卫星导航信号间高精度产品转化方法与流程 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种卫星导航信号间高精度产品转化方法。背景技术：2.卫星导航系统是可为用户提供米级定位导航授时服务的重要空间基础设施。随着社会进步和科技发展，人们对导航与位置服务的需求呈现爆发式增长，卫星导航系统本身已难以满足用户对实时、精确、泛在、可靠等服务性能的要求。卫星导航增强是在卫星导航系统服务基础上，通过对卫星导航信号实时监测、误差源修正等技术，实现对卫星导航系统的性能增强和提升，以提高用户导航定位性能。国内外的科学组织如国际全球导航卫星系统(global navigation satellite system，gnss)服务组织和国际gnss监测评估组织等均建立了全球均匀分布的广域地面监测站，实现对gnss卫星下行导航信号的监测，并向科学界和大众免费公开了其原始观测数据、数据处理策略和高精度导航卫星产品，这为完成卫星轨道参数、钟差参数、码间偏差和相位浮点偏差的高精度解算，电离层延迟和对流层延迟等参数的高精度建模提供了可能。然而，这些地面站对gnss下行信号的监测，往往难以覆盖gnss全部下行导航信号，而对由于未被监测难以提供高精度产品的信号，用户在使用时就不能采用高精度产品实现高精度的导航定位。技术实现要素：3.为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种卫星导航信号间高精度产品转化方法，考虑到不同地面站接收的信号间差异关系，可以实现gnss信号间高精度产品的转化，向全球不同频点的gnss用户提供高精度时空服务。4.为实现上述发明目的，本发明提供一种卫星导航信号间高精度产品转化方法，包括：5.s1.利用广域监测站对gnss卫星的部分频点的观测数据对gnss卫星进行定轨；6.s2.利用广域监测站对gnss卫星的部分频点的观测数据进行实时滤波解算得到钟差参数；7.s3.利用广域监测站对gnss卫星的部分频点的观测数据解算出码间偏差参数和相位偏差参数；8.s4.利用广域监测站对gnss卫星的部分频点的观测数据进行精密单点定位处理，采用实时滤波的方法解算出电离层延迟参数和对流层延迟参数；9.s5.利用局域监测站对gnss卫星的全部频点的观测数据解算出部分频点与其他所有频点的伪距频内差和相位频内差；10.s6.对所述伪距频内差和相位频内差进行预报，生成gnss卫星全弧段所有频点的码间偏差参数和相位偏差参数；11.s7.播发卫星轨道参数、钟差参数、延迟参数和偏差参数并进行定位解算。12.有益效果：13.根据本发明的方案，该方法考虑到不同地面站接收的信号间差异关系，可以实现gnss信号间高精度产品的转化，进而实现未被监测信号高精度产品的实时解算，为未被监测信号相应的用户提供高精度产品，进而提高其导航定位性能，向全球不同频点的gnss用户提供高精度时空服务。附图说明14.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。15.图1示意性表示本发明的一种实施方式的卫星导航信号间高精度产品转化方法的流程图。具体实施方式16.此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。17.此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。18.本发明实施例公开了一种卫星导航信号间高精度产品转化方法，综合利用广域监测站(如：全球范围监测站，或大范围监测站)对gnss卫星部分频点的观测数据和局域监测站(指的是较小范围的监测站，监测站分布规模远小于广域监测站分布范围)对gnss卫星全部频点的观测数据计算gnss卫星全弧段全频点高精度时空服务产品，向全球不同频点的gnss用户提供高精度时空服务。19.根据本发明的构思，该方法利用广域监测站对gnss卫星部分频点的观测数据按照以下s1、s2、s3和s4等步骤的描述实时计算高精度卫星轨道、钟差参数、电离层延迟和对流层延迟等不同频点的共用参数、以及gnss卫星部分频点的相位偏差参数和码间偏差参数，然后利用局域监测站对gnss卫星全部频点的观测数据计算gnss卫星其他频点与部分频点的码间偏差参数差异和相位偏差参数差异并进行预报，最终生成gnss卫星全弧段全部频点的码间偏差参数和相位偏差参数，将上述产品播发给全频点用户提供高精度时空信息服务。这里描述的部分频点是指可被广域监测站观测到的gnss卫星部分频点的导航信号。全部频点是指gnss卫星播发的全部导航信号。其他频点是指除去可被广域监测站观测到的gnss卫星部分频点以外的导航信号。其他频点仅可被小范围内的局域监测站观测。20.参照图1，上述方法的流程具体包括：21.步骤s1，利用广域监测站对gnss卫星的部分频点的观测数据对gnss卫星进行定轨。22.进一步的，步骤s1中的观测数据为gnss卫星的部分频点的伪距和载波相位的无电离层组合。步骤s1中利用观测数据对gnss卫星进行统计动力学定轨和轨道预报，解算gnss卫星初轨、动力学参数和测量参数，获得gnss卫星精密预报轨道。23.具体的，(1)以卫星广播星历作为卫星定轨处理的初轨参数，构建t卫星状态转移矩阵的微分方程。24.假设有状态矢量表征卫星在时刻t的位置和速度：[0025][0026]满足一阶微分方程[0027][0028]那么，[0029][0030]假定状态转移矩阵为[0031][0032]根据上式可以得到φ(t,t0)的微分方程：[0033][0034]初始条件为：[0035]φ(t0,t0)＝i3*3[0036](2)以卫星广播星历作为卫星定轨处理的初轨参数，计算时刻t卫星敏感矩阵的微分方程[0037]敏感矩阵是指卫星状态矢量对动力学参数pi(i＝1,…,np)的依赖关系：[0038][0039]敏感矩阵的微分方程给出了状态矢量对动力学模型参数的偏导数关系，计算过程类似，有：[0040][0041]或者：[0042][0043]由于t0时刻卫星状态矢量与动力学参数p无关，因此敏感矩阵的初始条件为[0044]s(t0)＝0[0045](3)根据t卫星状态转移矩阵和敏感矩阵的微分方程，构建变分方程，进行轨道积分得到当前时刻卫星轨道的近似值及其对卫星初轨参数和摄动加速度参数的偏导数[0046]将状态转移矩阵和敏感矩阵的微分方程组合在一起可以得到以下形式：[0047][0048]上式为一阶初值问题，可以用数值积分的方法进行求解。如果要采用二阶微分方程直接积分的方法进行求解，需要对变分方程的形式进行转换，首先将φ和s分解为：[0049][0050][0051]由于[0052][0053]变分方程可写为：[0054][0055]由于加速度与速度无关，即为零，意味着二阶形式变分方程的右侧与无关。可以使用数值记分方法完成卫星轨道的计算(如龙格库塔积分器)。[0056](4)循环处理可用的广域监测站伪距相位无电离层组合观测数据，结合第(3)步得到的卫星轨道近似值和偏导数，组建法方程，利用最小二乘估计计算出卫星初轨参数和动力学参数估计结果[0057]导航卫星精密定轨处理时除卫星初轨、动力学参数外，还应包括测量参数qi(i＝1,…,nq)。测量参数包括对流层延迟尺度因子、相位数据模糊度参数、卫星和测站钟差、星间双向测距和星地双向钟差测量结果的设备时延。[0058]对于观测数据l(t)，其可以作为卫星的状态矢量和测量参数的非线性函数，如：[0059]l(t)＝g(y(t),q)[0060]卫星的状态矢量可以根据卫星初轨和动力学参数利用数值积分的方式得到，上式可以得到：[0061]l(t)＝g(y(t0),p,q)[0062]分别存在卫星初轨、动力学参数和测量参数的参考初值y*(t0)、p*和q*，对上式线性化处理，可得：[0063][0064]其中，δy(t0)为精密定轨解算的卫星初轨参数相对于y*(t0)的改正量，δp为动力学参数相对于p*的改正量，δq为测量参数相对于q*的改正量。[0065]令[0066][0067]x＝(δy(t0) δp δq)t[0068]l(t)＝l(t)-g(y*(t0),p*,q*)[0069]则上式可以写为：[0070]v(t)＝b(t)·x-l(t)[0071]可以看出，x为精密定轨的待估参数向量，b为观测数据l(t)的系数矩阵，l(t)为观测数据l(t)的常数矩阵。[0072]对于所有的观测数据，观测方程为：[0073][0074]其中，pi为观测数据1(ti)的权重。[0075]另外，考虑到卫星初轨、动力学参数和测量参数参考初值y*(t0)、p*和q*的权重，有：[0076]v0＝x-x0,p0[0077]x0为待估参数初值。构造矩阵如下：[0078][0079][0080]利用最小二乘原理，待估参数的最优估计为：[0081][0082]步骤s2，利用广域监测站对gnss卫星的部分频点的观测数据进行实时滤波解算得到钟差参数。[0083]进一步的，步骤s2中的观测数据为gnss卫星的部分频点的伪距和载波相位的无电离层组合。具体的，步骤s2包括：步骤s21，在步骤s1的基础上，固定所述gnss卫星精密预报轨道，以广域监测站对gnss卫星的部分频点的伪距和载波相位的无电离层组合作为输入，采用卡尔曼滤波逐历元解算gnss卫星钟差参数，同步伴随估计出载波相位数据的模糊度参数。步骤s22，对gnss卫星精密轨道进行外推生成预报轨道，同时在非差消电离层组合观测值的基础上进行粗差剔除、周跳探测与修复，然后通过固定外推的预报轨道，并且引入广域监测站坐标和erp等公共参数，加入对流层延迟、测站潮汐改正、卫星天线相位中心偏差、相对论周期项和相对论引力延迟等各种改正后，进行参数估计，直到满足设定的残差阈值，退出迭代，得到精密的gnss卫星钟差参数。[0084]其中，步骤s21包括：步骤s211，对当前广域监测站的接收机的伪距和载波相位数据进行预处理，所述预处理包括粗差的剔除，以及周跳的探测两个部分。主要使用非差双频伪距相位的mw组合和电离层残差组合观测值剔除粗差和探测并修复周跳。这种办法虽然可以将大部分周跳和粗差探测出来，但是仍然会存在一些小的周跳，这部分周跳将在后面的阶段通过严格的质量控制方法予以处理。[0085]步骤s212，对于所述步骤s211得到的广域监测站的接收机的伪距和载波相位数据的无电离层组合的时刻，对预报轨道进行拉格朗日内插得到卫星发射时刻的gnss卫星轨道，然后结合地面监测接收机的精确坐标计算星地距离，得到先验残差序列。[0086]步骤s213，对当前利用所有的广域监测站的观测数据均进行所述步骤s212的处理，得到系数矩阵和常数矩阵，构建法方程矩阵，利用卡尔曼滤波实时估计gnss卫星的钟差、大气和模糊度的参数。[0087]步骤s3，利用广域监测站对gnss卫星的部分频点的观测数据解算出码间偏差参数和相位偏差参数。[0088]进一步的，步骤s3中码间偏差参数的解算过程包括：计算广域监测站对gnss卫星部分频点的伪距数据的电离层残差组合，采用电离层延迟建模的方式将电离层延迟与码偏差参数的分离，得到码间偏差参数的高精度估计；[0089]具体的，gnss卫星的伪距观测方程如下式所示：[0090][0091]其中，pi为伪距观测量，为接收机j与卫星k之间的几何距离，δtj为接收机j的钟差，δtk为卫星k的钟差，δtcor为可用模型修正的误差，dtrop为对流层延迟，为卫星k第i个频点的通道时延，τi,j为接收机j第i个频点的通道时延，tec为斜路径上的总电子含量，fi为第i个频点的载波频率，εi为包含多路径在内的测量误差，c为光速；[0092]根据上式，不同频点间差分可得到双频无几何组合：[0093][0094]其中，ifbj＝τ1,j-τ2,j；[0095]根据igs发布的电离层图gim，可以将上式中tec作为已知量，从而得到gnss卫星与接收机硬件延迟组合值：[0096][0097]根据预定的球谐模型(低阶或高阶皆可)，上述tec看作是包含电离层模型参数未知数的已知量；对所有gnss卫星和所有接收机得到的硬件延迟组合值建立方程组，其秩亏一，需要加上适当的约束使得方程满秩。[0098]进一步的，步骤s3中相位偏差参数的解算过程包括：以所述步骤s2得到的载波相位数据模糊度参数为输入，通过多站多星联合解算的方式计算出高精度的相位偏差参数；[0099]具体的，系统端的模糊度固定与轨道和钟差解算一起进行，定轨计算的输入数据有初始轨道、初始钟差、若干全球分布的接收机观测数据、接收机的精确坐标，采用非差无电离层组合作为基本观测量；[0100]首先，要计算卫星轨道及钟差浮点解，该步骤不进行模糊度固定，模糊度参数结果为实数形式：[0101]对初始轨道进行拟合，得到初始轨道根数和动力学模型参数，进行轨道积分，得到参考轨道、状态转移矩阵、敏感矩阵；[0102]对观测数据进行预处理，剔除明显不合理粗差，对相位观测数据进行周跳探测与修复，对观测数据进行天线相位中心改正、天线相位缠绕改正、对流层改正、相对论改正、潮汐改正，并利用双频观测数据分别组成伪距无电离层组合观测量和相位无电离层组合观测量；[0103]根据参考轨道、初始钟差、测站坐标和无电离层组合观测量构建观测方程，计算o-c值，进而进行参数估计，得到新的轨道参数、钟差参数，并通过5到7次迭代，剔除粗差，得到精度更优的浮点解轨道和钟差结果；[0104]然后，计算卫星轨道及钟差固定解，同时估计卫星upd参数：对浮点解轨道进行积分，得到精度更高的参考轨道、状态转移矩阵及敏感矩阵；[0105]将浮点解中得到的无电离层组合模糊度分解为宽巷模糊度和窄巷模糊度，并选取独立基线、组成站星双差，使模糊度具备整周特性；由于宽巷模糊度波长达0.86m，较易固定，宽巷模糊度由mw组合观测量计算得到，为削弱伪距噪声和多路径影响，对宽巷模糊度进行历元间平滑后，就近取整固定宽巷模糊度，而窄巷模糊度则通过lamda法搜索固定；[0106]根据浮点解轨道钟差、测站坐标和无电离层组合观测量构建观测方程，计算o-c值，并将双差整周模糊度固定结果作为约束条件，进行参数估计，得到新的轨道参数、钟差参数，并通过3到5次迭代，提高整周模糊度固定成功率，剔除粗差，得到最终的固定解轨道和钟差；[0107]最后，根据模糊度固定结果，计算gnss卫星及接收机的upd参数，为解决解算时的秩亏问题，选择某颗卫星或者某个接收机作为参考基准，认为其upd参数为0，或者选择整个星座upd均值为0作为基准；对得到的宽窄巷upd参数进行转换，得到卫星两个频点对应的upd参数估计值。[0108]步骤s4，固定步骤s1得到的gnss卫星精密预报轨道、步骤s2得到的gnss精密钟差、步骤s3得到的码间偏差参数和相位偏差参数，利用广域监测站对gnss卫星的部分频点的观测数据进行精密单点定位处理，采用实时滤波的方法解算出电离层延迟参数和对流层延迟参数。[0109]进一步的，步骤s4中的观测数据为广域监测站对gnss卫星的部分频点的伪距和载波相位数据的多频非差非组合。[0110]步骤s4完成解算后实时将电离层延迟参数和对流层延迟参数进行格网化处理，生成电离层延迟模型背景场和对流层延迟模型背景场、格网化的残余电离层斜路径延迟和对流层延迟。[0111]具体的，通过对原始伪距和载波观测量进行各项误差改正，同时将精密轨道和钟差当成已知值并对方程进行线性化，任一卫星导航系统的非组合ppp的伪距和载波观测方程可简化为[0112][0113][0114][0115][0116][0117]式中，和为加入各项误差改正后的伪距和载波观测量，γi＝f12/fi2，为l1频点的电离层延迟，包含接收机端和卫星端的硬件延迟(dcb)，其中，分别为接收机端和卫星端伪距硬件延迟偏差。[0118]当进行非差非组合定位时，与消电离层组合时的处理方式一致，将其它系统的接收机钟差表示为接收机钟差加上系统时间偏差的形式，卫星导航系统s的非组合ppp伪距和载波方程可进一步表示为[0119][0120][0121][0122][0123][0124][0125]上式中，系统时间偏差参数与消电离层组合模型中的isb参数形式一致，同时，上式对任一卫星导航系统的非组合ppp模型进行了统一概括，适用于任一卫星导航系统及多系统组合ppp。[0126]综上，非组合ppp模型和估计的参数为[0127][0128][0129][0130][0131][0132]此时，x为方程中的待估参数向量，x向量中的参数分别为测站坐标改正数、接收机钟差、含有硬件延迟影响的系统时间偏差、天顶对流层延迟、电离层延迟和模糊度。[0133]步骤s5，利用局域监测站对gnss卫星的全部频点的观测数据解算出部分频点与其他所有频点的伪距频内差和相位频内差。[0134]进一步的，步骤s5中的观测数据为广域监测站对gnss卫星的全部频点的伪距和载波相位数据的多频非差非组合。[0135]示例性的，以北斗系统b1频点为例，假定和分别代表接收机r对卫星i在b1c频点和b1i频点的伪距观测，将其作差，得到：[0136][0137]上式中，为卫星i的b1c频点与b1i频点的频内差参数，为接收机r的b1频点与b1i频点的频内差参数。[0138]通过多个监测接收机对多颗卫星的观测联立观测方程组利用最小二乘估计得到所有卫星和接收机b1频点与b1i频点的频内差参数。[0139]b1c频点和b1i频点的相位差的观测方程：[0140][0141]同样的，通过构建观测方程，利用最小二乘估计可得出卫星i的所有频点伪距频内差和相位频内差参数。[0142]步骤s6，对步骤s5得到的伪距频内差和相位频内差进行预报，生成gnss卫星全弧段所有频点的码间偏差参数和相位偏差参数。[0143]具体的，由中国区域监测站原始观测值做差直接得到伪距频内差、相位频内差，然后利用时间序列预报方法得到全弧段的码偏差和相位偏差值。时间序列是随时间改变而随机变化的序列。目前时间序列模型主要有3种：ar(p)模型(自回归模型)、ma模型(滑动平均模型)和arma模型(自回归滑动平均模型或混合模型)，其中ar(p)模型是作为预报模型中发展较为完善的模型。[0144]ar(p)模型可以定义为对于一个平稳、正态、零均值时序{yt}，有[0145][0146]式中，yi(i＝t,t-1,…,t-p)表示i时刻的取值；为系数；ε(k)为服从nid(0,σε2)的白噪声；p为阶数。[0147]由于ar(p)模型针对平稳化时序或似平稳化时序进行分析预报，而钟差时间序列短期预报中由于随机噪声引起的随机波动可能会起到比较重要的作用(特别是稳定性较差的钟),本发明提出采用该模型对卫星钟差进行钟差短期预报,并对其算法进行了更新。依据卫星钟差短期范围内符合二次多项式特性的特点，本发明建模思想：在平稳化数据时采用二次多项式模型提取趋势项，随机项采用差分ar(p)模型建模。这样，即使是针对钟差走势不成线性变化的钟，ar(p)模型同样可以将其残差模型化，从而达到提高钟差预报精度的特点。[0148]步骤s7，播发卫星轨道参数、钟差参数、延迟参数和偏差参数并进行定位解算。这里，可以选择任意的通信形式进行播发。[0149]对于本发明的方法所涉及的上述各个步骤的序号并不意味着方法执行顺序的先后，各步骤的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明的实施方式的实施过程构成任何限定。[0150]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包括在本发明的保护范围之内。









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