一种基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法与流程

本发明属于卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法。

背景技术：

卫星导航定位系统(gnss)能够提供全球范围内实时的定位服务，已经深刻的改变了我们的生活方式，并且在世界各国的许多行业中得到了广泛的应用。目前主流的全球定位系统有美国的gps，俄罗斯的glonass，中国的beidou系统以及欧洲的galileo系统，印度也在积极发展区域导航系统irnss。目前标准的gnss定位技术精度大约是5-10米。对于精度要求更高的应用，通常需要使用精密定位的方法。目前精密定定位的方法有差分定位方法和精密单点定位方法。其中差分定位方法又包括局域差分方法和广域差分方法。广域差分方法和精密单点定位都需要通过地面监测网的数据计算出各种精密的信号偏差产品，精密轨道产品等，然后在用户端使用这些精密产品进行改正来提高定位精度。局域差分方法主要是将参考站的观测数据和坐标直接播发给用户，在用户端通过观测值差分的方式消除各种误差的影响，实现高精度相对定位。

综上所述，现有技术存在的问题是：

广域差分能够提供大范围的精密定位服务，但是由于目前缺乏精密电离层模型支持，通常需要20-30分钟收敛才能获得厘米级定位结果。另外广域差分使用的参数化方法各不相同，不同的方法之间互不兼容。目前没有统一的数据播发格式和计算流程，导致不同广域差分产品之间不能兼容互操作。另外，由于目前对新的gnss系统信号理解不够深入，导致大部分广域差分系统只适用于gps信号。局域差分方法模型简单，收敛快，实时性好，定位精度高，目前基于载波相位的实时动态定位(rtk)和基于伪距差分的差分gnss技术(dgnss)长期以来都是使用最为广泛的精密定位技术。但是差分技术也有其自身的局限，即用户接收机(也称为流动站)与参考站之间的距离受限制。用户接收机与参考站之间的距离变远导致两个接收机之间的电离层和对流层延迟相关性变弱，这影响定位精度和收敛时间。另外基线变长也会导致用户接收机与参考站之间的公共可见卫星变少，因而长基线数据处理通常用在静态数据处理中。另外长距离相对定位需要构建实时通信链路，使用地面实时通信链路需要大功率无线电发射设备或者复杂的路由转发网络，成本昂贵，通信质量难以保证。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法。

本发明是这样实现的，一种基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法，所述基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法利用低轨卫星作为参考站，与地面或近地空间的接收机进行差分定位；所述低轨卫星利用地面上注的预报导航卫星星历和钟差进行地面增强的星上精密自主定轨或者只利用自身接收到的观测值进行自主精密定轨；所述低轨卫星以一定的时间间隔向地面播发星上接收机的观测值和对应时刻的卫星轨道信息；地面接收机将接收到低轨卫星播发的差分信息与本机接收的导航卫星测距信号组成双差观测值，进行移动基站的rtk或者dgnss定位。作为参考站的低轨卫星明显高于地面用户站，保证距离较远时有足够的共视卫星。使用星地间通信链路解决远距离实时通信问题，简化用户操作。低轨卫星可以全球移动，突破了局域差分对作业距离的限制。

进一步，所述差分定位的模式包括：

(1)通过建立实时数据链，将leo轨道和观测数据播发给用户接收机，进行实时差分定位计算；

(2)建立星地实时数据连接，分别记录leo观测数据以及地面接收机观测数据，进行事后处理精密leo定轨和差分定位计算；

(3)不建立星地实时数据连接，通过数传或测控链路定期地将leo观测数据下传，在地面进行leo精密定轨，再使用leo观测值，leo定轨结果和地面接收机观测数据进行差分精密定位。

进一步，所述观测值的应用模式包括：仅使用伪距观测值的定位模式、使用相位平滑伪距观测值的定位模式、同时使用伪距和载波相位观测值的定位模式。

进一步，所述leo自主定轨的方式包括:

(1)不使用地面增强信息，仅使用星上观测值进行完全自主精密定轨；

(2)通过星地间上行通信链路，将地面的增强信息上传至低轨卫星，进行地基增强的星上精密自主定轨，地面增强信息包括但不限于导航卫星预报轨道、预报钟差的信息；

(3)通过数据中继卫星或者星间链路向低轨卫星播发改正数信息，进行星基增强的实时精密定轨，中继卫星增强信息包括但不限于导航卫星预报轨道、预报钟差的信息。

进一步，差分精密定位的方法基于单个卫星导航系统的观测数据，或基于多系统观测值联合定位。

差分精密定位的地面用户坐标参考框架包括全球参考框架或使用自定义坐标参考框架或经过加密处理的全球参考框架。

进一步，所述基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法具体包括：

1)接收机读取当前历元的观测时间、伪距、载波相位、多普勒、载噪比c/n0、锁定时间的观测值信息以及当前历元对应的导航电文数据；所述观测时间、伪距、载波相位、多普勒、载噪比c/n0、锁定时间的观测值信息以及当前历元对应的导航电文数据均由接收机内部pvt算法模块输出；其中直接用于定位的观测量为伪距和载波相位观测值，观测模型表示为：

pi＝ρ+δorb+c(δt^s-δt^r)+ii+δtrop+εpi

φi＝ρ+δorb+c(δt^s-δt^r)-ii+δtrop+λini+εφi

式中：pi和φi表示第i个频点的伪距和载波相位观测值(以米为单位)；

ρ表示卫星和接收机间的几何距离，表示为其中x^s,y^s,z^s表示卫星三维坐标，x^r,y^r,z^r表示接收机天线相位中心三维坐标；δt^s和δt^r卫星和接收机的时钟偏差，单位为秒；

ii和δtrop表示电离层和对流层延迟的影响；

ni表示第i个频点的整周模糊度；

εpi和εφi表示伪距和载波相位的接收机观测噪声；

c表示真空中的光速；

λi表示第i个频点的载波波长，单位为米；

2)计算信号发射时刻各个导航卫星的轨道和钟差；信号发射时刻推算方式包括两种：(1)通过标准单点定位过程迭代求解各个导航卫星的精确信号发射时刻以及对应的卫星轨道和钟差，多次迭代后计算出各卫星的轨道钟差以及地面测站的近似坐标，(2)利用伪距观测值近似推算信号发射时刻，推算原理表达为：

式中ts,tr分别表示信号发射和信号接收时刻；

3)根据单点定位计算得到的近似测站坐标和各个导航卫星的轨道钟差的信息，计算测站到各个卫星之间的几何距离ρ，卫星高度角等信息；进一步根据经验电离层模型，计算电离层对载波相位和伪距的影响ii，根据经验对流层模型，计算对流层对gnss信号的影响δtrop,修正之后的观测值中还剩轨道误差δorb，接收机钟差δt^r和整周模糊度参数ni的影响；

4)在非差观测值层面检测载波相位的周跳；

5)处理接收到的低轨卫星播发的差分观测数据；低轨卫星播发的差分观测数据包含信号接收时间，leo收到的观测值和接受时刻对应的低轨卫星轨道，及速度信息；首先需要对差分信息进行解码，获取到必要的信息；

6)计算leo卫星观测时刻对应的导航卫星信号发射时刻轨道和钟差；

7)根据leo卫星的轨道和导航卫星的轨道及钟差对leo星载接收机观测值进行误差源改正；

8)非差观测值层面对leo星载接收机的载波相位观测值进行数据探测，周跳检测；对检测到发生周跳的观测值进行标记；

9)分别对地面接收机和leo星载接收机的数据进行预处理后，开始形成双差观测值；首先筛选出地面接收机和leo星载接收机的共视卫星，然后每个导航系统选一颗参考星，用于形成星间差分观测值；

10)形成双差观测值；根据步骤9)确定的共视卫星和各系统的参考卫星，组成双差观测值，星地差分的双差观测值表达为：

式中表示双差运算符，执行双差操作后，在非差观测值预处理阶段没有处理掉的部分误差源理论上通过双差的方式完全消除，这些误差源包括轨道误差δorb，卫星钟差δt^s，接收机钟差δt^r；双差观测值中还剩站星间的双差几何距离，双差电离层残余影响，星间差分的对流层影响,载波相位模糊度影响和观测噪声影响；对于形成双差观测值后残余的误差项，通过参数估计的形式消除这些误差的影响；

11)双差观测值层面的周跳检测；采用三差法周跳检测；如果对非差观测值的周跳检测有足够的信心，可跳过本步骤，直接进行下一步；

12)滤波器时间更新；对于实时坐标估计，包括：a)使用序贯最小二乘法和卡尔曼滤波法；卡尔曼滤波模型与观测值选取有关，对于双频观测数据，有两种观测模型：基于无电离层组合观测值的模型和基于非组合观测值的模型；

a)基于无电离层组合观测值的模型通过双频观测值线性组合消除电离层影响的一阶项，但是无电离层组合观测值的观测值数量减半，观测值噪声是组合前观测值的3倍；

b)直接使用非组合观测值进行处理，需要每颗卫星估计一个电离层参数；站星差分能削弱电离层的影响，按照非组合模型推导；对于非组合模型，滤波器状态向量选取为：

x＝[δr，δtrop,z，i，n]^t；

其中δr为3×1坐标增量向量，δtrop,z为天顶方向对流层延迟，每个测站估计一个参数；i为各卫星视线方向电离层延迟，每颗可见卫星估计一个，n为载波相位双差模糊度参数，每个信号通道估计一个；对于无电离层组合观测值的情况，滤波器状态向量可忽略电离层延迟参数i；对于静态用户定位，坐标增量δr当做随机常数估计；对于动态定位，使用随机游走过程模拟，或附加外部的运动方程对坐标增量参数进行约束；δtrop,z使用随机游走模型模拟，实现方向电离层延迟i或使用先验信息初始化，然后使用随机游走过程模拟；载波相位双差模糊度在连续跟踪时使用随机常数模型估计，在发生周跳时需要参数重置；在发生参考星换星时，对所有模糊度参数做特殊处理；

滤波器时间更新方程表示为：

式中pt^-分别为t时刻时间更新后的状态量及其方差协方差矩阵，也称为预报解；为t-1时刻用户位置状态滤波解及其方差协方差矩阵；φ(t,t-1)为t-1到t时刻的状态转移矩阵；q(t)为过程噪声矩阵；对于随机游走参数和随机常量参数，状态转移矩阵设为单位阵；对于n个独立的随机游走过程q(t)设为对角阵，对于随机常数参数q(t)可设置为零矩阵；

13)滤波器测量更新；根据步骤10)的分析，用于双差定位的伪距和载波相位观测值线性化表示为：

e(y)＝(j,m,θ,λ)(δr,δtrop,z,i,n)^t；

式中e(·)为数学期望运算符，对f个频点，s颗可见双差卫星的观测值，对于使用非组合观测值的数学模型而言，j为(2*s*f)×3的jacobbian矩阵，m为(2*s*f)×1的列向量，每个元素对应相应卫星的对流层投影函数值；θ为(2*s*f)×s的矩阵；λ为(2*s*f)×(f*s)的矩阵；对于使用无电离层组合的观测模型，除了忽略电离层参数对应的设计矩阵θ外，所有观测值线性组合也造成观测值个数比非组合的模型减少一半；线性化后，该非组合观测方程的设计矩阵定义为：

a＝(j,m,θ,λ)；

则卡尔曼滤波的测量更新方程表示为：

kt＝pt^-a(apt^-a^t+rt)^-1，

式中kt为t时刻滤波增益矩阵，rt为几何观测值方差协方差矩阵；

14)验后残差检验；滤波方程的验后残差估值表示为：

根据验后残差估值构造χ²检验量服从χ²(n-t)分布，其中n-t表示自由度；若则认为验后残差通过检验，否则认为验后残差检验拒绝；式中是显著性水平为α的阈值；

15)输出预报解；如果验后残差检验未通过，则表示观测值可能存在粗差；使用数据探测法对粗差进行检验剔除或放弃使用滤波解，改用预报解作为最终定位结果进行输出；

16)模糊度固定；如果滤波解通过验后残差检验，则利用载波相位模糊度的整数特性获得厘米级精度的模糊度固定解；模糊度固定的方法使用最小二乘降相关算法lambda或者将无电离层组合分解为宽窄巷模糊度的方式进行逐级模糊度固定；

将步骤13)中的状态向量按照实数参数和整数参数两类合并，则观测方程简化表示为e(y)＝(b,λ)(b,n)^t，相应的滤波状态量两类参数对应的滤波解方差协方差矩阵表示为：

模糊度参数的滤波解记做通常也称作模糊度实数解，将模糊度参数的实数解及其方差协方差矩阵qnn作为输入，使用lambda方法进行搜索，得到模糊度的最优整数固定解和次优的整数固定解

17)模糊度检验；由于错误的模糊度固定导致定位结果产生飞点，定位误差比浮点解还大，对模糊度固定结果进行检验；使用ratio检验；

18)输出浮点解；如果ratio检验未通过，则认为模糊度固定解不可靠，需要使用滤波解作为最终定位结果进行输出；

19)输出固定解；如果ratio检验通过，则使用模糊度固定解作为定位结果输出；模糊度固定为整数后，对应的实数参数可更新为整周模糊度的条件解，表示为：

相应的方差协方差矩阵可表示为：

如果模糊度检验通过，则使用作为最后定位结果使用。

本发明的另一目的在于提供一种基于低轨卫星的星地差分实时精密定位系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述基于低轨卫星的星地差分实时精密定位系统的远洋区域定位系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述基于低轨卫星的星地差分实时精密定位系统的偏远地区定位系统

本发明的另一目的在于提供一种利用上述基于低轨卫星的星地差分实时精密定位系统的自然灾害灾区定位系统。

本发明的优点及积极效果为：

本发明提供的利用低轨卫星作为参考站，与地面或近地空间的接收机实现差分定位的方法。低轨卫星以一定的时间间隔向地面播发星上接收机的观测值和对应时刻的卫星轨道信息，地面接收机将接收到低轨卫星播发的差分信息与本机接收的导航卫星测距信号组成双差观测值，实现移动基站的rtk或者dgnss定位。该方法使用低轨卫星作为参考站，实现了全球范围的差分定位服务，特别是对远洋区域，偏远地区以及自然灾害灾区实现快速精密定位有重要意义。

本发明使用局域差分的方法，但是通过移动的参考站平台提高了参考站的利用率，使得参考站服务范围不局限于周围几十公里，而是提供全球范围的差分服务。如果使用多颗leo卫星组成的星座作为参考基站，则可以提供全球范围不间断的站星差分定位服务

本发明能够为受自然条件和经济条件影响导致没有架设或者无法架设地面站的区域，如远洋地区，偏远地区，地震灾区等区域提供实时差分定位服务。

本发明星地差分定位算法模型比精密单点定位(ppp)简单，通过双差的方法可以自行消去卫星端和接收机端的钟差和硬件偏差，无需使用外部信号偏差产品进行修正。本发明利用低轨卫星平台，将地面的固定的参考站用移动的低轨卫星平台取代。星地之间构成的双差观测值对电离层延迟也具有一定的削弱作用。

本发明涉及的用户端仅需要一台能够接收leo差分信息的接收机即可实现全球范围内的精密定位，星地差分的方法帮助用户摆脱了对参考站的依赖。无需自行架设参考站，无需架设实时通信链路。使用方法与ppp完全一样，但是却能提供精度和收敛时间都更好的实时差分精密定位服务。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法流程图。

图2是本发明实施例提供的低轨卫星实现星地差分精密定位的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

本发明实施例提供的基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法，所述基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法利用低轨卫星作为参考站，与地面或近地空间的接收机进行差分定位；所述低轨卫星利用地面上注的预报导航卫星星历和钟差进行地面增强的星上精密自主定轨或者只利用自身接收到的观测值进行自主精密定轨；所述低轨卫星以一定的时间间隔向地面播发星上接收机的观测值和对应时刻的卫星轨道信息；地面接收机将接收到低轨卫星播发的差分信息与本机接收的导航卫星测距信号组成双差观测值，进行移动基站的rtk或者dgnss定位。

所述差分定位包括：

(1)通过建立实时数据链，将leo轨道和观测数据播发给用户接收机，进行实时差分定位计算；

(2)建立星地实时数据连接，分别记录leo观测数据以及地面接收机观测数据，进行事后处理leo精密定轨和差分定位计算；

(3)不建立星地实时数据连接，通过数传或测控链路定期地将leo观测数据下传，在地面进行leo精密定轨，再使用leo观测值，leo定轨结果和地面接收机观测数据进行差分精密定位。

所述观测值的应用模式包括：仅使用伪距观测值的定位模式、使用相位平滑伪距观测值的定位模式、同时使用伪距和载波相位观测值的定位模式。

所述leo自主定轨的方式包括:

(1)不使用地面增强信息，仅使用星上观测值进行完全自主精密定轨；

(2)通过星地间上行通信链路，将地面的增强信息上传至低轨卫星，进行地基增强的星上精密自主定轨，地面增强信息包括但不限于导航卫星预报轨道、预报钟差的信息；

(3)通过数据中继卫星或者星间链路向低轨卫星播发改正数信息，进行星基增强的实时精密定轨，中继卫星增强信息包括但不限于导航卫星预报轨道、预报钟差的信息。

差分精密定位的方法基于单个卫星导航系统的观测数据，或基于多系统观测值联合定位。

差分精密定位的地面用户坐标参考框架包括全球参考框架或使用自定义坐标参考框架或经过加密处理的全球参考框架。如itrf2008,cgcs2000参考框架。

星地差分精密定位方法涉及导航卫星星座包括，但不限于现有的全球/区域卫星导航系统，如gps,glonass，beidou,galileo,irnss,qzss等。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明实施例提供的基于低轨卫星的星地差分实时精密定位方法如图1所示，该算法是一个基于扩展的卡尔曼滤波(ekf)的实时定位算法，可以用于静态和动态的数据处理。该算法可以在gnss接收机的内部的固件算法中实现，也可以实现为后处理算法。为了满足实时定位的需求，以下描述均以接收机内部固件算法为参照。具体的实施步骤如下：

1)接收机读取当前历元的观测时间，伪距，载波相位，多普勒，载噪比(c/n0)，锁定时间等观测值信息，以及当前历元对应的导航电文数据，这些信息均可以由接收机内部pvt算法模块输出。其中直接用于定位的观测量为伪距和载波相位观测值，其观测模型可以表示为：

pi＝ρ+δorb+c(δt^s-δt^r)+ii+δtrop+εpi

φi＝ρ+δorb+c(δt^s-δt^r)-ii+δtrop+λini+εφi

式中：pi和φi表示第i个频点的伪距和载波相位观测值(以米为单位)；

ρ表示卫星和接收机间的几何距离，可表示为其中x^s,y^s,z^s表示卫星三维坐标，x^r,y^r,z^r表示接收机天线相位中心三维坐标；δt^s和δt^r卫星和接收机的时钟偏差(以秒为单位)；

ii和δtrop表示电离层和对流层延迟的影响；

ni表示第i个频点的整周模糊度；

εpi和εφi表示伪距和载波相位的接收机观测噪声；

c表示真空中的光速；

λi表示第i个频点的载波波长(以米为单位)；

2)计算信号发射时刻各个导航卫星的轨道和钟差。考虑到低轨卫星的改正数播发时有一定的数据处理和信号传播的延迟，需要对信号发射时刻进行准确推算。考虑到中高轨卫星的卫星速度，要求信号发射时刻推算误差至少小于1μs，才能保证计算轨道误差小于1cm。信号发射时刻推算方式有两种：(1)通过标准单点定位过程迭代求解各个导航卫星的精确信号发射时刻以及对应的卫星轨道和钟差，该方法需要多次迭代计算各卫星的轨道钟差以及地面测站的近似坐标，但是收敛后信号发射时刻可推算至100ns以内；(2)利用伪距观测值近似推算信号发射时刻，推算原理可表达为：

式中ts,tr分别表示信号发射和信号接收时刻。对比伪距码p1的观测模型可知，该式没有考虑电离层，对流层和接收机钟差的影响。其中电离层和对流层对测距的影响在几十米量级，对信号发射时刻推算的影响在百纳秒量级。接收机钟差的影响能否忽略取决于接收机钟差的模型。接收机钟差的模型有实时修正和毫秒修正两种模型，实时修正模型接收机钟差稳定在几纳秒至几百纳秒的量级，可以满足推算需求，毫秒修正模型中，接收机钟差累计达到1ms或-1ms就会发生钟跳，如果接收机钟使用毫秒修正模型，则必须使用单点定位方法迭代求解导航卫星信号发射时刻。目前大部分接收机使用或者可配置为钟差实时修正模型。求解出信号发射时刻后，即可利用广播星历计算各个卫星的轨道和钟差。

3)根据单点定位计算得到的近似测站坐标和各个导航卫星的轨道钟差等信息，计算测站到各个卫星之间的几何距离ρ，卫星高度角等信息。进一步根据经验电离层模型，如klobuchar模型，计算电离层对载波相位和伪距的影响ii，根据经验对流层模型，如hopfield模型计算对流层对gnss信号的影响δtrop,修正之后的观测值中还剩轨道误差δorb，接收机钟差δt^r和整周模糊度参数ni的影响。另外，由于几何距离计算使用的是近似坐标，修正后的观测值中还含有几何距离残余量的影响，电离层对流层经验模型也只能改正一部分影响，导航卫星钟差的残余影响也可达纳秒量级，这些误差残余量也会保留在修正后的观测值中。

4)在非差观测值层面检测载波相位的周跳，常见的方法有根据载波锁定环路(pll)输出的锁定时间来判断环路是否失锁。一旦环路失锁，载波相位就会被重置，此时输出的载波相位会产生阶跃信号，需要进行标记。另外一种情况就是信号干扰，信号遮挡，或者多路径的影响导致载波环路抖动，这种情况一般不会导致环路失锁，但是会导致小的周跳，如半周跳或整周跳。半周跳的情况会影响pvt的比特同步和帧同步，但是做极性判断通常需要一定的时间，因此发生半周跳后会有几秒钟载波环路和pvt无法判断是否发生了半周跳，这种情况数据处理中通常都当做周跳来处理。对于小的整周跳，需要使用其他方法判断，但是一般情况出现的概率比较小。判断小的整周跳常用的方法有无几何距离法，如果接收机伪距跟踪噪声很小，也可以使用mw组合的方法检测周跳。

5)接下来处理接收到的低轨卫星播发的差分观测数据。低轨卫星播发的差分观测数据包含信号接收时间，leo收到的观测值和接受时刻对应的低轨卫星轨道，及速度信息。首先需要对差分信息进行解码，获取到必要的信息。

6)计算leo卫星观测时刻对应的导航卫星信号发射时刻轨道和钟差。计算方法和步骤102中论述的相同，不同的是leo卫星的坐标是已知的，如果使用单点定位计算信号发射时刻是只需要迭代更新卫星坐标，leo卫星的坐标可以认为是真值。考虑到低轨卫星的运动速度约为7.6km/s(以500km轨道高度为例)，leo观测值的钟面时和实际信号接收时刻之差应小于1μs。如果leo星载接收机的钟差使用实时修正模型，则钟面时与实际信号接收时刻之差量级小于百纳秒量级，对leo轨道的影响小于1cm，可忽略不计。leo向地面播发的轨道信息应经过适当的内插或外推处理来保证leo观测值的钟面时和实际信号接收时刻之差量级小于1μs。

7)根据leo卫星的轨道和导航卫星的轨道及钟差对leo星载接收机观测值进行误差源改正。该步骤执行过程与步骤3)类似，不同的是由于leo属于空间飞行器，不是地面接收机，其受到的电离层和对流层的影响特性与地面接收机有不同。对流层影响通常指地面至30km高度的近地大气层，因此一般认为对流层对leo星载接收机观测值的影响可忽略，处理时不对对流层延迟进行改正。另外电离层对leo星载接收机的观测值比地面小，根据chapman理论，低轨卫星星载接收机观测值受到的电离层影响约为地面的30％-50％。对星载接收机观测值的电离层改正模型也通常使用地面经验模型乘以某一比例因子作为星载接收机观测值的电离层改正经验模型。由于大气密度剖面曲线和温度剖面曲线无法精确测定，chapman模型也只是近似的经验模型，不能完全消除电离层对观测值的影响。

8)非差观测值层面对leo星载接收机的载波相位观测值进行数据探测，周跳检测。处理方法与步骤104相同，不同的是leo卫星的运动速度高于地面接收机，采用一些与几何距离相关的方法检测周跳时，需要特殊考虑阈值的选取。对检测到发生周跳的观测值进行标记。

9)分别对地面接收机和leo星载接收机的数据进行预处理后，开始形成双差观测值。双差观测值通常是先进行测站间差分，再进行卫星间差分。对于星地基线的情况，首先筛选出地面接收机和leo星载接收机的共视卫星，然后每个导航系统选一颗参考星，用于形成星间差分观测值。参考星的观测值质量直接影响所有双差观测值的质量，因此需要尽量选取观测值质量较好的卫星作为参考星，通常情况使用高度角最高的卫星或者信号载噪比最好的卫星作为参考卫星。另一方面，参考星发生变化会导致所有双差模糊度参数不连续。在换参考星时模糊度参数需要特殊处理来避免模糊度参数频繁地重置，因此选择参考星时还会尽量保持参考星不变，来保证模糊度参数的连续性。对于多系统联合定位的情况，需要每个卫星系统分别选择参考星,由于不同导航系统的信号之间硬件延迟有一定差异，而这个差异使用不同系统的卫星间差分无法消除。这个系统间偏差可以通过参数估计的方法消除，更通用的做法是各个导航系统分别选取参考卫星来消除接收机钟差(含系统间偏差)的影响。

10)形成双差观测值；根据步骤9)确定的共视卫星和各系统的参考卫星，组成双差观测值，星地差分的双差观测值可表达为：

式中表示双差运算符，执行双差操作后，在非差观测值预处理阶段没有处理掉的部分误差源理论上可以通过双差的方式完全消除，这些误差源包括导航卫星轨道误差δorb，导航卫星钟差δt^s，接收机钟差δt^r。双差观测值中还剩站星间的双差几何距离，双差电离层残余影响，星间差分的对流层影响(假设leo观测值不受对流层延迟影响),载波相位模糊度影响和观测噪声影响。对于形成双差观测值后残余的误差项，需要在函数模型中予以考虑，通过参数估计的形式消除这些误差的影响。考虑到站星差分信号传播延迟导致站间单差时leo观测时刻与地面站观测时刻无法严格对齐，这会给双差观测值引入时间不同步误差。考虑到站星通信带宽限制，星上数据处理的延迟等，站星差分通信延迟可达数秒的量级。时间不同步误差主要导致双差观测值中导航卫星的轨道误差，钟差和电离层误差的残余误差影响变大。处理策略是在非差数据处理阶段根据leo和地面接收机观测时刻分别计算导航卫星轨道和钟差，然后予以改正。

11)双差观测值层面的周跳检测。作为非差层面周跳检测的补充，形成双差观测值后还可以在双差观测值层面进行周跳检测，典型的方法有三差法周跳检测。双差层面的周跳检测不是必须的步骤，如果对非差观测值的周跳检测有足够的信心，可跳过本步骤，直接进行下一步。

12)滤波器时间更新。完成了双差观测值的数据处理，即可开始参数估计的过程。对于实时坐标估计，可以使用序贯最小二乘法和卡尔曼滤波法。卡尔曼滤波法适合静态和动态的数据处理，序贯最小二乘法通过引入参数消去过程和先验信息约束也可以实现与卡尔曼滤波等价的效果。本步骤以卡尔曼滤波求解坐标参数为例，阐述站星间差分定位参数估计的方法。卡尔曼滤波模型与观测值选取有关，对于双频观测数据，有两种典型观测模型：基于无电离层组合观测值的模型和基于非组合观测值的模型。基于无电离层组合观测值的模型可以通过双频观测值线性组合消除电离层影响的一阶项，但是无电离层组合观测值的观测值数量减半，观测值噪声是组合前观测值的约3倍。另外一种方法是直接使用非组合观测值进行处理，但是需要每颗卫星估计一个电离层参数。考虑到站星差分可以削弱电离层的影响，以下部分按照非组合模型推导。对于非组合模型，滤波器状态向量选取为：

x＝[δr，δtrop,z，i，n]^t；

其中δr为3×1坐标增量向量，δtrop,z为天顶方向对流层延迟，每个测站估计一个参数。i为各卫星视线方向电离层延迟，每颗可见卫星估计一个(除了参考卫星)，n为载波相位双差模糊度参数，每个信号通道估计一个。对于无电离层组合观测值的情况，滤波器状态向量可忽略电离层延迟参数i。对于静态用户定位，坐标增量δr可以当做随机常数估计，对于动态定位，可以使用随机游走过程模拟，也可以附加外部的运动方程对坐标增量参数进行约束。δtrop,z通常使用随机游走模型模拟，实现方向电离层延迟i可以使用先验信息初始化，然后使用随机游走过程模拟。载波相位双差模糊度在连续跟踪时使用随机常数模型估计，在发生周跳时需要参数重置。在发生参考星换星时，需要对所有模糊度参数做特殊处理，避免模糊度参数重置。滤波器时间更新方程可表示为：

式中pt^-分别为t时刻时间更新后的状态量及其方差协方差矩阵，通常也称为预报解。为t-1时刻用户位置状态滤波解及其方差协方差矩阵。φ(t,t-1)为t-1到t时刻的状态转移矩阵。q(t)为过程噪声矩阵。对于随机游走参数和随机常量参数，状态转移矩阵可设为单位阵。对于n个独立的随机游走过程q(t)可设为对角阵，对于随机常数参数q(t)可设置为零矩阵。

13)滤波器测量更新；根据步骤10)的分析，用于双差定位的伪距和载波相位观测值可以线性化表示为：

e(y)＝(j,m,θ,λ)(δr,δtrop,z,i,n)^t；

式中e(·)为数学期望运算符，对f个频点，s颗可见双差卫星的观测值(总可见星个数减去参考星个数)，对于使用非组合观测值的数学模型而言，j为(2*s*f)×3的jacobbian矩阵，m为(2*s*f)×1的列向量，每个元素对应相应卫星的对流层投影函数值。θ为(2*s*f)×s的矩阵。λ为(2*s*f)×(f*s)的矩阵。对于使用无电离层组合的观测模型，除了可忽略电离层参数对应的设计矩阵θ外，所有观测值线性组合也造成观测值个数比非组合的模型减少一半。线性化后，非组合模型观测方程的设计矩阵定义为：

a＝(j,m,θ,λ)；

则卡尔曼滤波的测量更新方程可表示为：

kt＝pt^-a(apt^-a^t+rt)^-1，

pt⁺＝(i-kta)pt^-，

式中kt为t时刻滤波增益矩阵，rt为几何观测值方差协方差矩阵。

14)验后残差检验；滤波方程的验后残差估值可表示为：

根据验后残差估值可构造χ²检验量服从χ²(n-t)分布，其中n-t表示自由度。若则认为验后残差通过检验，否则认为验后残差检验拒绝。式中是显著性水平为α的阈值。

15)输出预报解；如果验后残差检验未通过，则表示观测值可能存在粗差。可使用数据探测法对粗差进行检验剔除，也可以放弃使用滤波解，改用预报解作为最终定位结果进行输出。

16)模糊度固定；如果滤波解通过验后残差检验，则可尝试利用载波相位模糊度的整数特性获得厘米级精度的模糊度固定解。由于星地差分基线组成双差观测值，其定位过程等价于长基线相对定位。模糊度固定的方法可以使用最小二乘降相关算法(lambda)或者将无电离层组合分解为宽窄巷模糊度的方式进行逐级模糊度固定。将步骤13)中的状态向量按照实数参数和整数参数两类合并，则观测方程可以简化表示为e(y)＝(b,λ)(b,n)^t，相应的滤波状态量两类参数对应的滤波解方差协方差矩阵可表示为：

模糊度参数的滤波解记做通常也称作模糊度实数解，将模糊度参数的实数解及其方差协方差矩阵qnn作为输入，使用lambda方法进行搜索，可以得到模糊度的最优整数固定解和次优的整数固定解

17)模糊度检验；由于错误的模糊度固定可能导致定位结果产生飞点，定位误差比浮点解还大，因此要对模糊度固定结果进行检验。通常使用ratio检验。ratio检验定义为：

式中为整周模糊度的次优解。为欧几里得二范数。μ是ratio检验阈值，通常取2-5。若上式成立则认为通过检验，否则认为检验拒绝。

18)输出浮点解；如果ratio检验未通过，则认为模糊度固定解不可靠，需要使用滤波解作为最终定位结果进行输出。

19)输出固定解；如果ratio检验通过，则使用模糊度固定解作为定位结果输出。模糊度固定为整数后，对应的实数参数可更新为整周模糊度的条件解，表示为：

相应的方差协方差矩阵可表示为：

如果模糊度检验通过，则使用作为最后定位结果使用。

上述步骤可实现地面接收机与低轨卫星之间的差分实时精密定位。

本发明实施例提供的低轨卫星实现星地差分精密定位的原理如图2所示。图中geo/igso/meo指现有的全球或区域卫星导航系统卫星，包括但不限于gps、glonass、beidou、galileo、irnss及qzss导航卫星系统。leo是指搭载了双频gnss信号接收机，具有高精度自主定轨能力，并具有向地面播发信息能力的低轨卫星。地面参考站是指布设在地球表面的连续运行参考站，如国际gnss服务的监测网(igs)，多gnss试验网(mgex)等。地面分析中心是指能够通过网络获取各个地面参考站的观测数据，能够实时计算或者预报导航卫星的轨道和钟差，并且能够将预报的导航卫星轨道和钟差上注到低轨卫星的地面中心数据处理中心。用户是指具有gnss信号接收功能，并且能够接收，解析低轨卫星播发的差分信息，通过差分定位的方式确定自身精密坐标的接收设备。如图2所示，图中geo/igso/meo导航卫星持续的向地面和低轨卫星播发导航信号，导航信号被低轨卫星，用户和地面参考站接收。地面参考站将接收到的观测值发送至地面分析中心，地面分析中心通过综合计算各个地面站的观测数据，确定实时和预报的精密geo/igso/meo轨道和钟差信息。考虑到低轨卫星测控窗口长度有限，通常需要预报数小时的轨道和钟差，然后将预报轨道和钟差信息进行数据压缩，在测控窗口内，将压缩后的数据上传至低轨卫星。低轨卫星使用星载接收机的观测数据和接收到的地面增强信息进行实时精密轨道确定。然后将自身的轨道和同一时刻对应的观测数据进行编码，播发到地面。地面用户使用收到的geo/igso/meo卫星的观测值，和低轨卫星播发的差分信息，形成星地差分基线，完成双差定位。虽然星地基线距离较长，通常有数百至上千公里，但是形成的双差观测值仍然能够有效地消除接收机钟差，卫星钟差，削弱电离层影响，有效地简化精密定位的复杂度，提高定位效率和精度。另外，本文论述的星地差分系统也可以在自主模式运行，即没有地面分析中心支持的模式。没有地面参考站和和地面分析中心支持，星上自主定轨也可以达到0.5m左右的结果。直接使用自主定轨的结果进行星地差分，仍然可获得优于1米的实时定位精度。地面分析中心与低轨卫星之间的直接通信链路也可以通过数据中继卫星或者星间链路等方式间接的建立。

本发明能够提高地面参考站的利用率，将差分定位服务范围扩展至全球。

本发明能够提供全球范围的差分定位服务，特别是在远洋地区，偏远地区，地震灾区等没有条件架设地面参考站的区域。

本发明星地差分定位算法模型比精密单点定位(ppp)简单，通过双差的方法可以自行消去卫星端和接收机端的钟差和硬件偏差，因而无需使用外部信号偏差产品进行修正。基于星地差分定位系统的定位收敛时间和定位精度方面优于精密单点定位。

本发明能够提供面向实时用户的高精度定位服务，精密单点定位技术要依赖多种外部精密数据产品对观测数据进行改正，部分产品具有一定的延迟，这导致精密单点定位技术更多地应用在后处理和实时性不高的场景。本发明的方法适合实时高精度定位应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。