一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法

2023-08-12 21:10:46 1

專利名稱：一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法
技術領域：
本發明涉及用於測繪與導航的定位技術，特別是涉及一種用於測繪與導航的實時
高精度定位方法。
背景技術：
全球定位系統(GPS)作為20世紀測繪技術革命性的發展成果，被廣泛地應用於導 航、大地測量、地球動力學和自然災害監測等領域，開啟了空間大地測量研究新領域，使傳 統的測量手段發生了翻天覆地的變化。在過去近20年裡，美國的GPS —直是衛星定位技術 應用的代表，處於壟斷地位。然而，GPS的初衷是為美國的軍事服務，輔助武器精確鎖定打擊 目標，因此作為美國壟斷的GPS系統嚴重地威脅著各個國家的軍事安全。隨著世界各聯盟 和超級大國的科技與經濟發展，他們紛紛提出發展獨立自主的衛星導航系統，例如俄羅斯 加快GL0NASS衛星計劃的發展，預期截至2009年，將完成24顆GL0NASS衛星的空間布局； 歐盟聯合建立Galileo系統，該系統的建立將徹底打破GPS的國際壟斷地位，確保歐盟各國 的軍事安全並提高歐盟各國範圍內的民用精度和可靠度；中國繼2003年發射北鬥一代區 域服務雙衛星系統以來，積極發展我國自主的全球導航衛星系統——北鬥二代，為我國軍 事提供可靠的、高精度的服務，同時根據北鬥二代衛星的空間布局，可大大地提高我國及其 周邊區域的定位精度。 根據採用不同類型的觀測值，GPS定位精度可籠統地分為兩類米級和釐米級。一 般來說採用偽距觀測值可得到米級定位結果，採用相位觀測值可得到釐米級實時定位結 果。因此，如果要得到高精度的定位結果，必須採用相位觀測值。然而，採用相位觀測值定 位，整周模糊度一直是非常棘手的問題，必須事先準確固定，否則非但得不到釐米級定位精 度，甚至連偽距定位結果都不如。 要得到釐米級實時定位結果，必須很好地考慮兩個主要因素長距離差分定位中 的電離層延遲抑制和整周模糊度的正確固定。 一般來說電離層延遲可通過LI和L2兩個基 礎載波頻率觀測值組成的無電離層組合很好地消除。因此，核心問題是兩個基礎頻率上整 周模糊度的準確固定。儘管發展了很多方法來提高雙頻模糊度的求解速度和成功率，但大 部分方法都集中在提高搜索速度方面，對模糊度的成功率改善甚微。對於雙頻觀測值， 一般 先求解寬巷組合模糊度，然後用估計寬巷模糊度的無電離層組合求解基礎載波模糊度。由 於GPS兩個頻率構成的寬巷組合波長約為86釐米，求解基礎載波的無電離層組合波長僅為 10釐米，加之對流層、多路徑效應的影響，模糊度求解非常困難，尤其是基礎載波模糊度，正 確固定極其困難。因此，當前採用單基準站差分信號的導航精度僅為米級，只有採用多參考 站技術才能實現釐米級定位。當三頻觀測信號出現後，可以打破這種局面，即只採用單參考 站實現長距離釐米級實時定位。

發明內容
本發明所要解決的技術問題就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種精度高、穩定性強、適用範圍廣的用於測繪與導航的實時高精度定位方法。 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種用於測繪與導航的實時高精度
定位方法，包括以下步驟 (a)對參考站和流動站的三頻觀測數據進行預處理周跳探測、修復以及粗差檢 測、剔除; (b)用預處理後的參考站和流動站的三頻觀測數據構成超寬巷最優組合觀測值 ①(0，1，-l)、①(l，-6，5)以及窄巷組合觀測值P(O，l，l); (c)檢測上一個曆元模糊度是否固定，若是，則執行步驟(d);若否，則執行步驟 (e); (d)在確保正確處理周跳的前提下傳遞上一個曆元固定的模糊度到當前曆元，執 行步驟(f); (e)採 用Geometry-free和Geometry-based模型固定超寬巷最優組合觀測值 ①(0，1，-l)、①(l，-6，5)的模糊度，執行步驟(f); (f)利用兩個模糊度固定的超寬巷觀測值反求電離層延遲並對任一寬巷觀測值改 正，對電離層改正後的寬巷觀測值平滑處理，得到高精度觀測值；
(g)用高精度觀測值進行定位。 所述的步驟(e)利用最優組合觀測值①(0， l，-l)和窄巷組合觀測值P(O， 1， 1)構 成Geometry-free和Ionosphere-free組合固定模糊度，可確保單曆元正確固定模糊度。
所述的步驟(e)採用超寬巷最優組合觀測值①(1，_6，5)和窄巷組合觀測值P(O， 1， 1)構成Geometry-based模型固定模糊度，可確保在幾個曆元正確固定模糊度。
所述的高精度處理包括 利用模糊度固定的兩個超寬巷最優組合(或它們的線性組合)觀測值反求雙差電 離層延遲； 用雙差電離層延遲修正超寬巷(或寬巷)最優組合觀測值；
對修正後的超寬巷(或寬巷)最優組合觀測值進行平滑處理。
所述的高精度處理包括 利用模糊度固定的兩個超寬巷最優組合(或它們的線性組合)觀測值反求雙差電 離延遲； 對雙差電離延遲進行平滑處理，可得到高精度的雙差電離層延遲； 採用平滑處理後的雙差電離延遲對超寬巷(寬巷)最優組合觀測值的電離層延遲
進行修正。 與現有技術相比，本發明具有以下優點 (1)不需要求解基礎載波模糊度，只需要求解兩個超寬巷模糊度，單曆元固定上百 公裡基線的整周模糊度成功率超過99% ; (2)對兩個超寬巷組合求得的電離層進行平滑處理，可得到高精度的電離層延遲 產品，該產品可用於空間三維電離層層析等空間物理相關研究領域； (3)利用該方法可實現上百公裡的單參考站釐米級實時定位，這意味著在我國中 等城市，採用一個參考站即可實現覆蓋整個城市的釐米級實時定位服務，打破了目前採用 多參考技術才能實現覆蓋整個城市的釐米級定位服務，將大大節約建立和維護多個參考站所需費用； (4)本發明同樣適用於其他多頻率導航衛星系統，例如歐盟的Galileo和我國的 北鬥二代全球導航衛星系統。同樣，採用本發明可聯合GPS、 Galileo和北鬥二代等多系統 定位，這樣可在我國及周邊區域實現精度更高、穩定性更強的定位結果，從而廣泛地服務於 基礎測繪等領域。


圖1為本發明的實施例1的流程圖；
圖2為本發明的實施例2的流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。 如圖1、2所示，一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法，包括以下步驟
(a)對參考站和流動站的三頻觀測數據進行預處理周跳探測、修復以及粗差檢 測、剔除; (b)用預處理後的參考站和流動站的三頻觀測數據構成超寬巷最優組合觀測值 O(0，l，-l)、O(l，-6，5)以及窄巷組合觀測值P(O，l，l); (c)檢測上一個曆元模糊度是否固定，若是，則執行步驟(d);若否，則執行步驟 (e); (d)在確保正確處理周跳的前提下傳遞上一個曆元固定的模糊度到當前曆元，執 行步驟(f); (e)採用Geometry-free和Geometry-based模型固定超寬巷最優組合觀測值 ①(0，1，-l)、①(l，-6，5)的模糊度，執行步驟(f); (f)利用兩個模糊度固定的超寬巷觀測值反求電離層延遲並對任一寬巷觀測值改 正，對電離層改正後的寬巷觀測值平滑處理，得到高精度觀測值；
(g)用高精度觀測值進行定位。 所述的步驟(e)利用最優組合觀測值①(0， l，-l)和窄巷組合觀測值P(O， 1， 1)構 成Geometry-free和Ionosphere-free組合固定模糊度，可確保單曆元正確固定模糊度；所 述的步驟(e)採用超寬巷最優組合觀測值①(1， _6，5)和窄巷組合觀測值P(O，l，l)構成 Geometry-based模型固定模糊度，可確保在幾個曆元正確固定模糊度。所述的高精度處理 包括(l)利用模糊度固定的兩個超寬巷最優組合觀測值得到雙差電離層延遲，用雙差電 離層延遲修正超寬巷最優組合觀測值，對修正後的超寬巷最優組合觀測值進行平滑處理， 得到高精度的超寬巷組合觀測值；(2)利用模糊度固定的兩個超寬巷最優組合觀測值得到 雙差電離延遲，對雙差電離延遲進行平滑處理，可得到高精度的電離層延遲，故採用平滑處 理後的雙差電離延遲對超寬巷最優組合觀測值的電離層延遲進行修正，也可得到高精度的 超寬巷組合觀測值寬巷。
實施例1 如圖l，本實施先用兩個超寬巷組合求解得到的噪聲較大的電離層延遲對超寬巷 (寬巷)觀測值修正，然後對修正後的超寬巷(寬巷)觀測值平滑，用平滑後的高精度觀測值定位。 實施例2 如圖2，本實施例對兩個超寬巷組合求解的噪聲較大的電離層延遲平滑，得到高精 度的電離層延遲，然後用高精度的電離層延遲修正超寬巷(寬巷)觀測值，用修正後的觀測 值直接定位。 本發明在實際操作中應注意的具體問題如下 首先設置參考站，參考站的設置應該儘量位於測區覆蓋範圍的中心部位，要求周 圍觀測環境良好，視野開闊，視場內周圍障礙物的高度角一般應小於10度；點位應遠離大 功率無線電發射源(如電臺，微波站及微波通道等)及高壓線，以避免周圍磁場對信號的幹 擾；點位周圍不應有對電磁波反射(或吸收)強烈的物體，以減弱多路徑效應的影響，最好 使用扼流圈天線以有效抑制多路徑效應。建立發射臺，發射參考站觀測信息，一般發射臺要 求有適當大的功率，以滿足長距離多用戶的需求。參考站接收機接收三頻衛星觀測數據並 發送到發射中心，發射中心向流動站播發參考站觀測信息。 在用戶流動站部分同步觀測三頻衛星信號，並接收參考站信號，對參考站和流動 站的數據進行預處理。先對非差觀測值處理，剔除大的周跳、處理明顯異常，內插異常的相 位和偽距觀測值。如果採用精密星曆，需要採用切比雪夫正交多項式擬合精密星曆並確定 擬合係數。為了進一步探測和修復小周跳和小粗差，用參考站數據與流動站數據構成單差、 雙差乃至三差觀測值，有必要時還應構成Geometry-free和Ionosphere-free等組合觀測 值探測修復周跳，採用一維粗差探測理論發現粗差，從而剔除粗差。 用參考站和流動站三個頻率的雙差觀測值分別構成組合觀測值①(0， 1， -1)和 ①(l， _6，5)，雙差偽距觀測值構成窄巷組合觀測值？(0，1，1)。在求解模糊度N(O，l， -1) 時，偽距窄巷觀測值P(O， 1， 1)與相位觀測值①(0， l，-l)形成Geometry-free組合觀測值， 該組合還能有效地消除電離層延遲的影響，因此模糊度N(O，l， -1)非常容易求解，單曆元 解算成功率始終為100%。該組合的最大特點是消除了對流層和電離層延遲，模糊度解算 成功率不受基線長度的限制。偽距窄巷觀測值P(O，l，l)與相位觀測值O(l， _6，5)構成 Geometry-based模型，單曆元同時求解模糊度和位置參數，試驗結果表明，上百公裡基線單 曆元模糊度成功率超過99%，如果聯合多個曆元求解，可成功固定模糊度。在該模型中，偽 距窄巷組合觀測值P(O， 1， 1)主要起到提供位置約束條件的作用，所以它的總體誤差(電離 層、對流層和噪聲)越小，約束條件越強，因此，當基線較長時，為了有效地抑制電離層的影 響，還可採用無電離層組合的偽距觀測值P(0，77，-60)取代窄巷觀測值。此外，當初始化成 功後，在導航過程中可直接傳遞上一個曆元的整周模糊度到當前曆元，前提是要確保這兩 個曆元之間沒有周跳。 利用固定的兩個超寬巷模糊度可恢復其它任意一個超寬巷或者寬巷組合模糊度， 例如N(l，-l，O) = 5N(0，l，-l)+N(l，-6，5)，也就是說當兩個超寬巷組合模糊度固定後，所 有的超寬巷和寬巷模糊度都相應固定。用任意兩個模糊度固定的超寬巷(寬巷)組合觀 測值求解雙差電離層延遲，得到的雙差電離層延遲總體而言精度較差。採用模糊度未固定 的Ll和L2基礎載波觀測值可計算高精度的相對電離層延遲，用該高精度相對電離層延遲 量平滑低精度絕對電離層延遲量，經過2分鐘的平滑可得到優於3釐米的電離層延遲結果。 值得說明的是，平滑的電離層延遲精度主要受到相對電離層延遲精度的影響，因此平滑時間要適當，不宜過長也不能過短，過短不能得到釐米級精度的絕對電離層延遲，過長也無法 獲得更高精度的結果，且浪費了平滑時間，增加了計算量，因此平滑時間應選擇在2到3分 鍾之間為宜。 無論採用實施例1的方案還是實施例2的方案，最終都是要得到高精度的寬巷觀 測值，然後利用該高精度觀測值實現定位。在定位過程中，如果觀測值數目少於3，則無法定 位，只能利用前幾個曆元定位結果和當前曆元的觀測信息給出預報結果；如果正常觀測值 的數目等於3，則可定位，但定位結果非常脆弱，如果有一個觀測值出現粗差，則會對定位結 果產生明顯的影響，因此仍然有必要採用前幾個曆元的定位信息，輔助提高當前曆元定位 可靠性；如果正常觀測數目大於3，則可在定位過程中檢測並剔除粗差，提高定位精度和可 靠性。
權利要求
一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法，包括以下步驟(a)對參考站和流動站的三頻觀測數據進行預處理周跳探測、修復以及粗差檢測、剔除；(b)用預處理後的參考站和流動站的三頻觀測數據構成超寬巷最優組合觀測值Φ(0，1，-1)、Φ(1，-6，5)以及窄巷組合觀測值P(0，1，1)；(c)檢測上一個曆元模糊度是否固定，若是，則執行步驟(d)；若否，則執行步驟(e)；(d)在確保正確處理周跳的前提下傳遞上一個曆元固定的模糊度到當前曆元，執行步驟(f)；(e)採用Geometry-free和Geometry-based模型固定超寬巷最優組合觀測值Φ(0，1，-1)、Φ(1，-6，5)的模糊度，執行步驟(f)；(f)利用兩個模糊度固定的超寬巷觀測值反求電離層延遲並對任一寬巷觀測值改正，對電離層改正後的寬巷觀測值平滑處理，得到高精度觀測值；(g)用高精度觀測值進行定位。
2. 根據權利要求l所述的一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法，其特徵在 於，所述的步驟(e)利用最優組合觀測值O(O，l， -1)和窄巷組合觀測值P(O，l，l)構成 Geometry-free和Ionosphere-free組合固定模糊度，可確保單曆元正確固定模糊度。
3. 根據權利要求1所述的一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法，其特徵在於， 所述的步驟(e)採用超寬巷最優組合觀測值①(l，-6，5)和窄巷組合觀測值P(O，l，l)構成 Geometry-based模型固定模糊度，可確保在幾個曆元正確固定模糊度。
4. 根據權利要求2或3所述的一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法，其特徵在 於，所述的高精度處理包括利用模糊度固定的兩個超寬巷最優組合(或它們的線性組合)觀測值反求雙差電離層 延遲；用雙差電離層延遲修正超寬巷(或寬巷)最優組合觀測值； 對修正後的超寬巷(或寬巷)最優組合觀測值進行平滑處理。
5. 根據權利要求2或3所述的一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法，其特徵在 於，所述的高精度處理包括利用模糊度固定的兩個超寬巷最優組合(或它們的線性組合)觀測值反求雙差電離延遲；對雙差電離延遲進行平滑處理，可得到高精度的雙差電離層延遲；採用平滑處理後的雙差電離延遲對超寬巷(寬巷)最優組合觀測值的電離層延遲進行 修正。
全文摘要
本發明涉及一種用於測繪與導航的實時高精度定位方法，包括對參考站和流動站的三頻觀測數據進行預處理，用預處理後的參考站和流動站的三頻觀測數據構成超寬巷最優組合觀測值Φ(0，1，-1)、Φ(1，-6，5)以及窄巷組合觀測值P(0，1，1)，檢測上一個曆元模糊度是否固定，若是，就在確保正確處理周跳的前提下傳遞上一個曆元固定的模糊度到當前曆元，若上一個曆元的模糊度沒有固定，就利用Geometry-free和Geometry-based模型固定最優組合模糊度；利用兩個模糊度固定的超寬巷觀測值反求電離層延遲並對任一寬巷觀測值改正，對電離層改正後的寬巷觀測值平滑處理，得到高精度觀測值，用高精度觀測值進行定位。本發明算法簡單、精度高、性能穩定，使用範圍廣。
文檔編號G01S5/00GK101750600SQ200810207309
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月18日 優先權日2008年12月18日
發明者周澤波, 李博峰, 沈雲中 申請人:同濟大學