一种基于导航卫星和低轨增强卫星的定位方法和系统与流程

本发明涉及卫星导航技术，尤其涉及一种基于导航卫星和低轨增强卫星的定位方法和系统。

背景技术

全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem,gnss)(包括美国gps、俄罗斯glonass、欧盟galileo、中国北斗、日本qzss和印度irnss等)主要是通过测定从卫星至接收机间的距离，采用距离后方交会原理确定运动载体位置、速度和时间(pvt)。卫星导航系统pvt性能除受限于卫星轨道、钟差产品精度外，还与电离层、对流层等误差模型精度以及模糊度参数固定的正确性相关。但是，定位、测速和授时定位参数解算的收敛速度则主要取决于导航卫星空间几何构型。当前，精密定位收敛过程在15分钟到30分钟不等，较长的收敛时间难以满足高精度实时定位要求。

为了减少收敛时间，当前主要采用区域增强或者多导航系统联合求解。区域增强系统(实时动态定位rtk、rtx、精密单点定位ppp-rtk)通过采用区域参考站解算当前区域的电离层、对流层等误差信息，以改正流动站处相应误差，从而达到模糊度参数与位置参数的快速分离，即可在几个历元内固定模糊度参数，达到厘米级定位结果以及相应精度的测速和授时结果。利用多导航卫星系统可以极大地增加可观测卫星数，改善卫星的空间几何构型，加快参数解算的收敛速度，从而提高pvt性能。

但是，上述方法都存在其局限性。区域增强系统受到了地域的限制，一般只能在一定的范围内提供高精度pvt服务，超过作用范围，其增强信息就不再可用。多导航卫星系统虽然能提高其收敛速度，但是由于现有导航卫星都处在中高轨道，卫星短时间内在天顶扫过的角度较小，卫星空间几何构型变化不明显，该方法对于加快精密单点定位(ppp)收敛的效果终究有限，在模糊度固定的情况下其收敛时间仍旧需要至少6分钟。考虑到低轨增强卫星相对于地面测站运动较快，会导致快速几何结构变化以及模糊度参数与位置参数的快速分离，从而加速pvt收敛速度，因此联合中高低轨增强卫星进行导航服务是解决当前高精度pvt服务瓶颈的有效手段。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提出一种通过采用低轨增强卫星星群播发导航卫星信号，从而联合高中低轨导航卫星实现大尺度快速高精度pvt服务的基于导航卫星和低轨增强卫星的定位方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于导航卫星和低轨增强卫星的定位方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，在当前历元，获取导航卫星和低轨增强卫星的观测数据并进行预处理；

步骤2，获取导航卫星和低轨增强卫星的导航电文，根据所获取的低轨增强卫星的导航电文同时得到导航卫星和低轨增强卫星的精密轨道和钟差；

步骤3，根据获取的导航电文改正定位过程所受到的误差；

步骤4，经由以其中一种卫星导航系统为基准归一化得到统一线性观测方程来计算定位参数观测值；

步骤5，根据计算得到的定位参数观测值和上一历元的定位参数估计值，经由状态方程得到当前历元定位参数估计值并返回步骤1；

步骤6，根据定位参数估计值生成当前历元的定位和测速结果并保存。

其中，步骤2进一步包括：通过网络实时收取状态空间表示法ssr改正信息，获得高精度的实时轨道和实时钟差。

其中，如果以gps系统对应的接收机钟差为基准，则其他卫星导航系统的线性观测方程为：

式中，和分别为消电离层组合伪距和相位观测值，和分别为接收机端消电离层组合伪距和相位观测值硬件延迟，相似地，和分别为卫星端消电离层组合伪距和相位观测值硬件延迟；为消电离层组合观测值波长，为相应的整周模糊度参数，式中，为两个系统在接收机端伪距硬件延迟之差，也即码偏差；为根据站星初始坐标计算的站星距离，l、m、n为线性化系数，分别为而x^s、y^s和z^s为卫星坐标，xa、ya和za为测站初始坐标，δxa、δya和δza分别为其改正值。

其中，测速观测方程为：

式中，表示测站与卫星之间相位变化速率，单位为周/s，δt表示采样间隔，而和为卫星速率，和为测站速率，表示接收机钟速，表示对流层的变化率。

其中，所述导航卫星包括美国gps、中国北斗、欧盟伽利略、俄罗斯glonass卫星导航系统的至少一种。

本发明还提供一种基于导航卫星和低轨增强卫星的定位系统，该定位系统包括：

卫星观测数据接收和处理装置，用于在每一历元获取导航卫星和低轨增强卫星的观测数据并对数据进行预处理；

卫星导航电文接收和处理装置，用于在每一历元获取导航卫星和低轨增强卫星的导航电文，根据所获取的低轨增强卫星的导航电文同时得到导航卫星和低轨增强卫星的精密轨道和钟差；

定位误差改正装置，用于根据获取的导航电文改正定位过程所受到的误差；

定位参数观测值计算装置，用于经由以其中一种卫星导航系统为基准归一化得到统一线性观测方程来计算定位参数观测值；

定位参数估计值计算装置，用于根据计算得到的定位参数观测值和所保存上一历元的定位参数估计值，经由状态方程计算定位参数估计值；

定位结果保存装置，根据定位参数估计值生成当前历元的定位和测速结果并保存。

其中，卫星导航电文接收和处理装置进一步包括导航卫星导航电文接收和处理单元以及低轨增强卫星导航电文接收和处理单元。

其中，定位误差改正装置进一步包括导航卫星误差改正单元和低轨增强卫星误差改正单元。

其中，如果以gps系统对应的接收机钟差为基准，则其他卫星导航系统的线性观测方程为：

式中，和分别为消电离层组合伪距和相位观测值，和分别为接收机端消电离层组合伪距和相位观测值硬件延迟，相似地，和分别为卫星端消电离层组合伪距和相位观测值硬件延迟；为消电离层组合观测值波长，为相应的整周模糊度参数，式中，为两个系统在接收机端伪距硬件延迟之差，也即码偏差；为根据站星初始坐标计算的站星距离，l、m、n为线性化系数，分别为而x^s、y^s和z^s为卫星坐标，xa、ya和za为测站初始坐标，δxa、δya和δza分别为其改正值。

其中，测速观测方程为：

式中，表示测站与卫星之间相位变化速率，单位为周/s，δt表示采样间隔，而和为卫星速率，和为测站速率，表示接收机钟速，表示对流层的变化率。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

整个算法通过融合多频多模中高轨导航卫星信号和低轨星群导航信号实现，采用现有多频多模导航卫星信号进行pvt解算，通过采用多模导航卫星信号可以有效利用多导航卫星系统增加可观测卫星数，改善卫星的空间几何构型，特别是在观测条件较差的环境。

通过引入低轨增强卫星星群作为导航卫星，从而引起观测站卫星几何结构在短时间内快速变化，极大提高大尺度范围内定位参数估计的收敛速度，实现快速甚至瞬时高精度pvt服务。

融合中高低轨导航卫星，可以充分利用二者优势，确保pvt结果连续、有效和可靠，实现大尺度范围内快速甚至瞬时高精度pvt服务。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一个实施例所述的基于导航卫星和低轨增强卫星的定位方法的流程图；

图2是本发明一个实施例所述的基于导航卫星和低轨增强卫星的定位系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

一、以一种卫星导航系统为基准归一化得到的中高低轨增强卫星统一线性观测方程

为了实现本发明的基于导航卫星和低轨增强卫星的定位方法，首先需要构建中高低轨增强卫星统一的观测方程并线性化，接收机经由所构建的线性观测方程得到定位参数观测值。其中，中高低轨星座多频信息源包括现有所有卫星导航系统中至少一种卫星导航系统和低轨增强卫星导航系统的多频信息源。导航卫星与低轨增强卫星定位方式一致，两者观测值可以放入一起进行平差解算。其本身的数学模型是一个非线性方程，因此需要将该方程进行泰勒展开，舍弃二阶项之后可以得到一个线性方程。其观测值可表达为位置与接收机钟差的线性方程组。利用差分观测值可以得到与测站速度项和接收机钟差变化率有关的观测方程。通过联立这两类观测方程，可以得到pvt三个参数的最优估计。

接收机从导航电文中获取的导航卫星基本观测值包含多频点伪距ρ和载波相位φ两类。在频点i从卫星s至测站a的伪距和相位观测值可以表示为：

式中，为卫星和测站间几何距离，ta为测站天顶方向对流层延迟参数，其相应的映射函数为c为真空中光速，δt^s和δta分别为卫星和接收机钟差，其中fi为频点i的载波频率，其相应波长为为倾斜电离层延迟，和分别为接收机端的伪距和载波相位硬件延迟，相应的和为卫星端的伪距和载波相位硬件延迟，为整周模糊度参数。上式中忽略了天线相位偏差和变化、相位缠绕、卫星钟差的相对论效应等误差改正以及多路径和观测值噪声等误差。

式(1)中天顶对流层延迟参数ta、接收机钟差δta仅与测站相关，卫星钟差δt^s仅与卫星相关，倾斜电离层延迟参数与测站和卫星相关，而伪距和相位在卫星端或接收机端的硬件延迟参数则主要分别与测站、卫星、观测值类型和跟踪频率等相关。

在导航卫星数据处理中，常常根据需要构建不同类型的相位和伪距观测值组合，其中由于消电离层组合消除了一阶电离层影响，因此被广泛用于构建高精度数据处理的观测方程，其可以表示为：

式中，和分别为消电离层组合伪距和相位观测值，和分别为接收机端消电离层组合伪距和相位观测值硬件延迟，其值为：

相似地，卫星端消电离层组合伪距和相位观测值硬件延迟和分别为：

式中，为消电离层组合观测值波长，为相应的整周模糊度参数，其值为：

考虑到式(2)中各个参数与测站、卫星以及信号频率等的相关性，因此对于多系统观测值，式(2)可以扩展为：

式中，s表示gnss系统。对于gps、galileo、qzss和北斗等采用码分多址技术的导航卫星系统，其不同卫星载波频率相同，因此接收机端的伪距和载波相位观测值硬件延迟对所有单系统卫星相同。但是由于glonass系统采用频分多址技术，因此其相应接收机端伪距和相位硬件延迟还与卫星(频率)相关，不同glonass卫星(频率)对应不同的接收机端硬件延迟。

由于在pvt模型中，导航卫星钟差一致且其在估计时会吸收卫星端伪距硬件延迟而接收机端的伪距硬件延迟会被接收机钟差所吸收此时观测方程为：

式中，当多模导航系统联合处理时，一般仅估计一个接收机钟差参数，但是前述表明接收机钟差参数会吸收伪距观测值在接收机端的硬件延迟，而此延迟参数与信号频率和导航系统相关，因此导致不同系统对应不同的接收机钟差如果以gps系统对应的接收机钟差为基准，则其他系统观测方程可以改写为：

式中，即为两个系统在接收机端伪距硬件延迟之差，也即码偏差。如果考虑不同导航系统间时间基准的差异，此时需要额外引入一个常量偏差参数，其与dcb参数将构成系统间偏差(inter-systembias，isb)参数。对于采用码分多址的导航系统，其所有卫星对应相同的isb参数，而由于glonass系统采用频分多址技术，因此其不同卫星(频率)对应不同的isb参数，此时isb参数实际为不同系统间码偏差、时间基准差和glonass系统内不同卫星频间偏差(inter-frequencybias，ifb)的组合。低轨增强卫星群作为卫星导航系统，其定位数学模型与现有gnss系统无异，其可以视为新的导航系统，只需额外估计isb参数即可。

gnss观测方程本身是一个非线性方程，现有的参数估计方法一般适用于线性系统，因此需要将其进行泰勒展开。将观测方程在测站近似坐标处按照泰勒公式进行展开，舍弃其二阶项，从而得到了关于位置和时间的线性表达式，如下：

式中，为根据站星初始坐标计算的站星距离，l、m、n为线性化系数，分别为而x^s、y^s和z^s为卫星坐标，xa、ya和za为测站初始坐标，δxa、δya和δza分别为其改正值。

式(9)中仅完成授时和定位功能，而测速观测方程为：

式中，表示测站与卫星之间相位变化速率，单位为周/s，δt表示采样间隔，而和为卫星速率，和为测站速率，表示接收机钟速，表示对流层的变化率。

二、构建均方根滤波算法定位参数状态方程

在建立了两类的观测方程之后，利用均方根滤波算法对定位参数进行状态估计，由于添加了低轨增强卫星观测值，可以达到ppp快速收敛的效果，得到更高精度的参数信息。

下面给出均方根信息滤波的主要步骤，其状态方程为：

xk＝φ(tk,tk-1)xk-1+γ(tk,tk-1)uk-1

式中，xk-1具有先验值和先验方差为待估计的位置、速度或者钟差参数。将先验方差进行平方根(cholesky分解)，构造虚拟观测方程：

式中，而原式中：

e[αk-1]＝0,e[αk-1αk-1^t]＝q，从而构建状态噪声虚拟观测方程：

滤波观测方程为：

yk-1＝hk-1x+εk-1

式中，e[ε]＝0,e(εε^t)＝i。

根据最小方差准则，可以构建均方根信息滤波算法观测更新性能函数：

将其写成矩阵形式：

对上式进行正交变化可以得到：

同样可以根据最小方差准则，构建均方根信息滤波算法状态更新性能函数：

写成矩阵形式：

式中做正交变换可以得到：

利用中高轨信息源解算定位参数时，由于其卫星星座的限制，其解算精度与收敛时间常不能满足快速高精度定位的需求。采用中高低轨多频信息源融合定位，可以增强可视卫星的几何结构，达到快速收敛的效果，从而提高定位解算的精度。

图1示出本发明一个实施例所述的基于导航卫星和低轨增强卫星的定位方法。其中，高低轨星座多频信息源包括现有所有卫星导航系统中至少一种卫星导航系统和低轨增强卫星导航系统的多频信息源。如图1所示，本发明一个实施例所述的基于导航卫星和低轨增强卫星的定位方法包括如下步骤：

步骤s1，在当前历元，获取导航卫星和低轨增强卫星的观测数据并进行预处理。具体过程如下：通过接收机跟踪观测，获取多系统多频段观测值和低轨增强卫星观测值，并对数据进行预处理。

其中，导航卫星包括美国gps、中国北斗、欧盟伽利略、俄罗斯glonass卫星导航系统的至少一种。

步骤s2，获取导航卫星和低轨增强卫星的导航电文，根据所获取的低轨增强卫星的导航电文同时得到导航卫星和低轨增强卫星的精密轨道和钟差。具体过程为：获取导航卫星与低轨增强卫星的导航电文，利用导航电文提供的轨道根数与钟差系数内插出当前时刻的卫星位置与卫星钟差。其中，由于低轨增强卫星具有与导航卫星不同的特点，所以低轨增强卫星的导航电文与导航卫星的导航电文有不同之处，例如参数种类更多，进而低轨增强卫星的轨道和钟差的计算与导航卫星的轨道和种差的计算有不同之处，例如低轨增强卫星的轨道的计算与导航卫星的轨道的计算相比需要考虑的摄动因素更多。由于广播星历给出的导航卫星与低轨增强卫星轨道与卫星钟差的精度一般满足不了高精度的定位需求，优选地，为了获得高精度的实时轨道和实时钟差，可以通过网络实时收取状态空间表示法(statespacerepresentation，ssr)改正信息。

步骤s3，根据获取的导航电文改正定位过程所受到的误差。

误差模型可以改正的在步骤3中改正，不能改成的通过步骤4的定位参数观测值计算和步骤5的定位参数估计来改正。对于低轨增强卫星和导航卫星有些误差不同，需要根据不同的卫星导航系统对应改正误差。

在定位过程中，定位结果往往受到各项误差的影响，削弱各项误差是获得高精度定位结果的基础。这些误差按相关性可以分为与测站有关的误差、与卫星有关的误差和与卫星信号传播有关的误差。常用的削弱定位误差的方法有模型改正与参数估计。对于一些了解其物理特性的误差项，可以利用改正公式准确地消除其影响，如相对论效应、地球自转效应等；对于一些能用模型拟合的误差项，可以利用拟合模型得出的模型值消除其影响，如固体潮改正、对流层改正等；而对于另一些物理特性未知并且模型拟合不佳的误差项，则可以利用参数估计的方法消除其对定位的影响，如接收机钟差等。

步骤s4，经由以其中一种卫星导航系统为基准归一化得到统一线性观测方程并计算定位参数观测值。具体过程如下：根据获取的观测数据和导航电文，经由上述公式(9)至少计算接收机的位置，可选地计算接收机的钟差，可选地经由上述公式(10)计算接收机的速度。

步骤s5，根据计算得到的定位参数观测值和上一历元的定位参数估计值，经由状态方程进行本历元的定位参数估计，得到当前历元定位参数估计值后返回步骤s1。具体过程如下：根据计算得到的定位参数观测值和上一历元的定位参数估计值，经由上述公式(11)计算本历元的定位参数估计值，保存计算得到的定位参数估计值后返回步骤1。

步骤6，根据定位参数估计值生成当前历元的定位和测速结果并保存。

图2示出本发明一个实施例所述的基于导航卫星和低轨增强卫星的定位系统。其中，中高低轨星座多频信息源包括现有所有卫星导航系统中至少一种卫星导航系统和低轨增强卫星导航系统的多频信息源。

如图2所示，本发明一个实施例所述的基于导航卫星和低轨增强卫星的定位系统包括卫星观测数据接收和处理装置11、卫星导航电文接收和处理装置12、定位误差改正装置13、定位参数观测值计算装置14、定位参数估计值计算装置15以及定位结果保存装置16。

其中，卫星观测数据接收和处理装置11用于在每一历元获取导航卫星和低轨增强卫星的观测数据并对数据进行预处理。

卫星导航电文接收和处理装置12用于在每一历元获取导航卫星和低轨增强卫星的导航电文，根据所获取的低轨增强卫星的导航电文同时得到导航卫星和低轨增强卫星的精密轨道和钟差。优选地，卫星导航电文接收和处理装置12进一步包括导航卫星导航电文接收和处理单元以及低轨增强卫星导航电文接收和处理单元。

定位误差改正装置13用于根据获取的导航电文改正定位过程所受到的误差。优选地，定位误差改正装置13进一步包括导航卫星误差改正单元和低轨增强卫星误差改正单元。

定位参数观测值计算装置14用于经由以其中一种卫星导航系统为基准归一化得到统一线性观测方程来计算定位参数观测值。

定位参数估计值计算装置15用于根据计算得到的定位参数观测值和所保存上一历元的定位参数估计值，经由状态方程进行本历元的定位参数估计，得到当前历元的定位参数估计值。

定位结果保存装置16，根据定位参数估计值生成当前历元的定位和测速结果并保存。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。