一种GNSS和LNSS数据融合处理方法及系统

本发明涉及数据融合，特别是涉及一种gnss和lnss数据融合处理方法及系统。

背景技术：

1、全球导航卫星系统(gnss)因其全天候、高实时、高精度等优点被广泛应用于各个领域。目前提供服务的gnss共有四个，分别为美国的全球定位系统(gps)、俄罗斯的格洛纳斯系统(glonass)、欧盟的伽利略系统(galileo)以及中国的北斗卫星导航系统(bds)。bds由中国独立建设和运行，由地球静止轨道(geo)、倾斜地球同步轨道(igso)以及中圆地球轨道(meo)三类卫星组成。整体建设分为三个阶段，分别为验证系统(bds-1)，扩展的区域导航系统(bds-2)以及全球导航系统(bds-3)。bds-3正式为全球用户提供服务，标志着bds建设圆满完成了三步走战略。

2、随着用户对导航定位需求的不断增长，高精度、高可靠、快收敛等要素受到越来越多gnss用户的关注，这促使了低地球轨道(leo)导航卫星系统的发展。相比于gnss卫星，leo卫星的轨道高度更低，这使得leo导航卫星系统，即低轨导航卫星系统(lnss)具有以下优势：1)对地几何结构变化快，显著改善了用户定位收敛时间；2)信号落地功率高，提升了导航定位抗干扰能力；3)星地通信能力强，有效增强了gnss服务能力。此外，对于bds，密集的leo卫星网可作为移动的监测站，这有效弥补了中国自主可控的地面监测站无法全球分布的问题，显著提升了基于区域地面监测站的bds卫星轨道和钟差解算精度。

3、多导航系统并存催生了多种观测数据融合处理的需求，随着lnss的发展，在原有地面监测站gnss观测和bds-3卫星星间链路(isl)观测的基础上，lnss的加入新增了地面监测站lnss观测、leo卫星星载gnss观测、leo卫星isl观测等信号源。如何基于gnss和lnss多源观测数据建立一套多源数据融合处理方法，对于保障正在建设的lnss提供高精度、高可靠、快收敛的定位、导航和授时(pnt)服务至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种gnss和lnss数据融合处理方法及系统，以提供高精度可靠的导航定位。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种gnss和lnss数据融合处理方法，所述方法包括：

4、获取观测数据；所述观测数据包括：星间测距观测数据、地面监测站观测数据和星载观测数据；所述星间测距观测数据包括：bds-3星间测距观测数据和lnss星间测距观测数据；所述地面监测站观测数据包括：gnss观测数据和lnss观测数据；所述星载观测数据包括：leo卫星的星载gnss观测数据；

5、根据所述星间测距观测数据，基于动力学定轨法构建bds-3及lnss星间测距观测模型；

6、基于拉格朗日插值算法和二次多项式法，确定bds-3及lnss星间测距观测模型的观测参数；所述观测参数包括：信号发射时刻估计值、卫星动力学参数和卫星钟差；

7、根据所述地面监测站观测数据构建地面监测站gnss及lnss观测模型；所述地面监测站gnss及lnss观测模型，包括：伪距观测方程和载波相位观测方程；

8、基于拉格朗日插值算法和轨道积分函数，确定地面监测站gnss及lnss观测模型的观测参数；

9、根据所述星载观测数据，确定星载gnss观测方程，并根据所述星载gnss观测方程确定leo卫星星载gnss观测模型；

10、基于轨道积分函数和拉格朗日插值算法，确定所述leo卫星星载gnss观测模型的观测参数；

11、采用二次多项式建模和拉格朗日多项式插值的方法，根据多源参数构建gnss及lnss多源数据融合观测模型；所述多源参数包括：bds-3及lnss星间测距观测模型的观测参数、地面监测站gnss及lnss观测模型的观测参数，以及leo卫星星载gnss观测模型的观测参数；

12、采用最小二乘法对所述gnss及lnss多源数据融合观测模型进行参数估计，得到参数解算结果；所述参数解算结果用于表征卫星系统的定位导航和授时。

13、可选地，根据所述星间测距观测数据，基于动力学定轨法构建bds-3及lnss星间测距观测模型，具体包括：

14、根据所述星间测距观测数据建立星间链路测距观测方程；

15、根据卫星运行过程中的受力情况建立卫星受摄运动方程；

16、基于动力学定轨法，根据所述星间链路测距观测方程和所述卫星受摄运动方程，采用拉格朗日插值算法确定星间测距观测方程；

17、根据所述星间测距观测方程确定bds-3及lnss星间测距观测模型。

18、可选地，所述星间链路测距观测方程的表达式为：

19、

20、其中，lij为卫星j接收到的来自卫星i的伪距观测量；ri为卫星i在坐标系中的位置向量；rj为卫星j在坐标系中的位置向量；ti为卫星i发射信号的时刻；tj为卫星j接收到信号的时刻；c为光速；dti为卫星i的卫星钟差；dtj为卫星j的卫星钟差；为卫星j的信号接收时延；为卫星i的信号发射时延；为信号从卫星i到卫星j传播过程中的误差。

21、可选地，所述星间测距观测方程的表达式为：

22、

23、其中，lij为卫星j接收到的来自卫星i的伪距观测量；(xi,yi,zi)为卫星i的三维坐标；(xj,yj,zj)为卫星j的三维坐标；ti为卫星i发射信号的时刻；c为光速；dti为卫星i的卫星钟差；tj为卫星j接收到信号的时刻；dtj为卫星j的卫星钟差；为卫星j的信号接收时延；为卫星i的信号发射时延；为信号从卫星i到卫星j传播过程中的误差。

24、可选地，所述伪距观测方程的表达式为：

25、

26、所述载波相位观测方程的表达式为：

27、

28、其中，i为卫星号；p为伪距观测值；φ为载波相位观测值；ρ为卫星和测站间的几何距离；c为光速；dt为接收机钟差；dt为卫星钟差；dion为电离层延迟；dtro为对流层延迟；disb为isb；dspcc为卫星端天线pcc；drpcc为地面监测站天线pcc；dr为接收机端的dcb；ds为卫星端的dcb；δr为接收机端的相位硬件延迟；δs为卫星端的相位硬件延迟；λ为载波波长；n为整周模糊度；为接收机端的初始相位；为卫星端的初始相位；εp为伪距观测值的各剩余误差和观测噪声；εφ为载波相位观测值的各剩余误差和观测噪声。

29、可选地，所述gnss及lnss多源数据融合观测模型的表达式为：

30、

31、

32、

33、

34、

35、

36、

37、

38、其中，lij为卫星j接收到的来自卫星i的伪距观测量；ρij为卫星i和卫星j间的理论距离；c为光速；dtj为卫星j的卫星钟差；tj为卫星j接收到信号的时刻；dti为卫星i的卫星钟差；ti为卫星i发射信号的时刻；为卫星j的信号接收时延；为卫星i的信号发射时延；为信号从卫星i到卫星j传播过程中的误差；i为卫星号；p为伪距观测值；φ为载波相位观测值；ρ为卫星和测站间的几何距离；dt为接收机钟差；dt为卫星钟差；dion为电离层延迟；dtro为对流层延迟；dr为接收机端的dcb；ds为卫星端的dcb；εp为伪距观测值的各剩余误差和观测噪声；δr为接收机端的相位硬件延迟；δs为卫星端的相位硬件延迟；λ为载波波长；n为整周模糊度；为接收机端的初始相位；为卫星端的初始相位；εφ为载波相位观测值的各剩余误差和观测噪声；(xi,yi,zi)为卫星i的三维坐标；(xj,yj,zj)为卫星j的三维坐标；ti为卫星i发射信号的时刻；dti为卫星i的卫星钟差；tj为卫星j接收到信号的时刻；dtj为卫星j的卫星钟差；tk为第k时刻；k为序号；n为拉格朗日插值算法的阶数；l为序号；tl为第l时刻。

39、一种gnss和lnss数据融合处理系统，所述系统包括：

40、数据获取模块，用于获取观测数据；所述观测数据包括：星间测距观测数据、地面监测站观测数据和星载观测数据；所述星间测距观测数据包括：bds-3星间测距观测数据和lnss星间测距观测数据；所述地面监测站观测数据包括：gnss观测数据和lnss观测数据；所述星载观测数据包括：leo卫星的星载gnss观测数据；

41、第一模型构建模块，用于根据所述星间测距观测数据，基于动力学定轨法构建bds-3及lnss星间测距观测模型；

42、第一确定模块，用于基于拉格朗日插值算法和二次多项式法，确定bds-3及lnss星间测距观测模型的观测参数；所述观测参数包括：信号发射时刻估计值、卫星动力学参数和卫星钟差；

43、第二构建模块，用于根据所述地面监测站观测数据构建地面监测站gnss及lnss观测模型；所述地面监测站gnss及lnss观测模型，包括：伪距观测方程和载波相位观测方程；

44、第二确定模块，用于基于拉格朗日插值算法和轨道积分函数，确定地面监测站gnss及lnss观测模型的观测参数；

45、第三构建模块，用于根据所述星载观测数据，确定星载gnss观测方程，并根据所述星载gnss观测方程确定leo卫星星载gnss观测模型；

46、第三确定模块，用于基于轨道积分函数和拉格朗日插值算法，确定所述leo卫星星载gnss观测模型的观测参数；

47、模型构建模块，用于采用二次多项式建模和拉格朗日多项式插值的方法，根据多源参数构建gnss及lnss多源数据融合观测模型；所述多源参数包括：bds-3及lnss星间测距观测模型的观测参数、地面监测站gnss及lnss观测模型的观测参数，以及leo卫星星载gnss观测模型的观测参数；

48、求解模块，用于采用最小二乘法对所述gnss及lnss多源数据融合观测模型进行参数估计，得到参数解算结果；所述参数解算结果用于表征卫星系统的定位导航和授时。

49、一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述所述的gnss和lnss数据融合处理方法。

50、一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的gnss和lnss数据融合处理方法。

51、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

52、本发明提供了一种gnss和lnss数据融合处理方法及系统，根据获取的观测数据构建bds-3及lnss星间测距观测模型、地面监测站gnss及lnss观测模型和leo卫星星载gnss观测模型；然后分别确定各个观测模型的观测参数；采用二次多项式建模和拉格朗日多项式插值的方法，根据多源参数构建gnss及lnss多源数据融合观测模型；采用最小二乘法对gnss及lnss多源数据融合观测模型进行参数估计，得到参数解算结果；该参数解算结果用于表征卫星系统的定位导航和授时；本发明能够提供高精度可靠的导航定位。