CN111830545A - Bds+gps双***高精度定位双频rtk方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种BDS+GPS双***高精度定位双频RTK方法,涉及BDS北斗卫星和GPS定位***和高精度定位测量技术领域。用户接收机接收到BDS北斗***和GPS***双***播发给卫星接收机的测量数据,通过载波相位方程分别确定BDS北斗***的频率载波相位整周模糊度和GPS***频率的载波相位整周模糊度;恢复BDS北斗***载波和GPS***载波相位星间差分模糊度参数的整数特性;确定用户BDS+GPS双模接收机到卫星距离。本发明能够避免BDS北斗***频率与GPS***频率载波相位二者频率不同的影响,使混频星间差分的BDS载波和GPS载波相位模糊度参数恢复整数特性。技术领域:本发明涉及BDS北斗卫星和GPS卫星双模定位和高精度定位测量技术领域。
Description
技术领域
本发明属于卫星定位***和定位测量技术领域,特别涉及BDS北斗卫星***B1频率与GPS卫星***L1频率载波相位RTK方法。
背景技术
北斗卫星导航***(BDS)是我国自主研制开发的、具有自主知识产权的卫星导航定位***,是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后,国际上可定位的第3个卫星导航***。目前,BDS北斗卫星导航***已开始向亚太地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务。单星座定位存在一些不足,如可见卫星有限、稳定性不强等,因此多频多***导航定位研究成为导航定位的一个新的热点。采用多频多***组合定位,将会使卫星数目成倍增加,有利于增强卫星几何图形强度,提高定位精度及稳定性。同时多频多***的发展,对不同***和不同频率的定位模型的兼容性和扩展性问题也提出了挑战,本发明文基于非组合算法很好兼容了BDS北斗卫星***B1频率和GPS卫星***L1频率的不同卫星定位***的定位解算。
对北斗***与GPS***双***的双***接收机进行定位时,普通采用的技术手段利用载波相位的星间差分组合技术确定载波相位测量值,进而获得双***接收机到卫星的距离值,然后用接收机到卫星的距离计算出双***接收机的位置。RTK是一种利用GPS载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,是一种利用BDS北斗***GPS***频率载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术。在BDS北斗卫星***Bl频率、GPS卫星***L1频率载波相位测量值的整周模糊度解算时,若想得到BDS北斗***Bl频率、GPS***L1频率载波相位整周模糊度,必须消除测量值中的误差。对于BDS北斗卫星***与GPS卫星***双***,其BDS北斗***B1频率、GPS***L1频率载波相位测量值中的大气延迟、卫星轨道、卫星钟差等误差,可以通过外部基准参考站网络进行消除或削弱,保证这些误差不影响BDS北斗***Bl频率、GPS***L1频率载波相位模糊度的整周特性。除此之外还存在双***接收机钟误差的影响,并且接收机钟的误差影响很大,是BDS北斗***Bl频率、GPS***L1频率载波相位测量值的模糊度不能恢复整数特性的主要原因。消除接收机钟差有效的方法是对BDS北斗***B1频率、GPS***L1频率载波相位测量值进行星间差分,消除同一台双***接收机不同卫星Bl频率、L1频率载波相位测量值中的接收机误差影响。但目前常用的方法需要在同一***、B1频率或L1频率载波相位测量值之间进行星间差分,以消除接收机误差的影响,恢复同一***、同一频率载波相位观测值的星间差分模糊度的整数特性。只能在单***、BDS北斗***B1频率或GPS***L1频率单一频率载波相位测量值间进行星间差分的原因是不同频率载波相位的波长不同。由于载波相位测量值的波长不同,不同频率载波相位测量值星间差分组合之后,星间差分载波相位测量值的模糊度不具备整数特性。星间差分载波相位测量值的模糊度不具有整数特性,会导致星间差分模糊度不能实时快速解算,无法实现高精度实时快速定位。
在使用BDS北斗***与GPS***双***接收机进行高精度定位时,如果单***的卫星数量较少(比如在较多建筑物和森林等卫星信号遮挡严重地区),为了保证能够使用BDS北斗***B1频率、GPS***L1频率载波相位测量值实现高精度定位,必须进行BDS北斗***B1频率与GPS***L1频率载波相位混频星间差分组合,并能够恢复星间差分模糊度的整数特性,以便于进行整周模糊度解算。由于单***卫星观测数量较少,如果在北斗***和GPS***各自***内部进行B1频率或L1频率载波相位测量值的星间差分组合,将进一步降低载波相位观测数据的利用率。在双***卫星数量较少时(比如两***共有四颗卫星),星间差分观测值数量不足,很难通过几何模型解算星间差分BDS北斗***Bl频率、GPS***L1频率载波相位整周模糊度,不能实现高精度定位。如果不进行BDS北斗***Bl频率、GPS***Ll频率载波相位观测值的星间差分组合,而对单颗卫星的Bl频率、Ll频率载波相位观测值进行模糊度参数解算,则很难消除单颗卫星测量值中与接收机有关的误差(主要是接收机钟差),这样不但要估计的参数较多,而且由于与双***接收机有关误差的存在,使BDS北斗***Rl频率、GPS***Ll频率载波相位的模糊度无法正确计算。BDS北斗***Bl频率与GPS***Ll频率载波相位测量值的混频星间求差,可提高数据利用率,实现在BDS+GPS单***观测卫星数较少情况下的高精度实时快速定位。但由于BDS北斗***Bl频率和GPS***Ll频率载波相位观测值的波长不同,混频星间差分后,各自单颗卫星模糊度的系数不同,不能形成星间单差的整周模糊度参数,会引λ了过多的单颗卫星的非差整周模糊度参数,很难对单颗卫星的整周模糊度参数进行解算。如果将BDS北斗***与GPS***单颗卫星的Bl频率、Ll频率载波相位模糊度参数,在星间单差之后,合并成一个模糊度参数,由于BDS北斗***Bl频率、GPS***Ll频率载波相位的波长不同,会导致星间单差模糊度参数不具备整数特性,无法进行载波相位整周模糊度的实时快速解算。
发明内容
本发明的目的是利用BDS北斗卫星***的B1频率载波相位测量值与GPS卫星***L1频率载波相位测量值,对BDS北斗卫星***B1频率和GPS卫星***L1频率载波相位测量值进行混频星间RTK差分方法,并恢复混频星间差分载波相位模糊度的整数特性,更好地实现BDS北斗卫星***B1频率与GPS卫星***L1频率载波相位测量值的高精度实时快速定位,提高双***定位服务能力,特别是在卫星信号遮挡严重,单***卫星数量不足时的定位服务能力。
本发明的技术方案实现:BDS北斗卫星***B1频率与GPS卫星***L1频率双频率混频载波相位RTK差分的方法,包括以下步骤:
步骤1:用户双***接收机接收到BDS北斗卫星***和GPS卫星***各自卫星播发给用户接收机的测量数据,具体包括:
BDS北斗卫星***的B1频率的伪距观测数据和B1频率的载波相位观测数据;
GPS卫星***的L1频率的伪距观测数据和B1频率的载波相位观测数据;
步骤2:通过双频混频载波相位观测方程分别确定BDS北斗卫星***的B1频率载波相位整周模糊度和GPS卫星***L1频率的载波相位整周模糊度;
(1)对于北斗***:通过公式(1)确定BDS北斗卫星***的B1频率的载波相位整周模糊度,公式为:
λBDS·ΦBDS=ρBDS+C·(tREV-tBDS)-λBDS·NBDS+OBDS-IBDS+TBDS+MBDS+ΔBDS (1)
式中,λBDS是BDS北斗卫星***BI频率载波相位的波长;ΦBDS是BDS北斗卫星***B1频率载波相位测量值,下标BDS表示北斗***;ρBDS为BDS北斗卫星到用户双***接收机的几何距离,由测站初始位置坐标与北斗卫星坐标计算得到,其中,测站初始位置坐标是通过单***的伪距单点定位得到,卫星坐标由接收机记录的导航文件提供;C为真空中的光速,tREV为双***接收机钟差,单位为秒;tBDS为北斗***卫星钟的钟差;NBDS是北斗***B1频率载波相位观测值的整周模糊度,OBDS是北斗***卫星轨道误差,即卫星位置坐标的误差;IBDS是北斗***B1频率的载波相位观测值所受的电离层延迟误差,TBDS是北斗***对流层延迟误差;MBDS为北斗***B1频率的载波相位观测值的多路径效应误差;ΔBDS为北斗***BI频率的载波相位观测噪声和非模型化误差;
(2)对于GPS卫星***:通过公式(2)确定GPS***的L1频率的载波相位整周模糊度,为式为:
λGPS·ΦGPS=ρGPS+C·(tREV-tGPS)-λGPS·NGPS+OGPS-IGPS+TSPS+MGPS+ΔGPS (2)
式中,λGPS为GPS卫星***LI频率载波相位的波长,ΦGPS是GPS***L1频率载波相位观测值;ρGPS为GPS卫星到接收机的几何距离,由测站初始位置坐标与GPS卫星坐标计算得到,其中测站初始位置坐标是通过单***的伪距单点定位得到,卫星坐标由接收机记录的导航文件提供;tGPS是GPS***卫星钟的钟差,NGPS是GPS***L1频率载波相位观测值的整周模糊度;OGPS是GPS***卫星轨道误差,即卫星位置坐标的误差;IGPS是GPS***L1频率的载波相位观测值所受的电离层延迟误差;TGPS是GPS***对流层延迟误差;MGPS为GPS***L1频率的载波相位观测值的多路径效应误差;ΔGPS为GPS***L1频率的载波相位观测噪声和非模型化误差;
步骤3:以BDS北斗卫星***B1频率的载波相位波长为B1频率和L1频率载波相位星间差分模糊度参数的系数,或者以GPS卫星***L1频率的载波相位波长为B1频率和L1频率载波相位星间差分模糊度参数的系数,二者任选其一来恢复BDS北斗卫星***B1和GPS卫星***L1载波相位星间差分模糊度参数的整数特性;
其中,以BDS北斗卫星***B1频率的载波相位波长为BDS北斗卫星***B1频率和GPS卫星***L1频率载波相位星间差分模糊度参数的系数,来恢复BDS北斗卫星***B1频率和GPS卫星***L1频率载波相位星间差分模糊度参数的整数特性包括以下步骤:
【1】:利用外部基准参考站提供的BDS北斗卫星***B1频率载波相位的非差误差改正数CORBDS,GPS卫星***L1频率载波相位的非差误差改正数CORGPS,对步骤2中的公式(1)和公式(2)进行修正,消除对流层延迟误差、电离层延迟误差、卫星轨道误差和卫星钟误差,具体公式如下:
对于BDS北斗卫星***而言,修正误差后的公式为:
λBDS·ΦBDS+CORBDS=ρBDS+C·tREV-λBDS·NBDS-MBDS+ΔBDS (3)
式中,ΔBDS为BDS北斗卫星***B1频率载波相位的观测噪声;
对于GPS卫星***而言,修正误差后的具体公式为:
λGPS·ΦGPS-CORGPS=ρGPS+C·tREV-λGPS·NGPS+MSPS+ΔGPS (4)
式中,ΔGPS为GPS卫星***LI频率载波相位的观测噪声;
【2】:BDS北斗卫星***B1与GPS卫星***L1频率载波相位观测值间进行混频星间差分,以消除公式(3)和公式(4)中的接收机钟差t,具体公式为:
λBDS·ΦBDS-λGPS·ΦGPS+CORBDS-CORGPS=ρBDS-ρGPS-(λBDS·NBDS-λGPS·NGPS) (5)
公式(5)等式右侧的λBDS·NBDS-λGPS·NGPS项表示BDS北斗卫星***B1和GPS卫星***L1频率载波相为的模糊度;
将BDS北斗卫星***B1频率和GPS卫星***L1频率载波相位的模糊度用模糊度整数初值和一个数值较小的整数改正量的形式来表示,公式:
式中,为BDS北斗卫星***B1频率载波相位模糊度的初始整数解,为GPS***L1频率载波相位模糊度的初始整数解,为北斗***B1频率载波相位整周模糊度的整数改正量,N′GPS为GPS***L1频率载波相位模糊度的整数改正量,各载波相位模糊度的整数改正量的大小与模糊度的整数初值有关;
对公式(6)进一步处理,将BDS北斗卫星***中的一颗卫星的B1频率载波相位模糊度的整数改正量N′BDS,GPS***中的一颗卫星的L1频率载波相位模糊度的整数改正量N′GPS通过星间差分形成一个载波相位模糊度参数,再以BDS北斗卫星***B1频率载波相位模糊度波长为系数,转化成星间差分模糊度,公式这:
【3】:恢复北斗***BI和GPS***LI载波相位星间差分组合的模糊度参数
BDS北斗卫星***B1频率和GPS***L1频率载波相位的波长不同,求取波长比,公式为:
式中,A表示GPS***L1和北斗***B1的载波相位波长比,且有A∈(0,1);
式中,N′BDS和N′GPS都为未知的整周数,即N′BDS-N′GPS为BDS北斗卫星***B1频率载波相位与GPS***L1频率载波相位星间差分后的模糊度参数,(1-A)·N′GPS是星间单差模糊度参数N′BDS-N′GPS的残余误差项,对于公式(5)则有:
【4】:确定GPS***LI频率载波相位模糊度的整数初值,使残余误差项消除,恢复模糊度N′BDS-N′GPS的整数特性;
对于目前的GPS***,在残余误差项(1-A)·N′GPS取值的绝对值小于0.5时:
若利用GPS***L1频率的伪距观测值计算L1载波相位模糊度,则GPS***L1频率模糊度初值的偏差应小于55周;
对于目前的GPS***,在残余误差项(1-A)·N′GPS取值的绝对值小于0.25时,GPS***L1频率模糊度初值的偏差应小于27周;
对于上述具有不同残余误差项的情况,在L1频率载波相位模糊度初值精度范围内,也消除了残余误差项,则公式(10)化简为:
式中N′BDS-N′GPS为整周模糊度,此时的整周模糊度参数N′BDS-N′GPS的解算与传统的基线模糊度解算方法相同;
以GPS卫星***L1频率载波相位波长为星间差分模糊度参数系数,并恢复星间差分模糊度参数的整数特性,包括以下步骤:
【5】:对公式(6)进一步处理,将BDS北斗卫星***一颗卫星的B1频率载波相位模糊度的整数改正量N′BDS,GPS***一颗卫星的L1频率载波相位模糊度的整数改正量N′GPS,通过星间差分之后组合成一个模糊度,并以GPS***的L1频率载波相位模糊度波长为系数,形成星间差分模糊度,公式如下:
BDS北斗卫星***B1频率和GPS***L1频率载波相位的波长不同,求取波长比,公式为:
式中,B表示BDS北斗卫星***的B1频率载波相位波长和GPS卫星***的L1频率载波相位波长比,且有B∈(1,2);
根据式(13),则式(12)中的北斗***B1和GPS***L1载波相位星间差分模糊度
式中,(B-1)·N′BDS整周数N′BDS-N′GPS的残余误差项,对于公式(5)则有:
如果要使BDS北斗***B1频率和GPS***L1频率载波相位星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS恢复整数特性,以便于进行整周模糊度解算,需要将残余误差项(B-1)·N′BDS的影响降低至不影响N′BDS-N′GPS的整周特性;
【7】:设置BDS北斗***B1频率载波相位模糊度的整数初值,使残余误差项(B-1)·N′BDS不影响模糊度参数的整数特性;
利用BDS北斗***B1频率伪距观测值计算北斗***B1频率载波相位模糊度的整数初值,初值应满足的最低要求为:
对于目前的北斗***,在残余误差项(B-1)·N′BDS取值的绝对值小于0.5时:
若利用BDS北斗卫星***B1频率的伪距观测值计算B1频率的载波相位模糊度整数初值,则北斗***B1频率载波相位的模糊度初值的偏差应小于54周;
对于目前的北斗***,在残余误差项(B-1)·N′BDS取值的绝对值小于0.25时,BDS北斗***B1频率载波相位模糊度初值的偏差应小于27周;
对于上述具有不同残余误差项的情况,在B1频率的载波相位模糊度初值精度范围内,也消除了残余误差项,则公式(15)即有:
式中,N′BDS-N′GPS即为观测方程式(16)的整周模糊度参数,此时的整周模糊度N′BDS-N′GPS的解算与传统的基线模糊度解算方法相同;
步骤4:在BDS北斗***B1频率和GPS***L1频率载波相位观测值星间混频差分整周模糊度N′BDS-N′GPS确定之后,利用公式(11)或公式(16)计算测站位置参数,然后通过测站位置参数再计算BDS北斗***B1频率载波相位模糊度和GPS***L1频率载波相位模糊度的初始整数解,即利用确定的整周模糊度进行模糊度初始整数解的迭代计算,确定最终的整周模糊度,再利用BDS北斗卫星***B1和GPS***L1载波相位观测值和模糊度确定用户BDS北斗/GPS双***接收机到卫星距离。
本发明的有益效果:本发明提供BDS北斗卫星***B1频率与GPS***L1频率载波相位混频星间RTK方法。该方法在BDS北斗卫星***B1频率与GPS***L1频率双频载波相位测量值进行混频星间差分组合之后,通过BDS北斗卫星***和GPS***单颗卫星B1频率和L1频率载波相位模糊度初值的计算,对BDS北斗卫星***B1频率载波相位与GPS***L1频率载波相位的星间观测方程进行变换,以BDS北斗卫星***B1频率和GPS***L1频率载波相位模糊度初值的改正量为载波相位模糊度参数。能够避免BDS北斗卫星***B1频率载波相位与GPS***L1频率载波相位二者频率不同的影响,使混频星间差分的B1频率和L1频率载波相位模糊度参数恢复整数特性。可在BDS北斗卫星***与GPS***单***观察测量卫星数量较少时,通过星间RTK方法既能消除BDS北斗卫星***B1频率载波相位测量值和GPS卫星***L1频率载波相位测量值中的接收机误差,又能为星间单差模糊度的实时快速解算提供前提条件,即星间单项模糊度参数具有整数特性。本发明对BDS北斗卫星***B1频率和GPS***L1频率载波相位进行星间差分,保持双***星间差分模糊度参数的整数特性,能够解决BDS北斗卫星***和GPS***单***观察测量卫星数不足时,如何实现高精度动态定位的问题。
附图说明
图1为本发明实施方式BDS+GPS双频载波相位混频RTK方法流程图;
具体实施方式
下面对本发明的实施方式作详细的说明。
BDS+GPS双频载波相位混频RTK方法,其流程如图1所示,包括以下步骤;
步骤1:用户BDS+GPS接收机接收到BDS北斗***和GPS***双***各自卫星播发给用户接收机的测量数据,具体包括:
BDS北斗***的B1频率伪距测量数据和B1频率载波相位测量数据。B1频率伪距测量值用于BDS北斗***B1频率载波相位模糊度初值整数解的计算。B1频率的载波相位观测值的频率为1561.098MHz,相应的B1载波相位观测值的波长为0.19203米;
GPS***的L1频率伪距测量数据和L1频率载波相位测量数据。L1频率伪距测量值用于GPS***L1频率载波相位模糊度初值整数解的计算,以及用户接收机初始位置的计算。L1频率的载波相位测量值的频率为1575.42MHz,相应的L1频率载波相位观测值的波长为0.19029米;
步骤2:确定BDS北斗卫星***B1频率的载波相位整周模糊度和GPS***L1频率的载波相位整周模糊度;
(1)对于BDS北斗卫星***:通过BDS北斗***B1频率载波相位观测方程,确定北斗***的B1频率载波相位整周模糊度,BDS北斗***B1频率载波相位观测方程的公式这:
λBDS·ΦBDS=ρBDS+C·(tREV-tBDS)-λBDS·NBDS+OBDS-IBDS+TBDS+MBDS+ΔBDS (1)
式中,λBDS是BDS北斗***B1频率载波相位的波长;ΦBDS是BDS北斗***B1频率载波相位观测值,下标BDS表示北斗***;ρBDS为北斗卫星到接收机的几何距离,由测站初始位置坐标与北斗卫星坐标计算得到,其中,测站接收机天线相位中心的初始位置坐标是通过GPS***的伪距单点定位得到,卫星坐标由接收机记录的北斗***导航文件中的广播星历,通过开普勒六参数利用轨道外推确定为真空中的光速为接收机钟差,即接收机钟记录观测数据的时间与北斗***时间之间的差异,单位为秒;tBDS为北斗***卫星钟的钟差,为北斗卫星钟与北斗***时间之间的差异;NBDS是BDS北斗***B1频率载波相位观测值的整周模糊度;OBDS是北斗***卫星轨道误差,即通过广播星历计算出的北斗***卫星位置坐标与卫星实际位置坐标的差异;IBDS是BDS北斗***BI频率的载波相位观测值所受的电离层延迟误差是北斗***对流层延迟误差;MBDS为BDS北斗***B1频率的载波相位观测值的多路径效应误差;ΔBDS为北斗***B1频率的载波相位观测噪声和非模型化误差;
(2)对于GPS***:通过GPS***L1频率载波相位观测方程,确定GPS***L1频率载波相位整周模糊度,GPS***L1频率载波相位观测方程的公式为:
λGPS·ΦGPS=ρGPS+C·(tREV-tGPS)-λGPS·N′GPS+OGPS-IGPS+TGPS+MGPS+ΔGPS (2)
式中,λGPS为GPS***L1频率载波相位的波长,ΦGPS是GPS***L1频率载波相位观测值,下标GPS表示GPS***;ρGPS为GPS卫星到接收机的几何距离,由测站初始位置坐标与GPS卫星坐标计算得到,其中测站初始位置坐标是通过GPS***的伪距单点定位得到,卫星坐标由接收机记录的GPS***导航文件中的广播星历,通过开普勒六参数的轨道外推确定为接收机钟差,此处为接收机钟记录的时间与北斗***时间之间的差异,单位为秒;tGPS为GPS***卫星钟的钟差,为GPS卫星钟与GPS***时间的差异,在GPS***观测数据获取时是以GPS***时间为准,本实施方式在GPS***L1频率的观测数据获取后将GPS***时间与北斗***时间进行统一,转换成以北斗***时间为基准;NGPS是GPS***L1频率的载波相位观测值的整周模糊度;OGPS是GPS***卫星轨道误差,即通过广播星历计算出的GPS***卫星位置坐标与卫星实际位置坐标的差异;IGPS是GPS***L1频率载波相位观测值所受的电离层延迟误差;TGPS是GPS***卫星的对流层延迟误差;MGPS是GPS***L1频率载波相位观测值的多路径效应误差;ΔGPS为GPS***L1频率载波相位观测噪声和非模型化误差;
步骤3:以BDS北斗***B1频率载波相位波长或者GPS***L1频率载波相位波长为B1和L1双频载波相位星间差分模糊度参数的系数,构建BDS北斗***B1频率与GPS***L1频率星间混频差分的载波相位观测方程,并恢复北斗***B1和GPS***L1载波相位星间混频差分模糊度参数的整数特性,使能够实现BDS北斗***B1与GPS***L1载波相位星间混频差分整周模糊度的解算。分别以北斗***B1频率载波相位波长和GPS***L1频率载波相位波长其中之一为系数,来恢复北斗***B1和GPS***L1载波相位星间差分模糊度参数的整数特性;
其中,以北斗***B1频率载波相位波长为北斗***B1和GPS***L1载波相位星间差分模糊度参数的系数,来恢复北斗***B1和GPS***L1载波相位星间差分模糊度参数的整数特性包括以下步骤:
【1】:利用外部基准参考站提供的北斗***B1频率载波相位的非差误差改正数CORBDS、GPS***L1频率载波相位的非差误差改正数CORGPS,对步骤2中的公式(1)和公式(2)进行误差修正。如果使用一个外部基准参考站,根据一个基准参考站测量数据得到用户站所需的误差改正信息,如果使用多个外部基准参考站,根据多个基准参考站相对于用户站的位置和各参考站的误差改正信息,利用误差内插拟合的方法得到用户站所需的误差改正信息。通过利用外部参考站提供的误差改正信息,消除步骤2中公式(1)和公式(2)对流层延迟误差、电离层延迟误差、卫星轨道误差和卫星钟误差的影响,具体公式如下:
对于北斗***,B1频率载波相位观测方程修正误差后的公式为:
λBDS·ΦBDS+CORBDS=ρBDS+C·tREV-λBDS·NBDS+MBDS+ΔBDS (3)
式中,ΔBDS为BDS北斗***B1频率载波相位的观测噪声;
对于GPS***,L1频率的载波相位观测方程修正误差后公式为:
λGPS·ΦGPS+CORGPS=ρGPS+C·tREV-λGPS·NGPS+MGPS+ΔGPS (4)
式中,ΔGPS为GPS***LI频率载波相位的观测噪声。
经过非差误差改正数修正后载波相位观测方程公式(3)、公式(4)中,已经消除了对流层延迟误差、电离层延迟误差、卫星轨道误差、GPS卫星钟差和北斗***卫星钟差的影响。但仍然包括接收机钟差和观测噪声的影响,B1频率和L1频率载波相位的观测噪声很小,可以忽略其对B1和L1载波相位模糊度的影响。然后通过北斗***B1载波相位和GPS***L1载波相位混频星间差分消除公式(3)、公式(4)中的接收机钟差。
【2】:BDS北斗卫星***B1频率载波相位观测方程与GPS***L1频率载波相位观测方程进行混频星间差分,以消除公式(3)和公式(4)中的接收机钟差t,具体公式为:
λBDS·ΦBDS-λGPS·ΦGPS+CORBDS-CORGPS=ρBDS-ρGPS-(λBDS·NBDS-λGPS·NGPS) (5)
公式(5)等号右侧的λBDS·NBDS-λGPS·NGPS项表示BDS北斗***B1频率和GPS***L1频率载波相位混频星间差分的模糊度。公式(5)即为BDS北斗***B1频率载波相位与GPS***L1频率载波相位混频星间差分的观测方程;
将BDS北斗***B1和GPS***L1频率载波相位星间差分模糊度λBDS·NRDS-λGPS·NGPS用模糊度整数初值和整数改正量的形式来表示。公式为:
式中,为北斗***B1频率载波相位模糊度的初始整数解,为GPS***L1频率载波相位模糊度的初始整数解;N′BDS为BDS北斗***B1频率载波相位模糊度初始整数解的整数改正量,N′GPS为GPS***L1频率载波相位模糊度初始整数解的整数改正量。L1频率载波相位模糊度的整数改正量的大小与L1频率载波相位模糊度的整数初值有关,即整数改正量N′BDS、N′GPS为模糊度整数初值的精度。本实施方式通过控制整数改正量N′BDS,N′GPS的数值大小来恢复BDS北斗***B1频率与GPS***L1频率载波相位混频星间差分模糊度的整数特性。整数改正量N′BDS、N′GPS的数值一定要尽可能的小,通过伪距观测值计算出的B1、L1双频载波相位模糊度整数初值的改正量一般为几周到几十周;
在计算出北斗***B1频率载波相位模糊度整数初值和GPS***L1频率载波相位模糊度整数初值的情况下,载波相位模糊度整数初值即作为已知值,公式(6)中的整数改正量N′BDS、N′GPS成为了公式(5)中的两个载波相位整周模糊度参数。将BDS北斗***中一颗卫星的B1频率载波相位模糊度的整数改正量N′BDS、GPS***中一颗卫星的L1频率载波相位模糊度的整数改正量N′GPS通过星间差分形成一个模糊度参数,并以BDS北斗***B1频率载波相位波长为系数,公式为:
则对于公式(5)有:
【3】:恢复BDS北斗***B1频率载波相位与GPS***L1频率载波相位混频星间差分的观测方程公式(8)中星间差分模糊度参数的整数特性,具体过程为:BDS北斗***B1频率和GPS***L1频率载波相位波长不同,BDS北斗***B1频率载波相位波长λBDS=0.19203米,GPS***L1频率载波相位波长λGPS=0.19029米。求式(8)中L1载波相位模糊度参数N′GPS的系数即北斗***B1频率与GPS***L1频率载波相位的波长比,则有:
式中,载波相位模糊度整数初值的整数改正量N′BDS和N′GPS都为未知的整周数,也就是说N′BDS-N′GPS为北斗***B1与GPS***L1载波相位星间差分后的模糊度参数,0.00907·N′GPS是星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS的残余误差项,对于公式(8)则有:
【4】:确定GPS***L1频率载波相位模糊度的整数初值,使残余误差项0.00907·N′GPS不影响式(11)中B1、L1双频载波相位星间差分模糊度参数的解算,即残余误差项0.00907·N′GPS的大小能够恢复和保持模糊度参数N′BDS-N′GPS的整数特性;
残余误差项0.00907·N′GPS取值的绝对值小于0.5时,残余误差项0.00907·N′GPS不影响北斗***B1和GPS***L1载波相位星间差分模糊度参数的解算,能够恢复模糊度参数的整数特性:对于目前的GPS***,本实施方式利用L1频率的GPS伪距测量值计算L1频率载波相位模糊度的整数初值。GPS***L1频率的伪距观测值经过外部参考站非差误差改正后的观测方程的公式为:
PGPS+CORGPS=ρGPS+C·tREV+MGPS+ΔGPS (12)
式中,PGPS为GPS***L1频率的伪距观测值;CORGPS为该伪距观测值的非差误差改正数,由外部基准参考站提供,与【1】中用户双***接收机的非差误差改正数的来源相同;ρGPS为GPS卫星到接收机的几何距离,tREV为接收机钟差,单位为秒,二者的含义与公式(2)中相同;MGPS为GPS***L1频率伪距观测值的多路径效应误差;ΔGPS为GPS***L1频率的伪距观测噪声和非模型化误差。
利用L1频率的GPS伪距观测值经过外部参考站非差误差改正数修正后,计算了L1频率的载波相位模糊度的整数初值。根据公式(4)、公式(12),忽略多路径效应、观测噪声和非模型化误差,计算L1频率的载波相位模糊度的整数初值的公式为:
式中INT为取整数符号,即将等式右侧括号内的值取其最接近的整数。使用式(13)计算L1载波相位模糊度整数初值的精度主要取决于GPS***L1频率的伪距观测值PGPS的精度。
对于目前的GPS***,在残余误差项0.00907·N′GPS取值的绝对值小于0.5时;
若利用式(13)计算的GPS***L1频率的载波相位模糊度初值的整数改正量的绝对值应小于55周,也就是整数改正量N′GPS的绝对值小于55,公式(13)L1频率的伪距观测值PGPS的等效距离精度为10.46米,则-0.5<0.00907·N′GPS<0.5,即BDS北斗***B1频率与GPS***L1频率载波相位混频星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS的残余误差项的影响小于0.5周,不影响星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS的整周特性及整周模糊度的解算;
对于目前的GPS***,在残余误差项取值的绝对值小于0.25时:
利用式(13)计算的GPS***L1频率的载波相位模糊度初值的整数改正量N′GPS的绝对值应小于27周,公式(13)伪距观测值PGPS的等效距离精度为5.14米,即-0.25<0.00907·N′GPS<0.25,不影响模糊度N′BDS-N′GPS的整数特性;一般情况下,对于目前的GPS***,公式(13)中GPS***L1频率的伪距观测值的精度能够满足这一精度要求;
利用GPS***L1频率的伪距观测值计算L1频率的载波相位模糊度的整数初值,使用两种方法。一种是使用一个历元的伪距观测值计算L1频率载波相位模糊度的整数初值,主要是L1频率的伪距观测值的观测噪声影响,但对于GPS***而言,上述L1频率载波相位模糊度初值的精度是完全可以满足。这种方法是利用一个历元的L1频率伪距观测值通过公式(13)计算L1频率载波相位模糊度的整数初值;第二种是为了提高L1频率的伪距观测值计算L1频率载波相位模糊度整数初值的精度,使用当前历元之前多个历元的L1频率的伪距观测值计算L1频率载波相位模糊度的整数初值,然后对多个相同的L1频率载波相位模糊度的整数初值取平均值,以提高L1频率载波相位模糊度整数初值的精度,即利用同一颗卫星多个历元的L1频率的伪距观测值通过公式(13)计算出L1频率载波相位模糊度的初值,再取平均。
对于GPS***而言,上述L1频率载波相位模糊度初值的精度是完全可以满足。对于不述具有不同残余误差项的情况,在L1频率载波相位模糊度初值精度范围内,也消除了残余误差项0.00907·N′GPS,则公式(11)化简为:
式中,N′BDS-N′GPS为BDS北斗***B1和GPS***LI载波相位星间差分的整周模糊度参数,此时的整周模糊度参数N′BDS-N′GPS的解算与传统的基线模糊度解算方法相同;
以GPS***L1频率载波相位波长为北斗***B1和GPS***L1载波相位星间差分模糊度参数的系数,并恢复星间差分模糊度参数的整数特性,包括以下步骤:
【5】:在计算出北斗***B1频率载波相位模糊度整数初值和GPS***L1频率载波相位模糊度整数初值的情况下,载波相位模糊度整数初值即作为已知值,公式(6)中的整数改正量N′BDS、N′GPS成为了公式(5)中的两个载波相位整周模糊度参数。将北斗***中一颗卫星的B1频率载波相位模糊度的整数改正量N′BDS、GPS***中一颗卫星的L1频率载波相位模糊度的整数改正量N′GPS通过星间差分组合成一个载波相位模糊度参数,并以GPS***L1频率载波相位模糊度波长为系数,公式如下;
则对于公式(5)有:
【6】:恢复BDS北斗***B1频率载波相位与GPS***L1频率载波相位混频星间差分的观测方程公式(16)中星间差分模糊度参数的整数特性,具体过程为:由于,BDS北斗***B1和GPS***L1载波相位的波长不同,北斗***B1载波相位的波长λBDS=0.19203米,GPS***L1载波相位的波长λGPS=0.19029米。所以,B1、L1载波相位星间差分模糊度参数不具有整数特性。由北斗***B1频率载波相位的波长和GPS***L1频率载波相位的波长,求式(16)中B1载波相位模糊度参数N′BDS的系数,即北斗***B1与GPS***L1载波相位的波长比,则有:
式中,B1、L1载波相位模糊度整数初值的整数改正量N′BDS和N′GPS都为未知的整周数,即N′BDS-N′GPS为北斗***B1频率载波相位与GPS***L1频率载波相位星间差分后的模糊度参数,0.00914·N′BDS是B1、LI载波相位星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS的残余误差项,对于公式(16)则有:
如果要使B1、LI载波相位星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS恢复整数特性,以便于进行B1、L1载波相位星间差分整周模糊度解算,需要将残余误差项0.00914·N′BDS的影响降低至不影响N′BDS-N′GPS的整周特性;
【7】:确定BDS北斗***B1频率载波相位模糊度的整数初值,使残余误差项0.00914·N′BDS不影响式(19)中载波相位模糊度参数的解算,即残余误差项0.00914·N′BDS的大小能够恢复和保持模糊度参数的整数特性;
残余误差项0.00914·N′BDS取值的绝对值小于0.5时,残余误差项0.00914·N′BDS不影响B1、LI载波相位星间差分模糊度参数的解算,能够恢复载波相位模糊度参数的整数特性:
对于目前的北斗***,本实施方式利用北斗***BI频率的伪距观测值计算B1频率载波相位模糊度的整数初值。北斗***L1频率的伪距观测值经过外部参考站非差误差改正后的观测方程的公式为:
PBDS+CORBDS=ρBDS+C·tREV+MBDS+ΔBDS (20)
式中,PBDS为北斗***B1频率的伪距观测值;CORBDS为该伪距观测值的误差改正数,由外部参考站提供,与【1】中用户接收机的非差误差改正数的来源相同;ρBDS为北斗***卫星到接收机的几何距离,tREV为接收机钟差,单位为秒,二者的含义与公式(1)中相同;MBDS为北斗***B1频率的伪距观测值的多路径效应误差;ΔBDS为北斗***B1的伪距观测噪声和非模型化误差。
利用北斗***B1频率的伪距观测值经过外部参考站非差误差改正后,计算B1频率载波相位模糊度的整数初值。根据公式(3)、公式(20),忽略多路径效应、观测噪声和非模型化误差,计算LI频率载波相位模糊度的整数初值的公式为:
式中INT为取整数符号,即将等式右侧括号内的值取其最接近的整数。使用式(21)计算B1频率载波相位模糊度整数初值的精度主要取决于北斗***B1频率伪距观测值PBDS的精度。
对于目前的北斗***,在残余误差项0.00914·N′BDS取值的绝对值小于0.5时:
利用式(21)计算的BDS北斗***B1频率载波相位模糊度初值的整数改正量的绝对值应小于54周,也就是整数改正量N′BDS的绝对值小于54,公式(21)中B1频率伪距观测值PBDS的等效距离精度为10.36米。则-0.5<0.00914·N′BDS<0.5,即北斗***B1与GPS***L1频率载波相位星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS的残余误差项的影响不超过0.5周,不影响星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS的整周特性及整周模糊度的解算;
对于目前的北斗***,在残余误差项0.00914·N′BDS取值的绝对值小于0.25时:
利用式(21)计算的BDS北斗***B1载波相位模糊度初值的整数改正量N′BDS的绝对值应小于27周,公式(21)中伪距观测值PBDS的等效距离精度为5.18米,对于残余误差项0.00914·N′BDS,则有-0.25<0.00914·N′BDS<0.25,不影响北斗***B1与GPS***L1频率载波相位星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS的整数特性;
利用北斗***B1频率的伪距观测值计算B1频率载波相位模糊度的整数初值,有两种方法。一种是使用一个历元的B1频率伪距观测值计算B1频率载波相位模糊度的整数初值,其精度主要受B1频率的伪距观测值的观测噪声影响。对于BDS北斗***而言,上述B1频率载波相位模糊度初值的精度是完全可以满足。这种方法是利用一个历元的B1频率伪距观测值通过公式(21)计算B1频率载波相位模糊度的整数初值;第二种是为了提高B1频率的伪距观测值计算B1频率载波相位模糊度整数初值的精度,使用当前历元之前多个历元的B1频率伪距观测值计算B1频率载波相位模糊度的整数初值,然后对多个相同的B1频率载波相位模糊度的整数初值取平均值,以提高B1频率载波相位模糊度整数初值的精度,即利用同一颗卫星多个历元的B1频率的伪距观测值通过公式(21)计算出B1频率载波相位模糊度的初值,再取平均。
对于BDS北斗***而言,上述B1频率载波相位模糊度初值的精度是完全可以满足。对于上述具有不同残余误差项的情况,在B1频率载波相位模糊度初值精度要求的范围内,也消除了残余误差项0.00914·N′BDS,则公式(19)化简为;
式中,N′BDS-N′GPS即为观测方程式(22)的整周模糊度参数,此时的整周模糊度N′BDS-N′GPS的解算与传统的基线模糊度解算方法相同;
步骤4:在BDS北斗***B1频率和GPS***L1频率载波相位观测值混频星间差分整周模糊度N′BDS-N′GPS确定之后,利用公式(14)或公式(22)计算测站位置参数,然后通过测站位置参数利用公式(3)、公式(4),计算BDS北斗***B1频率载波相位模糊度和GPS***L1频率载波相位模糊度的初始整数解,其中公式(3)、公式(4)的接收机钟差,通过公式(12)或公式(20)计算得到。即利用确定的整周模糊度进行模糊度初始整数解的迭代计算,确定最终的整周模糊度,再利用星间差分的BDS北斗***B1频率和GPS***L1频率载波相位观测值φ和模糊度N确定用户北斗/GPS接收机到卫星距离。实现BDS北斗***B1与GPS***L1载波相位星间差分组合方法和接收机的位置计算。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,仅是举例说明,可以对这些实施方式做出多种变更或修改,而不背离本发明的原理和实质。
Claims (6)
1.一种BDS+GPS双***高精度定位双频RTK方法,其特征在于:首先利用外部基准参考站提供BDS北斗卫星频率、GPS卫星频率两种频率下非误差改正数消除BDS北斗和GPS各自载波相位测量值中的卫星轨道误差、对流层延迟误差和电离层延迟误差;
再对BDS北斗***和GPS***的各自载波相位测量值作差,消除同一台卫星接收机对不同卫星载波相位测量值中接收机误差,并BDS北斗***频率和GPS***频率载波相位测量值的星间差分模糊度的整数特性,进而确认BDS北斗卫星***载波和GPS***载波相位星间差分测量值的的整周模糊度;
最后利用该测量值,确认BDS北斗***与GPS***卫星到卫星接收机之间的距离。
2.如权利要求1所述BDS+GPS双***高精度定位双频RTK方法,其特征在于:所述的消除同一台卫星接收机对不同卫星B1、L1频率载波相位测量值中的接收机误差,方法是使BDS北斗卫星***B1频率的载波相位模糊度参数和GPS卫星***L1频率的载波相位模糊度参数合并为一个模糊度参数,使用以下两种方法任何一种都可以:
(1)BDS北斗卫星***中一颗卫星的B1频率载波相位模糊度初始整数解的整数改正量、GPS卫星***中的一颗卫星的L1频率载波相位模糊度初始整数解的整数改正量通过星间差分形成一个模糊度参数,再改以BDS北斗卫星***的B1频率载波相位模糊度波长为系数,转化成星间差分模糊度,公式为:
式中,λBDS是BDS北斗***B1频率载波相位的波长;NBDS是BDS北斗卫星***B1频率载波相位测量值的整周模糊度;λGPS是GPS卫星***L1频率载波相位的波长,NGPS是GPS卫星***L1频率载波相位测量值的整周模糊度;为GPS***L1频率载波相位模糊度的初始整数解,为BDS***B1频率载波相位模糊度的初始整数解,N′BDS为北斗***B1频率载波相位整周模糊度的整数改正量,N′GPS为GPS***L1频率载波相位模糊度的整数改正量,B1、L1频率载波相位模糊度的整数改正量的大小与模糊度的整数初值有关;式(1)中,为BDS***B1频率载波相位与GPS***L1频率载波相位星间差分的模糊度参数,
(2)BDS北斗***一颗卫星的B1频率载波相位模糊度初始整数解的整数改正量和GPS卫星***一颗卫星的L1频率载波相位模糊度初始整数解的整数改正量,通过星间差分之后组合成一个模糊度,并以GPS卫星***的L1频率载波相位模糊度波长为系数,形成星间差分模糊度,公式如下:
3.根据权利要求2所述的BDS北斗卫星***B1频率与GPS卫星***L1频率载波相位RTK方法,其特征在于:对于(1)中所确定的星间差分模糊度恢复其整数特性的方法为:BDS北斗卫星***B1和GPS卫星***L1载波相位的波长不同,求取波长比,公式为:
式中,N′BDS和N′GPS都为未知的整周数,即N′BDS-N′GPS为BDS北斗卫星***B1频率载波相位与GPS卫星***L1频率载波相位星间差分后的模糊度参数,(1-A)·N′GPS是星间差分模糊度参数N′BDS-N′GPS的残余误差项,则有:
式中φBDS是BDS北斗卫星***B1频率载波相位测量值,下标BDS表示BDS北斗***;φGPS是GPS卫星***L1频率载波相位测量值,下标GPS表示GPS卫星***;CORBDS是外部基准参考站提供的BDS北斗***B1频率载波相位的非误差改正值;CORGPS是GPS卫星***L1频率载波相位的非误差改正值;ρBDS是BDS北斗卫星***到接收机的几何距离;ρGPS是GPS卫星到接收机的几何距离;
确定GPS卫星***L1频率载波相位模糊度整数初值,使得残余误差项(1-A)·N′GPS批消除,恢复模糊度参数N′BDS-N′GPS的整数特性。
4.根据权利要求2所述的BDS北斗卫星***B1频率与GPS卫星***L1频率载波相位RTK方法,其特征在于:对于(2)中所述的所确认的星间差分模糊度恢复其整数特性的方法为:BDS北斗卫星***B1频率和GPS卫星***L1频率载波相位的波长不同,求取波长比,公式为:
式中B表示BDS北斗卫星***的B1频率载波相位波长和GPS卫星***L1频率载波相位波长比,且有B∈(1,2);
(B-1)·N′BDS为整周未知数N′BDS-N′GPS的残余误差项,则有:
确认BDS北斗卫星***B1频率载波相位模糊度的整数初值,使得残余误差项(B-1)·N′BDS消除,恢复模糊度参数N′BDS-N′GPS-的整数特性。
5.根据权利要求3所述的BDS北斗卫星***B1频率与GPS卫星***L1频率载波相位RTK方法,其特征在于:所述的确认GPS卫星***L1频率载波相位模糊度的整数初值,方法为:对于目前的GPS卫星***,在残余误差项(1-A)·N′GPS取值的绝对值小于0.5时:
若利用GPS卫星***L1频率的伪距测量值计算L1频率载波相位模糊度整数初值,则GPS卫星***L1频率载波相位模糊度初值的偏差应小于55周;
对于目前的GPS卫星***,在残余误差项(1-A)·N′GPS取值绝对值小于0.25时,GPS卫星***L1频率载波相位模糊度初值偏差应小于27周。
6.根据权利要求4所述的BDS北斗卫星***B1频率与GPS卫星***L1频率载波相位RTK方法,其特征在于:所述的确认BDS北斗卫星***B1频率载波相位模糊度的整数初值,方法为:
利用BDS北斗卫星***B1频率伪距测量值计算BDS北斗卫星***B1频率载波相位模糊度的整数初值,初值应满足的最低要求是:
对于目前的BDS北斗卫星***,在残余误差项(B-1)·N′BDS取值的绝对值小于0.5时:
若利用BDS北斗卫星***B1频率的伪距测量值计算B1频率载波相位模糊度的整数初值,则BDS北斗卫星***B1频率载波相位的模糊度初值的偏差应小于54周;
对于目前的BDS北斗卫星***,在残余误差项(B-1)·N′BDS取值的绝对值小于0.25时,BDS北斗卫星***B1频率载波相位模糊度初值的偏差应小于27周。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116299615A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-06-23 | 长安大学 | 一种实现单北斗实时ppp模糊固定的相位偏差估计方法 |
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- 2020-07-06 CN CN202010633370.4A patent/CN111830545A/zh active Pending
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CN116299615A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-06-23 | 长安大学 | 一种实现单北斗实时ppp模糊固定的相位偏差估计方法 |
CN116299615B (zh) * | 2022-12-15 | 2023-11-03 | 长安大学 | 一种实现单北斗实时ppp模糊固定的相位偏差估计方法 |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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