一种基于误差分离模式的GNSS区域伪距差分增强定位方法

摘要

本发明公开了一种基于误差分离模式的GNSS区域伪距差分增强定位方法，具体为：GNSS区域伪距差分增强定位通常采用n个参考站和一个终端用户；其中任一参考站r其接收机接收卫星s的观测数据，处理后得到该参考站r上关于卫星s的误差矢量改正数；每个参考站均将自身获得的关于卫星s的误差矢量改正数发送至终端用户处，将每个参考站的频率相关项误差改正数依据参考站和终端用户之间的基线距离进行距离加权平均，然后与其中一个参考站的频率无关项误差改正数相加获得总的误差改正数；将伪距测量值加上所述总的误差改正数得到改正后的用户伪距，进而按照标准伪距单点定位方式解算获得经误差改正后的用户位置。该方法能够提高单频卫星导航的定位性能。

说明书

技术领域

本发明涉及全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)差分增强定位技术领域，提出了一种基于误差分离模式的GNSS区域伪距差分增强定位方法。

背景技术

通常情况下，现有的卫星导航终端可分为测量型和导航型两类；前者定位精度通常较高，但是其体积大、成本高，仅应用于测绘、地震、气象等特殊行业；后者定位精度通常较低，但其具有成本低、功耗小、体积小、易于集成等优点，广泛应用于大众位置服务，潜在用户量巨大。相对于测量型终端，导航型终端通常仅可获得单频的伪距观测数据，并且观测量噪声相对较大，其定位性能与测量型终端具有较大差异。目前广大单频导航终端主要通过单点自主方式进行定位，由于无法通过双频数据进行电离层误差的自修正，一般仅可获得10米级的定位精度。如要获得较高精度的导航定位，一般需通过局域差分或广域增强两类技术进行实现。

局域差分通过实时播发伪距改正数，采用标量方式修正用户测距误差，可实现1～2米级精度的定位；但是，要求地面参考站的分布较密集。另外，局域差分定位中是把各种误差源所造成的影响合在一起形成综合的误差改正信息发播给用户使用的。但不同误差源对差分定位的影响事实上并不相同，有些误差对差分定位的影响与基线长度无关，如卫星钟差；有些误差与基线长度的相关性很弱，如卫星星历误差；而有些误差则与基线长度高度相关，如电离层延迟误差。当采取综合误差的改正数方式时，差分定位精度受参考站分布和有效距离的影响显著。

广域增强通过实时播发卫星轨道误差、卫星时钟误差以及格网电离层误差等改正信息，采用矢量方式修正用户测距误差；但是，由于电离层具有显著的地域特性，格网电离层精度通常较差，从而使得单频导航终端的定位精度仅为2～3米；受电离层误差修正效果的限制，其定位精度难以进一步提高；并且系统实现的复杂度非常高，一般需要借助卫星来播发增强信息。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于误差分离模式的GNSS区域伪距差分增强定位方法，依据卫星导航系统误差源在区域范围内的变化特性设计了频率相关以及频率无关两类差分增强信息，用以提高广大单频卫星导航终端的定位性能。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于误差分离模式的GNSS区域伪距差分增强定位方法，包括如下步骤：

步骤一、全球卫星导航系统GNSS区域伪距差分增强定位采用n个参考站和一个终端用户；其中任一参考站r其接收机接收原始卫星s的观测数据，然后进行如下S101-S103的处理后得到该参考站r上关于卫星s的误差矢量改正数；所述原始卫星观测数据包括伪距观测量和载波相位观测量。

S101、建立GNSS非差观测方程，其中的电离层延迟误差、硬件延迟偏差以及整周模糊度为频率相关项，其他误差项为频率无关项，通过两个以上频率的同类型观测量的几何无关组合消除频率无关项，然后进行DCB误差校正得到基本频率信号的电离层延迟量。

S102、由基本频率信号的电离层延迟量转换得到该原始卫星观测信号载波频率上的信号电离层延迟量，即为频率相关项误差改正数。

S103、根据频率无关项误差改正数、频率相关项误差改正数以及卫星与接收机之间天线相位中心之间的几何距离三者之和为伪距观测量；计算得到频率无关项误差改正数。

步骤二、每个参考站均将自身获得的关于卫星s的误差矢量改正数发送至终端用户处，针对每个参考站的频率相关项误差改正数依据参考站和终端用户之间的基线距离进行距离加权平均，然后与其中一个参考站的频率无关项误差改正数相加获得总的误差改正数。

其中在进行加权平均时，权重与参考站和终端用户之间的基线距离成反比；

步骤三、将伪距测量值加上所述总的误差改正数得到改正后的用户伪距，进而按照标准伪距单点定位方式解算获得经误差改正后的用户位置。

进一步地，GNSS非差观测方程具体为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{r,fi}^s={\rho }_r^s+c({\mathrm{\delta t}}_r-{\mathrm{\delta t}}^s)+{\alpha }_{fi}{I}_r^s+T_r^s+c(b_{fi}^s+b_{r,fi})+{ϵ}_{r,fi}^s\\ {\Phi }_{r,fi}^s={\rho }_r^s+c({\mathrm{\delta t}}_r-{\mathrm{\delta t}}^s)-{\alpha }_{fi}{I}_r^s+T_r^s+c(b_{fi}^s+b_{r,fi})+{\lambda }_{fi}^s{N}_{r,fi}^s+{\zeta }_{r,fi}^s\end{array}\right)$

其中：

上标s表示卫星、下标r表示接收机；

f_i表示所接收信号的载波频率；

表示所接收信号的载波波长；

为接收机r关于卫星s在f_i频率上的伪距观测量；

为接收机r关于卫星s在f_i频率上的载波相位观测量；

为在信号发射时刻的卫星与接收机二者天线相位中心之间的几何距离量；

c为真空中的光速；

δt_r为信号接收时刻的接收机钟差；

δt^s为信号发射时刻的卫星钟差；

为接收机关于卫星s在基本频率f₀上的电离层延迟误差量，对伪距观测量和载波相位观测量的影响符号相反；

α_fi为频率为f_i的电磁波与基本频率f₀之间的系数关系，为

为对流层延迟误差量；

b_r,fi分别为卫星和接收机在f_i频率上的硬件延迟偏差；

为f_i频率上关于卫星s的载波相位整周模糊度；

分别为伪距及载波相位的测量噪声以及其他未建模误差项。

进一步地，S101中，观测噪声不计，通过两个或以上频率的同类型观测量的几何无关组合包括：

伪距观测量在频率f₁与f₂上的几何无关组合

载波相位观测量在频率f₁与f₂上的几何无关组合

参考站上接收机r的硬件延迟偏差在频率f₁与f₂上几何无关组合为其中分别为接收机r在f₁与f₂频率上的硬件延迟偏差；

卫星s的硬件延迟偏差在频率f₁与f₂上几何无关组合为其中分别为卫星s在f₁与f₂频率上的硬件延迟偏差。

接收机r在频率f₁与f₂上关于卫星s的载波相位整周模糊度的几何无关组合为

由此得到的包含频率相关项的伪距观测量及载波相位观测量分别为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{r,f_1{f}_2}^s=({\alpha }_{f1}-{\alpha }_{f2})I_r^s+c·{\mathrm{DCB}}_{r,f_1{f}_2}+c·{\mathrm{DCB}}^{s,f_1{f}_2}\\ {\Phi }_{r,f_1{f}_2}^s=({\alpha }_{f2}-{\alpha }_{f1})I_r^s+c·{\mathrm{DCB}}_{r,f_1{f}_2}+c·{\mathrm{DCB}}^{s,f_1{f}_2}+({\lambda }_{f_1}^s{N}_{r,f_1}^s-{\lambda }_{f_2}^s{N}_{r,f_2}^s)\end{array}\right).$

在卫星s没有发生周跳的连续观测时段内，对伪距观测量与载波相位电离层观测量之和取平均即消除频率无关项，得到

进而得到基本频率的电离层延迟量：

$I_r^s=\frac{{\Phi }_{r,f_1{f}_2}^s-<P_{r,f_1{f}_2}^s+{\Phi }_{r,f_1{f}_2}^s{>}_T+c·{\mathrm{DCB}}_{r,f_1{f}_2}+c·{\mathrm{DCB}}^{s,f_1{f}_2}}{{\alpha }_{f2}-{\alpha }_{f1}}.$

进一步地，S102中，由基本频率信号的电离层延迟量转换得到该原始卫星观测信号载波频率上的信号电离层延迟量，转换公式具体为：其中为该原始卫星观测信号载波频率上的信号电离层延迟量，α_fi为频率为f_i的电磁波与基本频率f₀之间的系数关系，为

进一步地，步骤三中，针对每个参考站的频率相关项误差改正数依据参考站和终端用户之间的基线距离进行距离加权平均公式具体为：

$I_{u,corr}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_i{I}_{i,corr}.$

其中I_u,corr为加权平均的最终结果，I_i,corr为参考站i的频率相关项误差改正数；α_i为权重系数。

${\alpha }_i=\frac{\frac{1}{\sqrt{{(x_i-x_u)}^2+{(y_i-y_u)}^2+{(z_i-z_u)}^2}}}{\underset{i}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{1}{\sqrt{{(x_i-x_u)}^2+{(y_i-y_u)}^2+{(z_i-z_u)}^2}}}.$

其中，(x_i,y_i,z_i)为地心地固坐标系下第i个参考站的坐标，(x_u,y_u,z_u)为地心地固坐标系下终端用户的坐标。

进一步地，步骤三中针对每个参考站的频率相关项误差改正数依据参考站和终端用户之间的基线距离进行距离加权平均，然后与其中一个参考站的频率无关项误差改正数相加获得总的误差改正数。

上述其中一个参考站的频率无关项改正数直接用距离终端用户最近的参考站的频率无关项改正数。

有益效果：

为了解决目前广大单频卫星导航终端定位精度不高的问题，本发明提出了一种基于误差分离模式的GNSS区域伪距差分增强定位方法，依据卫星导航系统误差源在区域范围内的变化特性设计了频率相关以及频率无关两类差分增强信息，用以提高广大单频卫星导航终端的定位性能，并能有效克服传统卫星导航局域差分定位性能受参考站分布和有效距离的影响。

附图说明

图1为基于误差分离模式的GNSS区域伪距差分增强定位方法实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1、一种基于误差分离模式的GNSS区域伪距差分增强定位方法，包括如下步骤：

步骤一、全球卫星导航系统GNSS区域伪距差分增强定位采用n个参考站和一个终端用户；其中任一参考站其接收机r接收原始卫星观测数据，然后进行如下处理后得到该参考站r上关于卫星s的误差矢量改正数；所述原始卫星观测数据包括伪距观测量和载波相位观测量。

S101、建立GNSS非差观测方程，其中的电离层延迟误差、硬件延迟偏差以及整周模糊度为频率相关项，其他误差项为频率无关项，通过两个或以上频率的同类型观测量的几何无关组合消除频率无关项，然后进行DCB误差校正得到基本频率信号的电离层延迟量。

S102、由基本频率信号的电离层延迟量转换得到该原始卫星观测信号载波频率上的信号电离层延迟量，即为频率相关项误差改正数。

S103、其中频率无关项误差改正数、频率相关项误差改正数以及卫星与接收机之间天线相位中心之间的几何距离三者之和为伪距观测量；由此计算得到频率无关项误差改正数。

步骤二、每个参考站均将自身获得的关于卫星s的误差矢量改正数发送至终端用户处，针对每个参考站的频率相关项误差改正数依据参考站和终端用户之间的基线距离进行距离加权平均，然后与其中一个参考站的频率无关项误差改正数相加获得总的误差改正数。

其中在进行加权平均时，权重与参考站和终端用户之间的基线距离成反比。

步骤三、将伪距测量值加上所述总的误差改正数得到改正后的用户伪距，进而按照标准伪距单点定位方式解算获得经误差改正后的用户位置。

实施例2、在实施例1的基础上，本实施例采用具体实例对实施例1进行具体的说明，其中参数仅为举例方便使用，不涉及对实施例1的限制。

步骤一、获取参考站接收机的原始卫星观测数据，进行处理后得到该参考站r上关于卫星s的误差矢量改正数。

一般地，GNSS非差观测模型的伪距以及载波相位观测方程为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{r,fi}^s={\rho }_r^s+c({\mathrm{\delta t}}_r-{\mathrm{\delta t}}^s)+{\alpha }_{fi}{I}_r^s+T_r^s+c(b_{fi}^s+b_{r,fi})+{ϵ}_{r,fi}^s\\ {\Phi }_{r,fi}^s={\rho }_r^s+c({\mathrm{\delta t}}_r-{\mathrm{\delta t}}^s)-{\alpha }_{fi}{I}_r^s+T_r^s+c(b_{fi}^s+b_{r,fi})+{\lambda }_{fi}^s{N}_{r,fi}^s+{\zeta }_{r,fi}^s\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：

s、r分别表示导航卫星(Satellite)、接收机(Receiver)；

fi、分别表示所接收信号的载波频率(Hz)及相应的载波波长(m)；

为接收机r关于卫星s在fi频率上的伪距观测量(m)；

为接收机r关于卫星s在fi频率上的载波相位观测量(m)；

为在信号发射时刻的卫星与接收机二者天线相位中心之间的几何距离量(m)；

c为真空中的光速(c＝299 792 458.0m/s)；

δt_r为信号接收时刻的接收机钟差(s)；

δt^s为信号发射时刻的卫星钟差(s)；

为接收机关于卫星s在基本频率f₀(如GPS>

α_fi为频率为f_i的电磁波与基本频率f₀之间的系数关系，为

为对流层延迟误差量(m)；

b_r,fi分别为卫星和接收机在fi频率上的硬件延迟偏差(s)；

为fi频率上关于卫星s的载波相位整周模糊度(cycle)；

分别为伪距及载波相位的测量噪声以及其他未建模误差项(m)；

在上述GNSS非差观测方程中，电离层延迟误差、硬件延迟偏差以及整周模糊度与信号频率相关，其他误差项与频率无关，通过两个或以上频率的同类型观测量的几何无关组合便能消除频率无关误差项，得到包含卫星与接收机硬件延迟以及整周模糊度的伪距及载波相位电离层原始观测信息，为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{r,f_1{f}_2}^s=P_{r,f_1}^s-P_{r,f_2}^s=({\alpha }_{f1}-{\alpha }_{f2})I_r^s+c·{\mathrm{DCB}}_{r,f_1{f}_2}+c·{\mathrm{DCB}}^{s,f_1{f}_2}\\ {\Phi }_{r,f_1{f}_2}^s={\Phi }_{r,f_1}^s-{\Phi }_{r,f_2}^s=({\alpha }_{f2}-{\alpha }_{f1})I_r^s+c·{\mathrm{DCB}}_{s,f_1{f}_2}+c·{\mathrm{DCB}}^{s,f_1{f}_2}+({\lambda }_{f_1}{N}_{r,f_1}^s-{\lambda }_{f_2}{N}_{r,f_2}^s)\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，和分别表示伪距和载波相位在频率f₁与f₂之间形成的几何无关组合观测量；表示参考站接收机r的硬件延迟偏差在频率f₁与f₂上的几何无关组合；表示卫星s的硬件延迟偏差在频率f₁与f₂上几何无关组合；式中忽略了观测噪声。

由于载波相位观测值的测量精度通常要比码伪距的大约高2个数量级，利用载波相位获得的原始电离层观测信息精度将远高于仅利用伪距获得的原始电离层观测信息精度。因此，本发明先通过载波相位平滑伪距方法确定(2)式中载波相位电离层观测中的模糊度组合参数，即进而获得高精度的原始电离层观测信息。具体求解步骤如下：

在某颗卫星没有发生周跳的连续观测时段内，整周模糊度组合参数将保持不变，并且卫星和接收机的频间偏差在一定时段内也可看作常量。利用电离层对伪距和载波相位所产生的延迟二者大小相等、符号相反的特性，通过对一连续时段内伪距与载波相位电离层观测量之和取平均即可确定整周模糊度及频间偏差组合参数的值，为：

$2c·({\mathrm{DCB}}_{r,f_1{f}_2}+{\mathrm{DCB}}^{s,f_1{f}_2})+({\lambda }_{f_1}{N}_{r,f_1}^s-{\lambda }_{f_2}{N}_{r,f_2}^s)=<P_{r,f_1{f}_2}^s+{\Phi }_{r,f_1{f}_2}^s{>}_T---\left(3\right)$

其中，符号〈·〉_T表示在连续时段T内求平均值。

再将求得的组合参数代回载波相位电离层观测式(2)中，得到对于基本频率的绝对电离层延迟信息：

$I_r^s=\frac{{\Phi }_{r,f_1{f}_2}^s-<P_{r,f_1{f}_2}^s+{\Phi }_{r,f_1{f}_2}^s{>}_T+c·{\mathrm{DCB}}_{r,f_1{f}_2}+c·{\mathrm{DCB}}^{s,f_1{f}_2}}{{\alpha }_{f2}-{\alpha }_{f1}}---\left(4\right)$

在完成(4)式中的DCB误差校正之后，便能求出基本频率f₀信号的电离层延迟量进而可以转换得到f_i频率卫星信号上的电离层延迟量，即为该频率卫星信号上的频率相关项误差改正数，用表示，具体为：

$I_{r,corr,f}^s={\alpha }_{fi}{I}_r^s---\left(5\right)$

进而可求出f_i频率卫星信号上的频率无关误差项的改正数，用表示，为：

$E_{r,corr,fi}^s=P_{r,fi}^s-{\rho }_r^s-I_{r,corr,fi}^s---\left(6\right)$

于是，可将上述得到的两部分误差改正信息组成矢量形式(用表示，不再区分卫星信号频率f_i)：一部分是频率相关增强信息，即电离层延迟误差改正数，用I_corr表示；另一部分是频率无关增强信息，即扣除电离层延迟误差之后的剩余误差改正数，用E_corr表示。这样，参考站r上关于卫星s的误差矢量改正数为：

$\Delta {\overrightarrow{P}}_{r,corr}^s=[I_{r,corr}^s,E_{r,corr}^s]---\left(7\right)$

然后，参考站r将所计算的两类增强信息通过一定的通讯链路发送给其区域内的用户。

步骤二、终端用户u接收到增强参考站或数据处理中心发来的误差改正信息后，即可通过该增强信息改正自身的观测误差，从而提高定位精度。当用户接收到包含多个参考站的矢量增强信息时，由于此时存在关于用户区域内的多个电离层延迟误差改正信息，因此，在用户通过一定的建模算法对该多个电离层延迟误差信息进行处理后，可以获得比单参考站更为精确的电离层延迟误差改正信息；而关于多个频率无关增强信息，用户同样可以对其进行建模处理，不过由于其受距离的影响较弱，也可仅使用某一参考站的该类信息，本发明中不对其进行建模处理，而是直接使用距离用户最近的一个参考站的该类信息。

关于对多个参考站频率相关电离层延迟误差改正信息的建模处理，本发明采用了距离加权平均法进行建模处理，即对各参考站发来的该类误差改正值进行距离加权平均后得到用户的该类误差改正量。其基本原理是参考站改正数的权重与用户和参考站间的基线距离成反比，具体的数学表达式可写成：

${\mathrm{\Delta X}}_u=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_i{\mathrm{\Delta X}}_i---\left(8\right)$

式中，n为参考站个数，ΔX_i为第i个参考站的误差改正值，α_i为第i个参考站的权系数，ΔX_u为用户计算得到的误差改正值。各权系数的计算公式为：

其中，(x_i,y_i,z_i)为第i个参考站的坐标，地心地固坐标系下，其事先精确已知，(x_u,y_u,z_u)为用户的概略坐标。可以看到，用户使用的误差改正数是与其位置相关的函数，当用户处于不同的位置时，将得到不同的误差改正数。

对于本发明所提出的误差分离式区域伪距差分增强定位方法中多个参考站的电离层延迟误差改正信息，经上述(8)式和(9)式的建模处理后可以得到：

$I_{u,corr}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_i{I}_{i,corr}---\left(10\right)$

式中，I_u,corr为用户u的电离层延迟误差改正值，I_i,corr为第i个参考站的电离层延迟误差改正数，α_i为权系数，n为参考站个数。这样，便计算得到了更为精确的电离层延迟量。

而对于频率无关增强信息，由于其受距离的影响较弱，可不对其进行建模，直接用某个参考站(如离它最近的一个站)所播发的频率无关改正信息即可。于是，用户可组成新的误差改正信息为：

${\mathrm{\Delta P}}_{u,corr}^s-I_{u,corr}^s+E_{u,corr}^s---\left(11\right)$

步骤三、经上述误差改正之后的用户伪距为：

$P_{u,corr}^s-P_u^s+{\mathrm{\Delta P}}_{u,corr}^s---\left(12\right)$

进而按照标准伪距单点定位方式便可解算出经误差改正之后的用户位置。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。