CN112987058A - 一种利用地表气象站增强短距离大高差rtk定位的方法 - Google Patents

一种利用地表气象站增强短距离大高差rtk定位的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法。它包括如下步骤，步骤一：在短距离大高差环境，布设多个地表气象观测站；步骤二：汇集区域内所有的地表气象观测站的地表气象观测值，进行对流层延迟建模，建立各气象参数高程归算模型；步骤三：计算基准站和流动站处的对流层延迟；步骤四：计算双差对流层延迟；步骤五：将计算得到的双差对流层延迟代入RTK观测方程，进而进行RTK定位。本发明克服了现有技术在短距离大高差环境下，由于对流层延迟差异过大，导致二次差分以后、残余对流层延迟较大的缺点；具有对流层延迟的表达精确，RTK垂直方向定位精度高的优点。

Description

一种利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法
技术领域
本发明涉及GNSS定位、RTK定位、短距离大高差环境下RTK定位技术领域，更具体地说它是一种利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法。
背景技术
常规RTK定位（RTK（Real - time kinematic，实时动态）载波相位差分技术）一般假定基准站与流动站之间的误差相似，通过差分可以削弱和消除大部分误差；但是在短距离大高差环境下，由于对流层延迟差异过大，导致二次差分以后，残余对流层延迟仍然较大；由于常规RTK通常采用基于标准气象参数的对流层延迟模型（如Hopfield模型或Saastamoinen模型），对对流层延迟的表达不够精确，导致RTK垂直方向定位精度较差，甚至无法固定；
因此，开发一种对流层延迟的表达精确、提高RTK垂直方向定位精度的短距离大高差RTK定位方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法，对流层延迟的表达精确，RTK垂直方向定位精度高。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：在短距离大高差环境下，布设多个地表气象观测站；
步骤二：汇集区域内所有的地表气象观测站的地表气象观测值，进行对流层延迟建模，建立各气象参数高程归算模型；
步骤三：计算基准站和流动站处的对流层延迟；
步骤四：计算双差对流层延迟；
步骤五：将计算得到的双差对流层延迟代入RTK观测方程，进而进行RTK定位；RTK载波相位和伪距观测方程如下：
Figure 908802DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 227919DEST_PATH_IMAGE002
（2）
上式（1）和式（2）中：
Figure 240875DEST_PATH_IMAGE003
代表双差算子；
Figure 857801DEST_PATH_IMAGE004
代表载波波长；
Figure 554493DEST_PATH_IMAGE005
代表不同测站间的 经过双差之后的载波相位观测值；
Figure 700303DEST_PATH_IMAGE006
代表经过双差以后的整周模糊度；
Figure 731713DEST_PATH_IMAGE007
代表双差 电离层延迟；
Figure 886751DEST_PATH_IMAGE008
代表双差对流层延迟；
Figure 435019DEST_PATH_IMAGE009
是双差伪距观测值；
Figure 17311DEST_PATH_IMAGE010
表示双差星站距； 其中，
Figure 270437DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 963587DEST_PATH_IMAGE012
利用基准站和流动站观测值双差计算得到。
在上述技术方案中，在不同高度均匀布设地表气象观测站。
在上述技术方案中，对流层延迟模型的计算采取气温、气压和水汽压垂直递减归算模型，气温、气压和水汽压垂直递减归算模型如下所示：
Figure 634871DEST_PATH_IMAGE013
（3）
Figure 388063DEST_PATH_IMAGE014
（4）
Figure 128486DEST_PATH_IMAGE015
（5）
Figure 625326DEST_PATH_IMAGE016
（6）
上式（3）、式（4）、式（5）、式（6）中：
Figure 151117DEST_PATH_IMAGE017
代表测站处的温度，单位为K；
Figure 75210DEST_PATH_IMAGE018
=293.15K；
Figure 240613DEST_PATH_IMAGE019
代表测站处高程；
Figure 400198DEST_PATH_IMAGE020
代表测站处的气压，单位为mbar；
Figure 905129DEST_PATH_IMAGE021
=1013.25mbar；
Figure 875490DEST_PATH_IMAGE022
代表测站处的水 汽压，单位为Pa；
Figure 465872DEST_PATH_IMAGE023
代表水汽压垂直递减率；
Figure 429148DEST_PATH_IMAGE024
，为重力加速度常数；
Figure 788586DEST_PATH_IMAGE025
为一 般气体常数；
Figure 926918DEST_PATH_IMAGE026
代表温度递减率；
Figure 299869DEST_PATH_IMAGE027
代表比湿度，单位为
Figure 817569DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 562671DEST_PATH_IMAGE029
是海平面处水汽压，单位 为Pa；
分别将各地表气象观测值代入上式，求取待求参数，建立各气象参数高程归算模型。
在上述技术方案中，在步骤三中，利用Saastamoinen模型和AN模型及步骤二建立的各气象参数高程归算模型，通过流动站概略位置和基准站概略位置获得其所在处气象元素后，将气象元素代入上述两模型的计算公式后分别计算基准站和流动站处的对流层延迟。
在上述技术方案中，在步骤四中，利用步骤三计算得到的基准站的对流层延迟和流动站的对流层延迟结合卫星星历，通过卫星坐标、流动站坐标、基准站坐标计算卫星分别与基准站和流动站之间的高度角；选择不同参考卫星，在参考卫星和接收机之间计算双差对流层延迟。
本发明具有如下优点：
（1）本发明所述方法通过在地表建立气象观测站对测区进行气象观测，通过地表气象站建立的高程归算模型计算以后，可以精确表达对流层延迟，RTK定位精度高（本发明能够达到水平精度2cm，高程精度3cm）；解决现有技术在大高差环境下对对流层延迟难以精确表达的问题，克服了现有的RTK不配备气象观测，无法改正较大高差引起的对流层延迟；且短距离大高差环境下，该现有的RTK定位将失效的难题；
（2）本发明所述方法只需要建设地表气象观测站即可计算短距离大高差环境下的流动站处的对流层延迟，成本低廉，建设简便；克服了现有技术在短距离大高差环境下，需通过建立大量GNSS基准站的方式估计对流层延迟，进而计算流动站处的对流层延迟，但GNSS基准站的成本高昂，建设困难的问题。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本方法提出在短距离大高差RTK测区范围内布设多个地表气象观测站，对气温、气压和水汽压进行实时观测，进而建立基于实测气象观测的高精度对流层延迟模型，对对流层延迟进行更精确的表达，且将其应用到RTK定位的对流层延迟改正中，解决残余对流层延迟误差较大导致的垂直方向定位不准的难题。
本发明使用地表气象站，通过地表气象站获取的气象元素与常规的RTK定位方法相结合（采用常规RTK技术，小范围内只需要1-2个基站），达到增强短基线大高差基准站RTK定位结果的目的，能精确对对流层延迟进行表达，RTK定位精度高，建设成本低，建设简便；相较于现有技术，本发明使得常规RTK定位技术能够在大高差情况下满足实际定位应用需求。
参阅附图可知：一种利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法，包括如下步骤，
步骤一：在短距离大高差环境下，利用现有选址布设多个地表气象观测站；
步骤二：汇集区域内所有的地表气象观测站的地表气象观测值，进行对流层延迟建模，建立各气象参数高程归算模型；
步骤三：计算基准站和流动站处的对流层延迟；
步骤四：计算双差对流层延迟；
步骤五：将计算得到的双差对流层延迟代入RTK观测方程，进而进行RTK定位；RTK载波相位和伪距观测方程如下：
Figure 327365DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 767704DEST_PATH_IMAGE002
（2）
上式（1）和式（2）中：
Figure 744888DEST_PATH_IMAGE003
代表双差算子；
Figure 672392DEST_PATH_IMAGE004
代表载波波长；
Figure 280091DEST_PATH_IMAGE005
代表不同测站间的 经过双差之后的载波相位观测值；
Figure 863519DEST_PATH_IMAGE006
代表经过双差以后的整周模糊度；
Figure 723022DEST_PATH_IMAGE007
代表双差 电离层延迟（短基线情况下该误差可以忽略）；
Figure 177137DEST_PATH_IMAGE008
代表双差对流层延迟；
Figure 80371DEST_PATH_IMAGE009
是双差伪 距观测值；
Figure 695636DEST_PATH_IMAGE010
表示双差星站距；其中，
Figure 14621DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 464189DEST_PATH_IMAGE012
利用基准站和流动站观测值双差计算 得到；
本发明利用气象观测建模并用于短距离大高差RTK定位，对流层延迟的表达精确，RTK垂直方向定位精度高。
进一步地，为监测各个高程的气象条件，应在不同高度均匀布设地表气象观测站；
地表气象观测站的气象观测值（气温、气压、水汽压）可实时传输。
进一步地，对流层延迟模型的计算采取气温、气压和水汽压垂直递减归算模型，气温、气压和水汽压垂直递减归算模型如下所示：
Figure 741586DEST_PATH_IMAGE013
（3）
Figure 768448DEST_PATH_IMAGE014
（4）
Figure 704174DEST_PATH_IMAGE015
（5）
Figure 929619DEST_PATH_IMAGE016
（6）
上式（3）、式（4）、式（5）、式（6）中：
Figure 50022DEST_PATH_IMAGE017
代表测站处的温度，单位为K；
Figure 423234DEST_PATH_IMAGE018
=293.15K；
Figure 287285DEST_PATH_IMAGE019
代表测站处高程；
Figure 445865DEST_PATH_IMAGE020
代表测站处的气压，单位为mbar；
Figure 65065DEST_PATH_IMAGE021
=1013.25mbar；
Figure 142218DEST_PATH_IMAGE022
代表测站处的水 汽压，单位为Pa；
Figure 403435DEST_PATH_IMAGE023
代表水汽压垂直递减率；
Figure 541156DEST_PATH_IMAGE024
，为重力加速度常数；
Figure 800099DEST_PATH_IMAGE025
为一 般气体常数；
Figure 898636DEST_PATH_IMAGE026
代表温度递减率；
Figure 370068DEST_PATH_IMAGE027
代表比湿度，单位为
Figure 486929DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 120036DEST_PATH_IMAGE029
是海平面处水汽压，单位 为Pa；
分别将各地表气象观测值分别带入上述式（3）、式（4）、式（5）、式（6）中，求取待求参数，建立各气象参数高程归算模型。
进一步地，在步骤三中，利用Saastamoinen模型和AN模型及步骤二建立的各气象参数高程归算模型，通过流动站概略位置和基准站概略位置获得其（即，流动站和基准站）所在处气象元素后，将（流动站和基准站处的）气象元素代入上述两模型（即，Saastamoinen模型和AN模型）的计算公式后分别计算基准站和流动站处的对流层延迟。
进一步地，在步骤四中，利用步骤三计算得到的基准站的对流层延迟（即基准站处的静力学延迟和湿延迟）和流动站的对流层延迟（即流动站处的静力学延迟和湿延迟）结合卫星星历，通过卫星坐标、流动站坐标、基准站坐标计算卫星分别与基准站和流动站之间的高度角；选择不同参考卫星，在参考卫星和接收机之间计算双差对流层延迟。此处并非考虑卫星影响，而是常规RTK解算中，需选择一颗参考卫星计算双差观测方程中的量。
所述短距离大高差环境是指水平距离小于或等于5km，高差大于或等于600m的环境。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
Figure 440290DEST_PATH_IMAGE030
由上表可知，本发明所述的利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法与现有技术相比，适用于短距离大高差环境下RTK定位，能精确对流层延迟的表达，RTK定位精度高，建设成本低，建设简便。
实施例
现通过本发明应用于增强某高山峡谷短基线大高差地区基准站RTK定位结果为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于增强其他短基线大高差情况下RTK定位效果同样具有指导作用。
本实施例中，某高山峡谷短基线大高差地区基准站水平距离为5km，高差为600m。
本实施例利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位，具体方法如下，
步骤一：在短距离大高差环境下，利用现有选址、在不同高度均匀布设多个地表气象观测站（即地面气象站），监测各个高程的气象条件；
步骤二：汇集某高山峡谷短基线大高差地区区域内所有的地表气象观测站的地表气象观测值，进行对流层延迟建模；地表气象观测站的气象观测值（气温、气压、水汽压）可实时传输；
其中，对流层延迟模型的计算采取气温、气压和水汽压垂直递减归算模型，气温、气压和水汽压垂直递减归算模型如下所示：
Figure 449834DEST_PATH_IMAGE013
（3）
Figure 421201DEST_PATH_IMAGE014
（4）
Figure 490788DEST_PATH_IMAGE015
（5）
Figure 219710DEST_PATH_IMAGE016
（6）
上式（3）、式（4）、式（5）、式（6）中：
Figure 111573DEST_PATH_IMAGE017
代表测站处的温度，单位为K；
Figure 937447DEST_PATH_IMAGE018
=293.15K；
Figure 177935DEST_PATH_IMAGE019
代表测站处高程；
Figure 394153DEST_PATH_IMAGE020
代表测站处的气压，单位为mbar；
Figure 617937DEST_PATH_IMAGE021
=1013.25mbar；
Figure 439262DEST_PATH_IMAGE022
代表测站处的水 汽压，单位为Pa；
Figure 975286DEST_PATH_IMAGE023
代表水汽压垂直递减率；
Figure 616483DEST_PATH_IMAGE024
，为重力加速度常数；
Figure 646887DEST_PATH_IMAGE025
为一 般气体常数；
Figure 322719DEST_PATH_IMAGE026
代表温度递减率；
Figure 29643DEST_PATH_IMAGE027
代表比湿度，单位为
Figure 423716DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 913603DEST_PATH_IMAGE029
是海平面处水汽压，单位 为Pa；
分别将各地表气象观测值分别带入上述式（3）、式（4）、式（5）、式（6）中，求取待求参数，建立各气象参数高程归算模型；其中，建立气象参数高程归算模的方法为现有技术；
步骤三：利用Saastamoinen模型、AN模型、步骤二建立的各气象参数高程归算模型、流动站概略位置、基准站概略位置，获得基准站和流动站所在处气象元素；再将基准站和流动站所在处气象元素代入Saastamoinen模型、AN模型的计算公式，计算基准站处的静力学延迟和湿延迟、以及流动站处的静力学延迟和湿延迟；其中，基准站和流动站处的静力学延迟和湿延迟的计算方法为现有技术；Saastamoinen模型和AN模型均为现有技术；概略位置表示精度不是很高的位置；
步骤四：利用步骤三计算得到的基准站处的静力学延迟和湿延迟和流动站处的静力学延迟和湿延迟结合卫星星历，通过卫星坐标、流动站坐标、基准站坐标计算卫星分别与基准站和流动站之间的高度角；选择不同参考卫星，在参考卫星和接收机之间计算双差对流层延迟；其中，双差对流层延迟的计算方法为现有技术；
步骤五：将计算得到的双差对流层延迟代入RTK观测方程，进而进行RTK定位；RTK载波相位和伪距观测方程如下：
Figure 584887DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 72500DEST_PATH_IMAGE002
（2）
上式（1）和式（2）中：
Figure 78502DEST_PATH_IMAGE003
代表双差算子；
Figure 575342DEST_PATH_IMAGE004
代表载波波长；
Figure 101133DEST_PATH_IMAGE005
代表不同测站间的 经过双差之后的载波相位观测值；
Figure 25226DEST_PATH_IMAGE006
代表经过双差以后的整周模糊度；
Figure 252945DEST_PATH_IMAGE007
代表双差 电离层延迟（短基线情况下该误差可以忽略）；
Figure 22318DEST_PATH_IMAGE008
代表双差对流层延迟；
Figure 930844DEST_PATH_IMAGE009
是双差伪 距观测值；
Figure 760260DEST_PATH_IMAGE010
表示双差星站距；其中，
Figure 475275DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 313918DEST_PATH_IMAGE012
利用基准站和流动站观测值双差计算 得到；（利用基准站和流动站观测值双差计算得到
Figure 814300DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 80197DEST_PATH_IMAGE012
的方法为现有技术）；上式 （1）中，“˙”表示乘以。
本实施例经过本发明所述地表气象站增强以后，某高山峡谷短基线大高差地区下，短基线大高差RTK高程精度从大部分时刻3cm以上、可以稳定提升到3cm以内，水平精度稳定在1cm以内。
结论：本实施例实现了利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位结果，实现了该短距离大高差环境下更加可靠的RTK定位。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (5)

1.一种利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：在短距离大高差环境下，布设多个地表气象观测站；
步骤二：汇集区域内所有的地表气象观测站的地表气象观测值，进行对流层延迟建模，建立各气象参数高程归算模型；
步骤三：计算基准站和流动站处的对流层延迟；
步骤四：计算双差对流层延迟；
步骤五：将计算得到的双差对流层延迟代入RTK观测方程，进而进行RTK定位；RTK载波相位和伪距观测方程如下：
Figure 8922DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 463037DEST_PATH_IMAGE002
（2）
上式（1）和式（2）中：
Figure 366271DEST_PATH_IMAGE003
代表双差算子；
Figure 250045DEST_PATH_IMAGE004
代表载波波长；
Figure 772293DEST_PATH_IMAGE005
代表不同测站间的经过 双差之后的载波相位观测值；
Figure 205548DEST_PATH_IMAGE006
代表经过双差以后的整周模糊度；
Figure 155050DEST_PATH_IMAGE007
代表双差电离 层延迟；
Figure 526119DEST_PATH_IMAGE008
代表双差对流层延迟；
Figure 852058DEST_PATH_IMAGE009
是双差伪距观测值；
Figure 139820DEST_PATH_IMAGE010
表示双差星站距；其 中，
Figure 260223DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 571119DEST_PATH_IMAGE012
利用基准站和流动站观测值双差计算得到。
2.根据权利要求1所述的利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法，其特征在于：在不同高度均匀布设地表气象观测站。
3.根据权利要求2所述的利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法，其特征在于：对流层延迟模型的计算采取气温、气压和水汽压垂直递减归算模型，气温、气压和水汽压垂直递减归算模型如下所示：
Figure 307606DEST_PATH_IMAGE013
（3）
Figure 121978DEST_PATH_IMAGE014
（4）
Figure 554228DEST_PATH_IMAGE015
（5）
Figure 290103DEST_PATH_IMAGE016
（6）
上式（3）、式（4）、式（5）、式（6）中：
Figure 816899DEST_PATH_IMAGE017
代表测站处的温度，单位为K；
Figure 954619DEST_PATH_IMAGE018
=293.15K；
Figure 479141DEST_PATH_IMAGE019
代表 测站处高程；
Figure 312099DEST_PATH_IMAGE020
代表测站处的气压，单位为mbar；
Figure 783532DEST_PATH_IMAGE021
=1013.25mbar；
Figure 900392DEST_PATH_IMAGE022
代表测站处的水汽 压，单位为Pa；
Figure 533499DEST_PATH_IMAGE023
代表水汽压垂直递减率；
Figure 853753DEST_PATH_IMAGE024
，为重力加速度常数；
Figure 456773DEST_PATH_IMAGE025
为一般 气体常数；
Figure 113626DEST_PATH_IMAGE026
代表温度递减率；
Figure 307847DEST_PATH_IMAGE027
代表比湿度，单位为
Figure 240031DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 928632DEST_PATH_IMAGE029
是海平面处水汽压，单位为 Pa；
分别将各地表气象观测值，代入上式，求取待求参数，建立各气象参数高程归算模型。
4.根据权利要求3所述的利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法，其特征在于：在步骤三中，利用Saastamoinen模型和AN模型及建立的各气象参数高程归算模型，通过流动站概略位置和基准站概略位置获得其所在处气象元素后，将气象元素代入上述两模型的计算公式后分别计算基准站和流动站处的对流层延迟。
5.根据权利要求4所述的利用地表气象站增强短距离大高差RTK定位的方法，其特征在于：在步骤四中，利用计算得到的基准站的对流层延迟和流动站的对流层延迟结合卫星星历，通过卫星坐标、流动站坐标、基准站坐标计算卫星分别与基准站和流动站之间的高度角；选择不同参考卫星，在参考卫星和接收机之间计算双差对流层延迟。
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