专利名称：全球导航卫星系统增强系统监测站的自主完备性监测方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航领域，特别是利用全球导航卫星系统增强系统，对该系统监 测站进行自主完备性监测的方法。
背景技术：
全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，简称GNSS)可以在全 世界的陆海空范围内实现实时连续高精度的位置速度以及时间等导航信息，在各类用户中 得到了广泛应用。GNSS增强系统是使得用户获得高精度导航定位成果的关键技术。在一般的GNSS 增强系统如 GPS (Global Positioning System，简称 GPS)的广域 增强系统WAAS (Wide Area Augmentation System，简称WASS)中，一般主要由以下五部分 组成地面连续运行参考站 CORS 站(ContinuouslyOperating Reference Stations，简称 C0RS)、主控站、差分信息监测站、GNSS差分播发站、通讯网络以及用户站。地面连续运行参考站布设的个数与GNSS增强系统所要覆盖的范围有关，在某些 省级范围内，一般可以为100公里左右建设站点为宜。地面连续运行参考站的功能为接收 GNSS观测数据，并通过通讯网络传输到主控站。地面连续运行参考站要求是周围有不低 于5°高度角的GNSS卫星跟踪的360°全视野，周围不能有强反射的地物、地貌；绝对精度 优于1厘米；配备高精度双频GNSS接收机，具有实时传输数据的能力。主控站是GNSS增强系统的核心，主要作用是收集、贮存各CORS站传输过来的 GNSS原始数据以及计算精密星历和卫星钟差以及生成的网络差分信息。主控站的要求 是具备大容量的接收各CORS站传输数据的网络通讯设备，具备较高档的计算机和容量 大、速率快、可读写的数据存贮输出设备，具备推算预报精密星历的能力，具备计算卫星 预报钟差及其变率的能力，每6s计算一次，具备计算区域电离层改正模型的能力，具备 计算网络差分信息能力，并具备将差分信息改换成以RTCM(Radic) Technical Committee forMarine Services,航海无线电技术委员会)或 RTCA(Radio TechnicalCommission for Aeronautics，航空无线电技术委员会)规范规定的差分改正格式的能力，具备发播完备性 监测信息的能力。差分信息监测站的主要作用是监测整个GNSS增强体系，提供GNSS差分信息的完 备性、正确性信息以保证用户使用的安全性。差分信息监测站的要求是在GNSS差分信息 覆盖的有效工作范围区域内，应至少有一个监测站；监测站的设备与CORS站完全相同，但 应具有接收GNSS差分信息的接收设备；监测站为高精度站点，应优于1厘米；监测站具备 利用网络差分信息计算监测站位置并判断是否存在错误和识别粗差的能力；监测站与主控 站应有良好的通讯网络，实时的将完备性信息传输到主控站。GNSS差分播发站的主要作用是将主控站计算的外推6s的GNSS卫星钟差及其变率、电离层改正及卫星预报精密星历等结果以RTCM或RTCA格式实时、连续的向用户播发。 GNSS差分播发站的要求是要与主控站有数据通信专线联系，差分信息播发模式可以采用 电台调频副载波，数字蜂窝电话，卫星通讯以及公网等。
用户站可以备有单频，也可以备有双频接收机，但应同时具有接收三项差分信息进行定位的功能。用户在接收GNSS卫星信号的同时接收GNSS差分改正数据，据此进行单 点定位。在GNSS增强系统中，系统的完备性由连续运行参考站、监测站和主控站共同实时实现，要求它们之间要有高速、实时、可靠的数据通讯网。但一般而言，完备性监测主要通过 系统的监测站来完成，故称为监测站的完备性监测。系统的监测站独立于系统基准站，但其设备与基准站相同，相当于在系统差分改正信息覆盖范围内的一个已知坐标的静态用户站。它的GNSS观测数据不同于计算GNSS 差分改正值的观测数据，监测站的观测数据并不传送到主控站，而是利用主控站所发布的 GNSS差分信息和监测站的GNSS观测数据计算监测站的位置，并将计算值与已知值的差值 与GNSS增强系统的报警限值进行真值的比对，来判断差分改正信息的正确性。若超过允许 的限值，则说明观测值或差分改正信息有问题。而观测值一般采用平滑伪距，故出现随机粗 差的概率很小，特别是多个监测站上同时发出预警信号时，则说明差分改正信息有问题。进 一步可根据每个观测值的残差大小确定出具体卫星的问题，并通过删除该卫星观测值后的 定位结果与已知值的比较，确认该卫星的差分改正信息有问题，此时应在规定的示警耗时 内(例如6s内)通过播发站通告，向用户示警，通知用户不用该卫星的差分改正信息。当 无法确认哪一颗卫星有问题时，则意味着整个差分改正信息是不可靠的，将发出警告信息。监测站相当于已知该点真值坐标的用户站，可以采用最小二乘方法和卡尔曼滤波 方法定位实现监测站完备性的监测，以最小二乘法为例说明1)监测站粗差的检验最小二乘方法差分定位方程为V = B δ x-L P可解得δ χ = (BtPB) ^1BtPL则可得X = X 0 SX其中
A·Α八ΛyyΓΓ Sx = (Sxr^, Sxr2, Sxr^，CAt)在得出监测站坐标的平差值;^后，可与监测站的坐标真值(Xteue，Ytrue, ZteJT进行 求差比较，可得dX = (dXri, dX r2,dXr3)T
_4] = - Xtrue ,Xr2 ~ Ytrue，Xr3 _ rItrue V 当I大于规定的限值时，即监测站的位置偏差大于限值时，可判定该次定位结 果有问题，即观测值中含有粗差，其中<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>2)监测站粗差的分离监测站粗差的分离一般按照多个粗差来进行处理，所采用的多个粗差的处理方法 是向前_向后选择法，就是连续使用一维的数据探测法来发现多个粗差。向后选择法，从全部η个观测值参与平差出发，进行一维的数据探测，并去掉标准 化残差最大的那一个观测值；然后用η-1个观测值参与平差，再进行数据探测，依次下去， 直到IwiI <Κα为止。这种逐个剔除粗差的方法称为向后选择法，其缺点在于由于粗差对 每个观测值都有影响，尤其存在多个粗差时，第一步数据探测中标准化残差最大的观测值 很可能并不包含粗差，若将它剔除，很可能造成错误的判断。向前选择法，即从最小可能的无粗差的数据开始进行平差，余下的观测值认为可 能含有粗差；然后，将可能含有粗差的观测值逐个引入基本数据中进行平差，用统计判断作 出选择是接受观测值(认为其不含粗差)进入基本数据组，还是拒绝观测值(认为含有粗 差)。这种方法的困难在于无粗差数据组的选取比较困难，而且误差的分布受这种选取的 影响很大。向前-向后选择法，在第一阶段中先用数据探测法向后选择，找出那些怀疑有粗 差的观测值，然后再用向前选择法确定那些被怀疑的观测值是否真的含有粗差，或仍为正 常观测值参与平差。这种方法进行粗差分离比较保险，使粗差分离更为可靠。通过以上方式，监测站能够实现对GNSS差分信息的识别，并能够及时有效的向用 户通报差分信息的可用性。但发明人在研究和应用中发现这种监测站的完备性监测都是 基于监测站自身是正确的情况下，来判断GNSS差分信息正确性的。若监测站自身出现问 题，就无法实现差分信息的完备性监测。特别是在多个监测站同时进行完备性监测时。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全球导航卫星系统增强系统监测站的自主 完备性监测方法，用于解决现有GNSS增强系统中无法保证监测站自身准确性的缺陷。本发明的实施例提供了一种全球导航卫星系统增强系统监测站的自主完备性监 测方法，包括GNSS增强系统的各个监测站分别接收卫星星历，接收卫星原始观测数据；通过通讯网络将各个监测站的原始观测数据传输到主控站；主控站根据卫星精密星历和各个监测站的原始观测数据构建单星多监测站的误 差方程；根据各个监测站对卫星的不同高度角计算权阵；建立多星多监测站的误差及其权阵；根据误差方程、卫星权阵构建法方程，并根据最小二乘法进行求解；根据相应的残差进行粗差检验和粗差识别，实现监测站的完备性自主监测。本发明根据不同卫星在不同监测站上的观测数据，以卫星坐标、卫星钟差和监测站坐标为已知值，以各个监测站的接收机钟差为未知参数，计算监测站可能出现的粗差值。本发明提供了一种全新的监测站的自我检查方法，该方法具有如下优点1、直接利用监测站自身数据，不用增加设备；2、利用粗差检验和识别，分析监测站可能出现的错误，简便易行；3、本方法可以应用在GNSS增强系统上，使得GNSS增强系统的可靠性更强，保证了系统的刚性，更加便于GNSS增强系统为导航用户服务。
图1是本实施例提供的监测站自主完备性监测方法的流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。图1是本实施例提供的监测站自主完备性监测方法的流程图，该方法包括步骤101、GNSS增强系统的各个监测站分别接收卫星星历，接收卫星原始观测数据。GNSS增强系统监测站分布在网络覆盖的工作范围内，每个监测站作为独立的GNSS站点，各自接收相应的GNSS卫星星历以及原始观测数据。卫星星历每两个小时播发一次，可以用于计算卫星位置坐标。卫星的原始观测一般包括伪距观测值，精码观测值以及载波相位观测值等，是进行数据处理的基础数据。卫星星历和卫星观测数据都作为GNSS定位的原始数据。需要说明的是，此处监测站接收的卫星星历是广播星历，精度较差，在后续的高精度数据处理中，一般采用IGS组织提供的精密星历，精密星历的精度可以达到5cm，而广播星历的精度为2-3米。步骤102、通过通讯网络将各个监测站的原始观测数据传输到主控站。各个监测站得到各自的原始数据后，要求将所有的原始数据按照1秒的采样率打包实时传输到主控站，数据的格式可以采用标准的RINEX格式(Receiver Independent Exchange Format，与接收机无关的交换格式)或者自定义格式。步骤103、主控站接收各个监测站传输的原始观测数据。主控站设置通讯网络的接收端，以及大型的计算机和存储设备，接收各个监测站发送过来的原始观测数据，并按站点分别接收，存储到不同文件里。步骤104、根据卫星精密星历和各个监测站的原始观测数据构建单星多监测站的误差方程。根据主控站接收到的各个监测站的原始观测数据，利用IGS组织提供的卫星精密星历和各个监测站的观测数据构建单星多监测站的误差方程。卫星精密星历包含精确的卫星位置坐标及其卫星钟差，由于IGS组织提供的精密星历是15分钟一个历元，需要根据数据的实际情况进行内插获得瞬时的卫星坐标及其钟差。监测站作为已知的站点，它的站点坐标是已知的，且是高精度，一般优于1cm。一般的单站单星的C/A码伪距观测方程为
<formula>formula see original document page 8</formula>公式(1)
其中φ 为测站k在时刻i对卫星j的伪距观测值；为卫星坐标，叉^为测 站坐标；Δ tk⑴为接收机钟差；Δ tJ⑴是卫星钟差；C为光速；Δ tw、Δ tion, Δ tte。、Δ trel分 别为地球自转改正、电离层改正、对流层改正和相对论延迟。伪距上加入的改正所采用的模型主要包括对流层折射通常根据测站气象元素用 Saastamoinen模型计算，电离层折射改正采用克劳布歇(Klobuchar)模型等。由于卫星坐标和卫星钟差以及监测站坐标都是已知的，(1)式经过变形可得确定 接收机钟差的误差方程公式(2)式中:VJk 为伪距观测值P/ (O对应的观测误差。以接收机钟差为未知数，(2)式可简写为 _4] V/( ) = Δ々(/)-//(/)
<formula>formula see original document page 9</formula>公式(3)当地面m个监测站同步观测该颗卫星时，则单星多监测站误差方程为<formula>formula see original document page 9</formula>公式⑷式中Β为监测站自主监测方法的设计距阵，为(mXl)阶距阵；F"/O")为观测误 差；sx(i)为未知数，为监测站接收机钟差；l(i)为常数项。<formula>formula see original document page 9</formula>
式(5)设计矩阵B为单位阵。步骤105、根据各个监测站对卫星的不同高度角计算权阵。在一般的GNSS单点定 位中，是不同的卫星对应同一个监测站，根据监测站和卫星的位置计算高度角和方位角。在 监测站的自主完备性监测中，是同一个卫星对应不同的监测站，也可以根据监测站和卫星 的位置计算高度角和方位角。权阵主要是根据卫星高度角定权，设高度角为90°时权最大，为W0，高度角为5° 时权最小，为1。假定权随高度角线形变化，则高度角为E的观测值权为<formula>formula see original document page 9</formula>W。的值可以取3或4。
则当地面m个监测站，同步观测该颗卫星(如1号星)时，单星多监测站的权阵 为
<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 10</formula> 公式(7)步骤106、建立多星多监测站的误差及其权阵。在实际的GNSS增强系统中，在某一瞬时历元是有多颗卫星在同时发送卫星信号， 则当m个监测站，同步观测η颗卫星时，监测站自主完备性监测的误差方程为<formula>formula see original document page 10</formula>公式(8)式中B为多颗卫星多个监测站自主完备性监测的设计距阵，为(nXm) Xm阶距阵； F"/ 为观测误差；S x(i)为未知数，包括监测站接收机钟差；1 (i)为常数项。
<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 10</formula>
<formula>formula see original document page 10</formula>公式(9)地面m个监测站，同步观测η颗卫星的多星多监测站的权阵为<formula>formula see original document page 10</formula>公式(10)其中<formula>formula see original document page 10</formula>公式(11)步骤107、根据误差方程、卫星权阵构建法方程，并根据最小二乘法进行求解。由于最小二乘法计算公式简单，未知参数精度评定客观，故此未知参数的计算一般采用最小二乘法。根据相应的误差方程，卫星权阵构建法方程，则<formula>formula see original document page 11</formula>公式(12)根据构建的法方程，最小二乘解及其精度为<formula>formula see original document page 11</formula><formula>formula see original document page 11</formula>公式(13)<formula>formula see original document page 11</formula>步骤108、根据相应的残差进行粗差检验和粗差识别，实现监测站的完备性自主监 测。根据监测站数和卫星数和相应的弃真概率α和纳伪概率β进行粗差检验；设原假设<formula>formula see original document page 11</formula> .备选假设<formula>formula see original document page 11</formula>因<formula>formula see original document page 11</formula>或Ρ{σ2<1 }=δ(α，β)式中
<formula>formula see original document page 11</formula><formula>formula see original document page 11</formula>当σ2 > k时，则拒绝H。，接受H1 ；否贝U，接受H0。根据粗差检验，若判断存在粗差的话，就需要将粗差识别并予以处理。监测站自主 监测粗差的分离可以按照多个粗差来进行处理，可以反复使用一维粗差剔除的方法。从全部nXm个观测值参与平差出发，进行一维的数据探测，并去掉标准化残差最 大的那一个观测值。然后用nXm-1个观测值参与平差，再进行数据探测，依次下去，直到 Iffi <κα为止，这样可以得出最小的无粗差观测值组。然后将可能存在的粗差回代误差方 程重新进行平差，确定最后的粗差观测值，即确定哪个监测站存在粗差。总之，以上所述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。
权利要求
一种全球导航卫星系统增强系统监测站的自主完备性监测方法，其特征在于，包括全球导航卫星系统增强系统的各个监测站分别接收卫星星历，接收卫星原始观测数据；通过通讯网络将各个监测站的原始观测数据传输到主控站；主控站根据卫星精密星历和各个监测站的原始观测数据构建单星多监测站的误差方程；根据各个监测站对卫星的不同高度角计算权阵；建立多星多监测站的误差及其权阵；根据误差方程、卫星权阵构建法方程，并根据最小二乘法进行求解；根据相应的残差进行粗差检验和粗差识别，实现监测站的完备性自主监测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将各个监测站的原始观测数据传输 到主控站具体包括各个监测站得到各自的原始观测数据后，将所有的原始观测数据按照1秒的采样率打 包实时传输到主控站，数据的格式采用标准格式或者自定义格式。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述构建的单星多监测站的误差方程 具体为V^(I) = Βδχ( )+ l(i)其中，B为监测站自主监测方法的设计距阵，为(mXl)阶距阵，厂/(Z‘)为观测误差， δχ( )为未知数，为监测站接收机钟差，l(i)为常数项； "1 0 0 0" 0 10 0<formula>formula see original document page 2</formula>设计矩阵B为单位阵。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据各个监测站对卫星的不同高 度角计算权阵具体包括设定高度角为90°时权最大，为W0，高度角为5°时权最小，为1 ；假定权随高度角线形 变化，则高度角为E的观测值权为jv = (W0-l)E + 9Q-5W0 85则当地面m个监测站，同步观测该颗卫星时，单星多监测站的权阵为<formula>formula see original document page 3</formula>
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述建立多星多监测站的误差及其权 阵具体包括当m个监测站，同步观测η颗卫星时，监测站自主完备性监测的误差方程为<formula>formula see original document page 3</formula>其中B为多颗卫星多个监测站自主完备性监测的设计距阵，为(nXm)Xm阶距阵， K/O')为观测误差，δχ( )为未知数，包括监测站接收机钟差，l(i)为常数项；<formula>formula see original document page 3</formula>地面m个监测站，同步观测η颗卫星的多星多监测站的权阵为<formula>formula see original document page 3</formula>其中<formula>formula see original document page 3</formula>
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据误差方程、卫星权阵构建法 方程，并根据最小二乘法进行求解具体包括根据误差方程、卫星权阵构建法方程，则法方程为<formula>formula see original document page 4</formula>根据构建法方程，最小二乘解及其精度为 δ χ = (BtWB) ^1BtWI<formula>formula see original document page 4</formula>
全文摘要
本发明公开了一种全球导航卫星系统增强系统监测站的自主完备性监测方法，包括GNSS增强系统的各个监测站分别接收卫星星历，接收卫星原始观测数据；通过通讯网络将各个监测站的原始观测数据传输到主控站；主控站根据卫星精密星历和各个监测站的原始观测数据构建单星多监测站的误差方程；根据各个监测站对卫星的不同高度角计算权阵；建立多星多监测站的误差及其权阵；根据误差方程、卫星权阵构建法方程，并根据最小二乘法进行求解；根据相应的残差进行粗差检验和粗差识别，实现监测站的完备性自主监测。本发明可以剔除可能存在的有错误的监测站，提高整个GNSS增强系统的可靠性。
文档编号G01S1/02GK101799525SQ20091008818
公开日2010年8月11日 申请日期2009年7月10日 优先权日2009年7月10日
发明者秘金钟 申请人:中国测绘科学研究院