一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，該方法包括：首先，固定L1和L2載波的雙差模糊度，固定模糊度之后，建立含對流層參數的電離層加權雙差觀測方程；其次，確定降相關參數，在計算降相關參數過程中，需要用到未知數的真值，采用不含對流層參數的最小二乘位置參數的協(xié)因數矩陣代替求解降相關參數過程中的參數真值的二次型矩陣；最后，根據降相關參數求得最優(yōu)降相關解，從而得到可靠的亞厘米級坐標估計值。與現有技術相比，本發(fā)明具有精度高、穩(wěn)定性強、適用范圍廣等優(yōu)點。
【專利說明】一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于衛(wèi)星導航的定位技術，特別是涉及一種對流層長距離亞厘米級實 時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法。

【背景技術】
[0002] 在過去的二十年，GNSS RTK精密定位技術有了長足地發(fā)展，并被廣泛應用于很多 領域，如測地學、工程學以及儀器自動化等。在地學應用中，高頻GNSS數據可以通過一系列 的頻率和振幅捕捉到同震位移，從某種角度講，這種測量的廣度要比地震傳感器更廣。它能 夠檢測來自幾百公里甚至幾千公里外的任意大小的地面移動和同震平面波。另一方面，也 可以利用GNSS RTK確定當地大地水準面模型。然而，制約現有RTK技術在地學研究中應用 的主要因素有兩個：（1)現在RTK技術可以達到厘米級的水平，但在高度方向上的精度要比 在水平方向上差1. 5至2倍。（2) RTK技術的定位精度隨著基準站與流動站的距離的增加迅 速衰減。
[0003] 在載波相位模糊度解算和點位精度計算中，電離層和對流層的影響是誤差的最主 要來源。如果模糊度能正確固定，利用雙頻GNSS信號，采用無電離層組合，可以將電離層對 點位計算的影響基本消除。然而，即使利用多頻信號，對流層延遲的影響也無法削弱。且 對流層延遲對點位誤差的影響與基準站至流動站的距離有關，通常數十公里有幾厘米的誤 差。在未來的GNSS系統(tǒng)中，多頻GNSS信號將可以民用。對于數百公里的距離，所有載波相 位的整周模糊度能可靠地固定，而此時，對流層對點位的影響可以達到幾分米。如果精密 GNSS軌道代替了廣播星歷，那么，對于定位，對流層延遲將會是最重要的因素。
[0004] 為了解決對流層影響，已發(fā)展了許多方法。
[0005] (1)對于短基線而言，最簡單的方法是忽略對流層殘差的影響。因為對于這種情 況，假設兩個接收機是相關的，那么，在雙差之后，它們的影響可以消除。例如，對于傳統(tǒng)的 單基站RTK，基準站與流動站的距離限制在20km以內，是因為這樣能最大限度消除大氣影 響。
[0006] (2)網絡RTK則是另一種減小對流層影響的方法，這種方法可以擴大服務范圍。在 網絡覆蓋范圍內，流動站與基準站的對流層延遲是通過對多基準站相關的對流層延遲內插 得到。雖然網絡RTK已經在商業(yè)服務中廣泛應用，但是隨著站間的距離增加，兩個站間的對 流層延遲相關性減弱，導致對流層殘余誤差增加。因此，現有的基于網絡RTK的雙頻系統(tǒng)的 有效距離在50-70公里。即使三頻信號的加入，這個距離也只是在100公里-140公里。另 夕卜，在大氣情況不利的條件下，對于局部的異常情況，流動站的內插改正顯得捉襟見肘。
[0007] (3)引入對流層參數，例如引入天頂對流層延遲參數來吸收對流層殘差。這種方法 能克服距離的限制，對于長基線，不管是單基站還是網絡RTK，都基本能實現良好的應用。但 是，由于對流層參數和高程參數的強相關性，一旦將對流層參數和坐標參數一起平差處理， 將導致平差模型嚴重病態(tài)，通常需要積累足夠的觀測值以克服該病態(tài)問題，因此，通常采用 濾波技術逐漸地引入新的觀測值，序貫計算定位結果。然而，采用濾波方法求解對流層參數 充其量是多個歷元對流層延遲的平均值，不能很好地反映對流層的實時變化，尤其是流動 站在復雜的大氣環(huán)境和高速移動的情況下，所以本發(fā)明為解決這一問題提出了一種可行的 方法。


【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的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(wěn)定性 強、適用范圍廣的對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法。本發(fā)明針對在模糊 度正確固定的基礎上，采用GNSS信號難以實現長距離亞厘米級實時定位的兩個主要限制 因素：即對流層延遲的有效抑制和引入對流層參數后模型的嚴重病態(tài)性，提出了采用降相 關方法實現長距離亞厘米級實時定位算法。
[0009] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0010] 一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，該方法包括以下步驟：
[0011] (a)獲取GNSS雙頻或多頻實時觀測數據；
[0012] (b)對實時觀測數進行數據預處理；
[0013] (c)構建相位與偽距的差分觀測方程，包括單差觀測方程和雙差觀測方程；
[0014] (d)采用最小二乘方法計算模糊度浮點解；
[0015] (e)由于雙差模糊度應該是一個整數，而采用最小二乘解得的模糊度為浮點 解，所以采用LAMBDA方法對模糊度浮點解進行固定，得到固定后的雙差模糊度，并采用 Ps-LAMBDA檢驗模糊度的可靠性，當固定了雙差模糊度后，就成為整周模糊度；
[0016] (f)根據步驟（d)和（e)，得到雙差模糊度改正后的相位與偽距的雙差觀測方程；
[0017] (g)利用等價性原理，在步驟（f)獲得的雙差觀測方程兩邊乘以一個變換矩陣，消 除電離層延遲，并利用最小二乘法形成法方程矩陣，獲得最小二乘解；
[0018] (h)構建不含對流層參數的誤差方程，并基于最小二乘準則計算最小二乘解及其 相應的協(xié)方差矩陣；
[0019] (i)采用不含對流層天頂延遲參數的最小二乘解的協(xié)方差矩陣代替求解降相關參 數過程中涉及到的參數真值的二次型矩陣，從而計算得到降相關參數；
[0020] (j)確定降相關參數后，采用降相關方法重新求解步驟（g)的病態(tài)問題，得到可靠 的亞厘米級坐標估計值。
[0021] 所述的步驟（b)中，數據預處理包括衛(wèi)星截止高度角設置、時標校正、相位觀測值 周跳探測與修復、粗差探測與處理以及衛(wèi)星和接收機的天線相位中心修正。
[0022] 優(yōu)選地，采用的高度角定權公式戈

【權利要求】
1. 一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，其特征在于，該方法包括 以下步驟： (a) 獲取GNSS雙頻或多頻實時觀測數據； (b) 對實時觀測數進行數據預處理； (c) 構建相位與偽距雙差觀測方程； (d) 采用最小二乘方法計算模糊度浮點解； (e) 采用LAMBDA方法對模糊度浮點解進行固定，得到固定后的雙差模糊度，并采用 Ps-LAMBDA檢驗模糊度的可靠性； (f) 根據步驟（d)和（e)，得到雙差模糊度改正后的相位與偽距的雙差觀測方程； (g) 利用等價性原理，在步驟（f)獲得的雙差觀測方程兩邊乘以一個變換矩陣，消除電 離層延遲，并利用最小二乘法形成法方程矩陣，獲得最小二乘解； (h) 構建不含對流層參數的誤差方程，并基于最小二乘準則計算最小二乘解及其相應 的協(xié)方差矩陣； (i) 采用不含對流層天頂延遲參數的最小二乘解的協(xié)方差矩陣代替求解降相關參數過 程中涉及到的參數真值的二次型矩陣，從而計算得到降相關參數； (j) 確定降相關參數后，采用降相關方法重新求解步驟（g)的病態(tài)問題，得到可靠的亞 厘米級坐標估計值。
2. 根據權利要求1所述的一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，其 特征在于，所述的步驟（b)中，數據預處理包括衛(wèi)星截止高度角設置、時標校正、相位觀測 值周跳探測與修復、粗差探測與處理以及衛(wèi)星和接收機的天線相位中心修正。
3. 根據權利要求1所述的一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，其 特征在于，所述的步驟（c)中構建的雙差觀測方程如下：
與L1和L2載波相位有關；Φ和P分別表示雙差相位和偽距觀測值；P是雙差衛(wèi)星-地球 距離真值；^表示L1頻率的雙差電離層延遲；T是用UNB3對流層標準模型和Niell映射函 數改正后的雙差對流層延遲殘差矩陣，T = bX τ，τ是對流層天頂延遲參數，b為對應系 數矩陣；ε是期望為0的正太分布的隨機噪聲；f\和f2表示L1和L2上的頻率；λ i和λ 2 表示L1和L2的波長Α和Ν2表示L1和L2上的整周模糊度。
4. 根據權利要求3所述的一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，其 特征在于，所述的步驟（f)中獲得的雙差觀測方程如下.
將其寫成矩陣形式如下：
式中，A是mX3維有關坐標[X y ζ]τ在坐標系下的系數矩陣，Em是mXm單位矩陣。
5. 根據權利要求4所述的一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，其 特征在于，所述的步驟（g)中，在雙差觀測方程兩邊乘以一個變換矩陣后得到如下誤差方 程： Yif = Η ξ + ε IF (4)
;為3父3單位矩陣，εΙΡ為隨機噪聲，上述誤差方程的 最小二乘解為：
QDD是單歷元對應于雙差觀測值的矩陣。
6. 根據權利要求5所述的一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，其 特征在于，所述的步驟（h)中，不含對流層參數的誤差方程如下 ：
其相應的最小二乘解為：
其中，《為方差分量單位權。
7. 根據權利要求6所述的一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，其 特征在于，所述的步驟（i)中，降相關參數α根據以下MSE最小準則求得： α = arg min trace (MR) (? 其中，S為降相關矩陣，NK = Νξ + α S ; 采用步驟（h)獲得協(xié)方差矩陣代替式（14)中的二次型矩陣，則
mu
a = arg mina >0trace(QE) (17) 根據式（17)計算獲得降相關參數α。
8.根據權利要求7所述的一種對流層長距離亞厘米級實時動態(tài)衛(wèi)星導航定位方法，其 特征在于，所述的步驟（j)中，根據步驟（i)獲得的降相關參數a，計算降相關解；
相應的協(xié)方差矩陣為：
以求得的降相關解作為最終的亞厘米級坐標估計值。
【文檔編號】G01S19/44GK104101890SQ201410310617
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權日:2014年7月1日
【發(fā)明者】李博峰, 沈云中, 樓立志, 葛海波 申請人:同濟大學