CN117872435A - 一种基于低轨通信链路的星地rtk定位方法 - Google Patents

一种基于低轨通信链路的星地rtk定位方法 Download PDF

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李桢
施闯
刘湘楠
郭奇锴
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Abstract

本发明公开了一种基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，包括：将低轨卫星作为RTK定位算法中的基准站，低轨卫星的星载北斗/GNSS观测值、轨道位置和姿态等信息作为RTK增强信息，用户终端不断监听并接收低轨卫星通过通信链路播发的RTK增强信息，检测到相应的RTK增强信息则按照消息类型进行解码并存储；用户终端的北斗/GNSS接收机同时接收并处理得到北斗/GNSS观测数据；利用RTK增强信息和北斗/GNSS观测值构建双差伪距和载波相位观测方程，得到用户终端实时性、高精度的位置信息；建立站星单差观测方程，消除卫星端钟差，当低轨卫星接收地面上注的精密钟差信息时，精确估计用户接收机端钟差，实现站星时间同步。

Description

一种基于低轨通信链路的星地RTK定位方法
技术领域
本发明属于导航定位技术领域，尤其涉及一种基于低轨通信链路的星地RTK定位方法。
背景技术
RTK(Real-time Kinematic)定位技术，即动态差分定位技术，是一种基于载波相位差分技术实现的实时高精度定位方法。其基本原理是监测站利用基准站的修正数据进行误差修正，使得监测站的定位精度更精准。其中，基准站的三维坐标在观测时间内是固定不变的且非常精确。RTK技术的具体实现方法如下：首先，基准站需要选在开阔且视野良好的地方，并在其设置一台GNSS接收机，使得接收机可以全天候无间断实时观测可见的GNSS卫星，并将观测到的载波相位修正数据通过数据链路实时发送给监测站；同样地，在监测站也设置一台GNSS接收机，此接收机利用基准站播发的载波相位修正数据和当前GNSS卫星的观测数据进行差分来实时修正定位误差，从而提高定位坐标值的精度。由于RTK技术具有高精度、实时性、全天候等特点，目前已广泛应用于精密测量应用中，例如地质灾害监测、建筑工程安全监测等。
然而，监测站与基准站之间的基线距离很大程度上影响着传统RTK定位的精度。例如，当监测站和基准站之间的基线长度小于10公里时，用基准站的修正数据和监测站的观测数据进行差分，大部分的大气误差可以被消除；但是，如果当监测站和基准站之间的基线长度大于10公里时，电离层延迟以及一些其他的大气误差就很难在差分中被消除，使得误差变大，定位精度下降。因此，传统RTK技术高度依赖于地面基站，对于一些偏僻地区，建立基站极其不易，无法满足空间全覆盖、高质量监测等需求。
近年来，低轨卫星成为新的研究热点，已经有一些商业公司提出了几种LEO(LowEarth Orbit)星座计划，计划建成全球低轨星座，例如美国的Space XStarlink、One Web和中国的鸿雁计划等。低轨卫星不仅可以提供网络服务，也可以发射导航信号，并且低轨卫星具有发射成本低、信号强度大、传播时延小、传输损耗低等优点。因此，低轨卫星未来可以实现低成本、高覆盖、近实时的导航服务，但目前尚未形成较为完整的服务体系，无法大规模推广使用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，基于低轨卫星GNSS观测数据、用户GNSS观测数据，利用低轨卫星精密轨道产品，用户终端将低轨卫星作为基准站进行RTK差分解算，从而消除接收机钟差和卫星钟差，解决了传统RTK需要高度依赖地面基站的问题，从而实现用户终端实时性、高精度定位的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，包括：将低轨卫星作为RTK定位算法中的基准站，低轨卫星的星载北斗/GNSS观测值、轨道位置和姿态等信息作为RTK增强信息，用户终端不断监听并接收低轨卫星通过通信链路播发的RTK增强信息，检测到相应的RTK增强信息则按照消息类型进行解码并存储；
用户终端的北斗/GNSS接收机同时接收并处理得到北斗/GNSS观测数据；利用所述RTK增强信息和北斗/GNSS观测值构建双差伪距和载波相位观测方程，进而得到用户终端实时性、高精度的位置信息；
建立站星单差观测方程，消除卫星端钟差，当低轨卫星接收地面上注的精密钟差信息时，进一步精确估计用户接收机端钟差，实现站星时间同步。
可选的，用户终端不断监听并接收低轨卫星通过通信链路播发的RTK增强信息，检测到相应的RTK增强信息则按照消息类型进行解码并存储的方法包括：
用户终端通过通信链路获取的二进制的RTK增强信息数据流，并根据RTK增强信息的帧定义和数据结构完成RTK增强信息的解码；
用户接收终端从通信模块中监测RTK增强信息帧头，一旦检测到RTK增强信息，则根据不同的消息类型完成相应RTK增强信息的解码，并完成校验；
解码和校验完成后，根据所述RTK增强信息的历元时刻对终端中存储的RTK增强信息进行更新。
可选的，利用所述RTK增强信息和北斗/GNSS观测值构建双差伪距和载波相位观测方程的方法包括：用户终端从北斗/GNSS接收机中获取当前历元的双频载波和伪距观测数据；
根据当前历元时刻，从定位终端存储的RTK增强信息中获得与当前观测历元时刻匹配的增强信息；
定位终端根据以上信息构建双差伪距和载波相位观测方程，并对定位终端和其他参数进行滤波实时估计，输出解算得到的实时终端位置。
可选的，与当前观测历元时刻匹配的增强信息包括星载北斗/GNSS观测数据、低轨卫星轨道位置、低轨卫星姿态。
可选的，实现站星时间同步的方法包括：
建立站星单差观测方程，消除卫星端钟差，获得用户终端接收机与低轨卫星系统间延迟量；当低轨卫星接收地面信关站通过上行链路上注的精密星历与钟差信息、区域/全球的大气延迟模型等导航增强信息时，利用导航增强信息中确定的钟差改正数，将低轨卫星本地时间与北斗/GNSS系统时间保持一致，并且利用星间链路实现低轨星座的相对时间同步；利用所述用户终端接收机与低轨卫星系统间的延迟量数据，进一步精确估计用户终端的接收机钟差，实现用户终端实时性、高精度的定位。
可选的，建立站星单差观测方程的方法为：
其中，分别代表用户终端接收机和低轨卫星的伪距观测值的差值、用户终端接收机和低轨卫星的载波相位观测值的差值，下标u、l、IF分别代表地面用户终端接收机、低轨卫星和无电离层组合，上标a代表编号的GNSS卫星的编号，/>代表导航卫星到用户终端和低轨卫星质心之间的几何距离的差值，c为真空中的光速，Δδtu,l代表用户终端与低轨卫星之间的钟差，λIF代表信号波长，Tu a代表用户终端的对流层延迟，代表用户终端与低轨卫星的整周模糊度的差值，/>和/>分别代表用户终端与低轨卫星伪距的多路径效应和观测噪声的差值、用户终端与低轨卫星载波相位的多路径效应和观测噪声的差值。
本发明技术效果：
(1)本发明利用低轨卫星星载北斗/GNSS观测值和用户终端北斗/GNSS观测值进行双差解算，解决了传统RTK技术高度依赖于地面基站的问题，可以在一些建立基站不易的偏僻地区，满足空间全覆盖、高质量监测等需求。
(2)本发明利用低轨卫星和地面的双重定位，可以获得更高的定位精度，尤其在开阔的空旷地带，精度甚至可以达到厘米级，大大提高了工作效率，实现用户实时性、高精度的导航定位。
(3)本发明中所播发的低轨导航增强信息还包括大气延迟模型参数，使得用户终端导航定位收敛速度加快，大大节省测量定位时间。
(4)本发明将低轨卫星作为基准站，不需要额外建立固定的基准站，可以节省人力物力的投入，降低成本。
(5)本发明的应用可以带动低轨卫星相关产业的发展，促进经济的增长。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一种基于低轨通信链路的星地RTK定位方法的流程示意图；
图2为本发明实施例低轨卫星作为RTK算法基准站的定位服务体系原理结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1-2所示，本实施例中提供一种基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，包括：北斗/GNSS星座、低轨卫星星座、用户终端，具体步骤如下：
(1)将低轨卫星作为RTK定位算法中的基准站，低轨卫星的星载北斗/GNSS观测值、轨道位置和姿态等信息作为RTK增强信息，用户终端不断监听并接收低轨卫星通过通信链路播发的RTK增强信息，一旦检测到相应的RTK增强信息则按照消息类型进行解码并存储。
(2)用户终端的北斗/GNSS接收机同时接收并处理得到北斗/GNSS观测数据。利用RTK增强信息和北斗/GNSS观测值构建双差伪距和载波相位观测方程。进而得到用户终端实时性、高精度的位置信息。
(3)建立站星单差观测方程，消除卫星端钟差。当低轨卫星接收地面上注精密钟差信息时，还可以进一步精确估计用户接收机端钟差，实现站星时间同步。
进一步，步骤(1)的具体方式为：
(101)用户终端通过通信链路获取的二进制的RTK增强信息数据流，并根据RTK增强信息的帧定义和数据结构完成RTK增强信息的解码。
(102)用户接收终端从通信模块中监测RTK增强信息帧头，一旦检测到RTK增强信息，则根据不同的消息类型完成相应RTK增强信息的解码，并完成校验。
(103)解码和校验完成后，根据RTK增强信息的历元时刻对终端中存储的RTK增强信息进行更新。
进一步，用户终端构建双差伪距和载波相位观测方程的具体方法为：
(201)用户终端从北斗/GNSS接收机中获取当前历元的双频载波和伪距观测数据。
(202)根据当前历元时刻，从定位终端存储的RTK增强信息中获得与当前观测历元时刻匹配的增强信息，包括星载北斗/GNSS观测数据、低轨卫星轨道位置、低轨卫星姿态等信息。
(203)定位终端根据以上信息构建双差伪距和载波相位观测方程，并对定位终端和其他参数进行滤波实时估计，输出解算得到的实时终端位置。
(204)以一颗低轨卫星为例，首先建立用户终端和低轨卫星的GNSS观测方程：
其中，P、L分别代表伪距和载波相位观测值，下标u、l分别代表地面用户终端接收机和低轨卫星，上标a、b分别代表不同编号的GNSS卫星，和/>分别代表导航卫星到用户终端和低轨卫星质心之间的几何距离，c为真空中的光速，δtu、δtl、δta分别代表用户终端、低轨卫星、导航卫星的钟差，λ代表信号波长，/>分别代表用户终端和低轨卫星的电离层延迟，/>代表用户终端的对流层延迟，/>分别代表用户终端和低轨卫星的整周模糊度，/>和/>分别代表伪距和载波相位的多路径效应和观测噪声之和。
(205)构建无电离层组合模型来消除电离层延迟的影响，建立组合观测方程：
其中，下标IF表示无电离层组合。
(206)先进行低轨/用户单差计算，再对两颗GNSS卫星观测结果进行差分，得到双差观测方程：
其中，Δ表示两颗导航卫星之间观测值做差，表示低轨和用户观测值做差。
(207)对进行Taylor展开后如下所示：
其中，R3×1＝[ΔXuΔYuΔZu]T。
用户终端的初始近似位置设为改正项为ΔRu＝[ΔXuΔYuΔZu]，上标0表示使用用户近似位置计算的结果，/>和/>分别表示从用户终端近似位置到导航卫星的单位向量和低轨卫星到导航卫星的单位向量。
(208)利用步骤(207)对步骤(206)的双差观测方程进行线性化后得到如下的线性化观测方程：
其中，为上一次迭代计算的双差模糊度最优估计，/>为双差模糊度误差，参数计算方式如下：
其中，表示干延迟，可以利用对流层模型得到；mdf为干延迟投影函数；/>为待估的对流层参数，包括对流层湿延迟ZW，南北向对流层梯度参数Fns和东西向对流层梯度参数Few，方位角α。湿分量投影函数/>和对流层梯度部分的投影函数/>可以采用对流层投影函数得到。
(209)上述步骤为单颗低轨卫星的计算过程，当利用整个低轨卫星时，得到如下组合观测方程：
(210)将步骤(208)中的对流层延迟模型代入并整理得到以下组合观测方程：
其中，下标l代表低轨卫星编号，范围从1到m，共m颗低轨卫星；上标a1、b1表示两颗GNSS卫星，前者表示参考卫星，选取共视卫星中高度角最大者，后者范围从1到n，共n颗非参考卫星；Δ(ZDmdf)a1,b1表示干延迟星间单差；表示待估对流层参数星间单差。
(211)对于步骤(210)中的组合观测方程，其待估参数表示为：
其中，有n个未知数，/>有m×n个未知数，ΔRu有3个未知数，共有2mn个方程。
(212)利用多颗导航卫星观测数据，解算步骤(210)的组合观测方程，多次迭代得到最小二乘最优解，从而确定用户终端位置坐标，原观测方程转换为最小二乘形式如下：
B＝HA
其中，
(213)最小二乘最优解公式如下，其中，X为待估参数；Y为观测值；G为系数矩阵；W为权值矩阵，可以通过卫星高度角定权模型来确定：
进一步，消除卫星端钟差以及接收机钟差，实现站星时间同步的方法步骤如下：
(301)建立站星单差观测方程，可以消除卫星端钟差，从而得到用户终端接收机与低轨卫星系统间延迟量。由步骤(204)、步骤(205)，可以得到站星单差观测方程如下：
从上式可以看出，用户终端接收机的北斗/GNSS观测数据与低轨卫星的星载北斗/GNSS观测数据进行单差计算之后，消除了低轨卫星的钟差，得到了用户终端接收机与低轨卫星系统间的延迟量。
(302)当低轨卫星接收地面信关站通过上行链路上注的精密星历与钟差信息、区域/全球的大气延迟模型等导航增强信息时，利用导航增强信息中确定的钟差改正数，将低轨卫星本地时间与北斗/GNSS系统时间保持一致，并且利用星间链路实现低轨星座的相对时间同步。再利用步骤(301)中得到的用户终端接收机与低轨卫星系统间的延迟量数据，进而可以进一步精确估计用户终端的接收机钟差，实现用户终端实时性、高精度的定位。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，其特征在于，包括：
将低轨卫星作为RTK定位算法中的基准站，低轨卫星的星载北斗/GNSS观测值、轨道位置和姿态等信息作为RTK增强信息，用户终端不断监听并接收低轨卫星通过通信链路播发的RTK增强信息，检测到相应的RTK增强信息则按照消息类型进行解码并存储；
用户终端的北斗/GNSS接收机同时接收并处理得到北斗/GNSS观测数据；利用所述RTK增强信息和北斗/GNSS观测值构建双差伪距和载波相位观测方程，进而得到用户终端的位置信息；
建立站星单差观测方程，消除卫星端钟差，当低轨卫星接收地面上注的精密钟差信息时，进一步精确估计用户接收机端钟差，实现站星时间同步。
2.如权利要求1所述的基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，其特征在于，用户终端不断监听并接收低轨卫星通过通信链路播发的RTK增强信息，检测到相应的RTK增强信息则按照消息类型进行解码并存储的方法包括：
用户终端通过通信链路获取的二进制的RTK增强信息数据流，并根据RTK增强信息的帧定义和数据结构完成RTK增强信息的解码；
用户接收终端从通信模块中监测RTK增强信息帧头，一旦检测到RTK增强信息，则根据不同的消息类型完成相应RTK增强信息的解码，并完成校验；
解码和校验完成后，根据所述RTK增强信息的历元时刻对终端中存储的RTK增强信息进行更新。
3.如权利要求1所述的基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，其特征在于，利用所述RTK增强信息和北斗/GNSS观测值构建双差伪距和载波相位观测方程的方法包括：用户终端从北斗/GNSS接收机中获取当前历元的双频载波和伪距观测数据；
根据当前历元时刻，从定位终端存储的RTK增强信息中获得与当前观测历元时刻匹配的增强信息；
定位终端根据以上信息构建双差伪距和载波相位观测方程，并对定位终端和其他参数进行滤波实时估计，输出解算得到的实时终端位置。
4.如权利要求1所述的基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，其特征在于，与当前观测历元时刻匹配的增强信息包括星载北斗/GNSS观测数据、低轨卫星轨道位置、低轨卫星姿态。
5.如权利要求1所述的基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，其特征在于，实现站星时间同步的方法包括：
建立站星单差观测方程，消除卫星端钟差，获得用户终端接收机与低轨卫星系统间延迟量；当低轨卫星接收地面信关站通过上行链路上注的精密星历与钟差信息、区域/全球的大气延迟模型等导航增强信息时，利用导航增强信息中确定的钟差改正数，将低轨卫星本地时间与北斗/GNSS系统时间保持一致，并且利用星间链路实现低轨星座的相对时间同步；利用所述用户终端接收机与低轨卫星系统间的延迟量数据，进一步精确估计用户终端的接收机钟差，实现用户终端实时性、高精度的定位。
6.如权利要求1所述的基于低轨通信链路的星地RTK定位方法，其特征在于，建立站星单差观测方程的方法为：
其中，分别代表用户终端接收机和低轨卫星的伪距观测值的差值、用户终端接收机和低轨卫星的载波相位观测值的差值，下标u、l、IF分别代表地面用户终端接收机、低轨卫星和无电离层组合，上标a代表编号的GNSS卫星的编号，/>代表导航卫星到用户终端和低轨卫星质心之间的几何距离的差值，c为真空中的光速，Δδtu,l代表用户终端与低轨卫星之间的钟差，λIF代表信号波长，/>代表用户终端的对流层延迟，/>代表用户终端与低轨卫星的整周模糊度的差值，/>和/>分别代表用户终端与低轨卫星伪距的多路径效应和观测噪声的差值、用户终端与低轨卫星载波相位的多路径效应和观测噪声的差值。
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