本发明涉及卫星导航定位技术领域，特别涉及一种利用卫星定位的方法和装置、卫星导航接收机、存储介质。
背景技术：
目前，全球卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)由美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的BeiDou以及欧盟的Galileo组成。随着全球卫星定位技术的发展，厘米甚至毫米级的定位精度需求也越来越迫切，需求范围也越来越广泛，如测量测绘、精细农业、智能机器人、无人驾驶、无人机等领域都需要较高精度的位置信息。
现有技术中，无精密数据支持的单台卫星定位接收机，无法完成厘米到分米级定位。能提供厘米到分米级卫星定位服务的技术主要有实时动态(Real-Time Kinematic，RTK)技术和精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)技术，其中，RTK技术是目前应用最广的高精度卫星定位技术。
但是，RTK技术和PPP技术增加了用户的作业复杂度和成本，而且作业地域也受到限制，这是因为无论RTK技术还是PPP技术，都需要外界精密数据的支持。RTK技术需要差分数据支持，移动站利用差分数据来消除卫星钟差以及大部分卫星轨道和大气传播误差后，可达到厘米级定位精度；而PPP技术需要精密轨道和钟差的支持。即使是自己建立基准站，RTK用户也需要通过电台或无线宽带来接收RTK差分数据。对于利用网络RTK数据的用户，他们获得的数据是按服务时间收费的。大部分PPP用户是通过接收星基的精密数据，也有PPP用户通过网络获得精密数据。PPP用户每年需要付出几千元的精密数据服务费。此外，RTK技术和PPP技术也受到地域的限制。在很多地域，用户无法建立基准站，也无法收到网络RTK差分数据和精密轨道钟差数据，因而无法实现高精度卫星定位。
为了摆脱对实时外部改正数据的依赖，已有研究人员发明了一些定位方法。公开号为“US6664923B1”，发明名称为“用于GNSS接收机的位置和速度卡尔曼滤波器”的申请和公开号为“US6397147B1”，发明名称为“使用单一GPS接收机内部产生的差分校正项进行相对GPS定位”的申请，分别提到了采用平滑技术和自己产生伪距改正数的方法来提高单站定位精度。但是这两种方法均局限于伪距观测值的精度，定位精度只能达到米级，不能满足目前主流的高精度定位需求。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用卫星定位的方法和装置、卫星导航接收机、存储介质，能够实现单站厘米到分米级定位精度。
为了达到本发明目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种利用卫星定位的方法，所述方法包括：
通过接收机接收至少两颗卫星的广播星历，并获取接收机在初始时刻和当前时刻的双频伪距观测值和双频载波相位观测值；
根据获取的双频伪距观测值和双频载波相位观测值，计算双差对流层延迟、双差电离层误差，估计双差整周模糊度、电离层残差、双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差，根据接收的广播星历计算观测到的卫星位置；
将计算和估计出的各参数值代入历元间星间双差观测方程，得到接收机当前时刻位置相对于初始时刻位置的基线向量。
进一步地，所述方法之后还包括：
获取所述接收机在初始时刻的位置；
根据所述接收机当前时刻位置相对于初始时刻位置的基线向量，得到所述接收机在当前时刻的位置。
进一步地，所述方法之前还包括：
建立伪距和载波相位的非差函数模型，对建立的非差函数模型在历元间和星间做差，得到所述历元间星间双差观测方程。
进一步地，所述历元间星间双差观测方程为：
其中，表示双差符号，i、j为观测到的两颗卫星，n为频点，初始时刻为t＝0，当前时刻为t＝k；和分别表示双差伪距观测量和双差载波相位观测量，单位为米；表示卫星到接收机间的双差几何距离；和分别为双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差；为双差对流层延迟；为频点1双差电离层误差；表示双差整周模糊度；和分别表示频点n双差伪距观测噪声和双差载波相位观测噪声。
进一步地，所述计算双差对流层延迟、双差电离层误差，具体包括：
通过对流层模型计算所述双差对流层延迟；
通过电离层模型计算所述双差电离层误差。
进一步地，在所述将计算和估计出的各参数值代入历元间星间双差观测方程的步骤之前，所述方法还包括：
通过模糊度搜索算法固定所述双差整周模糊度。
进一步地，所述估计双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差，具体包括：
将双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差合并为一个参数进行估计，且对每颗卫星只估计一次。
进一步地，所述估计电离层残差，具体包括：
通过双差伪距观测量和双差载波相位观测量来估计；
根据电离层残差与双频观测值频率平方反比，以及伪距和载波的电离层残差符号相反，对每颗卫星估计一次电离层残差。
本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如以上任一项所述的利用卫星定位的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种利用卫星定位的装置，包括获取模块和计算模块，其中：
获取模块，用于通过接收机接收至少两颗卫星的广播星历，并获取接收机在初始时刻和当前时刻的双频伪距观测值和双频载波相位观测值；
计算模块，用于根据获取的双频伪距观测值和双频载波相位观测值，计算双差对流层延迟、双差电离层误差，估计双差整周模糊度、电离层残差、双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差，根据接收的广播星历计算观测到的卫星位置，将计算和估计出的各参数值代入历元间星间双差观测方程，得到接收机当前时刻位置相对于初始时刻位置的基线向量。
进一步地，所述获取模块，还用于获取所述接收机在初始时刻的位置；
所述计算模块还用于，根据所述接收机当前时刻位置相对于初始时刻位置的基线向量，得到所述接收机在当前时刻的位置。
进一步地，所述装置还包括建模模块，其中：
所述建模模块，用于建立伪距和载波相位的非差函数模型，对建立的非差函数模型在历元间和星间做差，得到所述历元间星间双差观测方程。
进一步地，所述历元间星间双差观测方程为：
其中，表示双差符号，i、j为观测到的两颗卫星，n为频点，初始时刻为t＝0，当前时刻为t＝k；和分别表示双差伪距观测量和双差载波相位观测量，单位为米；表示卫星到接收机间的双差几何距离；和分别为双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差；为双差对流层延迟；为频点1双差电离层误差；表示双差整周模糊度；和分别表示频点n双差伪距观测噪声和双差载波相位观测噪声。
本发明实施例还提供了一种卫星导航接收机，其特征在于，包括如以上任一所述的利用卫星定位的装置。
本发明的技术方案，具有如下有益效果：
本发明提供的利用卫星定位的方法和装置、卫星导航接收机、存储介质，通过建立历元间星间双差观测方程以及根据单个接收机接收的至少两颗卫星的广播星历和观测值，计算得到接收机在初始时刻和当前时刻的位置的差值，实现了单站厘米到分米级定位精度，操作简单，摆脱了接收机对外部数据的依赖，大大降低了作业成本，提高了作业效率，拓展了高精度卫星定位服务的作业范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的利用卫星定位的方法的流程示意图；
图2为本发明第一实施例的利用卫星定位的装置的结构示意图；
图3为本发明第二实施例的利用卫星定位的装置的结构示意图；
图4为实测的利用本发明的方法的接收机的动态定位精度结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
参照图1，本发明实施例提供了一种利用卫星定位的方法，包括如下步骤：
步骤101：通过接收机接收至少两颗卫星的广播星历，并获取接收机在初始时刻和当前时刻的双频伪距观测值和双频载波相位观测值；
进一步地，所述方法之前还包括：
建立伪距和载波相位的非差函数模型，对建立的非差函数模型在历元间和星间做差，得到历元间星间双差观测方程。
进一步地，所述建立的伪距和载波相位的非差函数模型为：
其中，在公式(1)和(2)中，和分别表示星i频点n在初始
时刻0的伪距和载波相位观测量，单位为米；表示卫星i在初始时刻0到接收机的几何距离；c为光速；dTr,0为初始时刻0接收机钟差；为初始时刻0卫星i的钟差；为初始时刻0卫星i的轨道误差；为初始时刻0卫星i的对流层延迟；为初始时刻0卫星i频点1的电离层误差；f12和fn2分别表示频点1和频点n频率的平方；λn为第n频点载波的波长；表示初始时刻0卫星i频点n载波相位整周模糊度；和分别表示卫星i频点n伪距和载波相位观测噪声。
在公式(3)和(4)中，和分别表示卫星j频点n在初始时刻0的伪距和载波相位观测量，单位为米；表示卫星j在初始时刻0到接收机的几何距离；为初始时刻0卫星j的钟差；为初始时刻0卫星j的轨道误差；为初始时刻0卫星j的对流层延迟；为初始时刻0卫星j频点1的电离层误差；表示初始时刻0卫星j频点n载波相位整周模糊度；和分别表示卫星j频点n伪距和载波相位观测噪声
随着时间和接收机位置变化，接收机的观测值也会发生变化，在时刻k的观测值为：
在公式(5)和(6)中，和分别表示卫星i频点n在时刻k的伪距和载波相位观测量，单位为米；表示卫星i在时刻k到接收机的几何距离；c为光速；dTrk为时刻k接收机钟差；为时刻k卫星i的钟差；为时刻k卫星i的轨道误差；为时刻k卫星i的对流层延迟；为时刻k卫星i频点1的电离层误差；表示时刻k卫星i频点n载波相位整周模糊度。
在公式(7)和(8)中，和分别表示卫星j频点n在时刻k的伪距和载波相位观测量，单位为米；表示卫星j在时刻k到接收机的几何距离；为时刻k卫星j的钟差；为时刻k卫星j的轨道误差；为时刻k卫星j的对流层延迟；为时刻k卫星j频点1的电离层误差；表示时刻k卫星j频点n载波相位整周模糊度。
为了解算载波的模糊度N，我们在时刻k和时刻0的观测值之间做单差，并且在卫星之间再做一次差，即可得到双差的载波模糊度。选定卫星i作为参考星，公式(7)-(3)-(5)+(1)可以得到如下双差观测方程：
同样，公式(8)-(4)-(6)+(2)可以得到如下双差观测方程：
在公式(9)和(10)中，表示双差；和分别表示双差伪距和载波相位观测量，单位为米；表示双差几何距离；双差后接收机钟差已经消除；和分别为双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差；为双差对流层延迟；为频点1双差电离层误差；表示双差整周模糊度；和分别表示频点n双差伪距和载波相位观测噪声。
步骤102：根据获取的双频伪距观测值和双频载波相位观测值，计算双差对流层延迟、双差电离层误差，估计双差整周模糊度、电离层残差、双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差，根据接收的广播星历计算观测到的卫星位置；
值得指出的是，每颗卫星需要估计的参数包括：
除参考星外，每颗卫星有四个观测量，分别是频点1的双差伪距观测值频点2的双差伪距观测值频点1的双差载波观测值频点2的双差载波观测值它们对应的系数矩阵分别为：
[Δxj/rj-Δxi/ri,Δyj/rj-yi/ri,Δzj/rj-Δzi/ri,1,1,0,0]
[Δxj/rj-Δxi/ri,Δyj/rj-yi/ri,Δzj/rj-Δzi/ri,1,-1,1,0]
其中，Δxj为时刻k卫星j位置坐标与接收机坐标之差的x方向分量；Δxi为时刻k参考卫星i位置坐标与接收机坐标之差的x方向分量；Δyj为时刻k卫星j位置坐标与接收机坐标之差的y方向分量；Δyi为时刻k参考卫星i位置坐标与接收机坐标之差的y方向分量；Δzj为时刻k卫星j位置坐标与接收机坐标之差的z方向分量；Δzi为时刻k参考卫星i位置坐标与接收机坐标之差的z方向分量；rj为时刻k卫星j到接收机之间的几何距离；ri为时刻k参考卫星i到接收机之间的几何距离。
电离层残差、卫星轨道和卫星钟差的残差对结果影响较大，必须通过参数估计。
双差对流层延迟先通过对流层模型(如Saastamoinen模型)计算，剩下的对流层残差很小，作为噪声处理。双差电离层误差先通过电离层模型(如Klobuchar模型)计算，剩下的电离层残差通过双差后的双频伪距载波来估计，利用电离层残差与双频观测值频率平方反比的关系，以及伪距和载波的电离层残差符号相反的关系，每颗卫星四个双差观测值，只需要估计一个电离层残差参数。
双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差，也通过双差后的观测值来估计。因为卫星轨道和钟差误差与频点无关，也与伪距和载波观测值无关，都是缓变误差，可以把双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差合并一个参数估计。每颗卫星四个双差观测值，只需要估计一个双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差参数。
通过现有的模糊度搜索算法固定双差整周模糊度，例如，通过Lambda算法固定双差整周模糊度。
步骤103：将计算和估计出的各参数值代入历元间星间双差观测方程，得到接收机当前时刻位置相对于初始时刻位置的基线向量。
进一步地，所述方法之后还包括：
获取接收机在初始时刻的位置；
根据接收机当前时刻位置相对于初始时刻位置的基线向量，计算接收机在当前时刻的位置。
需要说明的是，如果接收机在开始作业时，保存一组自身的初始位置和观测值，这组观测值包含了当时的卫星轨道、钟差、电离层和对流层误差。初始位置和观测值可作为基站位置和观测值，接收机后续的观测值可以与初始位置观测值进行双差，利用这些误差在短时间内短距离上的强相关性来消除大部分误差。对于剩下的残差，则可通过模型或参数来估计。随着时间的变化，这些误差的相关性会变弱，几个小时后就没有改正效果。在10分钟内，这些误差变化维持在厘米级，因为在10分钟内科维持厘米级定位精度。即使达到半小时，误差变化仍在分米级，所以半小时内仍可以维持分米级定位。
如果用户需要准确的绝对位置，那么接收机在开始作业时，则需要将天线放置于一个准确的初始位置上，并输入准确位置。如果用户作业时只关注相对于初始位置的变化，则不需要输入准确位置，也不需要把天线放置于准确位置上，用户可以在随意位置开始作业。
本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如以上任一项所述的利用卫星定位的方法的步骤。
如图2所示，本发明实施例还提供了一种利用卫星定位的装置，包括获取模块201和计算模块202，其中，
获取模块201，用于通过接收机接收至少两颗卫星的广播星历，并获取接收机在初始时刻和当前时刻的双频伪距观测值和双频载波相位观测值；
计算模块202，用于根据获取的双频伪距观测值和双频载波相位观测值，计算双差对流层延迟、双差电离层误差，估计双差整周模糊度、电离层残差、双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差，根据接收的广播星历计算观测到的卫星位置，将计算和估计出的各参数值代入历元间星间双差观测方程，得到接收机当前时刻位置相对于初始时刻位置的基线向量。
进一步地，如图3所示，所述装置还包括建模模块203，其中：
建模模块203，用于建立伪距和载波相位的非差函数模型，对建立的非差函数模型在历元间和星间做差，得到历元间星间双差观测方程。
进一步地，所述历元间星间双差观测方程为：
其中，表示双差符号，i、j为观测到的两颗卫星，n为频点，初始时刻为t＝0，当前时刻为t＝k；和分别表示双差伪距观测量和双差载波相位观测量，单位为米；表示卫星到接收机间的双差几何距离；和分别为双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差；为双差对流层延迟；为频点1双差电离层误差；表示双差整周模糊度；和分别表示频点n双差伪距观测噪声和双差载波相位观测噪声。
需要说明的是，在双差观测方程(9)和(10)中，双差伪距和载波相位观测量和为已知量。双差几何距离的计算需要时刻0和时刻k的接收机位置，卫星i，j的位置。接收机初始时刻0的位置为已知点，卫星i，j的位置的位置可通过广播星历参数计算得到，时刻k的接收机位置(xk,yk,zk)相对于初始位置的基线向量需要估计。
对于影响高精度卫星定位的几种误差，卫星轨道，卫星钟差，电离层和对流层误差，都是随时间缓慢变化的。卫星上一般采用高性能的氢原子、铯原子或铷原子钟，其稳定性超过3x10-14/1000s。卫星轨道误差的变化也很缓慢。通过和精密轨道对比，广播星历计算的卫星轨道误差的变化在一小时内小于0.5米。电离层和对流层误差会随卫星高度角变化而变化，但短时间内卫星高度角变化不大，而且对于高度角变化引起的误差变化，是可以通过电离层和对流层模型来消除的。
双差卫星轨道误差和双差卫星钟差误差和都为缓变量，且与观测值为伪距还是载波无关，而且与频点无关。我们可以把整体作为一个参数来估计。
双差对流层延迟通过对流层模型计算可以消除90％以上，剩下的残差很小，可当噪声处理。
双差电离层误差通过电离层模型计算可以消除50％，剩下的残差可作为参数估计。
双差整周模糊度作为参数估计，利用其整数特性通过模糊度搜索算法来固定。在模糊度固定后，即可充分发挥载波相位观测值噪声小(毫米级)的特性，得到高精度的接收机位置估计。
进一步地，所述计算模块202的计算双差对流层延迟、双差电离层误差，包括：
通过对流层模型计算双差对流层延迟；
通过电离层模型计算双差电离层误差；
进一步地，所述计算模块202还用于：通过模糊度搜索算法(如Lambda算法)固定双差整周模糊度。
进一步地，所述获取模块201还用于，获取接收机在初始时刻的位置；
所述计算模块202还用于，根据所述接收机当前时刻位置相对于初始时刻位置的基线向量，得到所述接收机在当前时刻的位置。
本发明实施例还提供了一种卫星导航接收机，包括以上任一所述的利用卫星定位的装置。
本发明通过单站在初始位置自身的观测值，利用短距离短时间内卫星轨道，钟差，电离层和对流层误差和接收机初始位置时的误差之间的强相关，把接收机初始位置时的坐标和观测值作为基站坐标和观测值，通过当前的观测值与初始位置上观测值双差来消除大部分卫星轨道钟差，电离层对流层等误差。并通过双频观测值来估计电离层残差和卫星轨道钟差误差变化量，从而在短时间内(10分钟)保持厘米级定位精度，并且可以在半小时内维持分米级定位精度。
本发明消除了传统RTK和PPP技术对基站差分数据和精密数据的依赖，只依靠单站自身观测值达到分米甚至厘米级定位精度。从而大大减少用户的作业成本，拓展了高精度卫星定位的作业范围。
通过实验验证时，同一天线功分给利用本发明的接收机和做RTK的接收机，天线和两接收机装在一台汽车上。汽车在无遮挡的道路上行驶一个小时。因为无遮挡情况下RTK的精度在厘米级，可以作为本次定位真值。利用本发明的接收机输出的动态定位结果和实时RTK结果之间的位置差，可以认为是本发明的定位误差。图4为这样计算出来的误差，其中，rms为均方根(root mean square)，U为均值。可以看出，本发明的定位误差随时间累积，时间越长误差越大。但是误差发散比较慢，即使在一个小时后，水平方向的定位误差也在30cm内，高程方向误差在1米内。而在半小时时刻，水平方向误差在20cm内，高程在50cm内。从图4中可以看出，本发明输出的位置短时间内精度较高，且误差变化比较平缓。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。