘米量级的岸基RTK定位为真值的海上高精度定位试验验证，满足海上用户对厘米级、分米级、米级等多种定位精度需求；
(2)本发明的技术方案构建海上北斗高精度定位终端主站/从站基线模型，实现了多个海上运动平台相对高精度定位，并采用动/静平台拉距运动实现相对定位精度评估。
附图说明
图1为基于北斗定位增强的海洋高精度定位系统概念图。
图2为本发明的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法步骤流程图。
图3为本发明的实施例中的北斗定位增强差分基站架设示意图。
图4为本发明的实施例中的海上运动平台示意图。
图5为本发明的实施例中的海上北斗高精度定位终端示意图。
图6为本发明的实施例中的单点高精度定位示意图。
图7为本发明的实施例中的相对高精度定位示意图。
图8为本发明的实施例中的RTK终端和海上北斗高精度定位终端示意图。
图9为本发明的实施例中的RTK终端与海上北斗高精度定位终端共用卫星接收天线示意图。
图10为本发明的实施例中的RTK终端的定位测试结果示意图。
图11为本发明的实施例中的实时精密单点定位模式定位结果示意图。
图12为本发明的实施例中的单点双频高精度定位模式定位结果示意图。
图13为本发明的实施例中的相对高精度定位动态试验验证示意图。
图14为本发明的实施例中的海洋动平台运动轨迹图。
图15为本发明的实施例中的海上运动平台的高精度定位误差曲线图。
具体实施方式
一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，包括以下步骤：
步骤1、选择合适地点，在沿海地域、岛礁上机动布设北斗定位增强差分基站，该基站采用实时动态差分测量技术(RTK)，可对半径15至20公里范围内海上用户实时广播差分解算后的高精度定位信息，精度达毫米级至厘米量级；
北斗定位增强差分基站对基站辐射范围内海上运动平台实时广播差分解算后的高精度定位信息，在海上运动平台(船舶、浮标等)设置海上北斗高精度定位终端实现自身位置定位；
步骤2、对海上运动平台进行单点高精度定位，具体为：
步骤2-1、判断是否能够实时获取卫星轨道和精密星历情况，若是则转至步骤2-2，否则转至步骤2-3；
步骤2-2、在具备实时获取卫星轨道和精密星历的情况下，基于实时精密单点定位模式实现海上运动平台单点高精度定位，具体为：
步骤2-2-1、根据海上运动平台布设的终端实时接收的高精度卫星轨道、精密星历及观测数据，构建基于先验高精度卫星信息的卫星相关误差修正模型，具体为：
卫星相关误差包括卫星轨道误差、卫星钟差和接收机相对钟差等，属于系统误差，是北斗导航定位解算的主要误差源；卫星相关误差修正模型包括卫星轨道误差修正模型、卫星钟差修正模型、卫星天线相位中心偏差修正模型和接收机相对钟差修正模型；
其中，导航卫星在空间运行中受到引力作用、大气阻力、太阳光压，以及潮汐等多种因素影响，其运行轨迹呈现复杂、不规则的运动曲线，因此给出的卫星轨道与实际轨道存在一定的偏差，卫星轨道误差修正模型基于海上运动平台实时接收的高精度卫星轨道数据进行轨道误差修正；
卫星钟差是由卫星钟频率漂移引起的卫星钟时间与标准时间的差值，卫星钟差修正模型：
其中，t0为参考时刻，ts为当前探测时刻，a0、a1、a2分别为参考时刻的卫星钟的钟差常数、钟速和频漂；Δts为卫星钟差，表示随机项，一般通过钟的稳定度来描述其统计特性；卫星钟差修正模型，是将提供的不同时间间隔的精密卫星钟差产品作为已知值带入观测方程，通过多项式内插或拟合的方法获得每历元所对应的卫星钟差。
卫星天线相位中心偏差是其质量中心与相位中心之间的偏差，但卫星天线相位中心并非固定不变，卫星天线相位中心偏差修正模型基于天线相位中心改正模型和相位中心变化值(PCV值)进行偏差修正；
接收机相对钟差，是由接收机钟和卫星钟所处状态不同而引起两台钟之间产生的相对钟误差。由于受卫星轨道高度变化、地球自转运动和地球重力场变化的影响，接收机相对钟差并非常数；
当可实时接收卫星精密星历时，接收机机相对钟差修正模型：
其中，Δρ为相对钟差引起的测距误差，X为卫星的位置矢量，为卫星的速度矢量。
步骤2-2-2、构建伪距、相位消电离层非差观测值误差模型，确定消电离层伪距观测值和消电离层相位观测值方程；
利用电离层延迟误差与频率相关的特性，可将两个频率的观测值组成消电离层组合观测值，从而消除电离层延迟误差的影响。实时接收的观测数据包括伪距观测值和相位观测值，因此可组成消电离层伪距观测值和消电离层相位观测值方程。
步骤2-2-3、基于步骤2-2-2构建的消电离层伪距观测值和消电离层相位观测值方程，结合伪距观测值和相位观测值，进行周跳探测与修复，得到伪距定位数据和相位定位数据；
步骤2-2-4、进行序贯最小二乘滤波，对于步骤2-2-3的数据进行基于验后残差的DIA(Detection Identification Adaption)质量控制，得到最终的定位数据，完成单点高精度定位。
步骤2-3、在布设海域不具备实时获取卫星轨道和精密星历的情况下，基于单点双频高精度定位模式实现海上运动平台单点高精度定位，单点定位精度可从3-5米量级提升至1.8米以内，具体为：
步骤2-3-1、接收北斗二号/三号频点组合及观测数据；
步骤2-3-2、对步骤2-3-1获取的观测数据进行数据预处理，包括基于MW组合进行周跳探测，利用双频相位和伪距的电离层残差组合进行周跳探测；
MW组合观测值具有较长的波长(B1、B2组合为84.7cm，B1、B3组合的是102.5cm)和较小的量测噪声，可消除电离层、对流层、接收机和卫星钟差及测站卫星几何等误差影响，仅受观测噪声和信号传输路径误差影响，因此采用MW组合很好地完成了宽巷周跳的探测与修复、粗差剔除，从而确定宽巷初始整周模糊度参数。利用双频相位和伪距的电离层残差组合观测值同样可消除电离层、对流层、接收机和卫星钟差及测站卫星几何等误差影响，在粗差剔除、周跳探测与修复等数据预处理同时，可在双频周跳大小相等时检测出周跳，弥补MW组合的不足。
步骤2-3-3、针对数据预处理中无法消除的信号传输路径相关误差，构建误差修正模型，对预处理后的数据进行误差修正，具体为：
对流层延迟包括干分量和湿分量延迟，其中干分量占总延迟的80％-90％，本发明中采用已有模型改正对流层延迟干分量及随机模型估计天顶对流层延迟湿分量的方法实现对流层延迟误差修正，修正后的对流层延迟残余影响在厘米量级。
对流层延迟的变化率需要进行建模处理，若忽略对流层变化率的影响，会引起厘米级的速率噪声，以及一种以天为周期的重复偏差。本发明采用的对流层延迟模型可将速率噪声降至毫米量级，从而消除对流层延迟速率偏差。
包括对流层延迟误差修正模型和对流层延迟速率模型，总的对流层延迟误差为：
T＝zdmd+zwmw
zd是对流层天顶延迟的流体静力学分量(干分量)，zw为水蒸汽分量(湿分量)，md，mw分别为干影射函数和湿影射函数，T表示对流层延迟。
步骤2-3-4、构建北斗双频消电离层组合模型，建立消除电离层组合的观测方程，消除数据中的一阶电离层影响，采用卡尔曼滤波对方程进行求解，得到高精度定位结果；
由于电离层延迟与信号的频率成反比，因此可以利用双频信号求得两信号电离层的差值，消除电离层一阶项影响。本发明在通常建立消除电离层组合伪距观测方程和相位观测方程的基础上，建立了消电离层组合多普勒观测方程。这是考虑到多普勒频偏既表示了接收机的速度信息，还与载波相位相关，且具有很高的精度(速度能够达到mm/s量级)。对建立的总状态方程和观测方程利用卡尔曼滤波进行参数求解，卡尔曼滤波方程的计算过程是包括预测和校正两个步骤的迭代过程。
步骤3、对海上运动平台进行相对高精度定位，具体为：
构建主站/从站基线模型，将两套北斗高精度定位终端分别设置到两个海上运动平台，两个终端间采用双向数据链进行传输，工作时将从站终端接收的载波相位观测数据传输到主站终端，由主站进行平台间相对定位解算，得到主站和从站两端点在东北天三个方向的位置差值；
所述相对定位解算的过程为：
首先依据主站与从站共同观测的卫星数n，分别构建主站、从站的载波相位观测方程：
其中表示第n颗卫星到主站的距离，表示第n颗卫星到从站的距离，表示主站观测的第n颗卫星初始整周模糊，表示从站观测的第n颗卫星初始整周模糊，表示主站对第n颗卫星的载波相位的观测值，表示从站对第n颗卫星的载波相位的观测值，λ是载波波长，表示主站观测第n颗卫星时因为各种因素引起的综合误差，表示从站观测第n颗卫星时因为各种因素引起的综合误差；
之后选取某个观测卫星，构建双差载波相位观测方程；
最后，求解双差载波相位观测方程，得到主站和从站两端点在东北天三个方向的位置差值，完成海上运动平台的相对高精度定位。
步骤4、将海上运动平台设置在北斗定位增强差分基站的辐射范围内，并安装基于单点高精度定位和相对高精度定位的结果与基于北斗定位增强差分基站终端的定位数据进行比较，得到定位精度评估结果，具体为：
海上运动平台上设置RTK终端，接收北斗定位增强差分基站发送的定位数据作为真值，并分别与海上运动平台进行单点高精度定位结果与海上运动平台进行单点高精度定位结果进行比较，得到定位精度评估结果。
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例
结合图1和图2，一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，包括以下步骤：
步骤1、选择合适地点，在沿海地域、岛礁上机动布设北斗定位增强差分基站，该基站采用实时动态差分测量技术(RTK)，可对半径15至20公里范围内海上用户实时广播差分解算后的高精度定位信息，精度达毫米级至厘米量级；
北斗定位增强差分基站对基站辐射范围内海上运动平台实时广播差分解算后的高精度定位信息，在海上运动平台(船舶、浮标等)设置海上北斗高精度定位终端实现自身位置定位；
本实施例选择浙江省杭州市新安江水库区域为试验验证区域。在新安江水库沿岸选择地势较高、视野开阔的地点作为北斗定位增强差分基站布设点，在该基准点架设天线，量取天线高，完成48小时静态观测，经数据后处理得到高精度的基准站坐标，通过公网广播差分信息，流动站接收差分信息，实现高精度RTK定位，本实施例中的北斗定位增强差分基站架设如图3所示。
本实施例中采用小型船舶作为海上运动平台面，如图4所示；海上北斗高精度定位终端如下图5所示。
步骤2、结合图6，对海上运动平台进行单点高精度定位，具体为：
步骤2-1、判断是否能够实时获取卫星轨道和精密星历情况，若是则转至步骤2-2，否则转至步骤2-3；
步骤2-2、在具备实时获取卫星轨道和精密星历的情况下，基于实时精密单点定位模式实现海上运动平台单点高精度定位，具体为：
步骤2-2-1、根据海上运动平台布设的终端实时接收的高精度卫星轨道、精密星历及观测数据，构建基于先验高精度卫星信息的卫星相关误差修正模型，具体为：
卫星相关误差包括卫星轨道误差、卫星钟差和接收机相对钟差等，属于系统误差，是北斗导航定位解算的主要误差源；卫星相关误差修正模型包括卫星轨道误差修正模型、卫星钟差修正模型、卫星天线相位中心偏差修正模型和接收机相对钟差修正模型；
其中，导航卫星在空间运行中受到引力作用、大气阻力、太阳光压，以及潮汐等多种因素影响，其运行轨迹呈现复杂、不规则的运动曲线，因此给出的卫星轨道与实际轨道存在一定的偏差，卫星轨道误差修正模型基于海上运动平台实时接收的高精度卫星轨道数据进行轨道误差修正；
卫星钟差是由卫星钟频率漂移引起的卫星钟时间与标准时间的差值，卫星钟差修正模型：
其中，t0为参考时刻，ts为当前探测时刻，a0、a1、a2分别为参考时刻的卫星钟的钟差常数、钟速和频漂；Δts为卫星钟差，表示随机项，一般通过钟的稳定度来描述其统计特性；卫星钟差修正模型，是将提供的不同时间间隔的精密卫星钟差产品作为已知值带入观测方程，通过多项式内插或拟合的方法获得每历元所对应的卫星钟差。
卫星天线相位中心偏差是其质量中心与相位中心之间的偏差，但卫星天线相位中心并非固定不变，卫星天线相位中心偏差修正模型基于天线相位中心改正模型和相位中心变化值(PCV值)进行偏差修正；
接收机相对钟差，是由接收机钟和卫星钟所处状态不同而引起两台钟之间产生的相对钟误差。由于受卫星轨道高度变化、地球自转运动和地球重力场变化的影响，接收机相对钟差并非常数；
当可实时接收卫星精密星历时，接收机机相对钟差修正模型：
其中，Δρ为相对钟差引起的测距误差，X为卫星的位置矢量，为卫星的速度矢量。
步骤2-2-2、构建伪距、相位消电离层非差观测值误差模型，确定消电离层伪距观测值和消电离层相位观测值方程；
利用电离层延迟误差与频率相关的特性，可将两个频率的观测值组成消电离层组合观测值，从而消除电离层延迟误差的影响。实时接收的观测数据包括伪距观测值和相位观测值，因此可组成消电离层伪距观测值和消电离层相位观测值方程。
步骤2-2-3、基于步骤2-2-2构建的消电离层伪距观测值和消电离层相位观测值方程，结合伪距观测值和相位观测值，进行周跳探测与修复，得到伪距定位数据和相位定位数据；
步骤2-2-4、进行序贯最小二乘滤波，对于步骤2-2-3的数据进行基于验后残差的DIA(Detection Identification Adaption)质量控制，得到最终的定位数据，完成单点高精度定位。
步骤2-3、在布设海域不具备实时获取卫星轨道和精密星历的情况下，基于单点双频高精度定位模式实现海上运动平台单点高精度定位，单点定位精度可从3-5米量级提升至1.8米以内，具体为：
步骤2-3-1、接收北斗二号/三号频点组合及观测数据；
步骤2-3-2、对步骤2-3-1获取的观测数据进行数据预处理，包括基于MW组合进行周跳探测，利用双频相位和伪距的电离层残差组合进行周跳探测；
MW组合观测值具有较长的波长(B1、B2组合为84.7cm，B1、B3组合的是102.5cm)和较小的量测噪声，可消除电离层、对流层、接收机和卫星钟差及测站卫星几何等误差影响，仅受观测噪声和信号传输路径误差影响，因此采用MW组合很好地完成了宽巷周跳的探测与修复、粗差剔除，从而确定宽巷初始整周模糊度参数。利用双频相位和伪距的电离层残差组合观测值同样可消除电离层、对流层、接收机和卫星钟差及测站卫星几何等误差影响，在粗差剔除、周跳探测与修复等数据预处理同时，可在双频周跳大小相等时检测出周跳，弥补MW组合的不足。
步骤2-3-3、针对数据预处理中无法消除的信号传输路径相关误差，构建误差修正模型，对预处理后的数据进行误差修正，具体为：
对流层延迟包括干分量和湿分量延迟，其中干分量占总延迟的80％-90％，本发明中采用已有模型改正对流层延迟干分量及随机模型估计天顶对流层延迟湿分量的方法实现对流层延迟误差修正，修正后的对流层延迟残余影响在厘米量级。
对流层延迟的变化率需要进行建模处理，若忽略对流层变化率的影响，会引起厘米级的速率噪声，以及一种以天为周期的重复偏差。本发明采用的对流层延迟模型可将速率噪声降至毫米量级，从而消除对流层延迟速率偏差。
包括对流层延迟误差修正模型和对流层延迟速率模型，总的对流层延迟误差为：
T＝zdmd+zwmw
zd是对流层天顶延迟的流体静力学分量(干分量)，zw为水蒸汽分量(湿分量)，md，mw分别为干影射函数和湿影射函数，T表示对流层延迟。
步骤2-3-4、构建北斗双频消电离层组合模型，建立消除电离层组合的观测方程，消除数据中的一阶电离层影响，采用卡尔曼滤波对方程进行求解，得到高精度定位结果；
由于电离层延迟与信号的频率成反比，因此可以利用双频信号求得两信号电离层的差值，消除电离层一阶项影响。本发明在通常建立消除电离层组合伪距观测方程和相位观测方程的基础上，建立了消电离层组合多普勒观测方程。这是考虑到多普勒频偏既表示了接收机的速度信息，还与载波相位相关，且具有很高的精度(速度能够达到mm/s量级)。对建立的总状态方程和观测方程利用卡尔曼滤波进行参数求解，卡尔曼滤波方程的计算过程是包括预测和校正两个步骤的迭代过程。
步骤3、结合图7，对海上运动平台进行相对高精度定位，具体为：
构建主站/从站基线模型，将两套北斗高精度定位终端分别设置到两个海上运动平台，两个终端间采用双向数据链进行传输，工作时将从站终端接收的载波相位观测数据传输到主站终端，由主站进行平台间相对定位解算，得到主站和从站两端点在东北天三个方向的位置差值；
所述相对定位解算的过程为：
首先依据主站与从站共同观测的卫星数n，分别构建主站、从站的载波相位观测方程：
其中表示第n颗卫星到主站的距离，表示第n颗卫星到从站的距离，表示主站观测的第n颗卫星初始整周模糊，表示从站观测的第n颗卫星初始整周模糊，表示主站对第n颗卫星的载波相位的观测值，表示从站对第n颗卫星的载波相位的观测值，λ是载波波长，表示主站观测第n颗卫星时因为各种因素引起的综合误差，表示从站观测第n颗卫星时因为各种因素引起的综合误差；
如图7，假设主站和从站共同观测到五颗北斗导航卫星，分别得到如下主站、从站载波相位观测方程。为了方便表示，字母下标1表示主站，字母下标2表示从站。
5个主站载波相位观测方程：
5个从站载波相位观测方程：
之后选取某个观测卫星，构建双差载波相位观测方程；
在站间做单差处理，可以得到载波相位单差方程：
其中误差向量X＝(ΔX,ΔY,ΔZ)；表示1号基站到编号i为的卫星的单位矢量。的点积表示误差向量X在卫星方向矢量上的投影，即长度。
假设选取1号卫星作为基准被差卫星，对上述载波相位单差方程做双差处理，可以得到双差载波相位观测方程如下：
式中,ΔX,ΔY,ΔZ是待求解的基线向量；表示主站到1号卫星的单位矢量与从站到2号卫星的单位矢量的差，以此类推；表示整周模糊度的双差；表示距离双差；载波观测量的双差。
最后，利用最小二乘法求解双差方程，得到整周模糊度的浮点解，然后采用长度约束法的搜索算法，搜索出整周模糊度的固定解。将固定解代入双差方程得到主从站两端点在东北天三个方向的位置差值ΔX,ΔY,ΔZ。
步骤4、将海上运动平台设置在北斗定位增强差分基站的辐射范围内，并安装基于单点高精度定位和相对高精度定位的结果与基于北斗定位增强差分基站终端的定位数据进行比较，得到定位精度评估结果，具体为：
海上运动平台上设置RTK终端，接收北斗定位增强差分基站发送的定位数据作为真值，并分别与海上运动平台进行单点高精度定位结果与海上运动平台进行单点高精度定位结果进行比较，得到定位精度评估结果。
将海上运动平台布放至岸基北斗定位增强差分基站覆盖范围内，本发明中运动平台距离岸基北斗定位增强差分基站10km内。在平台上安装RTK终端、海上北斗高精度定位终端(如图8)，两个终端通过功分器共用卫星接收天线(如图9)；两台设备开机后，RTK终端被动接收北斗定位增强差分基站发布的毫米级－厘米级高精度定位数据，海上北斗高精度定位终端独立接收北斗导航卫星数据，分别以实时精密单点、单点双频两种定位模式两种工作模式分别连续工作30分钟以上并进行数据记录。事后以RTK终端实时定位数据为参考真值，评估被测终端的定位精度。
经分析，基准RTK终端的定位测试结果如图10所示。其中N方向定位精度(RMS)0.01m，E方向定位精度(RMS)0.01m，U方向定位精度(RMS)0.02m，平均定位精度达到厘米量级，可以作为基准真值使用。
实时精密单点定位模式的测试结果如下图11所示。定位收敛时间13分钟，N方向定位精度(RMS)0.066m，E方向定位精度(RMS)0.013m，U方向定位精度(RMS)0.041m，平均定位精度达到分米量级。
单点双频高精度定位模式的测试结果如下图12所示。N方向定位精度(RMS)0.519m，E方向定位精度(RMS)0.304m，U方向定位精度(RMS)0.836m，平均定位精度达到米量级。
以步骤1中架设的岸基北斗定位增强差分基站为基准，运动平台安装RTK终端和海上北斗高精度定位终端(共用接收天线)，向远离岸基北斗定位增强差分基站的水库中心运动，两平台间距离控制在10km范围之内。试验过程中，以海上北斗高精度定位终端作为主站，岸基北斗定位增强差分基站为从站，海上北斗高精度定位终端通过无线数据链接收从站的广播数据，经过处理后得到相对位置信息并记录。事后以RTK终端实时定位数据(精度为厘米量级)为参考真值，评估被测设备定位精度。
相对高精度定位动态试验验证方法如图13所示。
海洋运动平台运动轨迹图如下图14所示。
海洋运动平台相对高精度定位误差曲线如下图15所示。
从上图可以看出，跑船开始后RTK定位结果和动动相对高精度定位结果解算出来的距离信息一致性较好，两者之间的误差随着距离增加逐渐变大，在10km处误差为6.2cm。
被发明通过基于海洋北斗定位增强的海上北斗高精度定位终端，采用实时精密单点定位(PPP)、单点双频高精度定位、动平台相对定位方法，实现水面亚米级-米级位置解算，同时也为水下用户定位提供水面定位基准。
以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、布设北斗定位增强差分基站，对基站辐射范围内海上运动平台实时广播差分解算后的高精度定位信息，在海上运动平台设置海上北斗高精度定位终端；
步骤2、对海上运动平台进行单点高精度定位；
步骤3、对海上运动平台进行相对高精度定位；
步骤4、将海上运动平台设置在北斗定位增强差分基站的辐射范围内，并安装基于单点高精度定位和相对高精度定位的结果与基于北斗定位增强差分基站终端的定位数据进行比较，得到定位精度评估结果。
2.根据权利要求1所述的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，所述步骤2中的对海上运动平台进行单点高精度定位，具体为：
步骤2-1、判断是否能够实时获取卫星轨道和精密星历情况，若是则转至步骤2-2，否则转至步骤2-3；
步骤2-2、基于实时精密单点定位模式实现海上运动平台单点高精度定位；
步骤2-3、基于单点双频高精度定位模式实现海上运动平台单点高精度定位。
3.根据权利要求2所述的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，所述步骤2-2中的基于实时精密单点定位模式完成单点高精度定位，具体为：
步骤2-2-1、根据海上运动平台实时接收的高精度卫星轨道、精密星历及观测数据，构建基于先验高精度卫星信息的卫星相关误差修正模型；
步骤2-2-2、构建伪距、相位消电离层非差观测值误差模型，确定消电离层伪距观测值和消电离层相位观测值方程；
步骤2-2-3、基于步骤2-2-2构建的消电离层伪距观测值和消电离层相位观测值方程，结合伪距观测值和相位观测值，进行周跳探测与修复，得到伪距定位数据和相位定位数据；
步骤2-2-4、进行序贯最小二乘滤波，对于步骤2-2-3的数据进行基于验后残差的DIA质量控制，得到最终的定位数据，完成单点高精度定位。
4.根据权利要求3所述的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，所述步骤2-2-1中的卫星相关误差修正模型包括卫星轨道误差修正模型、卫星钟差修正模型、卫星天线相位中心偏差修正模型和接收机相对钟差修正模型；
其中，卫星轨道误差修正模型基于海上运动平台实时接收的高精度卫星轨道进行轨道误差修正；
卫星钟差修正模型：
Figure FDA0003983279330000021
其中，t0为参考时刻，ts为当前探测时刻，a0、a1、a2分别为参考时刻的卫星钟的钟差常数、钟速和频漂；Δts为卫星钟差，
Figure FDA0003983279330000022
表示随机项；
卫星天线相位中心偏差修正模型：基于天线相位中心改正模型和相位中心变化值进行偏差修正；
接收机相对钟差修正模型：
Figure FDA0003983279330000023
其中，Δρ为相对钟差引起的测距误差，X为卫星的位置矢量，
Figure FDA0003983279330000024
为卫星的速度矢量。
5.根据权利要求2所述的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，所述步骤2-3中的基于单点双频高精度定位模式实现海上运动平台单点高精度定位，具体为：
步骤2-3-1、接收北斗二号/三号频点组合及观测数据；
步骤2-3-2、对步骤2-3-1获取的观测数据进行数据预处理，包括基于MW组合进行周跳探测，利用双频相位和伪距的电离层残差组合进行周跳探测；
步骤2-3-3、构建误差修正模型，对预处理后的数据进行误差修正；
步骤2-3-4、构建北斗双频消电离层组合模型，消除数据中的一阶电离层影响，得到高精度定位结果。
6.根据权利要求5所述的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，所述步骤2-3-3中的误差修正模型包括对流层延迟误差修正模型和对流层延迟速率模型：
T＝zdmd+zwmw
zd是对流层天顶延迟的流体静力学分量，zw为水蒸汽分量，md，mw分别为干影射函数和湿影射函数，T表示对流层延迟。
7.根据权利要求1所述的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，所述步骤3中的海上运动平台进行相对高精度定位，具体为：
构建主站/从站基线模型，将两套北斗高精度定位终端分别设置到两个海上运动平台，两个终端间采用双向数据链进行传输，工作时将从站终端接收的载波相位观测数据传输到主站终端，由主站进行平台间相对定位解算，得到主站和从站两端点在东北天三个方向的位置差值。
8.根据权利要求7所述的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，所述相对定位解算的过程为：
首先依据主站与从站共同观测的卫星数n，分别构建主站、从站的载波相位观测方程：
Figure FDA0003983279330000031
Figure FDA0003983279330000032
其中
Figure FDA0003983279330000033
表示第n颗卫星到主站的距离，
Figure FDA0003983279330000034
表示第n颗卫星到从站的距离，
Figure FDA0003983279330000035
表示主站观测的第n颗卫星初始整周模糊，
Figure FDA0003983279330000036
表示从站观测的第n颗卫星初始整周模糊，
Figure FDA0003983279330000037
表示主站对第n颗卫星的载波相位的观测值，
Figure FDA0003983279330000038
表示从站对第n颗卫星的载波相位的观测值，λ是载波波长，
Figure FDA0003983279330000039
表示主站观测第n颗卫星时因为各种因素引起的综合误差，
Figure FDA00039832793300000310
表示从站观测第n颗卫星时因为各种因素引起的综合误差；
之后选取某个观测卫星，构建双差载波相位观测方程；
最后，求解双差载波相位观测方程，得到主站和从站两端点在东北天三个方向的位置差值，完成海上运动平台的相对高精度定位。
9.根据权利要求1所述的基于海洋北斗定位增强的水面高精度定位及评估方法，其特征在于，所述步骤4中的定位精度评估，具体为：
在海上运动平台上设置RTK终端，接收北斗定位增强差分基站发送的定位数据作为真值，并分别与海上运动平台进行单点高精度定位结果与海上运动平台进行单点高精度定位结果进行比较，得到定位精度评估结果。
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