一种顾及对流层影响的cors基准站网基线模糊度解算方法
【专利摘要】本发明公开了一种顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方法，通过测地型接收机采集的双频数据，列立GNSS双差观测方程；利用卫星到接收机的真实距离进行周跳的探测与修复；通过使用MW组合观测值，进行宽巷模糊度的求解与验证；通过将基线两端的对流层延迟误差写成投影函数与站点天顶对流层延迟的乘积，列立卡尔曼滤波观测方程，并列立卡尔曼滤波状态方程；通过对卡尔曼滤波器的平滑，滤波出L1整周模糊度的浮点值；对卡尔曼滤波出的L1整周模糊度浮点值进行搜索；对搜索得到的L1整周模糊度进行验证。本发明充分利用了网络RTK中基准站坐标精确已知的特性，具有很高的精度，可以探测并修复小周跳。
【专利说明】
一种顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及GNSS整周模糊度解算领域，具体是一种顾及对流层影响的CORS基准站 网基线模糊度解算方法。
【背景技术】
[0002] CORS系统是通过地面通信系统播发导航信号修正量和辅助定位信号，向用户提供 厘米级至亚米级精密定位和大众终端辅助增强服务，CORS系统实现高精度动态定位的首要 条件是基准站间整周模糊度的准确确定。在CORS系统中，使用的技术称为网络RTK技术。在 网络RTK技术中，基准站间的基线模糊度的确定是其核心技术。由于网络RTK的基准站之间 基线长度一般相距50公里以上，电离层以及对流层等空间相关性误差即使在双差之后数值 也较大，因此电离层和对流层的影响不能通过简单的差分方式去除，而必须与模糊度一并 求解出来。当前电离层延迟和对流层延迟的处理方式一般为，使用无电离层组合消除电离 层延迟的影响，使用对流层观测模型估计对流层延迟的影响。对流层延迟主要分为干分量 和湿分量两个部分，其中干分量可以用模型估计90%，湿分量只能估计出70%，对流层的值不 正确可能会影响整周模糊度的估计。如高星伟博士 2002年提出的在网络RTK基准站单历元 整周模糊度解算算法中，使用L1/L2之间的相关信息进行Ll模糊度的搜索，其中对流层误差 就采用模型计算的方法，使得搜索有一定的不准确性，导致搜索效率与准确性下降。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种具有较高的搜索效率及搜索准确性的顾及对流层影 响的CORS基准站网基线模糊度解算方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案： 一种顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方法，包括以下步骤： 步骤1，根据测地型接收机采集的GNSS双频数据，消除GNSS双频数据中的粗差，列立双 差观测方程； 步骤2,在步骤1列立的双差观测方程基础之上，考虑到网络RTK中基准站坐标已知这一 特点，进行周跳探测与修复工作； 步骤3,在步骤2已经消去了周跳的双差观测值的基础之上，使用MW组合观测值进行宽 巷模糊度的求解与验证工作； 步骤4,根据对流层延迟误差的特点，将对流层延迟误差写成站点天顶对流层延迟与投 影函数的乘积，组成卡尔曼滤波观测方程;根据站点天顶对流层延迟以及Ll整周模糊度的 特点，组成卡尔曼滤波状态方程； 步骤5,在步骤4中的卡尔曼滤波观测方程与状态方程的基础之上，使用离散系统的卡 尔曼滤波模型进行求解，滤波出Ll整周模糊度的浮点值； 步骤6,根据Ll整周模糊度与L2整周模糊度之间的关系，在滤波出的Ll整周模糊度浮点 值上下进行搜索，确定Ll整周模糊度； 步骤7，根据网络RTK中基准站坐标准确已知这一特点，对步骤6中确定的L1整周模糊度 进行验证。
[0005] 作为本发明进一步的方案:所述步骤1中，其具体实现方式是根据测地型接收机接 收到的GNSS双频数据，首先在基准站间进行站间差分，得到单差观测方程;从基准站间可观 测到的公共卫星中选取高度角最高观测质量最好的卫星作为参考卫星，将其他卫星的单差 方程与参考卫星的单差方程做差，从而列立双差观测方程。
[0006] 作为本发明进一步的方案:所述步骤2中，进行周跳探测与修复的具体工作如下： 对每颗卫星而言，在网络RTK基线解算中，由于基准站坐标精确已知，卫星与站点之间的距 离可以精确算出；将载波相位观测值与整周模糊度相加之后乘以该载波相位观测值的波 长，即可得出载波相位观测值的量测距离;载波相位观测值量测距离前后历元的差值与卫 星到基准站真实距离前后历元的差值中只有基线经过三差（为双差后再进行历元间差分） 后的电离层残差，对流层残差以及噪声的影响，理论上其值应该为〇:
其中：j表示观测卫星编号；1%表示当前历元观测时刻，表示上一历元观测时 亥L為D前后历元卫星到接收机真实距离的差值;:￡L：|、#L2为前后历元Ll与L2载波相位 观测值差值，以m为单位； 比较卫星到基准站前后历元真实距离的差值与Ll载波相位观测值量测距离前后历元 的差值求差后的绝对值|ΔΕ) - AlL11，当其大于阈值，阈值为三分之一波长，即认为此时 Ll载波上发生周跳;对于L2亦然;如果在Ll载波相位观测值或L2载波相位观测值上发生周 跳，可用下式对周跳进行修复：
利用上述方法进行周跳探测，充分利用了网络RTK中基准站坐标精确已知的特性，具有 很高的精度，可以探测并修复小周跳。
[0007] 作为本发明进一步的方案:所述步骤3中，利用MW组合进行宽巷模糊度的求解与验 证具体步骤如下： 步骤3.1，使用MW组合在单历元间求解宽巷模糊度，Mff组合求解宽巷模糊度可以写成如 下形式：
其中：1^胃为双差宽巷模糊度;Iw为波长
3双差宽巷观测量， %分别为LI和L2的双差伪距观测值;λρ I分别为LI和L2载波对应的波长； 步骤3.2,对用MW组合单历元观测值求解的宽巷模糊度与用真实距离求解的宽巷模糊 度进行比较，结合对上述两种宽巷模糊度的解算数值分析，设定两个模糊度差值阈值;如果 两个模糊度值相差超过〇. 25周时，则认为Mff组合中含有粗差，将该组Mff组合观测值剔除； 步骤3.3,对单历元求解的宽巷模糊度在历元间进行平滑，以消除噪音的影响。
[0008] 作为本发明进一步的方案:所述步骤4中，卡尔曼滤波状态方程与观测方程列立具 体步骤如下： 步骤4.1，根据对流层延迟误差的特点，对流层延迟误差可以由投影函数以及站点天顶 对流层延迟表示：
对于干分量部分，模型可以精确的修复，因此使用模型值;对于湿分量部分，双差对流 层影响可表示为：
其中：.j.表示观测卫星，Ref表示参考卫星；分别表示基线 两端基准站的天顶对流层延迟； 步骤4.2，卡尔曼滤波观测方程与状态方程可以列立成：
E测站 中观测卫星与参考卫星投影函数的差值； 在系统状态建模中，一 ?
成随机游走过程，则设为随机常量。
[0009] 作为本发明进一步的万案：所述步骤5中，卡尔曼滤波观测模型为：
其中：j上标表示对应的卫星;η为观测卫星个数。
[0010] 作为本发明进一步的方案:所述步骤6中，根据Ll整周模糊度与L2整周模糊度之间 的关系，在滤波出的Ll整周模糊度浮点值上下进行搜索，确定Ll整周模糊度，其具体实现为 Ll整周模糊度与L2整周模糊度之间的关系式经过简单变换，可写成：
根据卡尔曼滤波出的浮点Ν1，在其左右两侧一定范围内进行搜索，将上式中V次最小值 绝对值I与最小值绝对值比值IJ作为1?滅0值：
当:β_：|ρ值大于给定阈值3时，可认为此时1??^对应的一组NI与N2是正确的。
[0011] 作为本发明进一步的方案:所述步骤7中，根据网络RTK中基准站坐标准确已知这 一特点，对步骤6中确定的Ll整周模糊度进行验证，组成无电离层组合观测方程：
无电离层组合双差模糊度::^^为无电离层组合波长;R为卫星到基准站真实距离双差值。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 本发明充分利用了网络RTK中基准站坐标精确已知的特性，具有很高的精度，可以探测 并修复小周跳;本发明不仅具有较高的搜索效率，而且搜索的准确性也得到大的提升。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的工作原理流程图。
【具体实施方式】
[0014] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都 属于本发明保护的范围。
[0015] 实施例1 请参阅图1，本发明实施例中，一种顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方 法，涉及的GNSS数据包含美国的GPS，俄罗斯的GL0NASS，中国的BDS等卫星导航定位系统对 应的GNSS数据，可采用硬盘做数据存储。本发明在具体实施时可采用电脑进行算法实现，其 具体实现流程见图1，主要包括:根据接收到的大地型接收机采集的GNSS双频数据，消除 GNSS双频数据中的粗差，列立双差观测方程;通过网络RTK中基准站坐标已知这一特点，利 用卫星到接收机的真实距离进行周跳的探测与修复;通过使用MW组合观测值，进行宽巷模 糊度的求解;通过将基线两端的对流层延迟误差写成投影函数与站点天顶对流层延迟的乘 积，列立卡尔曼滤波观测方程，并根据站点天顶对流层延迟与整周模糊度的特点列立卡尔 曼滤波状态方程;通过对卡尔曼滤波器的平滑，滤波出Ll整周模糊度的浮点值;通过Ll整周 模糊度与L2整周模糊度之间的关系信息，对卡尔曼滤波出的Ll整周模糊度浮点值进行搜 索;通过网络RTK基线坐标已知这一特点，对搜索得到的Ll整周模糊度进行验证。
[0016] 现对上述各步骤进行详细说明： 步骤1，根据接收到的大地型接收机采集的GNSS双频数据，消除GNSS双频数据中的粗 差，列立双差观测方程，具体实现方式是根据大地型接收机接收到的GNSS双频数据，首先在 基准站间进行站间差分，得到单差观测方程。从基准站间可观测到的公共卫星中选取参考 卫星，参考卫星的选取原则是卫星高度角大于50度，当卫星高度角小于给定的阈值50时，重 新选取卫星高度角最高的卫星作为参考卫星。将其他卫星的单差方程与参考卫星的单差方 程做差，从而列立双差观测方程。
[0017] 步骤2,利用卫星到接收机的真实距离进行周跳的探测与修复，具体工作如下：在 网络RTK基线解算中，由于基准站坐标精确已知，因此卫星与站点之间的距离可以精确算 出，因此对每个卫星进行如下处理，对于载波相位观测值，其载波相位观测值与整周模糊度 相加之后乘以该载波相位观测值的波长，即可得出载波相位观测值的量测距离;在整周模 糊度尚未确定的情况下，可以通过前后历元之间做差值将整周模糊度消去;载波相位前后 历元的差值与卫星与站点之间距离前后历元的差值中只有前后历元基线的双差电离层残 差，双差对流层残差以及双差噪声的差值，理论上其值应该为0;
其中：:j表示观测卫星编号；.％表示当前历元观测时刻，_t|j_.丨表示上一历元观测时 亥Ij;在D前后历元卫星到接收机真实距离的差值；、AL2为前后历元Ll与L2载波相位 观测值差值，以m为单位； 比较前后历元卫星到接收机真实距离的差值与Ll载波相位观测值的绝对值 -ALiI ,当其大于阈值(三分之一波长），即认为此时Ll载波上发生周跳；对于L2亦 然;如果在Ll载波相位观测值或L2载波相位观测值上发生周跳，可对周跳进行修复：
利用上还万法进仃周跳採测，充分利用了网络RTK中基准站坐标精确已知的特性，具有 很高的精度，可以探测并修复小周跳。
[0018] 步骤3，通过MW组合观测值，进行宽巷模糊度的求解与验证，具体步骤如下： 步骤3.1，使用MW组合在单历元间求解宽巷模糊度，Mff组合求解宽巷模糊度可以写成如 下形式：
其中：为双差宽巷模糊度为波长
为双差宽巷观测量；1?， 1|分别为Ll和L2的双差伪距观测值，约为86cm; .ItVl2分别为Ll和L2载波对应的波长。
[0019] 步骤3.2,对用MW组合单历元观测值求解的宽巷模糊度与用真实距离求解的宽巷 模糊度进行比较，结合对上述两种宽巷模糊度的解算数值分析，设定两个模糊度差值阈值。 如果两个模糊度值相差超过〇 . 25周时，则认为MW组合中含有粗差，将该组MW组合观测值剔 除。
[0020]步骤3.3,对单历元求解的宽巷模糊度在历元间进行平滑，以消除噪音的影响。
[0021 ]步骤4,卡尔曼滤波状态方程与观测方程列立具体步骤如下： 步骤4.1，根据对流层延迟误差的特点，对流层延迟误差可以由投影函数以及站点天顶 对流层延迟表示；
对于干分量部分，模型可以精确的修复，因此使用模型值;对于湿分量部分，双差对流 层影响可表示为：
其中：_j表示观测卫星，致表示参考卫星；Tfedgiasw，Tfedgiw2分别表示基线 两端基准站的天顶对流层延迟； 步骤4.2，卡尔曼滤波观测方程与状态方程可以列立成：
中观测卫星与参考卫星投影函数的差值； 步骤5,通过对卡尔曼滤波器的平滑，滤波出Ll整周模糊度的浮点值;其中卡尔曼滤波 观测模型为：
其中：j上标表示对应的卫星;η为观测卫星个数； 在系统状态建模中，一般把Tzd看成随机游走过程，则设为随机常量。
[0022]步骤6，根据Ll整周模糊度与L2整周模糊度之间的关系，在滤波出的Ll整周模糊度 浮点值上下进行搜索，确定Ll整周模糊度，其具体实现步骤如下： Ll整周模糊度与L2整周模糊度之间的关系式过简单变换，可写成：
根据卡尔曼滤波出的浮点Ν1，在其左右两侧一定范围内进行搜索，将上式中V次最小值 绝对值与最小值绝对值丨呢迦丨比值作为Ratio值；
当:laM〇值大于给定阈值3时，可认为此时I I对应的一组Nl与N2是正确的。
[0023] 步骤7，根据网络RTK中基准站坐标准确已知这一特点，对确定的L1整周模糊度进 行验证;组成无电离层组合观测方程：
为无电离层组合双差模糊度;无电离层组合波长;R为卫星到基准站真实距离双差值。
[0024] 本发明充分利用了网络RTK中基准站坐标精确已知的特性，具有很高的精度，可以 探测并修复小周跳;本发明不仅具有较高的搜索效率，而且搜索的准确性也得到大的提升。 [0025]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论 从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。
[0026]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包 含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当 将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员 可以理解的其他实施方式。
【主权项】
1. 一种顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方法，其特征在于，包括w下 步骤： 步骤1，根据测地型接收机采集的GNSS双频数据，消除GNSS双频数据中的粗差，列立双 差观测方程； 步骤2,在步骤1列立的双差观测方程基础之上，考虑到网络RTK中基准站坐标已知，进 行周跳探测与修复工作； 步骤3,在步骤2已经消去了周跳的双差观测值的基础之上，使用MW组合观测值进行宽 巷模糊度的求解与验证工作； 步骤4,根据对流层延迟误差的特点，将对流层延迟误差写成站点天顶对流层延迟与投 影函数的乘积，组成卡尔曼滤波观测方程;根据站点天顶对流层延迟W及L1整周模糊度的 特点，组成卡尔曼滤波状态方程； 步骤5,在步骤4中的卡尔曼滤波观测方程与状态方程的基础之上，使用离散系统的卡 尔曼滤波模型进行求解，滤波出L1整周模糊度的浮点值； 步骤6,根据L1整周模糊度与L2整周模糊度之间的关系，在滤波出的L1整周模糊度浮点 值上下进行捜索，确定L1整周模糊度； 步骤7,根据网络RTK中基准站坐标准确已知，对步骤6中确定的L1整周模糊度进行验 证。2. 根据权利要求1所述的顾及对流层影响的C0RS基准站网基线模糊度解算方法，其特 征在于，所述步骤1中，其具体实现方式是根据测地型接收机接收到的GNSS双频数据，首先 在基准站间进行站间差分，得到单差观测方程;从基准站间观测到的公共卫星中选取参考 卫星，参考卫星的选取原则是卫星高度角大于50度，当卫星高度角小于给定的阔值50时，重 新选取卫星高度角最高的卫星作为参考卫星;将其他卫星的单差方程与参考卫星的单差方 程做差，从而列立双差观测方程。3. 根据权利要求1所述的顾及对流层影响的C0RS基准站网基线模糊度解算方法，其特 征在于，所述步骤2中，进行周跳探测与修复的具体工作如下:在网络RTK基线解算中，由于 基准站坐标精确已知，因此对每个卫星进行如下处理，将其载波相位观测值与整周模糊度 相加之后乘W该载波相位观测值的波长，得出载波相位观测值的量测距离;在整周模糊度 尚未确定的情况下，通过前后历元之间做差值将整周模糊度消去;载波相位前后历元的差 值与卫星与站点之间距离前后历元的差值中只有前后历元基线的双差电离层残差，双差对 流层残差W及双差噪声的差值，理论上其值为0: AD = DJ(tk)-DJ(tk-i)； A b = b(tk)-Li(tk-i); A L2 = L2(tk)-L2(tk-i); 其中：j表示观测卫星编号；tk表示当前历元观测时刻，tk-i表示上一历元观测时刻；Δ D 前后历元卫星到接收机真实距离的差值；Δ^、AL2为前后历元L1与L2载波相位观测值差 值，Wm为单位； 比较前后历元卫星到接收机真实距离的差值与前后历元L1载波相位观测差值的绝对 值I ΔΟ-Δ^Ι当其大于阔值，所述阔值为立分之一波长，即认为此时L1载波上发生周跳;对 于L2亦然；如果在L1载波相位观测值或L2载波相位观测值上发生周跳，则利用下式对周跳 进行修复：4. 根据权利要求1所述的顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方法，其特 征在于，所述步骤3中，利用MW组合进行宽巷模糊度的求解与验证，具体步骤如下： 步骤3.1，使用MW组合在单历元间求解宽巷模糊度，MW组合求解宽巷模糊度表示为：其中：Nw为双差宽巷模糊度;Aw为波长;Lw=b-L2为双差宽巷观测量;Pi，P2分别为U和L2 的双差伪距观测值;λι，λ2分别为L1和L2载波对应的波长； 步骤3.2,对用MW组合单历元观测值求解的宽巷模糊度与用真实距离求解的宽巷模糊 度进行比较，结合对上述两种宽巷模糊度的解算数值分析，设定两个模糊度差值阔值;如果 两个模糊度值相差超过0.25周时，则认为MW组合中含有粗差，将该组MW组合观测值剔除； 步骤3.3，对单历元求解的宽巷模糊度在历元间进行平滑，W消除噪音的影响。5. 根据权利要求1所述的顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方法，其特 征在于，所述步骤4中，卡尔曼滤波状态方程与观测方程列立，具体步骤如下： 步骤4.1，根据对流层延迟误差的特点，对流层延迟误差由投影函数W及站点天顶对流 层延迟表示： Dxrop =Μ化yTzd化y+MwetTZcUet; 对于干分量部分，使用模型值;对于湿分量部分，双差对流层影响表示为： Dwet二（Mwetj-Mwet )*(TZdBasel-TZdBase2); 其中：j表示观测卫星，Ref表示参考卫星;TzdBasel，TZdBase2分别表示基线两端基准站的 天顶对流层延迟； 步骤4.2，卡尔曼滤波观测方程与状态方程列立成： Kil^i-K2(L2-Nw)-R-D;ryM〇die=AMwet*ATzd+K3P'Ji;其中 Κ3=Κ2-Κ?，AMwet值为在ii站中观ii卫星与参 ! 考卫星投影函数的差值； 在上述系统状态建模中，把Tzd看成随机游走过程，Ni则设为随机常量。6. 根据权利要求5所述的顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方法，其特 征在于，所述步骤5中，卡尔曼滤波观测模型为：其中：j上标表示对应的卫星;η为观测卫星个数。7. 根据权利要求6所述的顾及对流层影响的CORS基准站网基线模糊度解算方法，其特 征在于，所述步骤6中，根据L1整周模糊度与L2整周模糊度之间的关系，在滤波出的L1整周 模糊度浮点值上下进行捜索，确定L1整周模糊度，其具体实现为L1整周模糊度与L2整周模 糊度之间的关系式经过简单变换为： V =化-Κ4(]j+Ni) -Ks (R+DryM〇die+ A Mwet* A Tzd) +L2; 根据卡尔曼滤波出的浮点Nl，在其左右两侧一定范围内进行捜索，将上式中V次最小值 绝对值I VseeMin I与最小值绝对值I VMin I比值作为Ratio值：当Ratio值大于给定阔值3时，说明此时I VMin I对应的一组N1与N2是正确的。8. 根据权利要求7所述的顾及对流层影响的C0RS基准站网基线模糊度解算方法，其特 征在于，所述步骤7中，根据网络RTK中基准站坐标准确已知运一特点，对步骤6中确定的L1 整周模糊度进行验证，组成无电离层组合观测方程： (1χ；+ΝΕ)λ〇 = Κ+Ε)ΓγΜ〇(ηθ+ AMwet* A Tzd+ε ; 其中：Lc = f止广趾2，为无电离层组合观测值;Nc = f 1化-f 2化，为无电离层组合双差模糊 度;λ。为无电离层组合波长;R为卫星到基准站真实距离双差值。
【文档编号】G01S19/44GK105842719SQ201610152774
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】孙红星, 王晖, 赵存洁
【申请人】孙红星