一种北斗卫星导航系统用户统一性定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星定位系统和定位测量技术领域，具体涉及一种北斗卫星导航系统 用户统一性定位方法。
【背景技术】
[0002] 北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System)是中国正在实施的 自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。目前，北斗卫星导航系统已经正式向亚太地区提 供无源定位、导航、授时服务。北斗区域卫星导航系统伪距测量精度为33cm，载波测量精度 为2mm，精密定轨径向精度优于10cm。北斗系统伪距单点定位水平精度优于6m，高程精度优 于10m。北斗系统实时动态伪距差分定位精度达到2m至4m。北斗系统静态精密单点定位 精度达到厘米级，北斗系统基线相对定位精度达到毫米级，北斗系统动态RTK定位精度达 到 5cm 至 10cm。
[0003] 为了满足北斗系统高精度实时动态定位的需求，北斗系统高精度实时动态定位方 法得到了重视。目前，北斗系统载波相位实时差分高精度定位和北斗系统精密单点定位是 比较重要的北斗系统高精度实时动态定位手段。北斗系统载波相位实时差分高精度定位通 过对观测值进行双差分消除接收机钟差、卫星钟差等公共误差以及削弱卫星轨道、对流层 延迟、电离层延迟等距离强相关的误差的影响，实现厘米级到毫米级定位的目的。这种双差 差分定位方法虽然具有解算模型简单、未知参数少、双差模糊度具有整数特性、定位精度高 等优势，但双差差分组合方法带来了测站与卫星间的相关性，并且北斗系统载波相位实时 差分高精度定位方法实施过程中卫星轨道、对流层延迟和电离层延迟等误差与距离具有强 相关性，所以，定位精度与参考站间距离密切相关，这不仅增加了作业的成本和复杂度，而 且在很多应用场合也受到一定的限制。此外，组成一个双差观测值需要使用四个非差观测 值，只要丢失了一个非差观测值，其他三个观测值就无法使用，数据利用率较低。
[0004] 北斗系统精密单点定位的出现为进行大范围高精度的动态定位提供了新的解决 方法，北斗系统精密单点定位是利用除系统运行方之外的第三方组织发布的或自己解算得 到的精密卫星轨道与精密卫星钟差产品，综合考虑各项误差模型的精确改正，对单台北斗 系统接收机采集的测码伪距和载波相位观测值进行非差定位解算，进而获得高精度的定位 结果。北斗系统精密单点定位无需用户自己架设地面基准站，不受作业距离的限制，机动灵 活，单机作业，使用成本低，可用观测信息比较多，各测站的观测值不相关，可直接获得与国 际地球参考框架一致的高精度测站坐标。北斗系统精密单点定位通常采用模糊度实数解， 观测方程中需要解算的参数较多，受伪距噪声和大气延迟误差的影响较大，其定位收敛时 间偏长，此外，观测误差不能采用差分方法进行消除或削弱，必须利用完善的误差改正模型 对观测值加以改正，必须要有高精度的第三方卫星轨道和卫星钟差产品，还需要估计天顶 对流层延迟误差等参数。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺点，本发明提出了一种北斗卫星导航系统用户统一性定位方 法，利用北斗系统的测码伪距和载波相位观测数据，建立一种基于非差的用户统一性观测 模型，以达到实现北斗系统定位算法的数学模型的统一、避免由于定位模式不同导致的观 测模型差异的目的。
[0006] 一种北斗卫星导航系统用户统一性定位方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1、北斗卫星导航系统用户接收机接收到来自北斗系统卫星的观测数据，根据 接收的测码伪距观测值和载波相位观测值，构建测码伪距观测值与卫星到北斗系统接收机 的几何距离、卫星轨道误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星钟差和北斗系统接收 机钟差的观测关系，构建载波相位观测值与波长、模糊度、卫星到北斗系统接收机的几何距 离、卫星轨道误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星钟差和北斗系统接收机钟差的 观测关系；
[0008] 步骤2、根据卫星轨道误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差和卫星钟差获得误 差总和项；
[0009] 步骤3、将获得的误差总和项分别代入至步骤1所述的观测关系中，获得受误差总 和项约束的北斗系统测码伪距观测关系和北斗系统载波相位观测关系；
[0010] 步骤4、根据北斗系统用户的需求，采用多频线性组合的方式将步骤3中受误差总 和项约束的北斗系统测码伪距观测关系和北斗系统载波相位观测关系分别表示成北斗系 统测码伪距组合观测关系和北斗系统载波相位组合观测关系，再采用GE0卫星、IGS0卫星 和ME0卫星表示北斗系统测码伪距组合观测关系和北斗系统载波相位组合观测关系的矩 阵形式，并进一步将北斗系统测码伪距组合观测值和载波相位组合观测值代入北斗系统测 码伪距组合关系矩阵和北斗系统载波相位组合关系矩阵中，得到待估参数的系数矩阵、待 估参数矩阵、已知参数矩阵和观测值矩阵的线性关系，即获得北斗系统用户测码伪距和载 波相位的统一性误差观测方程矩阵形式；
[0011] 步骤5、将外界服务系统提供的误差信息代入误差总和项中，消除矩阵中对应的误 差；
[0012] 步骤6、利用多历元北斗系统观测数据进行参数估计求解误差观测方程矩阵中的 未知参数，所述的未知参数包括北斗系统用户位置参数、北斗系统接收机钟差参数、模糊度 参数及天顶对流层延迟参数，最终获得北斗系统用户的准确位置坐标。
[0013] 步骤1所述的构建北斗系统测码伪距观测值与卫星到北斗系统接收机的几何距 离、卫星轨道误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星钟差和北斗系统接收机钟差的 观测关系，具体公式如下：
[0014]
(1)
[0015] 其中，S表示北斗系统卫星；R表示北斗系统用户接收机；j表示北斗系统的频率的 频点，j = 1，2, 3 表示接收机R对卫星S第j个频点的码序列进行测量产生的测码伪 距观测值，单位为米；表示卫星S到接收机R的几何距离，单位为米； < 表示卫星轨道误 差，单位为米；4表示电离层延迟误差，单位为米；r/表示对流层延迟误差，单位为米；c表 示真空中的光速；ts表示北斗系统卫星钟差，单位为秒；t K表示北斗系统接收机钟差，单位 为秒；
[0016] 所述的构建北斗系统载波相位观测值与波长、模糊度、卫星到北斗系统接收机的 几何距离、卫星轨道误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星钟差和北斗系统接收机 钟差的观测关系，具体公式如下：
[0017]
⑵
[0018] 其中，入j表示北斗系统第j个频点的波长；（表示接收机R对卫星S第j个频 点的载波相位进行测量产生的载波相位观测值，单位为周；<表示对卫星S第j个频点的 模糊度，单位为周。
[0019] 步骤4所述的北斗系统测码伪距组合观测关系和北斗系统载波相位组合观测关 系的矩阵形式，具体公式如下：
[0020]
(3)
[0021] 其中，com表示北斗系统用户测码伪距和载波相位组合观测值的类型，ofcff表 示北斗系统GE0卫星的测码伪距和载波相位组合观测值的矩阵形式，o&sff7表示北斗系统 IGS0卫星的测码伪距和载波相位组合观测值的矩阵形式，表示北斗系统ME0卫星的 测码伪距和载波相位组合观测值的矩阵形式，表示北斗系统GE0卫星到北斗系统用户 接收机的几何距离的矩阵形式，表示北斗系统IGS0卫星到北斗系统用户接收机的几 何距离的矩阵形式，表示北斗系统ME0卫星到北斗系统用户接收机的几何距离的矩阵 形式，表示北斗系统GE0卫星组合观测值受到的误差总和，包括卫星轨道误差、卫星钟 com 差、北斗系统接收机钟差、模糊度、电离层延迟误差和对流层延迟误差的矩阵形式，Sff5表 示北斗系统IGS0卫星组合观测值受到的误差总和，包括卫星轨道误差、卫星钟差、北斗系 统接收机钟差、模糊度、电离层延迟误差和对流层延迟误差的矩阵形式，式表示北斗系 统ME0卫星组合观测值受到的误差总和，包括卫星轨道误差、卫星钟差、北斗系统接收机钟 差、模糊度、电离层延迟误差和对流层延迟误差的矩阵形式；表示北斗系统GE0卫星 的误差总和项矩阵形式，Cff表示北斗系统IGS0卫星的误差总和项矩阵形式，Cff表示 北斗系统ME0卫星的误差总和项矩阵形式，表示北斗系统GE0卫星的单位矩阵形式， 五表示北斗系统IGS0卫星的单位矩阵形式，五：：^表示北斗系统ME0卫星的单位矩阵形 式；上述矩阵行维数由北斗系统卫星的个数、北斗系统组合观测值类型个数和北斗系统观 测数据类型个数确定，即将上述三个个数相乘获得矩阵行维数。
[0022] 步骤4所述的进一步获得北斗系统用户测码伪距和载波相位的统一性误差观测 方程矩阵形式，具体公式如下：
[0023]
(4)
[0024] 其中，HGE°表示北斗系统GEO卫星的待估参数系数矩阵，H IGS°表示北斗系统IGS0卫 星的待估参数系数矩阵，HME°表示北斗系统ME0卫星的待估参数系数矩阵，1 GE°表示北斗系 统GE0卫星的常数项矩阵，1IGS°表示北斗系统IGS0卫星的常数项矩阵，1^表示北斗系统 ME0卫星的常数项矩阵，V BDS表示北斗系统G