CN104503223A - Gnss 三频高精度卫星钟差估计与服务方法 - Google Patents

Gnss 三频高精度卫星钟差估计与服务方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及GNSS(GPS、北斗、Galileo等) 三频高精度卫星钟差的估计与服务方法。充分利用无电离层延迟相位组合L1/L2、伪距组合P1/P2对应卫星钟差与无电离层延迟相位组合L1/L5、伪距组合P1/P5对应卫星钟差差异的稳定特性、历元间差分算法的模糊度消去优势，进行GNSS(GPS、北斗、Galileo等)三频高精度卫星钟差的估计与服务。为GNSS(GPS、北斗、Galileo等) 三频高精度卫星钟差的估计与服务提供新的理论与方法，提高计算效率，减少计算机的存储空间等。此外，参数化的高精度卫星钟差差异替代了其对应的序列，减少了卫星钟差发布、服务中的通信流量。说明书摘要中所涉及的观测，如L1、L2、L5、P1、P2、P5为GPS ***中三频观测信号的传统表达，其他***如北斗、Galileo***等可以依次类推。

Description

GNSS 三频高精度卫星钟差估计与服务方法
技术领域
本发明属于测绘科学与技术/卫星导航定位领域，具体涉及一种GNSS三频高精度卫星钟差估计与服务方法。
背景技术
随着GNSS的发展，现代化之后的GPS***、北斗导航***、Galileo***等已经开始三频信号的发射，对应的非差三频定位与对应服务将会逐步展开。为了满足非差三频定位用户的需要，必须基于GNSS参考站观测网络的三频观测信号进行卫星钟差的求解与服务。目前，对于GNSS高精度卫星钟差的服务只针对双频用户，对于GNSS三频高精度卫星钟差的计算与服务空白；按照目前GNSS(GPS、北斗、Galileo等) 双频卫星钟差估计方法与思路，需要进行两套钟差的求解与服务，即就是采用GNSS参考站网络观测进行无电离层延迟组合L1/L2、P1/P2对应的卫星钟差与L1/L5、P1/P5对应的卫星钟差的估计。这样，需要处理的观测加倍，致使模糊度、接收机钟差、卫星钟差等解算参数成倍增长，严重影响计算机的计算效率、解算速度，特别是实时服务的数据处理。除此之外，采用目前的卫星钟差发布、服务模式，需要提供两套卫星钟差序列，会影响计算机的存储空间、增加实时数据流的流量。因此，针对GNSS三频观测信号的特征，提出新的GNSS三频高精度卫星钟差估计与服务方法，对于未来多频GNSS(GPS、北斗、Galileo等 )导航定位与服务具有重要的实用价值和意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GNSS(GPS、北斗、Galileo等) 三频高精度卫星钟差估计与服务方法。
本发明提出的一种GNSS三频高精度卫星钟差估计与服务方法，基于全球GNSS或局域GNSS参考站数据，采用无电离层延迟相位组合L1/L2、伪距组合P1/P2和无电离层延迟相位组合L1/L5、伪距组合P1/P5，求解双频观测对应的高精度卫星钟差及其差异，并采用线性函数与4阶谐函数组成的混合函数对卫星钟差差异模型化，通过拟合，得到每颗卫星对应混合函数的8个谐函数系数和2个线性函数系数；最后根据模型化参数提出服务策略；在高精度卫星钟差差异的求解中，无电离层延迟相位组合L1/L2与L1/L5的差异用于求解高精度卫星钟差差异的变化部分，无电离层延迟伪距组合P1/P2与P1/P5的差异用于求解高精度卫星钟差差异的稳定部分；具体步骤如下：
（1）采用无电离层延迟相位组合L1/L2、伪距组合P1/P2或无电离层延迟相位组合L1/L5、伪距组合P1/P5，求解双频观测对应的高精度卫星钟差，GNSS三频观测无电离层延迟组合可以写为：
                              (1)
                                    (2)
                               (3)
                                     (4)
式中：r、s分别代表接收机和卫星；ρ 为站星间距离；δ r 1,2 、δ s 1,2 分别为无电离层延迟L1/L2、P1/P2对应的接收机、卫星对应的钟差；δ r 1,5 、δ s 1,5 分别为无电离层延迟L1/L5、P1/P5对应的接收机、卫星钟差； const 1,2、const 1,5 为无电离层延迟相位组合L1/L2、L1/L5 对应的模糊度；ω 1 、ω 2 为相位组合L1/L2、L1/L5对应的观测噪声；ε 1 、ε 2 为伪距组合P1/P2、P1/P5对应的观测噪声。采用式（1）、（2）或者式（3）、（4）求解双频观测对应的卫星钟差；所述数据来源于全球或者局域GNSS参考站观测；
(2）求解卫星钟差差异，即求解电离层延迟相位组合L1/L2与L1/L5的差异，并将其用于求解高精度卫星钟差差异的变化部分，求解无电离层延迟伪距组合P1/P2与P1/P5的差异，并将其用于求解高精度卫星钟差差异的稳定部分。式（1）减去式（3）可以消去站星间距离、对流层延迟等，可以写为：
         (4)
式中：δ s 为卫星钟差差异，在没有周跳发生的情况下，相邻历元k、k-1间相减，可以计算得到卫星钟差差异的历元间差值：
                      (5)
式中：Δδ s 为卫星钟差差异的历元间差值。当参考站网络有n个站跟踪到对应卫星，可以计算其平均值：
                                   (6)
式中：Δδ s (k)为k历元对应的卫星钟差差异的历元间差值，选择一参考历元可以求解得到卫星钟差的差异：
                                 (7)
式中：δ s (k 0) 为参考历元k 0的卫星钟差差异，其可以采用伪距观测P1/P2、P1/P5进行计算。相似于无电离层及延迟相位观测L1/L2与L1/L5的差值，P1/P2、P1/P5的差值可以写为：
            (8)
式中：δ r,s 为接收机、卫星钟差差异；选择一参考卫星，则可以进行卫星、接收机钟差差异的分离：
                           (9)
式中：c为参考星。当参考站网络有n个站跟踪到对应卫星，可以计算其平均值：
                                (10)
当卫星在l个历元被跟踪到，则可以计算得到卫星钟差差异的参考历元的值δ s (k 0)
                             (11)
将采用式（11）计算得到的值代入式（7）就可以得到卫星钟差差异。
(3）将步骤(2)得到的卫星钟差差异模型化。卫星钟差差异可以表示为：
                        (12)
式中：d为常数项；e 为线性项；i(i=1~4)为谐函数的阶数；T i 为谐函数的周期；θ i 为谐函数对应的初相；λ i 为谐函数对应的振幅；其中T 1 =12、T 2 =6、T 3 =8、T 4 =4小时。 采用式（12）对步骤（2）解算得到的卫星钟差差异时间序列进行拟合，得到对应的8个谐函数系数（θ i （i=1~4）和λ i （i=1~4））和2个线性函数系数（d、e）；
(4）GNSS三频高精度卫星钟差服务策略
将步骤(3)得到的每颗卫星对应的8个谐函数系数和2个线性函数系数加注到无电离层延迟组合L1/L2、P1/P2或者L1/L5、P1/P5对应该卫星的双频观测钟差中；用户在获取这个10个参数、无电离层延迟组合L1/L2、P1/P2或者L1/L5、P1/P5对应的高精度卫星钟差之后，就可以恢复任意双频、三频观测、观测组合对应的卫星钟差。
本发明中，所述GPS可以采用北斗或Galileo代替。
本发明的有益效果在于：本发明采用GNSS相位、伪距观测以及卫星钟差差异的良好特性，减少了大量的估计参数个数，如GNSS模糊度、接收机钟差等，提高了解算的效率与速度。也避免了两套卫星钟差序列的提供，与传统的GNSS卫星钟差估计与服务方法相比较，仅仅增加了每颗卫星对应的10个参数，减少了计算机的存储空间、发布或发送的流量。该发明也填补了目前三频GNSS卫星钟差估计与服务方法的空白。
附图说明
图1为本发明的流程图：
图2为实施例1的PRN27卫星对应的钟差。
图3为实施例1的PRN27卫星对应的钟差差异。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1
本发明是一种GNSS(GPS、北斗、Galileo等) 三频高精度卫星钟差估计与服务的方法，首先获取30个IGS参考站于2014年6月10号采集的三频观测数据，采样间隔为30秒，观测时长为24小时。然后采用本发明中方法进行三频卫星钟差估计与服务实验。
（1）采用无电离层延迟相位组合L1/L2、伪距组合P1/P2或无电离层延迟相位组合L1/L5、伪距组合P1/P5，求解双频观测对应的高精度卫星钟差。本次实验采用了观测L1/L2、P1/P2进行双频观测卫星钟差的计算。其中卫星PRN27对应的钟差如图2所示。
（2）卫星钟差差异计算：采用L1/L2、L1/L5相减然后进行历元间差分进行差异变化部分的计算（如式（4）-（7）），采用P1/P2、P1/P5进行差异稳定部分的计算（如式（8）-（11））。选择PRN25为参考星，计算了目前GPS***发射三频信号的所有在轨卫星对应的钟差差异。其中卫星PRN27钟差差异的稳定部分值为：1.02米，其对应的钟差差异如图3所示。
（3）卫星钟差差异拟合：采用步骤（2）计算得到的钟差差异进行拟合，其中计算得到的卫星PRN24、PRN27对应的10个系数如下表1所示，其中各个参数对应的单位为：d：米；e：米/秒；λ i (i=1~4)：米；λ i (i=1~4)：度。
卫星 10个系数（d、e、λ 1 、λ 2 、λ 3 、λ 4 、θ 1、θ 2 、θ 3 、θ 4 ）
PRN24 -0.024940, 0.0000262, 0.031878, 0.026364, 0.007683, 0.004617, 41.124, 230.934, 86.270, 123.564
PRN27 1.056195, 0.0000074, 0.036911, 0.023930, 0.003065, 0.004945, 253.276, 288.471, 254.527, 92.398
（4）三频卫星钟差服务：采用步骤（1）计算得到的双频卫星钟差序列与步骤（3）得到的卫星钟差差异模型系数实现三频卫星钟差服务。以卫星PRN27为例，在步骤（1）得到的双频卫星钟差序列中加注步骤（3）拟合得到的系数即可，不需要两个钟差序列的提供。与传统的方法相比较，计算速度较快，所需的计算存储空间较少。
在上述实例中所解算的卫星钟差，均满足非差用户的高精度卫星钟差需要，可实现三频高精度定位。由此可以看出，本发明GNSS三频高精度卫星钟差估计与服务，既填补了GNSS(GPS、北斗、Galileo等) 三频高精度卫星钟差估计与服务的空白，也满足三频高精度钟差服务要求。

Claims (2)

1.一种GNSS三频高精度卫星钟差估计与服务方法，其特征在于基于全球GNSS或局域GNSS参考站数据，采用无电离层延迟相位组合L1/L2、伪距组合P1/P2和无电离层延迟相位组合L1/L5、伪距组合P1/P5，求解双频观测对应的高精度卫星钟差及其差异，并采用线性函数与4阶谐函数组成的混合函数对卫星钟差差异模型化，通过拟合，得到每颗卫星对应混合函数的8个谐函数系数和2个线性函数系数；最后根据模型化参数提出服务策略；在高精度卫星钟差差异的求解中，无电离层延迟相位组合L1/L2与L1/L5的差异用于求解高精度卫星钟差差异的变化部分，无电离层延迟伪距组合P1/P2与P1/P5的差异用于求解高精度卫星钟差差异的稳定部分；具体步骤如下：
（1）采用无电离层延迟相位组合L1/L2、伪距组合P1/P2或无电离层延迟相位组合L1/L5、伪距组合P1/P5，求解双频观测对应的高精度卫星钟差，GNSS三频观测无电离层延迟组合可以写为：
                              (1)
                                    (2)
                               (3)
                                     (4)
式中：r、s分别代表接收机和卫星；ρ 为站星间距离；δ r 1,2 、δ s 1,2 分别为无电离层延迟L1/L2、P1/P2对应的接收机、卫星对应的钟差；δ r 1,5 、δ s 1,5 分别为无电离层延迟L1/L5、P1/P5对应的接收机、卫星钟差； const 1,2、const 1,5 为无电离层延迟相位组合L1/L2、L1/L5 对应的模糊度；ω 1 、ω 2 为相位组合L1/L2、L1/L5对应的观测噪声；ε 1 、ε 2 为伪距组合P1/P2、P1/P5对应的观测噪声；采用式（1）、（2）或者式（3）、（4）求解双频观测对应的卫星钟差；所述数据来源于全球或者局域GNSS参考站观测；
(2）求解卫星钟差差异，即求解电离层延迟相位组合L1/L2与L1/L5的差异，并将其用于求解高精度卫星钟差差异的变化部分，求解无电离层延迟伪距组合P1/P2与P1/P5的差异，并将其用于求解高精度卫星钟差差异的稳定部分；式（1）减去（3）消去站星间距离、对流层延迟等，可以写为：
         (4)
式中：δ s 为卫星钟差差异，在没有周跳发生的情况下，相邻历元k、k-1间相减，可以计算得到卫星钟差差异的历元间差值：
                      (5)
式中：Δδ s 为卫星钟差差异的历元间差值；当参考站网络有n个站跟踪到对应卫星，可以计算其平均值：
                                   (6)
式中：Δδ s (k)为k历元对应的卫星钟差差异的历元间差值，选择一参考历元可以求解得到卫星钟差的差异：
                                 (7)
式中：δ s (k 0) 为参考历元k 0的卫星钟差差异，其可以采用伪距观测P1/P2、P1/P5进行计算；相似于无电离层及延迟相位观测L1/L2与L1/L5的差值，P1/P2、P1/P5的差值写为：
            (8)
式中：δ r,s 为接收机、卫星钟差差异；选择一参考卫星，则可以进行卫星、接收机钟差差异的分离：
                           (9)
式中：c为参考星；当参考站网络有n个站跟踪到对应卫星，可以计算其平均值：
                                (10)
当卫星在l个历元被跟踪到，则可以计算得到卫星钟差差异的参考历元的值δ s (k 0)
                             (11)
将采用式（11）计算得到的值代入式（7）就可以得到卫星钟差差异；
(3）将步骤(2)得到的卫星钟差差异模型化；卫星钟差差异可以表示为：
                        (12)
式中：d为常数项；e 为线性项；i(i=1~4)为谐函数的阶数；T i 为谐函数的周期；θ i 为谐函数对应的初相；λ i 为谐函数对应的振幅；其中T 1 =12、T 2 =6、T 3 =8、T 4 =4小时； 采用式（12）对步骤（2）解算得到的卫星钟差差异时间序列进行拟合，得到对应的8个谐函数系数（θ i （i=1~4）和λ i （i=1~4））和2个线性函数系数（d、e）；
(4）GNSS三频高精度卫星钟差服务策略
将步骤(3)得到的每颗卫星对应的8个谐函数系数和2个线性函数系数加注到无电离层延迟组合L1/L2、P1/P2或者L1/L5、P1/P5对应该卫星的双频观测钟差中；用户在获取这个10个参数、无电离层延迟组合L1/L2、P1/P2或者L1/L5、P1/P5对应的卫星钟差之后，就可以恢复任意双频、三频观测、观测组合对应的卫星钟差。
2.根据权利要求1所述的GNSS三频高精度卫星钟差估计与服务方法，其特征在于G所述GPS可以采用北斗或Galileo代替。
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