一种bds/gps高精度定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种BDS/GPS高精度定位方法，涉及卫星导航领域。该方法包括：建立虚拟参考站，获取基准站Bi与流动站M接收的共视卫星星历及卫星观测数据，获取卫星与基准站Bi间几何距离；获得基准站Bi的伪距改正数；通过反距离权重插值法内插出虚拟参考站的伪距改正数；流动站通过反距离权重插值法内插出流动站的伪距改正数；流动站伪距改正数改正流动站接收的卫星伪距观测数据；建立流动站卫星伪距观测方程，获得流动站精确坐标，完成定位。本发明克服了现有技术中基于多基准差分定位方法必须利用基准站精确坐标而使得基准站信息外漏的安全隐患问题，获得了高精度定位结果。
【专利说明】
-种BDS/GPS高精度定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及卫星导航领域，特别是在全球导航卫星系统中进行局域增强的伪距差 分定位方法，尤其是一种BDS/GPS高精度定位方法。
【背景技术】
[0002] 导航是利用某种方法或手段，引导交通工具或其他运动物体从一个位置移动到另 一个位置的过程。当前常用的导航方法主要包括惯性导航、无线电导航和卫星导航等方法。 卫星导航是通过接收导航卫星发送的导航定位信号，并将导航卫星作为动态已知点，为运 动载体实时提供全球、全天候、高精度的位置、速度和时间信息，进而完成各种导航任务。卫 星导航定位系统从最初的多普勒卫星导航系统发展到了全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)，其中美国的GPS(Global Positioning System)是第二代卫星导航定位系统的代表。BDS北斗导航系统是中国自主开发的导航定位 系统。全球导航卫星系统GNSS可以在全世界的陆海空范围内实现实时连续高精度的位置速 度以及时间等导航信息，在各类用户中得到了广泛应用。
[0003] 差分定位也叫差分GNSS技术，即将一台GNSS接收机安置在基准站上进行观测;根 据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离(伪距或载波相位)改正数，并由基准 站通过无线电设备实时将这一数据发送出去;流动站接收机在进行GNSS观测的同时，也接 收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。差分定位方法充 分利用了流动站与基准站间的位置关系，较好的消除了卫星钟差、卫星星历误差和大气误 差影响，但现有差分定位方法中，基于单基准站差分定位方法增强定位的空间范围有限，随 着距离的增加定位精度降低，基于多基准站的差分定位方法需利用基准站精确坐标进行内 插从而存在基准站信息外漏的安全隐患问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种BDS/GPS高精度定位方法，用于实现高精度的差分定 位，提尚用户定位精度和基准站精确坐标的安全，从而解决现有技术中存在的如述问题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明所述BDS/GPS高精度定位方法，该方法：
[0006] 将等间隔经线和炜线所围成网格的特征点作为虚拟参考站；
[0007] 将任意一个基准站&与流动站M接收的共视卫星星历及卫星观测数据，作为BDS/ GPS高精度定位的原始数据；
[0008] 根据基准站仏精确坐标、卫星星历与卫星观测数据获取卫星与基准站&间几何距 离；
[0009] 将卫星与基准站&间几何距离与基准站&接收机采集的该卫星伪距观测值作差获 得基准站&的伪距改正数；
[0010] 利用多个基准站精确坐标及其伪距改正数，通过反距离权重插值法内插出虚拟参 考站的伪距改正数；
[0011]流动站利用虚拟参考站的伪距改正数和虚拟参考站的精确坐标，通过反距离权重 插值法内插出流动站的伪距改正数；
[0012] 流动站利用内插得到的流动站的伪距改正数改正流动站接收的卫星伪距观测数 据；
[0013] 建立流动站卫星伪距观测方程，获得流动站精确坐标，完成定位。
[0014] 优选地，所述网格的特征点包括:等间隔经线和炜线所围成网格的四个顶点、网格 的两个对角点或网格的中心点。
[0015] 优选地，所述基准站的伪距改正数按照下述计算：
[0016] 设编号为i的基准站仏测得其至卫星j的伪距礤为：
[0017] = - + <5'/g +<5'7g, (1 )
[0018] 将基准站⑴到卫星j几何距离与基准站m至卫星j的伪距作差，得到基准站⑴对卫 星j的伪距改正数，见公式(2): S(Pb ^Pb, -r!i
[0019] . (2)， = cdtl-cStBrSpi,-SIi-8Ti
[0020] 其中，M为基准站&至卫星j的几何距离；为基准站&上卫星j星历误差;c为光 速；、Sf分别为基准站仏接收机钟差和卫星j的钟差；&分别为基准站Bl上电离 层和对流层的折射改正，M为基准站&对卫星j的伪距改正数。
[0021] 优选地，所述反距离权重插值法计算模型为：
(3);
[0023]其中，du为网格虚拟参考站Gk与基准站⑴之间的距离，(X&，为网格虚 拟参考站Gk三维坐标，为基准站Bi三维坐标，bk,i为距离dk,i的倒数，bk为网格 虚拟参考站Gk与n个基准站的距离倒数之和，&1^为各基准站伪距改正数的内插系数。
[0024]优选地，所述虚拟参考站的伪距改正数按照公式(4)计算：
[0025] Sq)^ = cSt1 -cYcik iStB ~^jikJdpl： )⑷; / = 1 ：/*-1 i!=l
[0026]式(4)中，c为光速，-:b,.，5tj分别为基准站Bi接收机钟差和卫星j的钟差;ak,i为各 基准站伪距改正数的内插系数；琢^为基准站&上卫星j星历误差分别为基准站Bl 上电离层和对流层的折射改正，焉4为虚拟参考站的伪距改正数，k为虚拟参考站的编号，n 为基准站数量。
[0027]优选地，所述流动站的伪距改正数按照公式(5)计算：
(5), L〇〇29」其中，ak7为流动站M伪距改正数中IWJ格虚拟参考站Gk伪距改正数的内插系数；c为 光速；吩别为基准站&接收机钟差和卫星j的钟差;ak>1为各基准站伪距改正数的内 插系数；和i,为基准站仏上卫星j星历误差；分别为基准站&上电离层和对流层的 m 折射改正，为流动站M伪距改正数，= 1 4为虚拟参考站的编号，m为虚拟参考站数 k=4 量，n为基准站数量。
[0030] 优选地，所述建立流动站卫星伪距观测方程，获得流动站精确坐标，具体按照下述 实现：
[0031] R!VI +S(pJM = plj +cStMB+SpJx/1B+SlMB+8Tvl B (6); m n
[0032] 接收机钟差残差况); ：k=} i=l m n
[0033] 卫星j星历误差残差參二知); k^l i~l
[0034] 电离层与对流层延迟残差：
[0035] SIU B+8TMB = {5Iif ak'Yak,(SPBj +^')1 ； .i^L v iM J
[0036] 其中，路为流动站伪距观测值，#丨，.为流动站M伪距改正数;StM表示流动站M的接 收机钟差，ak '为流动站M伪距改正数中网格虚拟参考站Gk伪距改正数的内插系数，ak, i为各 基准站伪距改正数的内插系数，&s，为基准站&接收机钟差，k为虚拟参考站的编号，m为虚 拟参考站数量，n为基准站数量；#表示流动站M上卫星j的卫星钟差；知丨为基准站Bi上卫 星j星历误差；^4,办_表示流动站M上卫星j的电离层和对流层延迟；@if，游|分别为 基准站m上电离层和对流层的折射改正。
[0037]更优选地，所述建立流动站卫星伪距观测方程，获得流动站精确坐标，具体按照下 述实现:通过流动站卫星伪距观测方程计算得到流动站伪距观测值，在流动站伪距观测 值卷、流动站M伪距改正数知已知的条件下，将流动站BDS系统中流动站接收机钟差与含 有反距离权重内插系数的基准站接收机钟差关系式(StM,B)BDS、GPS系统中流动站接收机钟 差与含有反距离权重内插系数的基准站接收机钟差关系式(StM,B)GPS各自作为一个未知参 数，卫星j到流动站间的实际距离中含有作为未知参数的流动站M的三维坐标(Xm, Ym, Zm)，通 过多模融合定位时空统一方法，将BDS、GPS双系统进行融合定位，依据绝对定位方法，通过 最小二乘法对未知参数进行定位解算，即可求出流动站M的三维坐标(Xm, Ym，Zm)。
[0038]本发明有益效果：
[0039]本发明将多个基准站的伪距改正数（即基准站到卫星的距离改正数）利用与空间 位置相关的插值法内插出网格虚拟参考站的改正法，流动站用户利用网格虚拟参考站的坐 标和改正数进行差分定位，获得高精度定位结果。本发明克服了现有技术中基于多基准差 分定位方法必须利用基准站精确坐标而使得基准站信息外漏的安全隐患问题，具有如下优 占 .
[0040] 1、利用单位间隔网格特征点作为虚拟参考站，生成方法简便易操作；
[0041] 2、利用反距离权重插值法内插伪距改正数，较好地利用空间位置关系，模拟卫星 星历误差和大气误差在空间的变化趋势；
[0042] 3、利用BDS/GPS组合系统进行导航定位，观测值增多，卫星星座组合更合理，提高 单历元解算成功率。
[0043] 4、流动站改正数由网格虚拟参考站坐标和改正数内插得到，避免基准站坐标泄 露，增强基准站信息安全。
【附图说明】
[0044] 图1是BDS/GPS组合差分网空间结构示意图；
[0045]图2为本发明实施例中BDS/GPS高精度定位方法的流程图。
【具体实施方式】
[0046]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进 行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0047]本发明实施例采用反距离权重插值法实现对网格虚拟参考站和流动站改正数的 计算。由于伪距差分改正数是位置的函数，不同基准站所求得的差分改正数是有差别的，利 用反距离权重插值法可在一定程度上顾及位置对伪距改正数的影响，是一种定量的、客观 的、科学的方法。
[0048]反距离权重插值法是依据多个已知点与被插值点之间的空间距离关系，用该已知 点的距离倒数在所有已知点距离倒数总和中的权重作为该已知点的内插系数，最后利用内 插系数融合各已知点上的差分改正数，生成被插值点的差分改正数。
[0049]差分定位方法根据观测数据的不同可以分为伪距差分定位和载波相位差分定位 两种。其中，伪距差分定位是以卫星与接收机间的伪距观测值来进行差分定位，其精度略低 于载波相位差分定位方法，但算法简便易行，无需解算周跳，单历元解算成功率高，本实施 例便以伪距差分定位法为例进行说明。
[0050]步骤201、将等间隔经炜线所围成网格的特征点作为虚拟参考站。该特征点可选取 网格的顶点或者中心点。
[0051 ] 步骤202、基准站与流动站接收卫星星历及卫星观测数据，作为BDS/GPS高精度定 位的原始数据。基准站与流动站利用接收机接收卫星星历，即可计算卫星位置，由于GPS卫 星星历是每两个小时发播一次，BDS卫星星历是每小时发播一次，可以采用内插的方法得到 瞬时的卫星位置;接收机同时接收卫星观测数据，卫星的观测数据一般包括伪距观测值、精 码观测值以及载波相位观测值等，可以根据定位要求的不同使用不同的数据，从而得到不 同的定位精度。卫星星历和卫星观测数据都作为BDS/GPS高精度定位的原始数据。
[0052]步骤203、根据基准站精确坐标、卫星j星历与卫星观测数据获取卫星与接收机间 几何距离。
[0053]根据基准站精确坐标、卫星j星历计算的卫星的位置，获取卫星j与基准站的几何 距离。
[0054]步骤204、根据卫星与接收机间几何距离和伪距观测值作差获得基准站的伪距改 正数。
[0055]设基准站仏测得至卫星j的伪距为：
[0056] ^ Pb -\- Slg + STg (1)
[0057] 其中，外为基准站m至卫星j的几何距离；如]为基准站仏上卫星j星历误差;c为光 速；~，妃分别为基准站&接收机钟差和卫星j的钟差；吣，坪(分别为基准站&上电离 层和对流层的折射改正。
[0058]基准站Bi到卫星j几何距离与伪距作差可以获得基准站Bi对卫星j的伪距改正数： -Ri,
[0059] = cSi' -cStB -Spt, -SE -m ( 2 )
[0060] 步骤205、利用多个基准站精确坐标和伪距改正数，通过反距离权重插值法内插出 虚拟参考站上的伪距改正数。
[0061] 以反距离权重插值法为例，将基准站m至卫星j的伪距改正数按内插系数ak>1进行 融合，即可得到网格虚拟参考站G k综合伪距改正数为 n n n
[0062] = CHaUStj - Y/hZpi i=i /=1 i=i (3) -1吒柄+巧:） h:l
[0063] 其中，ak>1为各基准站伪距改正数的反距离权重内插系数，由于伪距差分改正数是 位置的函数，不同基准站所求得的差分改正数是有差别的，利用反距离权重插值方法可在 一定程度上顾及位置对差分改正的影响。当基准站尽（^^，$，28 >与网格虚拟参考站 Q )坐标已知时，反距离权重插值法数学模型为： dkj=SQRT({X(,-XBf HYGi-Ysy+(ZGi-Z s；)2)
[0064] < btj=Ud" (4) h=ibk,, ak, ^hulK
[0065] 其中，dk, i为网格虚拟参考站Gk与基准站Bi之间的距离，bk, i为距离dk, i的倒数，bk为 网格虚拟参考站Gk与n个基准站仏的距离倒数之和。
[0066]由上式可知，ak,i满足条件：lX, =1 j-1
[0067]因此，网格虚拟参考站Gk的综合伪距改正值为：
[0068] d(pi =cSl'-cYfiudlH -Ya u(sii； +d'T^) (, 7~1 /=1 Z.;l W /
[0069] 步骤206、利用虚拟参考站上的伪距改正数，再次通过反距离权重插值法内插出流 动站上的伪距改正数。
[0070] 流动站利用网格虚拟参考站的坐标和综合伪距改正数却I，依据反距离权重插值 法再次融合，可得到流动站M的最终伪距改正数 m M k=\ m n =c*'-^S(v2XA)
[0071] , 7 ，=1 、 (6 ) 'YfusPs,) k=\ .供 1.
[0072]其中，ak'为流动站M伪距改正数中网格虚拟参考站Gk伪距改正数的反距离权重内 插系数。 m
[0073]根据步骤205的反距离插值法模型可知，满足2>^ = 1，不再赘述。 ,/c-l
[0074]步骤207、流动站利用所求伪距改正数改正接收机接收的卫星观测数据。
[0075] 流动站M综合伪距改正数改正到流动站伪距观测值可得： RL + S(ph = Pil +c('YakJStBi) V k=4 jV-1 J ' m n 、
[0076] V m ,i=i J (7) m f n 、 -艺卜'lx分Or4) t-l V 1=1 J
[0077] 步骤208、建立流动站卫星伪距观测方程，获得流动站精确坐标，供用户使用。
[0078] 流动站伪距观测值和,方程可简化为：
[0079 ] Rm + Sg>M = PJM + c5tMB +SpJMB + 51 MB + 5TMB (g)
[0080] 其中，接收机钟差残差峋声*,);卫星j星历误差残差 /t=i t=i m n 秘_2><'2X,<K);电离层与对流层延迟残差 允=1 ?=1 和+叫-訂阿+巧:)]。其中，4为流动站伪距观测值，命i为流动站m A-L V /-I J 伪距改正数;StM表示流动站M的接收机钟差，ak '为流动站M伪距改正数中网格虚拟参考站Gk 伪距改正数的内插系数，ak>1*各基准站伪距改正数的内插系数，&?为基准站仏接收机钟 差，k为虚拟参考站的编号，m为虚拟参考站数量，n为基准站数量^表示流动站M上卫星j 的卫星钟差；为基准站&上卫星j星历误差；^，sri表示流动站M上卫星j的电离层和 对流层延迟；分别为基准站 Bl上电离层和对流层的折射改正。
[0081] 式(8)中伪距观测值巧,已知，差分改正信息#i已知，卫星j到流动站间的实际距离 均含有流动站位置M (XM，YM，ZM)的未知参数，将流动站BDS系统中流动站接收机钟差与含有 反距离权重内插系数的基准站接收机钟差关系式(StM,B)BDS、GPS系统中流动站接收机钟差 与含有反距离权重内插系数的基准站接收机钟差关系式(St M,B)CPS各自作为一个未知数，通 过多模融合定位时空统一的方法，将BDS、GPS双系统进行融合定位，依据常规绝对定位的方 法，通过最小二乘法原理对5个未知参数进行定位解算，即可求出流动站未知坐标M(Xm，Ym, Zm) 〇
[0082] 通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果:本发明将多个基 准站的伪距改正数利用与空间位置相关的插值法内插出网格虚拟参考站的改正法，流动站 用户利用网格虚拟参考站的坐标和改正数进行差分定位，获得高精度定位结果。克服了现 有技术中基于多基准差分定位方法必须利用基准站精确坐标而使得基准站信息外漏的安 全隐患问题。
[0083]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种ros/GPS高精度定位方法，其特征在于，该方法： 将等间隔经线和炜线所围成网格的特征点作为虚拟参考站； 将任意一个基准站仏与流动站Μ接收的共视卫星星历及卫星观测数据，作为BDS/GPS高 精度定位的原始数据； 根据基准站仏精确坐标、卫星星历与卫星观测数据获取卫星与基准站m间几何距离； 将卫星与基准站仏间几何距离与基准站仏接收机采集的该卫星伪距观测值作差获得基 准站Bi的伪距改正数； 利用多个基准站精确坐标及其伪距改正数，通过反距离权重插值法内插出虚拟参考站 的伪距改正数； 流动站利用虚拟参考站的伪距改正数和虚拟参考站的精确坐标，通过反距离权重插值 法内插出流动站伪距改正数； 流动站利用内插得到的流动站伪距改正数改正流动站接收的卫星伪距观测数据； 建立流动站卫星伪距观测方程，获得流动站精确坐标，完成定位。2. 根据权利要求1所述BDS/GPS高精度定位方法，其特征在于，所述网格的特征点包括： 等间隔经线和炜线所围成网格的四个顶点、网格的两个对角点或网格的中心点。3. 根据权利要求1所述BDS/GPS高精度定位方法，其特征在于，所述基准站的伪距改正 数按照下述计算： 设编号为i的基准站队测得其至卫星j的伪距磚为：将基准站仏到卫星j几何距离与基准站m至卫星j的伪距作差，得到基准站m对卫星j的 伪距改正数，见公式(2):其中，4为基准站仏至卫星j的几何距离；知丨为基准站m上卫星j星历误差；c为光速； 分别为基准站仏接收机钟差和卫星j的钟差；分别为基准站仏上电离层 和对流层延迟为基准站&对卫星j的伪距改正数。4. 根据权利要求1所述BDS/GPS高精度定位方法，其特征在于，所述反距离权重插值法 计算模型为：其中，dk,i为网格虚拟参考站Gk与基准站Bi之间的距离，CTy I，2?)为网格虚拟参 考站Gk三维坐标，为基准站Bi三维坐标，bM为距离dM的倒数，b k为网格虚拟 参考站Gk与η个基准站的距离倒数之和，&15>1为各基准站伪距改正数的内插系数。5. 根据权利要求1所述BDS/GPS高精度定位方法，其特征在于，所述虚拟参考站的伪距 改正数按照公式(4)计算：式⑷中，c为光速，化而吩别为基准站m接收机钟差和卫星j的钟差;ak>1为各基准站 伪距改正数的内插系数；Φ?为基准站&上卫星j星历误差；Wi，分别为基准站Bl上卫 星j的电离层和对流层延迟，_海4为虚拟参考站的伪距改正数，k为虚拟参考站的编号，η为 基准站数量。6. 根据权利要求1所述BDS/GPS高精度定位方法，其特征在于，所述流动站的伪距改正 数按照公式(5)计算：其中，ak '为流动站Μ伪距改正数中网格虚拟参考站Gk伪距改正数的内插系数;c为光速； 分别为基准站仏接收机钟差和卫星j的钟差;ak>1为各基准站伪距改正数的内插系 数；为基准站仏上卫星j星历误差；?i，6?分别为基准站m上电离层和对流层的折射 改正，(％4为流动站Μ伪距改正数，4为虚拟参考站的编号，m为虚拟参考站数量，η 为基准站数量。7. 根据权利要求1所述BDS/GPS高精度定位方法，其特征在于，所述建立流动站卫星伪 距观测方程，获得流动站精确坐标，具体按照下述实现：其中，及^为流动站Μ上卫星j的伪距观测值，#i为流动站Μ上卫星j的伪距改正数;δ?Μ 表示流动站Μ的接收机钟差，ak'为流动站Μ伪距改正数中网格虚拟参考站Gk伪距改正数的内 插系数，ak, i为各基准站伪距改正数的内插系数，來，为基准站Bi接收机钟差，k为虚拟参考 站的编号，m为虚拟参考站数量，η为基准站数量；(??表示流动站Μ上卫星j的卫星钟差；#>成 为基准站仏上卫星j星历误差；iiliq占表示流动站Μ上卫星j的电离层和对流层延迟； 5/y分别为基准站Bl上电离层和对流层延迟。8. 根据权利要求7所述BDS/GPS高精度定位方法，其特征在于，所述建立流动站卫星伪 距观测方程，获得流动站精确坐标，具体按照下述实现:通过流动站卫星伪距观测方程计算 得到流动站伪距观测值尺（，在流动站伪距观测值、流动站Μ伪距改正数已知的条件 下，将流动站BDS系统中流动站接收机钟差与含有反距离权重内插系数的基准站接收机钟 差关系式(δ tM, B )BDS、GPS系统中流动站接收机钟差与含有反距尚权重内插系数的基准站接 收机钟差关系式(StM,B)GPS各自作为一个未知参数，卫星j到流动站间的实际距离中含有作 为未知参数的流动站Μ的三维坐标0 [?，￥(?，2[?)，通过多模融合定位时空统一方法，将8〇3、6?3 双系统进行融合定位，依据绝对定位方法，通过最小二乘法对未知参数进行定位解算，即可 求出流动站Μ的三维坐标(Χμ,Υμ,Ζμ)。
【文档编号】G01S19/41GK105929424SQ201510782804
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年11月16日
【发明人】秘金钟, 方书山, 陈振, 谷守周, 李得海, 徐彦田, 李鹤峰
【申请人】中国测绘科学研究院