一種衛星定位偽距差分方法
2023-08-01 17:48:36
專利名稱：一種衛星定位偽距差分方法
技術領域：
本發明涉及計算機應用領域，尤其涉及一種衛星定位偽距差分方法。
背景技術：
在衛星定位中，利用偽距觀測值進行單點定位，實時定位精度一般為幾米。如果利用偽距差分技術，可得到分米級的實時定位技術。而傳統的單站偽距差分的作用距離短，定位精度隨著距離的增加而快速降低，基於多個基準站網絡的偽距差分技術的作用距離和定位精度都優於傳統的單站偽距差分。目前的網絡偽距差分方法是採用雙差模式進行衛星鐘差、接收機鐘差等誤差的消除，以及對流層延遲、電離層延遲、衛星軌道等誤差的改正。由於需要進行雙差組合，所以必須從基準站網中選擇一個基準站作為主參考站進行差分觀測值的組成；如果流動站在基準站網中不斷的移動，有時還需要重新選擇主參考站。另外，若整個基準站網按照雙差模式進行雙差偽距觀測值的誤差改正，各子網的雙差改正數間相互獨立，因此，不同子網的改正數存在不一致性。如果基準站網提供非差偽距觀測值的誤差改正數，流動站將使用非差偽距誤差改正數進行定位，則不需要採用雙差模式進行誤差改正；不需要選擇主參考站進行雙差組合， 所有基準站都一樣，沒有主輔之分；流動站在基準站網內移動時，不用考慮變換主參考站的問題；一顆衛星的改正數即可包含所有的觀測誤差影響；各基準站的改正數是獨立的，可以很方便地通過網絡播發和接收；並且不會降低偽距差分定位的覆蓋範圍和定位精度。本發明利用基準網向用戶提供非差偽距觀測值的誤差改正數，用戶可利用這些非差誤差改正數進行偽距定位。這種定位方法同載波相位差分定位相比，雖然屬於一種精度稍低的定位方式，但該方法作業成本低，算法及應用簡單，不需要進行基準站網的模糊度解算和流動站模糊度解算，各基準站可直接提供在地球參考框架坐標系下的偽距誤差改正數。基準站網內部及網外一定範圍內的用戶，通過本發明的偽距誤差改正數和自身的單曆元觀測數據就可獲得分米級精度的實時定位結果。
發明內容
本發明提供一種衛星定位偽距差分方法，要解決的技術問題是如何顯著提高用戶實時偽距差分的定位精度。為解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案一種衛星定位偽距差分方法，包括利用基準站網的觀測數據獲取各基準站非差偽距觀測值的誤差改正數；對基準站處各衛星非差偽距觀測值的誤差改正數進行處理，計算得到流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數，其中流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數包含了偽距觀測值的各種誤差影響；採用流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數，發起流動站的偽距定位的流程。優選的，所述方法還具有如下特點基準站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數CoC的表達式如下CoC =p-Pm其中，下標i表示信號頻率，用於區分不同的頻率；下標m表示基準站的編號，用於區分不同的基準站；上標n表示衛星編號，用於區分不同的衛星#表示非差衛星偽距觀測值，單位為米；P表示測站與衛星之間的幾何距離，單位為米。優選的，所述方法還具有如下特點流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數是所選用基準站相對應該衛星的非差偽距觀測值的改正數與各自的擬合係數相乘後得到的數值的總和，其中全部擬合係數的總和為I。優選的，所述方法還具有如下特點發起流動站的偽距定位的流程，包括採用流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數對流動站處各衛星的非差偽距觀測方程進行非差誤差修正，得到修正後的非差偽距觀測方程，其中所述修正後的非差偽距觀測方程的表達式如下Hnv-5K + C-Tr'u = P1^+ Cori^j -pnuo -￡'v其中，H為流動站上衛星的方向餘弦矩陣；SX為用戶坐標初值的改正數向量； Tr' u表示非差修正後的流動站接收機鐘差及接收機硬體延遲誤差^表示用戶到相應衛星的距離初值表示非差修正後的在第i個信號頻率上的非差偽距觀測噪聲誤差；在得到修正後的非差偽距觀測方程的表達式後，通過觀測至少四個衛星，得到四個修正後的非差偽距觀測方程，對得到的非差偽距觀測方程進行計算，得到流動站的坐標改正數和修正後的用戶接收機鐘差。優選的，所述方法還具有如下特點發起流動站的偽距定位的流程，還包括採用流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數對流動站處各衛星的非差偽距觀測方程進行非差誤差修正，得到修正後的非差偽距觀測方程，其中所述修正後的非差偽距觀測方程的表達式如下H^-SK + C-Tr'^PZ+ Cor^ - pnuo - ￡'v其中，H為流動站上衛星的方向餘弦矩陣；SX為用戶坐標初值的改正數向量； Tr' u表示非差修正後的流動站接收機鐘差及接收機硬體延遲誤差^表示用戶到相應衛星的距離初值表示非差修正後的在第i個信號頻率上的非差偽距觀測噪聲誤差；採用流動站處第一衛星p和第二衛星q的非差偽距觀測方程的表達式，得到流動站的單差偽距觀測方程，其中所述流動站的單差偽距觀測方程表達式如下 汲= PZq+ Cori^ -PZ -其中，在得到流動站的單差偽距觀測方程表達式後，通過觀測至少四個衛星，建立每個衛星的單差偽距觀測方程，對得到的單差偽距觀測方程進行計算，得到流動站的坐標改正數。與傳統的偽距單點定位方法相比，本發明使用基準站網向用戶提供非差偽距觀測值的誤差改正數，使用戶定位不受衛星鐘差及硬體延遲、接收機鐘差及硬體延遲、對流層延遲，電離層延遲和衛星軌道誤差的影響，使得偽距定位更加精確。而與目前的雙差模式的網絡差分方法相比，本發明的作業方式更加靈活，不需要選擇主參考站，基準站的改正信息播發更方便，適用於不同的用戶定位模式。
圖I為本發明提供的非差偽距誤差改正示意圖；圖2為本發明提供的衛星定位偽距差分方法流程圖；圖3為本發明所使用的省級基準站網的不意圖；圖4為圖3所示基準站網24小時偽距差分定位的南北分量定位真誤差圖；圖5為圖3所示基準站網24小時偽距差分定位的東西分量定位真誤差圖；圖6為圖3所示基準站網24小時偽距差分定位的垂直分量定位真誤差圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。圖I為非差偽距誤差改正示意圖。如圖I所示，其中測站A、B、C.......為基準
站網，測站U為流動站。衛星發射信號經過不同的傳播路徑，將觀測信號傳播到各測站，在此過程中除了衛星和接收機硬體的誤差影響之外，主要受到傳播路徑上對流層、電離層延遲以及衛星軌道等定位誤差的影響，而這些主要定位誤差是具有時空相關性的，因此可以利用基準站網的觀測數據來消除/削弱用戶處的相關定位誤差。由於基準站的坐標都是精確已知的，所以可計算出它們各自的非差偽距觀測誤差大小，進而根據各測站間的位置關係確定流動站非差偽距觀測值誤差的計算係數，然後計算出流動站的非差偽距觀測值誤差的大小，用來消除/削弱流動站非差偽距觀測值誤差的影響。相對於目前的雙差誤差改正模型，本發明的非差模式是以單顆衛星為對象，進行流動站偽距觀測誤差的擬合與修正，無需雙差組合，能夠更好地對觀測誤差進行模型化，具有應用靈活、便於誤差分析、更符合客觀實際等優點。圖2為本發明提供的衛星定位偽距差分方法流程示意圖。圖2所示方法實施例， 包括步驟101、獲取基準站各衛星的非差偽距觀測方程的表達式，如表達式I所示P:=P:+I:m+T: + C.(Trm-Tsn) + em( I )其中，下標i表示信號頻率，用於區分不同的頻率；下標m表示基準站的編號，用於區分不同的基準站，一般情況下選用離流動站較近的三個基準站；上標η表示衛星編號，用於區分不同的衛星；Ρ表示非差衛星偽距觀測值，單位為米；P表示基準站與衛星之間的幾何距離，單位為米；1表示電離層對偽距觀測值的延遲誤差，單位為米；Τ表示對流層和軌道誤差等非色散誤差對偽距觀測值的影響，單位為米；Ts表示衛星鐘差及衛星硬體延遲，單位為秒；Tr表示測站的接收機鐘差及接收機硬體延遲，單位為秒；C表示真空中的光速，單位為米/秒；ε表示偽距觀測噪聲誤差，單位為米。另外，基準站一般設置在比較開闊的地方，可以忽略多路徑效應的影響。具體實施如下所示，以基準站A上衛星P的LI信號頻率上的偽距觀測值為例，用表達式I可以得到基準站A上衛星P的LI信號頻率上的非差偽距觀測方程為
= pi + I。+TJ+C-(TrA-Tsp)+sfA( 2 )與表達式⑵類似，可以得到其它基準站、其它衛星和其它頻率上的非差偽距觀測方程，這裡不一一列舉。步驟102、獲取流動站U處的非差偽距觀測方程。以衛星p的LI非差偽距觀測方程為例，如下所示P1I = pi +11^ +TJ+C-(Tru -Tsp)+ ^( 3 )表達式(3)中，U表示流動站，以區分於基準站；其餘符號與表達式(I)相同。與表達式(3)類似，還可以得到流動站的其它衛星和其它頻率的非差偽距觀測方程。步驟103、採用步驟101中的非差觀測方程的表達式，計算選用基準站(一般為距離用戶較近的三個基準站)處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數。以基準站A上衛星p的LI頻率上的偽距觀測值為例，由表達式(2)，可得它的非差偽距觀測值的改正數Co#表達式為Cor'PA=-OMC'WA -P/A =C-(Ts^ -Tr4)-1 fA -TJ(4)與表達式⑷類似，可以得到其它基準站、其它衛星和其它頻率上的非差偽距觀測值的誤差改正數。步驟104、根據步驟103中得到的基準站非差偽距觀測值的誤差改正數，計算流動站處相應的非差偽距觀測值的誤差改正數。以衛星p的LI非差偽距觀測值的誤差改正數為例，結合表達式(4)，可得流動站的衛星P的LI非差偽距改正數為CorlI = ax CorxpA + a2 CorlI H—( 5 )其中，B1, a2，...為流動站非差改正數計算的擬合係數，可跟據流動站與基準站之間的相對位置計算得到的，與傳統的內插擬合方法類似。需要說明的是它們需要滿足關係式B^a2+---= I(6)擬合係數的個數等於所選用的基準站個數，一般情況下等於3，即選用距離用戶較近的三個基準站進行擬合。步驟105、採用步驟104中得到的非差偽距觀測值的誤差改正數對步驟102中得到的流動站非差偽距觀測方程進行非差誤差修正，得到用戶誤差修正後的非差偽距觀測方程。以流動站處衛星p的LI非差偽距觀測值為例進行具體說明，結合表達式(3)-(6)， 其修正後的非差偽距觀測方程為P1I +CorlI = +Ifu +TJ +c\Trv -Ts^)+e^)+CorlI= pi + +TJ+C-(Tru -Ts^)+ )+ar(C- [TV -TrA)-PlA -TJ -^)( 7 )+a2.(C.(7V -Tr8)-I'PB-Tbp-E1^)+-=Pl +C-Tfu+E^u其中絕大多數誤差已經消除或削弱，只剩下個別殘餘誤差；Tr'分別表示非差修正後的流動站接收機鐘差及接收機硬體延遲誤差和非差修正後的LI非差偽距觀測噪聲誤差。Tr' u = Tru-B1 · TrA~a2 · TrB--------(8)S^u = ε^υ — ax ■ ε^Α —a2 ■ sfB--------( 9 )對表達式(J)進行整理和總結，並在用戶坐標初值(XUCI，Yuo, Zuo)處採用泰勒級數線性化展開，忽略高次項，有最終的用戶非差偽距觀測方程HS · SK + C .TYu = P; +Cor% _ P二 _ ε'ηω(10)其中H為流動站上衛星的方向餘弦矩陣；δ X為用戶坐標初值的改正數向量'P: 表示用戶到相應衛星的距離初值；其餘符號含義同前。步驟106、解算由四顆或四顆以上衛星的誤差改正後的流動站非差偽距觀測方程
(7)，可得到流動站的坐標改正數和修正後的用戶接收機鐘差。用戶的坐標初值加上坐標改正數得到用戶的準確坐標值。若精度不夠，可將修正後的坐標值作為初值，重複步驟105和106，直至收斂。從表達式(10)可以看出方程左邊有四個未知數，分別是三個坐標改正數和一個修正後的接收機鐘差，右邊是常數項。因此， 只要觀測到四顆或四顆以上的衛星，建立至少4個類似表達式(10)的方程，解算方程組，即可完成定位。步驟107、除了採用步驟105中的直接解算方法外，還可以在兩顆不同的衛星間求差，消除修正後的接收機鐘差項，然後再聯立方程組，進行解算，得到流動站的坐標改正數。用戶的坐標初值加上坐標改正數得到用戶的準確坐標值。若精度不夠，可將修正後的坐標值作為初值，重複步驟105和107，直至收斂。這樣的解算仍需要至少觀測四顆衛星，因為單差消除了修正後的接收機鐘差項，所以最終得到的只有用戶的坐標改正數。仍以步驟105中的衛星p、q的非差偽距觀測方程為例進行說明。根據表達式(10)， 可以得到Ηζ-δΚ + C- Tr'u = PZ+ CorZ - -s'fv( 11 )H^-SK + C-Tr', = ^+ CoC - -εην( 12 )將表達式(11)、(12)相減，可消除流動站殘餘鐘差IV ，得到流動站的單差偽距觀測方程表達式(13)。-SX = PZq+ CorZq - P^0 - ε'^( 14 )其中上標pq表示單差操作符，(*)M = (*)Ρ_(*Γ ;其餘符號含義不變。與傳統的偽距單點定位方法相比，本發明使用基準站網向用戶提供非差偽距觀測值的誤差改正數，使用戶定位不受衛星鐘差及硬體延遲、接收機鐘差及硬體延遲、對流層延遲，電離層延遲和衛星軌道誤差的影響，使得偽距定位更加精確。而與目前的雙差模式的網絡差分方法相比，本發明的作業方式更加靈活，不需要選擇主參考站，基準站的改正信息播發更方便，適用於不同的用戶定位模式。為了驗證本發明中方法的實用性，採用某一個省級基準站網的實測數據進行本發明方法的檢驗，如圖3所示。此測試觀測時間為24小時，採樣間隔為5秒，選擇其中一個作為檢測站，另外在周邊選擇三個基準站，作為基準站網，為監測站提供非差偽距改正。用本發明的方法對此試驗數據進行處理，最終的定位誤差分別如圖4、圖5、圖6所示。其中N表示南北方向，E表示東西方向，U表示垂直方向。由於監測站的坐標精確已知，所以圖4-6中給出的是每一曆元的定位真誤差。對圖4-6中的結果進行概率統計，可得N、E和U三個方向上定位誤差的RMS分別為0. 31779米、0. 37126米和0. 77026米。通過24小時的實測數據的結果表明本發明中的方法能夠實現分米級精度的實時偽距差分定位。 以上所述，僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求所述的保護範圍為準。
權利要求
1.一種衛星定位偽距差分方法，其特徵在於，包括利用基準站網的觀測數據獲取各基準站非差偽距觀測值的誤差改正數；對基準站處各衛星非差偽距觀測值的誤差改正數進行處理，計算得到流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數，其中流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數包含了偽距觀測值的各種誤差影響；採用流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數，發起流動站的偽距定位的流程。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，基準站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數CoC的表達式如下Cor:= p:-P:其中，下標i表示信號頻率，用於區分不同的頻率；下標m表示基準站的編號，用於區分不同的基準站；上標n表示衛星編號，用於區分不同的衛星；P表示非差衛星偽距觀測值，單位為米；P表示測站與衛星之間的幾何距離，單位為米。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數是所選用基準站相對應該衛星的非差偽距觀測值的改正數與各自的擬合係數相乘後得到的數值的總和，其中全部擬合係數的總和為I。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，發起流動站的偽距定位的流程，包括 採用流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數對流動站處各衛星的非差偽距觀測方程進行非差誤差修正，得到修正後的非差偽距觀測方程，其中所述修正後的非差偽距觀測方程的表達式如下H^-SK + C-Tr'^PZ+ Cor^￡'v其中，H為流動站上衛星的方向餘弦矩陣；S X為用戶坐標初值的改正數向量；Tr' 表示非差修正後的流動站接收機鐘差及接收機硬體延遲誤差；表示用戶到相應衛星的距離初值表示非差修正後的在第i個信號頻率上的非差偽距觀測噪聲誤差；在得到修正後的非差偽距觀測方程的表達式後，通過觀測至少四個衛星，得到四個修正後的非差偽距觀測方程，對得到的非差偽距觀測方程進行計算，得到流動站的坐標改正數和修正後的用戶接收機鐘差。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，發起流動站的偽距定位的流程，還包括 採用流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數對流動站處各衛星的非差偽距觀測方程進行非差誤差修正，得到修正後的非差偽距觀測方程，其中所述修正後的非差偽距觀測方程的表達式如下H^-SK + C-Tr'^PZ+ Cor^￡'v其中，H為流動站上衛星的方向餘弦矩陣；S X為用戶坐標初值的改正數向量；Tr' 表示非差修正後的流動站接收機鐘差及接收機硬體延遲誤差；表示用戶到相應衛星的距離初值表示非差修正後的在第i個信號頻率上的非差偽距觀測噪聲誤差；採用流動站處第一衛星P和第二衛星q的非差偽距觀測方程的表達式，得到流動站的單差偽距觀測方程，其中所述流動站的單差偽距觀測方程表達式如下-SK = P1^+Cori^其中，(*)m= (*)p-(*) ;在得到流動站的單差偽距觀測方程表達式後，通過觀測至少四個衛星，建立每個衛星的單差偽距觀測方程，對得到的單差偽距觀測方程進行計算，得到流動站的坐標改正數。
全文摘要
本發明提供一種衛星定位偽距差分方法。所述方法，包括利用基準站網的觀測數據獲取各基準站非差偽距觀測值的誤差改正數；對基準站處各衛星非差偽距觀測值的誤差改正數進行處理，計算得到流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數，其中流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數包含了偽距觀測值的各種誤差影響；採用流動站處各衛星的非差偽距觀測值的誤差改正數，發起流動站的偽距定位的流程。
文檔編號G01S19/41GK102608633SQ20121006551
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者徐彥田, 祝會忠, 秘金鐘, 程鵬飛, 高星偉 申請人:中國測繪科學研究院