CN110297259B - 基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法及*** - Google Patents

基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，包括：按经纬度将已知的基准站网覆盖区域等距划分为格网，并得到各格网点的三维坐标；根据各格网点的三维坐标生成相应的虚拟的GGA信息并上传至数据处理中心请求生成各格网点虚拟观测值；对数据处理中心返回的虚拟观测值进行周跳探测和伪距单点定位解算，实施观测值异常探测，并判断各格网点的实际可用卫星数；结合基准站网综合的广播星历和格网点的坐标，计算各格网点的理论可用卫星数；进而计算基准站网覆盖区域中各格网点处卫星的利用率。本发明从用户角度实现基准站网覆盖区域定位增强信息的均匀监测，从而丰富和完善高精度增强定位的可靠性体系。

Description

基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法及***
技术领域
本发明涉及基准站网增强定位的可用性监测技术，尤其涉及一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，属于GNSS(Global Navigation Satellite System)定位与导航技术领域。
背景技术
GNSS连续运行基准站网(简称“GNSS基准站网”)，由所在区域范围内若干均匀分布的基准站组成，全天候实时接收卫星导航数据，并通过基准站间基线解算计算站间大气等误差改正，进而对整个覆盖区域进行定位误差建模。其后利用计算机、数据通信和互联网技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户提供定位增强信息，已广泛应用于城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控等领域，以满足各类不同行业对高精度、快速、实时定位和导航需求。由于信息化社会对高精度位置服务的重大需求，GNSS基准站网已成为现代空间位置基准和精准导航定位的重大基础设施。
GNSS基准站网提供的高精度定位服务覆盖各行业应用和政府决策，其中测绘、地籍、航空等领域对服务的安全性、可靠性具有强制要求，其完备性甚至比精度更重要。完备性监测***是一套可以实时反映连续运行基准站***运行健康状况的综合服务***，当GNSS基准站网***出现异常或不能提供用户需要服务的时候，在预定时间范围内给用户提供及时有效的警告信息(即可靠性指标)。***完备性监测涉及到用户的使用安全性，是整个基准站网***中的重要组成部分。
现有GNSS基准站网完好性监测***主要存在两个主要方向：一是针对基准站观测数据的质量控制，主要包括卫星健康状态监测、基准站观测数据可用性(包括信噪比、数据延迟、周跳比、多路径等)；二是采用稀疏监测站的方式，通过布设少量监测站的方式对区域电离层和对流层等空间大气误差的建模进行完好性监测。由于少量监测站难以有效覆盖整个基准站网区域，因此难以从用户角度来反映基准站网***的整体空间可用性。
发明内容
针对现有完好性监测方法难以从用户角度来反映基准站网整体空间可用性的不足，本发明提供一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，通过格网点周跳探测、单点定位以及卫星利用率的计算，从用户角度实现基准站网覆盖区域定位增强信息的均匀监测，从而丰富和完善高精度增强定位的可靠性体系。
本发明的技术方案如下：
方案一：一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，包括：
按经纬度将已知的基准站网覆盖区域等距划分为格网，并得到各格网点的三维坐标；
根据各格网点的三维坐标生成相应的虚拟的GGA信息，并将所述GGA信息上传数据处理中心请求生成各格网点虚拟观测值；
接收数据处理中心返回的虚拟观测值，所述虚拟观测值包括以周为单位的载波观测值和以米为单位的伪距观测值；
通过载波周跳探测检验所述载波观测值，通过伪距单点定位解算检验所述伪距观测值，根据所述载波观测值和伪距观测值的检验结果得到各格网点的实际可用卫星数；
结合基准站网综合的广播星历和格网点的坐标，计算各格网点的理论可用卫星数；
根据各格网点的实际可用卫星和理论可用卫星数，计算基准站网覆盖区域中各格网点处卫星的利用率。
作为一种优选方案，各格网点坐标可按下式获得：
Figure GDA0003094409850000021
式中，B(i,j)、L(i,j)和H(i,j)分别表示格网点(i,j)的纬度、经度和高度；Bmax和Bmin分别表示基准站网覆盖区域的最大纬度和最小纬度；Lmax和Lmin分别表示基准站网覆盖区域的最大经度和最小经度；m和n分别表示按纬度和经度的划分数；Hu表示第u个基准站的高度，U表示基准站网中基准站的数量。
作为一种优选方案，所述GGA信息的通用生成格式为：
$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx<CR><LF>；
其中，数据段2-5为格网点的经纬度信息；数据段9为格网点的高度信息；数据段6为定位质量标志，设置为1，即非差分定位标志。
作为一种优选方案，数据处理中心返回的虚拟观测值的表达式如下：
Figure GDA0003094409850000031
式中，
Figure GDA0003094409850000032
表示以周为单位的载波观测值；P表示以米为单位的伪距观测值；上标r和s分别表示参考卫星和非参考卫星；下标V表示格网点，下标A表示基准站网中的主基准站；λ表示载波波长；
Figure GDA0003094409850000033
表示主基准站和格网点对同一颗卫星的几何距离之差，
Figure GDA0003094409850000034
为通过基准站网建模出的主基准站与格网点之间的双差误差改正。
作为一种优选方案，通过载波周跳探测检验所述载波观测值，具体包括：
采用历元间差分的无几何组合和MW组合相结合进行周跳探测：
其中，历元间差分的无几何组合观测量△LGF(t1,t2)为：
△LGF(t1,t2)＝△φ1(t1,t2)-△φ2(t1,t2) (3)
其中，历元间差分的MW组合观测量△LMW(t1,t2)为：
Figure GDA0003094409850000035
式中，△表示t1和t2两个历元之间的差分运算符，φ1和φ2分别表示f1和f2两个频率上以距离为单位的载波观测值，P1和P2分别表示f1和f2两个频率上的伪距观测值；
当△LGF(t1,t2)大于预先设定的阈值A时，或者，△LMW(t1,t2)大于预先设定的阈值B时，即认为存在周跳，判断为该虚拟观测值为异常，不可用；
通过伪距单点定位解算检验所述伪距观测值，具体包括：
所述伪距单点定位解算的检验方式如下：
Figure GDA0003094409850000036
式中，
Figure GDA0003094409850000037
为待估参数，在给定格网点的坐标后即为坐标的改正数矩阵，B为与卫星分布相关的设计矩阵，L为各卫星对应的观测矩阵，P为与高度角相关的观测值权矩阵；
当改正数矩阵
Figure GDA0003094409850000038
的各分量的绝对值不小于阈值C时，认为各卫星的伪距观测值异常，不可用；
根据所述载波观测值和伪距观测值的检验结果得到各格网点的实际可用卫星数，具体包括：当载波观测值和伪距观测值均无异常时，判断各格网点的虚拟观测值无异常，进而得到各格网点的实际可用卫星数。
作为一种优选方案，所述阈值A设置为0.1λ1，所述阈值B设置为10λWL；其中，
Figure GDA0003094409850000041
表示f1频率对应的波长；
Figure GDA0003094409850000042
表示宽巷波长；c为光速；
所述阈值C为15m。
作为一种优选方案，结合基准站网综合的广播星历和格网点的坐标，计算各格网点的理论上可用卫星数，具体包括：
基于格网点坐标和综合的广播星历，计算各卫星在格网点上的高度角；
结合广播星历中包含的健康标志数据，根据预先设置的综合判断标准，计算理论上的可用卫星数；所述判断标准为：当所述健康标志位为健康且卫星高度角满足截止高度角条件时，即为理论上的可用卫星。
作为一种优选方案，所述利用率p的计算公式如下：
Figure GDA0003094409850000043
式中，nrec表示格网点的实际可用卫星数，nthe表示格网点的理论可用卫星数。
方案二：一种格网点数据处理装置，包括处理器和存储器，所述存储器存储有格网点数据处理程序，所述程序在被处理器运行时实现方案一任意一项所述的方法。
方案三：一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测***，包括格网点数据处理装置和与其数据通信的数据处理中心；所述格网点数据处理装置包括处理器和存储器，所述存储器存储有格网点数据处理程序，所述程序在被处理器运行时实现方案一任意一项所述的方法；所述数据处理中心用于将所述GGA信息生成各格网点对应的虚拟观测值。
本发明的有益效果包括：
本发明提出的基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，从用户定位角度出发，通过均匀的格网点划分，在各格网点实施周跳探测、单点定位计算，实现增强信息是否存在异常的判断；在此基础上根据基准站网综合的广播星历和格网点的坐标，计算各格网点处的理论可用卫星，再与虚拟观测值中卫星进行对比，实现卫星利用率的监测。
本发明提出的格网化监测方法，考虑了基准站网覆盖区域所有可能的用户位置，通过均匀的格网点划分，在各个格网点对增强信息(虚拟观测值)的观测值质量和卫星利用率进行计算，能够实现基准站网覆盖区域基本定位增强信息的均匀监测，有效改善目前少量监测站方法难以有效反应整体区域的不足，实现了从用户角度反映基准站网***的整体空间可用性。
附图说明
图1是实施例1所述的基准站网定位增强信息可用性监测方法的设计框架图；
图2是实施例1所述的基准站网定位增强信息可用性监测方法的实施流程图。
具体实施方式
结合图1和图2所示，实施例1公开一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，具体步骤如下：
步骤(1)，按经纬度，将已知的基准站网覆盖区域等距划分为格网。
划分得到的各格网点(可视为虚拟参考站)坐标可按下式获得：
Figure GDA0003094409850000051
式中，B(i,j)、L(i,j)和H(i,j)分别表示格网点(i,j)的纬度、经度和高度；Bmax和Bmin分别表示基准站网覆盖区域的最大纬度和最小纬度；Lmax和Lmin分别表示基准站网覆盖区域的最大经度和最小经度；m和n分别表示按纬度和经度的划分数；Hu表示第u个基准站的高度，U表示基准站网中基准站的数量。
步骤(2)，根据格网点三维坐标(B(i,j),L(i,j),Have)，生成虚拟的地理固定信息(Geographical Fix Information，简称GGA信息)，并上传数据处理中心，请求生成虚拟观测值。
GGA信息的通用生成格式为：
$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx<CR><LF>
其中，数据段2-5为格网点的经纬度信息；数据段9为格网点的高度信息；数据段6为定位质量标志，本发明中，由于格网点不做差分，因此直接设置为1，即非差分定位标志；其它数据段根据实际情况赋值。需要说明的是，得到的虚拟观测值即格网点对应的定位增强信息。
步骤(3)，数据处理中心生成虚拟观测值。
数据处理中心根据格网点生成的虚拟GGA信息，生成各格网点的虚拟观测值。虚拟观测值通常包括以周为单位的载波观测值和以米为单位的伪距观测值。生成虚拟观测值通过下式进行表示：
Figure GDA0003094409850000061
式中，
Figure GDA0003094409850000062
表示以周为单位的载波观测值；P表示以米为单位的伪距观测值；上标r和s分别表示参考卫星和非参考卫星；下标V表示格网点，下标A表示基准站网所包含的基准站网元中的主基准站，一般为离用户站最近的基准站；λ表示载波波长；
Figure GDA0003094409850000063
表示主基准站和格网点对同一颗卫星的几何距离之差，
Figure GDA0003094409850000064
为通过基准站网建模出的主基准站与格网点之间的双差误差改正。
步骤(4)，接收数据处理中心返回的虚拟观测值，进行伪距单点定位解算和载波周跳探测，实现对虚拟观测值的异常判断。
格网点接收数据处理中心发送的虚拟观测值，通过周跳探测和单点定位解算检验其可用性。考虑到虚拟观测值的采样间隔一般为1s，因此，周跳探测采用历元间差分的无几何组合和MW组合相结合的探测策略，具体如下：
历元间差分的无几何组合观测量△LGF(t1,t2)为：
△LGF(t1,t2)＝△φ1(t1,t2)-△φ2(t1,t2) (3)
历元间差分的MW组合观测量△LMW(t1,t2)为：
Figure GDA0003094409850000065
式中，△表示t1和t2两个历元之间的差分运算符，φ1和φ2分别表示f1和f2两个频率上以距离为单位的载波观测值，P1和P2分别表示f1和f2两个频率上的伪距观测值。
考虑到虚拟观测值的采样间隔为1s，此处可将△LGF(t1,t2)阈值设置为0.1周对应的距离，△LMW(t1,t2)设置为10周对应的距离，即当△LGF(t1,t2)≥0.1λ1和△LMW(t1,t2)≥10λWL任意一项满足时，即认为存在周跳，判断为该虚拟观测值为异常，不可用；其中，
Figure GDA0003094409850000066
表示f1频率对应的波长；
Figure GDA0003094409850000067
表示宽巷波长，c为光速。
在确定载波观测值不存在周跳时，采用伪距单点定位对伪距观测值的质量进行检核，核验方式如下：
Figure GDA0003094409850000071
式中，
Figure GDA0003094409850000072
为待估参数，在给定格网点的坐标后即为坐标的改正数矩阵，B为与卫星分布相关的设计矩阵，L为各卫星对应的观测矩阵，P为与高度角相关的观测值权矩阵。当改正数矩阵
Figure GDA0003094409850000073
的各分量的绝对值均小于15m时，认为各卫星的伪距观测值不存在异常。
需要说明的是，上述周跳探测和单点定位解算的检验顺序并无严格要求，周跳探测检验的以周为单位的载波观测值是否存在异常，单点定位解算检验以米为单位的伪距观测值是否存在异常，最终各格网点对应的虚拟观测值是否可用需要同时满足两种检验结果均无异常。
通过上述步骤，实现了对载波和伪距虚拟观测值的异常判断，在确定载波和伪距虚拟观测值均无异常的情况下，得到最终可用的虚拟观测值，相应可得，伪距观测值无异常且不存在周跳的卫星，即各格网点的实际可用卫星。
步骤(5)，计算理论上可用卫星数，并与虚拟观测值中的实际可用卫星数量进行对比，进而得到基准站网中各格网点处卫星的利用率。
根据基准站网综合的广播星历，结合格网点的坐标，计算理论上可用卫星。具体的，采用格网点坐标和综合的广播星历(所有基准站接收的广播星历的并集)，计算各卫星在格网点上的高度角，结合广播星历中包含的健康标志数据进行综合判断，计算理论上的可用卫星数。
其中，判断理论上可用的标准为：当星历中健康标志位为健康且计算的卫星高度角满足截止高度角条件时(一般为10度)，即当成理论上的可用卫星。
其中，计算各卫星在格网点上的高度角E的公式如下：
Figure GDA0003094409850000074
式中，
Figure GDA0003094409850000075
和
Figure GDA0003094409850000076
分别表示卫星在以各格网点为原点的东北天坐标系中的东向、北向和垂直方向的坐标。
最后，将计算得到的理论可用卫星数与步骤(4)得到的格网点接收到的虚拟观测值中实际可用卫星数量进行对比，得到卫星的利用率p：
Figure GDA0003094409850000077
式中，nrec表示格网点的实际可用卫星数，nthe表示格网点的理论可用卫星数。
相应的，实施例2公开一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测***，其包括格网点数据处理装置和与其数据通信的数据处理中心。格网点数据处理装置包括处理器和存储器，存储器存储有格网点数据处理程序，该程序在被处理器运行时，执行实施例1中所述的步骤(1)～(2)和步骤(4)～(5)对应的指令；数据处理中心则用于完成步骤(3)。
最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，其特征在于，包括：
按经纬度将已知的基准站网覆盖区域等距划分为格网，并得到各格网点的三维坐标；根据各格网点的三维坐标生成相应的虚拟的GGA信息，并将所述GGA信息上传数据处理中心请求生成各格网点虚拟观测值；
接收数据处理中心返回的虚拟观测值，所述虚拟观测值包括以周为单位的载波观测值和以米为单位的伪距观测值；
通过载波周跳探测检验所述载波观测值，通过伪距单点定位解算检验所述伪距观测值，根据所述载波观测值和伪距观测值的检验结果得到各格网点的实际可用卫星数；
结合基准站网综合的广播星历和格网点的坐标，计算各格网点的理论可用卫星数；根据各格网点的实际可用卫星和理论可用卫星数，计算基准站网覆盖区域中各格网点处卫星的利用率。
2.如权利要求1所述的基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，其特征在于，各格网点坐标可按下式获得：
Figure FDA0003094409840000011
式中，B(i,j)、L(i,j)和H(i,j)分别表示格网点(i,j)的纬度、经度和高度；Bmax和Bmin分别表示基准站网覆盖区域的最大纬度和最小纬度；Lmax和Lmin分别表示基准站网覆盖区域的最大经度和最小经度；m和n分别表示按纬度和经度的划分数；Hu表示第u个基准站的高度，U表示基准站网中基准站的数量。
3.如权利要求2所述的基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，其特征在于，所述GGA信息的通用生成格式为：
Figure FDA0003094409840000012
其中，数据段2-5为格网点的经纬度信息；数据段9为格网点的高度信息；数据段6为定位质量标志，设置为1，即非差分定位标志。
4.如权利要求1所述的基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，其特征在于，数据处理中心返回的虚拟观测值的表达式如下：
Figure FDA0003094409840000021
式中，
Figure FDA0003094409840000022
表示以周为单位的载波观测值；P表示以米为单位的伪距观测值；上标r和s分别表示参考卫星和非参考卫星；下标V表示格网点，下标A表示基准站网中的主基准站；λ表示载波波长；
Figure FDA0003094409840000023
表示主基准站和格网点对同一颗卫星的几何距离之差，
Figure FDA0003094409840000024
为通过基准站网建模出的主基准站与格网点之间的双差误差改正。
5.如权利要求4所述的基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，其特征在于，
通过载波周跳探测检验所述载波观测值，具体包括：
采用历元间差分的无几何组合和MW组合相结合进行周跳探测：
其中，历元间差分的无几何组合观测量△LGF(t1,t2)为：
△LGF(t1,t2)＝△φ1(t1,t2)-△φ2(t1,t2) (3)
其中，历元间差分的MW组合观测量△LMW(t1,t2)为：
Figure FDA0003094409840000025
式中，△表示t1和t2两个历元之间的差分运算符，φ1和φ2分别表示f1和f2两个频率上以距离为单位的载波观测值，P1和P2分别表示f1和f2两个频率上的伪距观测值；当△LGF(t1,t2)大于预先设定的阈值A时，或者，△LMW(t1,t2)大于预先设定的阈值B时，即认为存在周跳，判断为该虚拟观测值为异常，不可用；
通过伪距单点定位解算检验所述伪距观测值，具体包括：
所述伪距单点定位解算的检验方式如下：
Figure FDA0003094409840000031
式中，
Figure FDA0003094409840000032
为待估参数，在给定格网点的坐标后即为坐标的改正数矩阵，B为与卫星分布相关的设计矩阵，L为各卫星对应的观测矩阵，P为与高度角相关的观测值权矩阵；
当改正数矩阵
Figure FDA0003094409840000033
的各分量的绝对值不小于阈值C时，认为各卫星的伪距观测值异常，不可用；
根据所述载波观测值和伪距观测值的检验结果得到各格网点的实际可用卫星数，具体包括：当载波观测值和伪距观测值均无异常时，判断各格网点的虚拟观测值无异常，进而得到各格网点的实际可用卫星数。
6.如权利要求5所述的基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，其特征在于，
所述阈值A设置为0.1λ1，所述阈值B设置为10λWL；其中，
Figure FDA0003094409840000034
表示f1频率对应的波长；
Figure FDA0003094409840000035
表示宽巷波长；c为光速；
所述阈值C为15m。
7.如权利要求1所述的基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，其特征在于，结合基准站网综合的广播星历和格网点的坐标，计算各格网点的理论上可用卫星数，具体包括：
基于格网点坐标和综合的广播星历，计算各卫星在格网点上的高度角；
结合广播星历中包含的健康标志数据，根据预先设置的综合判断标准，计算理论上的可用卫星数；所述判断标准为：当所述健康标志位为健康且卫星高度角满足截止高度角条件时，即为理论上的可用卫星。
8.如权利要求1所述的基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测方法，其特征在于，所述利用率p的计算公式如下：
Figure FDA0003094409840000036
式中，nrec表示格网点的实际可用卫星数，nthe表示格网点的理论可用卫星数。
9.一种格网点数据处理装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有格网点数据处理程序，所述程序在被处理器运行时用于实现如权利要求1至8任意一项所述的方法。
10.一种基于格网化的基准站网定位增强信息可用性监测***，其特征在于，包括格网点数据处理装置和与其数据通信的数据处理中心；所述格网点数据处理装置包括处理器和存储器，所述存储器存储有格网点数据处理程序，所述程序在被处理器运行时实现如权利要求1至8任意一项所述的方法；所述数据处理中心用于将所述GGA信息生成各格网点对应的虚拟观测值。
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