专利名称：一种用于测绘与导航的实时高精度定位方法
技术领域：
本发明涉及用于测绘与导航的定位技术，特别是涉及一种用于测绘与导航的实时
高精度定位方法。
背景技术：
全球定位系统(GPS)作为20世纪测绘技术革命性的发展成果，被广泛地应用于导 航、大地测量、地球动力学和自然灾害监测等领域，开启了空间大地测量研究新领域，使传 统的测量手段发生了翻天覆地的变化。在过去近20年里，美国的GPS —直是卫星定位技术 应用的代表，处于垄断地位。然而，GPS的初衷是为美国的军事服务，辅助武器精确锁定打击 目标，因此作为美国垄断的GPS系统严重地威胁着各个国家的军事安全。随着世界各联盟 和超级大国的科技与经济发展，他们纷纷提出发展独立自主的卫星导航系统，例如俄罗斯 加快GL0NASS卫星计划的发展，预期截至2009年，将完成24颗GL0NASS卫星的空间布局； 欧盟联合建立Galileo系统，该系统的建立将彻底打破GPS的国际垄断地位，确保欧盟各国 的军事安全并提高欧盟各国范围内的民用精度和可靠度；中国继2003年发射北斗一代区 域服务双卫星系统以来，积极发展我国自主的全球导航卫星系统——北斗二代，为我国军 事提供可靠的、高精度的服务，同时根据北斗二代卫星的空间布局，可大大地提高我国及其 周边区域的定位精度。 根据采用不同类型的观测值，GPS定位精度可笼统地分为两类米级和厘米级。一 般来说采用伪距观测值可得到米级定位结果，采用相位观测值可得到厘米级实时定位结 果。因此，如果要得到高精度的定位结果，必须采用相位观测值。然而，采用相位观测值定 位，整周模糊度一直是非常棘手的问题，必须事先准确固定，否则非但得不到厘米级定位精 度，甚至连伪距定位结果都不如。 要得到厘米级实时定位结果，必须很好地考虑两个主要因素长距离差分定位中 的电离层延迟抑制和整周模糊度的正确固定。 一般来说电离层延迟可通过LI和L2两个基 础载波频率观测值组成的无电离层组合很好地消除。因此，核心问题是两个基础频率上整 周模糊度的准确固定。尽管发展了很多方法来提高双频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，对模糊度的成功率改善甚微。对于双频观测值， 一般 先求解宽巷组合模糊度，然后用估计宽巷模糊度的无电离层组合求解基础载波模糊度。由 于GPS两个频率构成的宽巷组合波长约为86厘米，求解基础载波的无电离层组合波长仅为 10厘米，加之对流层、多路径效应的影响，模糊度求解非常困难，尤其是基础载波模糊度，正 确固定极其困难。因此，当前采用单基准站差分信号的导航精度仅为米级，只有采用多参考 站技术才能实现厘米级定位。当三频观测信号出现后，可以打破这种局面，即只采用单参考 站实现长距离厘米级实时定位。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度高、稳定性强、适用范围广的用于测绘与导航的实时高精度定位方法。 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种用于测绘与导航的实时高精度
定位方法，包括以下步骤 (a)对参考站和流动站的三频观测数据进行预处理周跳探测、修复以及粗差检 测、剔除; (b)用预处理后的参考站和流动站的三频观测数据构成超宽巷最优组合观测值 ①(0，1，-l)、①(l，-6，5)以及窄巷组合观测值P(O，l，l); (c)检测上一个历元模糊度是否固定，若是，则执行步骤(d);若否，则执行步骤 (e); (d)在确保正确处理周跳的前提下传递上一个历元固定的模糊度到当前历元，执 行步骤(f); (e)采 用Geometry-free和Geometry-based模型固定超宽巷最优组合观测值 ①(0，1，-l)、①(l，-6，5)的模糊度，执行步骤(f); (f)利用两个模糊度固定的超宽巷观测值反求电离层延迟并对任一宽巷观测值改 正，对电离层改正后的宽巷观测值平滑处理，得到高精度观测值；
(g)用高精度观测值进行定位。 所述的步骤(e)利用最优组合观测值①(0， l，-l)和窄巷组合观测值P(O， 1， 1)构 成Geometry-free和Ionosphere-free组合固定模糊度，可确保单历元正确固定模糊度。
所述的步骤(e)采用超宽巷最优组合观测值①(1，_6，5)和窄巷组合观测值P(O， 1， 1)构成Geometry-based模型固定模糊度，可确保在几个历元正确固定模糊度。
所述的高精度处理包括 利用模糊度固定的两个超宽巷最优组合(或它们的线性组合)观测值反求双差电 离层延迟； 用双差电离层延迟修正超宽巷(或宽巷)最优组合观测值；
对修正后的超宽巷(或宽巷)最优组合观测值进行平滑处理。
所述的高精度处理包括 利用模糊度固定的两个超宽巷最优组合(或它们的线性组合)观测值反求双差电 离延迟； 对双差电离延迟进行平滑处理，可得到高精度的双差电离层延迟； 采用平滑处理后的双差电离延迟对超宽巷(宽巷)最优组合观测值的电离层延迟
进行修正。 与现有技术相比，本发明具有以下优点 (1)不需要求解基础载波模糊度，只需要求解两个超宽巷模糊度，单历元固定上百 公里基线的整周模糊度成功率超过99% ; (2)对两个超宽巷组合求得的电离层进行平滑处理，可得到高精度的电离层延迟 产品，该产品可用于空间三维电离层层析等空间物理相关研究领域； (3)利用该方法可实现上百公里的单参考站厘米级实时定位，这意味着在我国中 等城市，采用一个参考站即可实现覆盖整个城市的厘米级实时定位服务，打破了目前采用 多参考技术才能实现覆盖整个城市的厘米级定位服务，将大大节约建立和维护多个参考站所需费用； (4)本发明同样适用于其他多频率导航卫星系统，例如欧盟的Galileo和我国的 北斗二代全球导航卫星系统。同样，采用本发明可联合GPS、 Galileo和北斗二代等多系统 定位，这样可在我国及周边区域实现精度更高、稳定性更强的定位结果，从而广泛地服务于 基础测绘等领域。
图1为本发明的实施例1的流程图；
图2为本发明的实施例2的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。 如图1、2所示，一种用于测绘与导航的实时高精度定位方法，包括以下步骤
(a)对参考站和流动站的三频观测数据进行预处理周跳探测、修复以及粗差检 测、剔除; (b)用预处理后的参考站和流动站的三频观测数据构成超宽巷最优组合观测值 O(0，l，-l)、O(l，-6，5)以及窄巷组合观测值P(O，l，l); (c)检测上一个历元模糊度是否固定，若是，则执行步骤(d);若否，则执行步骤 (e); (d)在确保正确处理周跳的前提下传递上一个历元固定的模糊度到当前历元，执 行步骤(f); (e)采用Geometry-free和Geometry-based模型固定超宽巷最优组合观测值 ①(0，1，-l)、①(l，-6，5)的模糊度，执行步骤(f); (f)利用两个模糊度固定的超宽巷观测值反求电离层延迟并对任一宽巷观测值改 正，对电离层改正后的宽巷观测值平滑处理，得到高精度观测值；
(g)用高精度观测值进行定位。 所述的步骤(e)利用最优组合观测值①(0， l，-l)和窄巷组合观测值P(O， 1， 1)构 成Geometry-free和Ionosphere-free组合固定模糊度，可确保单历元正确固定模糊度；所 述的步骤(e)采用超宽巷最优组合观测值①(1， _6，5)和窄巷组合观测值P(O，l，l)构成 Geometry-based模型固定模糊度，可确保在几个历元正确固定模糊度。所述的高精度处理 包括(l)利用模糊度固定的两个超宽巷最优组合观测值得到双差电离层延迟，用双差电 离层延迟修正超宽巷最优组合观测值，对修正后的超宽巷最优组合观测值进行平滑处理， 得到高精度的超宽巷组合观测值；(2)利用模糊度固定的两个超宽巷最优组合观测值得到 双差电离延迟，对双差电离延迟进行平滑处理，可得到高精度的电离层延迟，故采用平滑处 理后的双差电离延迟对超宽巷最优组合观测值的电离层延迟进行修正，也可得到高精度的 超宽巷组合观测值宽巷。
实施例1 如图l，本实施先用两个超宽巷组合求解得到的噪声较大的电离层延迟对超宽巷 (宽巷)观测值修正，然后对修正后的超宽巷(宽巷)观测值平滑，用平滑后的高精度观测值定位。 实施例2 如图2，本实施例对两个超宽巷组合求解的噪声较大的电离层延迟平滑，得到高精 度的电离层延迟，然后用高精度的电离层延迟修正超宽巷(宽巷)观测值，用修正后的观测 值直接定位。 本发明在实际操作中应注意的具体问题如下 首先设置参考站，参考站的设置应该尽量位于测区覆盖范围的中心部位，要求周 围观测环境良好，视野开阔，视场内周围障碍物的高度角一般应小于10度；点位应远离大 功率无线电发射源(如电台，微波站及微波通道等)及高压线，以避免周围磁场对信号的干 扰；点位周围不应有对电磁波反射(或吸收)强烈的物体，以减弱多路径效应的影响，最好 使用扼流圈天线以有效抑制多路径效应。建立发射台，发射参考站观测信息，一般发射台要 求有适当大的功率，以满足长距离多用户的需求。参考站接收机接收三频卫星观测数据并 发送到发射中心，发射中心向流动站播发参考站观测信息。 在用户流动站部分同步观测三频卫星信号，并接收参考站信号，对参考站和流动 站的数据进行预处理。先对非差观测值处理，剔除大的周跳、处理明显异常，内插异常的相 位和伪距观测值。如果采用精密星历，需要采用切比雪夫正交多项式拟合精密星历并确定 拟合系数。为了进一步探测和修复小周跳和小粗差，用参考站数据与流动站数据构成单差、 双差乃至三差观测值，有必要时还应构成Geometry-free和Ionosphere-free等组合观测 值探测修复周跳，采用一维粗差探测理论发现粗差，从而剔除粗差。 用参考站和流动站三个频率的双差观测值分别构成组合观测值①(0， 1， -1)和 ①(l， _6，5)，双差伪距观测值构成窄巷组合观测值？(0，1，1)。在求解模糊度N(O，l， -1) 时，伪距窄巷观测值P(O， 1， 1)与相位观测值①(0， l，-l)形成Geometry-free组合观测值， 该组合还能有效地消除电离层延迟的影响，因此模糊度N(O，l， -1)非常容易求解，单历元 解算成功率始终为100%。该组合的最大特点是消除了对流层和电离层延迟，模糊度解算 成功率不受基线长度的限制。伪距窄巷观测值P(O，l，l)与相位观测值O(l， _6，5)构成 Geometry-based模型，单历元同时求解模糊度和位置参数，试验结果表明，上百公里基线单 历元模糊度成功率超过99%，如果联合多个历元求解，可成功固定模糊度。在该模型中，伪 距窄巷组合观测值P(O， 1， 1)主要起到提供位置约束条件的作用，所以它的总体误差(电离 层、对流层和噪声)越小，约束条件越强，因此，当基线较长时，为了有效地抑制电离层的影 响，还可采用无电离层组合的伪距观测值P(0，77，-60)取代窄巷观测值。此外，当初始化成 功后，在导航过程中可直接传递上一个历元的整周模糊度到当前历元，前提是要确保这两 个历元之间没有周跳。 利用固定的两个超宽巷模糊度可恢复其它任意一个超宽巷或者宽巷组合模糊度， 例如N(l，-l，O) = 5N(0，l，-l)+N(l，-6，5)，也就是说当两个超宽巷组合模糊度固定后，所 有的超宽巷和宽巷模糊度都相应固定。用任意两个模糊度固定的超宽巷(宽巷)组合观 测值求解双差电离层延迟，得到的双差电离层延迟总体而言精度较差。采用模糊度未固定 的Ll和L2基础载波观测值可计算高精度的相对电离层延迟，用该高精度相对电离层延迟 量平滑低精度绝对电离层延迟量，经过2分钟的平滑可得到优于3厘米的电离层延迟结果。 值得说明的是，平滑的电离层延迟精度主要受到相对电离层延迟精度的影响，因此平滑时间要适当，不宜过长也不能过短，过短不能得到厘米级精度的绝对电离层延迟，过长也无法 获得更高精度的结果，且浪费了平滑时间，增加了计算量，因此平滑时间应选择在2到3分 钟之间为宜。 无论采用实施例1的方案还是实施例2的方案，最终都是要得到高精度的宽巷观 测值，然后利用该高精度观测值实现定位。在定位过程中，如果观测值数目少于3，则无法定 位，只能利用前几个历元定位结果和当前历元的观测信息给出预报结果；如果正常观测值 的数目等于3，则可定位，但定位结果非常脆弱，如果有一个观测值出现粗差，则会对定位结 果产生明显的影响，因此仍然有必要采用前几个历元的定位信息，辅助提高当前历元定位 可靠性；如果正常观测数目大于3，则可在定位过程中检测并剔除粗差，提高定位精度和可 靠性。
权利要求
一种用于测绘与导航的实时高精度定位方法，包括以下步骤(a)对参考站和流动站的三频观测数据进行预处理周跳探测、修复以及粗差检测、剔除；(b)用预处理后的参考站和流动站的三频观测数据构成超宽巷最优组合观测值Φ(0，1，-1)、Φ(1，-6，5)以及窄巷组合观测值P(0，1，1)；(c)检测上一个历元模糊度是否固定，若是，则执行步骤(d)；若否，则执行步骤(e)；(d)在确保正确处理周跳的前提下传递上一个历元固定的模糊度到当前历元，执行步骤(f)；(e)采用Geometry-free和Geometry-based模型固定超宽巷最优组合观测值Φ(0，1，-1)、Φ(1，-6，5)的模糊度，执行步骤(f)；(f)利用两个模糊度固定的超宽巷观测值反求电离层延迟并对任一宽巷观测值改正，对电离层改正后的宽巷观测值平滑处理，得到高精度观测值；(g)用高精度观测值进行定位。
2. 根据权利要求l所述的一种用于测绘与导航的实时高精度定位方法，其特征在 于，所述的步骤(e)利用最优组合观测值O(O，l， -1)和窄巷组合观测值P(O，l，l)构成 Geometry-free和Ionosphere-free组合固定模糊度，可确保单历元正确固定模糊度。
3. 根据权利要求1所述的一种用于测绘与导航的实时高精度定位方法，其特征在于， 所述的步骤(e)采用超宽巷最优组合观测值①(l，-6，5)和窄巷组合观测值P(O，l，l)构成 Geometry-based模型固定模糊度，可确保在几个历元正确固定模糊度。
4. 根据权利要求2或3所述的一种用于测绘与导航的实时高精度定位方法，其特征在 于，所述的高精度处理包括利用模糊度固定的两个超宽巷最优组合(或它们的线性组合)观测值反求双差电离层 延迟；用双差电离层延迟修正超宽巷(或宽巷)最优组合观测值； 对修正后的超宽巷(或宽巷)最优组合观测值进行平滑处理。
5. 根据权利要求2或3所述的一种用于测绘与导航的实时高精度定位方法，其特征在 于，所述的高精度处理包括利用模糊度固定的两个超宽巷最优组合(或它们的线性组合)观测值反求双差电离延迟；对双差电离延迟进行平滑处理，可得到高精度的双差电离层延迟；采用平滑处理后的双差电离延迟对超宽巷(宽巷)最优组合观测值的电离层延迟进行 修正。
全文摘要
本发明涉及一种用于测绘与导航的实时高精度定位方法，包括对参考站和流动站的三频观测数据进行预处理，用预处理后的参考站和流动站的三频观测数据构成超宽巷最优组合观测值Φ(0，1，-1)、Φ(1，-6，5)以及窄巷组合观测值P(0，1，1)，检测上一个历元模糊度是否固定，若是，就在确保正确处理周跳的前提下传递上一个历元固定的模糊度到当前历元，若上一个历元的模糊度没有固定，就利用Geometry-free和Geometry-based模型固定最优组合模糊度；利用两个模糊度固定的超宽巷观测值反求电离层延迟并对任一宽巷观测值改正，对电离层改正后的宽巷观测值平滑处理，得到高精度观测值，用高精度观测值进行定位。本发明算法简单、精度高、性能稳定，使用范围广。
文档编号G01S5/00GK101750600SQ200810207309
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者周泽波, 李博峰, 沈云中 申请人:同济大学