一種實時北斗精密相對定位的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星定位領域，特別涉及一種實時北斗精密相對定位的方法。
【背景技術】
[0002] 實時北斗精密相對定位技術是一種利用北斗高精度載波相位觀測值的實時動態(tài) 差分定位技術，常被稱為RTK(Real-TimeKinematic)技術，在車輛導航、飛機盲降和駕校 自動監(jiān)考等領域有廣泛的應用前景。在進行RTK工作時，基準站需將自己的載波相位觀 測值等信息通過數據通訊設備實時播發(fā)給周圍工作的移動站。移動站利用自己的北斗 衛(wèi)星導航測量數據和接收到的基準站測量數據，進行載波相位差分相對定位，實現移動 站實時精密定位，定位精度為厘米量級。目前已有的用于實時衛(wèi)星精密相對定位方法主 要有同步載波相位差分相對定位法（參見[l]StephenJ.Comstock.DevelopmentofA Low-Latency,HighDataRate,DifferentialGPSRelativePositioningSystemforUAV FormationFlightControl.Dissertation,AirForceInstituteofTechnology,2006.
[2] 程偉。基于DSP的GPS動態(tài)載波相位差分技術研宄，西北工業(yè)大學，2006.)，這種典型的 方法難以有效解決以下問題：基準站數據鏈路通信時延；移動站位置輸出更新率有限。
【發(fā)明內容】
[0003] 本發(fā)明針對北斗實時精密定位技術中存在的移動站動態(tài)定位實時性難以提高的 問題，提出了非同步載波相位差分相對定位方法。該方法利用基準站低更新率播發(fā)的歷史 時刻衛(wèi)星導航測量數據和移動站當前時刻的衛(wèi)星導航測量數據，進行時間異步站間載波相 位差分相對定位，解決了基準站差分測量數據播發(fā)通信時延問題，可實現移動站高更新率 實時精密相對定位，并且避免了同步載波相位差分定位技術中的數據同步過程。該方法同 樣適用于GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球導航衛(wèi)星系統）精密動態(tài)相對 定位。
[0004] 具體技術方案為：
[0005] 一種實時北斗精密相對定位的方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟一，整周模糊度參數初始化：利用基準站和移動站的同步北斗觀測數據初始 化載波相位整周模糊度參數；
[0007] 步驟二，周跳探測：對站星間的非同步雙差載波相位進行周跳探測，對發(fā)生周跳的 衛(wèi)星進行標記；
[0008] 步驟三，偽距單點定位：利用基準站、移動站的北斗偽距觀測信息，分別進行基準 站和移動站偽距單點定位，獲得基準站和移動站的絕對位置，獲得基準站測量時的北斗衛(wèi) 星信號發(fā)送時刻的衛(wèi)星坐標及鐘差和移動站測量時的北斗衛(wèi)星信號發(fā)送時刻的衛(wèi)星坐標 及鐘差；
[0009] 步驟四，基準站與移動站的觀測歷元差判斷：計算基準站的觀測歷元與移動站的 觀測歷元之差，如果差值大于15s，則返回步驟一，否則進入步驟五；
[0010] 步驟五，周跳修復：采用附加模糊度參數方法修復發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度， 即利用未發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度計算發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度；
[0011] 步驟六，求解基準站與移動站的相對位置：利用基準站和移動站的非差非同步載 波相位觀測數據和衛(wèi)星坐標以及鐘差，建立非同步載波相位雙差相對定位觀測方程，計算 基準站與移動站的相對位置。
[0012] 進一步地，所述步驟六中建立非同步載波相位雙差相對定位觀測方程，計算基準 站與移動站的相對位置，具體過程為：
[0013] (S1)建立載波相位雙差觀測方程組：利用基準站和移動站的非差載波相位觀測 值及廣播星歷信息，建立雙差載波相位相對定位觀測方程；設基準站A在觀測時刻h，測得 i號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為和j號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為?；移 動站B在觀測時刻，測得i號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為〇〗（卩）和j號衛(wèi)星的非差載 波相位觀測值為(纟）；i，j為整數。
[0014] 定義：
【主權項】
1. 一種實時北斗精密相對定位的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，整周模糊度參數初始化：利用基準站和移動站的同步北斗觀測數據初始化載 波相位整周模糊度參數； 步驟二，周跳探測：對站星間的非同步雙差載波相位進行周跳探測，對發(fā)生周跳的衛(wèi)星 進行標記； 步驟三，偽距單點定位：利用基準站、移動站的北斗偽距觀測信息，分別進行基準站和 移動站偽距單點定位，獲得基準站和移動站的絕對位置，獲得基準站測量時的北斗衛(wèi)星信 號發(fā)送時刻的衛(wèi)星坐標及鐘差和移動站測量時的北斗衛(wèi)星信號發(fā)送時刻的衛(wèi)星坐標及鐘 差； 步驟四，基準站與移動站的觀測歷元差判斷：計算基準站的觀測歷元與移動站的觀測 歷元之差，如果差值大于15s，則返回步驟一，否則進入步驟五； 步驟五，周跳修復：采用附加模糊度參數方法修復發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度，即利 用未發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度計算發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度； 步驟六，求解基準站與移動站的相對位置：利用基準站和移動站的非差非同步載波相 位觀測數據和衛(wèi)星坐標以及鐘差，建立非同步載波相位雙差相對定位觀測方程，計算基準 站與移動站的相對位置。
2. 如權利要求1所述的一種實時北斗精密相對定位的方法，其特征在于，所述步驟六 中建立非同步載波相位雙差相對定位觀測方程，計算基準站與移動站的相對位置，具體過 程為： (Si)建立載波相位雙差觀測方程組：利用基準站和移動站的非差載波相位觀測值及 廣播星歷信息，建立雙差載波相位相對定位觀測方程；設基準站A在觀測時刻h，測得i號 衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為1 Φ〗(~)和j號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為Φ?(〇 ;移動 站B在觀測時刻h，測得i號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為￠:,(6)和j號衛(wèi)星的非差載波 相位觀測值為; i，j為整數； 定義：
其中，上標i和j代表衛(wèi)星號，i號衛(wèi)星為參考星，下標A和B代表基準站和移動站；T 代表衛(wèi)星信號發(fā)送時刻，如C :表示在觀測時刻t(l時，對應i號衛(wèi)星的信號發(fā)送時刻，單位 為秒； 則非同步載波相位雙差觀測方稈為：
其中，為不同時刻的雙差載波相位觀測值，單位為米；pMga)為不同時 刻的雙差幾何距離，單位為米；<(1卩）為不同時刻的雙差整周模糊度，單位為周；λ為 某個頻點的對應波長，單位為米；為不同時刻的雙差衛(wèi)星鐘差，單位為秒；C為 光速，單位為米/秒；為不同時刻的雙差噪聲，單位為米； 式（1)中，基站與移動站的相對位置參數隱含于雙差幾何距離量PMc1)中，其具體 為表達式為：
式（2)中，riT/；)和為j號衛(wèi)星在信號發(fā)送時刻TJPTtl的三維位置坐標，單 位為米；^ 和K的):為i號衛(wèi)星在信號發(fā)送時刻T# T ^的三維位置坐標，單位為米； I. I I表示衛(wèi)星到測站之間的幾何距離，單位為米；rJO為基準站在觀測時刻h的三維位 置坐標^bU1)為移動站在觀測時刻^的三維位置坐標，單位為米； 設基準站和移動站共同觀測了 m顆衛(wèi)星，則有建立（m-1)個雙差載波相位觀測方程：
式中，k表示衛(wèi)星號，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m為整數； (S2)相對定位觀測方程組線性化：根據泰勒展開原理，對非線性相對定位觀測方程組 進行線性化； 在式（2)中，衛(wèi)星的坐標以實時播發(fā)的廣播星歷參數計算；在基準站位置線性泰勒展 開至一階項，式（2)變?yōu)?br>其中，u代表單位矢量，:表示移動站B到j號衛(wèi)星的單位矢量；表示移動站B到i 號衛(wèi)星的單位矢量；AT表示j號衛(wèi)星的雙差幾何距離泰勒展開的零階項；1?為基準站到移 動站的基線矢量； 將式（4)代入式（3)，則線性化的觀測方程組為：
式中，k表示衛(wèi)星號，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m為整數； 式（5)中，衛(wèi)星鐘差雙差&'??(7；,,7;)根據實時廣播星歷參數計算； (S3)線性觀測方程組求解：根據最小二乘估計，即可求得基準站到移動站的基線矢 量； 記：
式中，k表示衛(wèi)星號，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m為整數； 根據最小二乘估計原理，求解式（5)，得到： rAB= (QtQ)-1QtY (7) rAB即可確定基準站與移動站之間的相對位置。
【專利摘要】本發(fā)明屬于衛(wèi)星定位領域，特別涉及一種實時北斗精密相對定位的方法，具體步驟為：步驟一，整周模糊度初參數始化；步驟二，周跳探測；步驟三，偽距單點定位；步驟四，基準站與移動站的觀測歷元差判斷：計算基準站的觀測歷元與移動站的觀測歷元之差，如果差值大于15s，則返回步驟一，否則進入步驟五；步驟五，周跳修復，利用未發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度計算發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度；步驟六，求解基準站與移動站的相對位置。本發(fā)明提高移動站動態(tài)定位的實時更新率和降低移動站定位結果的輸出延遲；基準站數據以較低頻率采樣和播發(fā)，降低了對數據通信鏈路實時性和可靠性的要求，還減少了無線通信設備和鏈路的成本。
【IPC分類】G01S19-41, G01S19-51, G01S19-44
【公開號】CN104536027
【申請?zhí)枴緾N201510043928
【發(fā)明人】張良, 吳杰, 呂漢峰, 王鼎杰
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月28日
【公告號】CN104536027B