一种实时北斗精密相对定位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星定位领域，特别涉及一种实时北斗精密相对定位的方法。
【背景技术】
[0002] 实时北斗精密相对定位技术是一种利用北斗高精度载波相位观测值的实时动态 差分定位技术，常被称为RTK(Real-TimeKinematic)技术，在车辆导航、飞机盲降和驾校 自动监考等领域有广泛的应用前景。在进行RTK工作时，基准站需将自己的载波相位观 测值等信息通过数据通讯设备实时播发给周围工作的移动站。移动站利用自己的北斗 卫星导航测量数据和接收到的基准站测量数据，进行载波相位差分相对定位，实现移动 站实时精密定位，定位精度为厘米量级。目前已有的用于实时卫星精密相对定位方法主 要有同步载波相位差分相对定位法（参见[l]StephenJ.Comstock.DevelopmentofA Low-Latency,HighDataRate,DifferentialGPSRelativePositioningSystemforUAV FormationFlightControl.Dissertation,AirForceInstituteofTechnology,2006.
[2] 程伟。基于DSP的GPS动态载波相位差分技术研宄，西北工业大学，2006.)，这种典型的 方法难以有效解决以下问题：基准站数据链路通信时延；移动站位置输出更新率有限。
【发明内容】
[0003] 本发明针对北斗实时精密定位技术中存在的移动站动态定位实时性难以提高的 问题，提出了非同步载波相位差分相对定位方法。该方法利用基准站低更新率播发的历史 时刻卫星导航测量数据和移动站当前时刻的卫星导航测量数据，进行时间异步站间载波相 位差分相对定位，解决了基准站差分测量数据播发通信时延问题，可实现移动站高更新率 实时精密相对定位，并且避免了同步载波相位差分定位技术中的数据同步过程。该方法同 样适用于GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统）精密动态相对 定位。
[0004] 具体技术方案为：
[0005] 一种实时北斗精密相对定位的方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤一，整周模糊度参数初始化：利用基准站和移动站的同步北斗观测数据初始 化载波相位整周模糊度参数；
[0007] 步骤二，周跳探测：对站星间的非同步双差载波相位进行周跳探测，对发生周跳的 卫星进行标记；
[0008] 步骤三，伪距单点定位：利用基准站、移动站的北斗伪距观测信息，分别进行基准 站和移动站伪距单点定位，获得基准站和移动站的绝对位置，获得基准站测量时的北斗卫 星信号发送时刻的卫星坐标及钟差和移动站测量时的北斗卫星信号发送时刻的卫星坐标 及钟差；
[0009] 步骤四，基准站与移动站的观测历元差判断：计算基准站的观测历元与移动站的 观测历元之差，如果差值大于15s，则返回步骤一，否则进入步骤五；
[0010] 步骤五，周跳修复：采用附加模糊度参数方法修复发生周跳的卫星的整周模糊度， 即利用未发生周跳的卫星的整周模糊度计算发生周跳的卫星的整周模糊度；
[0011] 步骤六，求解基准站与移动站的相对位置：利用基准站和移动站的非差非同步载 波相位观测数据和卫星坐标以及钟差，建立非同步载波相位双差相对定位观测方程，计算 基准站与移动站的相对位置。
[0012] 进一步地，所述步骤六中建立非同步载波相位双差相对定位观测方程，计算基准 站与移动站的相对位置，具体过程为：
[0013] (S1)建立载波相位双差观测方程组：利用基准站和移动站的非差载波相位观测 值及广播星历信息，建立双差载波相位相对定位观测方程；设基准站A在观测时刻h，测得 i号卫星的非差载波相位观测值为和j号卫星的非差载波相位观测值为?；移 动站B在观测时刻，测得i号卫星的非差载波相位观测值为〇〗（卩）和j号卫星的非差载 波相位观测值为(纟）；i，j为整数。
[0014] 定义：
【主权项】
1. 一种实时北斗精密相对定位的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一，整周模糊度参数初始化：利用基准站和移动站的同步北斗观测数据初始化载 波相位整周模糊度参数； 步骤二，周跳探测：对站星间的非同步双差载波相位进行周跳探测，对发生周跳的卫星 进行标记； 步骤三，伪距单点定位：利用基准站、移动站的北斗伪距观测信息，分别进行基准站和 移动站伪距单点定位，获得基准站和移动站的绝对位置，获得基准站测量时的北斗卫星信 号发送时刻的卫星坐标及钟差和移动站测量时的北斗卫星信号发送时刻的卫星坐标及钟 差； 步骤四，基准站与移动站的观测历元差判断：计算基准站的观测历元与移动站的观测 历元之差，如果差值大于15s，则返回步骤一，否则进入步骤五； 步骤五，周跳修复：采用附加模糊度参数方法修复发生周跳的卫星的整周模糊度，即利 用未发生周跳的卫星的整周模糊度计算发生周跳的卫星的整周模糊度； 步骤六，求解基准站与移动站的相对位置：利用基准站和移动站的非差非同步载波相 位观测数据和卫星坐标以及钟差，建立非同步载波相位双差相对定位观测方程，计算基准 站与移动站的相对位置。
2. 如权利要求1所述的一种实时北斗精密相对定位的方法，其特征在于，所述步骤六 中建立非同步载波相位双差相对定位观测方程，计算基准站与移动站的相对位置，具体过 程为： (Si)建立载波相位双差观测方程组：利用基准站和移动站的非差载波相位观测值及 广播星历信息，建立双差载波相位相对定位观测方程；设基准站A在观测时刻h，测得i号 卫星的非差载波相位观测值为1 Φ〗(~)和j号卫星的非差载波相位观测值为Φ?(〇 ;移动 站B在观测时刻h，测得i号卫星的非差载波相位观测值为￠:,(6)和j号卫星的非差载波 相位观测值为; i，j为整数； 定义：
其中，上标i和j代表卫星号，i号卫星为参考星，下标A和B代表基准站和移动站；T 代表卫星信号发送时刻，如C :表示在观测时刻t(l时，对应i号卫星的信号发送时刻，单位 为秒； 则非同步载波相位双差观测方稈为：
其中，为不同时刻的双差载波相位观测值，单位为米；pMga)为不同时 刻的双差几何距离，单位为米；<(1卩）为不同时刻的双差整周模糊度，单位为周；λ为 某个频点的对应波长，单位为米；为不同时刻的双差卫星钟差，单位为秒；C为 光速，单位为米/秒；为不同时刻的双差噪声，单位为米； 式（1)中，基站与移动站的相对位置参数隐含于双差几何距离量PMc1)中，其具体 为表达式为：
式（2)中，riT/；)和为j号卫星在信号发送时刻TJPTtl的三维位置坐标，单 位为米；^ 和K的):为i号卫星在信号发送时刻T# T ^的三维位置坐标，单位为米； I. I I表示卫星到测站之间的几何距离，单位为米；rJO为基准站在观测时刻h的三维位 置坐标^bU1)为移动站在观测时刻^的三维位置坐标，单位为米； 设基准站和移动站共同观测了 m颗卫星，则有建立（m-1)个双差载波相位观测方程：
式中，k表示卫星号，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m为整数； (S2)相对定位观测方程组线性化：根据泰勒展开原理，对非线性相对定位观测方程组 进行线性化； 在式（2)中，卫星的坐标以实时播发的广播星历参数计算；在基准站位置线性泰勒展 开至一阶项，式（2)变为
其中，u代表单位矢量，:表示移动站B到j号卫星的单位矢量；表示移动站B到i 号卫星的单位矢量；AT表示j号卫星的双差几何距离泰勒展开的零阶项；1?为基准站到移 动站的基线矢量； 将式（4)代入式（3)，则线性化的观测方程组为：
式中，k表示卫星号，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m为整数； 式（5)中，卫星钟差双差&'??(7；,,7;)根据实时广播星历参数计算； (S3)线性观测方程组求解：根据最小二乘估计，即可求得基准站到移动站的基线矢 量； 记：
式中，k表示卫星号，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m为整数； 根据最小二乘估计原理，求解式（5)，得到： rAB= (QtQ)-1QtY (7) rAB即可确定基准站与移动站之间的相对位置。
【专利摘要】本发明属于卫星定位领域，特别涉及一种实时北斗精密相对定位的方法，具体步骤为：步骤一，整周模糊度初参数始化；步骤二，周跳探测；步骤三，伪距单点定位；步骤四，基准站与移动站的观测历元差判断：计算基准站的观测历元与移动站的观测历元之差，如果差值大于15s，则返回步骤一，否则进入步骤五；步骤五，周跳修复，利用未发生周跳的卫星的整周模糊度计算发生周跳的卫星的整周模糊度；步骤六，求解基准站与移动站的相对位置。本发明提高移动站动态定位的实时更新率和降低移动站定位结果的输出延迟；基准站数据以较低频率采样和播发，降低了对数据通信链路实时性和可靠性的要求，还减少了无线通信设备和链路的成本。
【IPC分类】G01S19-41, G01S19-51, G01S19-44
【公开号】CN104536027
【申请号】CN201510043928
【发明人】张良, 吴杰, 吕汉峰, 王鼎杰
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月28日
【公告号】CN104536027B