一种星基地基融合定位方法、设备、介质、产品与流程

1.本发明涉及空间大地测量技术领域，尤其涉及一种星基地基融合定位方法、设备、介质、产品。


背景技术：

2.星基增强系统(satellite-based augmentation system，sbas)一般是指利用地面基准站网和ppp非差定位技术估计精密卫星轨道误差、精密卫星钟差、相位小数偏差、区域大气延迟误差等状态空间表征的误差改正数(ssr，state space representation)，并通过卫星将其播发给终端用户，终端用户使用改正数和ppp/ppp-ar/ppp-rtk技术实现高精度定位效果。非差定位模型如下：
[0003][0004]
其中，p1、p2为伪距观测量，l1、l2为相位观测量，ρ为接收机r天线相位中心到卫星s之间的几何距离，c为真空中的光速，dtr、dts分别为接收机和卫星钟差，t为对流层延迟，i1为频率f1上的电离层延迟，γ为载波频率的平方之比上的电离层延迟，γ为载波频率的平方之比和为接收机和卫星伪距硬件延迟，和为接收机和卫星相位硬件延迟，λi为载波li的波长，ni为载波li上的整周模糊度，和分别为伪距和载波观测量的观测噪声。
[0005]
地基增强系统(ground-based augmentation system)一般是指利用地面基准站网组成的delauny三角网，使用双差定位模型解算若干三角网中的基线，估计双差对流层延迟和双差电离层延迟，并构建虚拟参考站观测值(osr，observation space representation)，最终通过网络将虚拟观测值播发给终端用户，使用rtk技术实现高精度定位，即网络rtk。双差定位模型如下：
[0006][0007]
其中，为双差伪距观测量，为相位观测量，为接收机r天线相位中心到卫星s之间的双差几何距离，双差对流层延迟，为频率f1上的双差电离层延迟，为载波li上的双差整周模糊度，和分别为双差伪距和载波观测量的观测噪声。
[0008]
两种增强系统其中一个区别在于：星基增强系统是以基准站为解算单元，使用非差定位模型进行解算；地基增强系统是以基准站delauny三角网构建的基线为解算单元，使用双差定位模型进行解算。因此，当某个或某几个基准站掉线时，地基增强系统将使用剩余基准站构建新的delauny三角网。发生重组网的区域内出现的新增基线，其解算需等待滤波收敛，即初始化。一般基线双差解算从开始至完全收敛需3～5分钟，这将导致在这一过程中，该区域地基增强服务不稳定甚至无法提供高精度定位服务。因此，在无法避免基准站掉线、触发重组网机制的情况下，如何加快地基增强系统基线解算收敛速度、缩短系统初始化时间至关重要。
[0009]
图1、图2为地基增强系统hkst站点掉线后，delauny三角网重组示意图。从图中可见，由于新增基线hkkt-hkss、hkss-hksc、hksc-hkks解算成功需要一定的初始化时间，导致初始化过程中hkst周边区域地基增强服务不稳定，需等待基线解算收敛后，才能提供高精度定位服务。


技术实现要素：

[0010]
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种星基地基融合定位方法，解决了gnss(全球导航卫星系统)地基增强系统在某个或某几个基准站掉线后，由于基准站网重组，重组网区域在区域内所有的新增基线完成解算初始化前(平均需要3～5分钟)无法提供稳定的高精度定位服务，导致该区域内地基增强服务不稳定、服务中断的问题。
[0011]
本发明提供一种星基地基融合定位方法，包括以下步骤：
[0012]
数据准备，服务器接收基准站网中各个基站的实时观测数据、广播星历以及基准站已知的精确坐标；
[0013]
星基增强系统精密产品计算，星基增强系统基于基准站数据、广播星历和基准站精确坐标，解算生成精密卫星轨道产品、精密卫星钟差产品和相位小数偏差产品；
[0014]
基于星基增强服务的ppp非差解算，使用ppp非差模型，基于基准站网实时观测数据、广播星历、已知精确坐标、精密轨道改正数、精密钟差改正数、相位小数偏差产品，对每个基准站做ppp浮点解解算；
[0015]
单差消电离层模糊度固定解提取，使用模糊度正确固定的单差窄巷模糊度和单差宽巷模糊度，恢复单差消电离层模糊度固定解；
[0016]
天顶对流层湿延迟提取，使用单差消电离层模糊度作为虚拟观测量进行滤波更新，得到天顶对流层湿延迟固定解；
[0017]
星基增强系统高精度参数入库，将基于星基增强系统和ppp-ar技术提取的天顶对流层湿延迟固定解和各卫星对星间单差消电离层延迟固定解存入数据库中；
[0018]
附有参数约束的地基增强系统双差基线解算，使用基于星基增强系统提取得到天顶对流层湿延迟和正确固定的单差消电离层模糊度固定解作为附加参数，对地基增强系统双差观测模型中的待求参数进行约束；
[0019]
随机模型自适应，在地基增强系统发生delauny三角网重组时，对于新增基线初始化解算，通过调整随机模型，对单差天顶对流层湿延迟和双差消电离层模糊度做紧约束，在基线解算初始化完成后，调整随机模型，对单差天顶对流层湿延迟和双差消电离层模糊度做宽松约束；
[0020]
虚拟观测值生成及播发，地基增强系统在基线完成初始化后，使用基线双差对流层延迟和离层延迟进行区域建模，构造虚拟观测值并播发给用户，提供高精度网络rtk定位服务。
[0021]
进一步地，所述基于星基增强服务的ppp非差解算步骤中，观测模型函数为：
[0022][0023]
其中，p3和l3分别为伪距和相位消电离层组合观测量，分别为消电离层伪距和相位硬件延迟，mf
dry
和mf
wet
分别为对流层干延迟和湿延迟映射函数，zhd为对流层天顶干延迟，zwd为对流层天顶湿延迟，λ3为消电离层组合观测量波长，n3为消电离层组合模糊度。
[0024]
进一步地，所述单差消电离层模糊度固定解提取步骤包括：
[0025]
构造星间单差消电离层模糊度浮点解
[0026][0027]
其中，为卫星s的非差消电离层模糊度，为参考星非差消电离层模糊度；
[0028]
提取单差宽巷模糊度固定解，构造mw组合观测量：
[0029][0030]
其中，l1、l2为相位观测量，f1、f2为频率，λ
wl
为载波l
wl
的波长，p1、p2为伪距观测量；
[0031]
构造单差宽巷模糊度浮点解：
[0032][0033]
其中，为卫星s的非差宽巷模糊度，为参考星非差宽巷模糊度；
[0034]
多历元平滑后取整，提取单差宽巷模糊度固定解：
[0035]
提取单差窄巷模糊度固定解，提取单差窄巷模糊度浮点解：
[0036][0037]
其中，c为真空中的光速；
[0038]
使用lambda部分模糊度搜索算法，搜索并提取出正确固定的单差窄项模糊度固定解：
[0039]
提取单差消电离层模糊度固定解，使用模糊度正确固定的单差窄巷模糊度和单差宽巷模糊度，恢复单差消电离层模糊度固定解：
[0040][0041]
进一步地，所述天顶对流层湿延迟提取步骤中，构造单差消电离层模糊度虚拟观测量：
[0042][0043]
使用单差消电离层模糊度作为虚拟观测量进行滤波更新，得到天顶对流层湿延迟固定解：
[0044]
进一步地，所述附有参数约束的地基增强系统双差基线解算步骤中，构造双差消电离层组合基线解算观测模型：
[0045][0046]
其中，为基线上站点b与卫星s视线方向上对流层湿延迟映射函数，为基线上站点a与参考星视线方向上对流层湿延迟映射函数，δzwd为单差天顶对流层湿延迟，为双差消电离层模糊度，ρ为接收机r天线相位中心到卫星s之间的几何距离，对流层干延迟已通过模型进行改正；
[0047]
使用基于星基增强系统提取得到的天顶对流层湿延迟固定解和各卫星对星间单差消电离层延迟模糊度固定解，构造虚拟观测量：
[0048][0049]
其中，为单差消电离层模糊度，为天顶对流层湿延迟；
[0050]
其随机模型为：
[0051][0052]
增加虚拟观测量之后，最终附有参数约束的双差消电离层组合观测方程表示为：
[0053][0054]
随机模型为：
[0055][0056]
进一步地，所述随机模型自适应步骤中，通过调整随机模型型q
′
，对单差天顶对流层湿延迟和双差消电离层模糊度做紧约束。
[0057]
进一步地，所述随机模型自适应步骤中，调整随机模型为μq
′
，其中μ为方差膨胀系数，对单差天顶对流层湿延迟和双差消电离层模糊度做宽松约束。
[0058]
一种电子设备，包括：处理器；
[0059]
存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行一种星基地基融合定位方法。
[0060]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行一种星基地基融合定位方法。
[0061]
一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行
时实现一种星基地基融合定位方法。
[0062]
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0063]
本发明提供一种星基地基融合定位方法，将星基增强系统估计的参数作为先验信息应用于地基增强系统中，达到辅助地基增强系统重组网区域快速初始化，迅速恢复高精度定位服务的目的。
[0064]
本发明对星基增强系统和地基增强系统服务端算法进行融合和互补，借助星基增强系统以基准站为解算单元，使用非差定位模型，不受delauny三角网重组影响的特点，解决了地基增强系统由于基准站网重组，重组网区域新增基线双差解算初始化速度慢，导致在初始化过程中地基增强服务不稳定甚至无法提供高精度定位服务的问题。从而增强地基增强系统服务的稳定性、连续性。并且在终端设备不具备星基增强系统ppp-rtk技术的情况下，也能保持高精度网络rtk定位功能，降低对终端定位设备的功能要求。
[0065]
本发明可实现地基增强系统基准站delauny三角网重组后，新增基线快速初始化，提升地基增强系统系统性能，保证服务的连续性、稳定性。本发明采用对服务端星基和地基增强系统算法融合，利用星基增强系统不受重组网影响的优势，使用ppp非差技术提取的高精度参数约束地基增强系统基线解算模型，达到基线解算快速初始化的目的。即使地基增强系统触发重组网，终端设备不支持星基增强服务作为备用的情况下，仍能快速恢复高精度定位。本发明是在服务端层面对星基地基算法进行融合，不同于现有技术中，通过在终端设备同时配备支持地基增强服务的网络rtk解算引擎和支持星基增强服务的ppp/ppp-ar/ppp-rtk解算引擎，在终端层面实现星基地基融合的方法。
[0066]
本发明提出的附有参数约束的基线解算算法，具有模型强度高、基线双差模糊度收敛、固定快的优点。基线解算初始化时间长主要是由于待估参数为n颗卫星的双差模糊度，待估参数多，n个双差模糊度滤波收敛到较精确的数值，需要耗费一定时间。本发明使用基于星基增强系统提取的高精度对流层参数和模糊度参数，构造虚拟观测量，对基线解算模型进行紧约束，增加模型强度，能够加速其收敛。而现有技术中，未对对流层参数和模糊度参数作约束，模糊度正确收敛并固定需耗费较长时间。
[0067]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
[0068]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0069]
图1为本发明背景技术的delauny三角网示意图；
[0070]
图2为本发明背景技术的delauny三角网重组示意图；
[0071]
图3为本发明实施例的星基地基融合定位系统架构图；
[0072]
图4为本发明的星基地基融合定位方法流程图一；
[0073]
图5为本发明的星基地基融合定位方法流程图二。
具体实施方式
[0074]
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
[0075]
一种星基地基融合定位方法，如图3-图5所示，包括以下步骤：
[0076]
数据准备，服务器接收基准站网中各个基站的实时观测数据、广播星历以及基准站已知的精确坐标；
[0077]
星基增强系统精密产品计算，星基增强系统基于基准站数据、广播星历和基准站精确坐标，解算生成精密卫星轨道产品、精密卫星钟差产品和相位小数偏差产品；
[0078]
基于星基增强服务的ppp非差解算，使用ppp非差模型，基于基准站网实时观测数据、广播星历、已知精确坐标、精密轨道改正数、精密钟差改正数、相位小数偏差产品，对每个基准站做ppp浮点解解算，观测模型函数为：
[0079][0080]
其中，p3和l3分别为伪距和相位消电离层组合观测量，分别为消电离层伪距和相位硬件延迟，mf
dry
和mf
wet
分别为对流层干延迟和湿延迟映射函数，zhd为对流层天顶干延迟，zwd为对流层天顶湿延迟，λ3为消电离层组合观测量波长，n3为消电离层组合模糊度。
[0081]
单差消电离层模糊度固定解提取，使用模糊度正确固定的单差窄巷模糊度和单差宽巷模糊度，恢复单差消电离层模糊度固定解；具体地，包括：
[0082]
构造星间单差消电离层模糊度浮点解
[0083][0084]
其中，为卫星s的非差消电离层模糊度，为参考星非差消电离层模糊度；
[0085]
提取单差宽巷模糊度固定解，构造mw组合观测量：
[0086][0087]
其中，l1、l2为相位观测量，f1、f2为频率，λ
wl
为载波l
wl
的波长，p1、p2为伪距观测量；
[0088]
构造单差宽巷模糊度浮点解：
[0089][0090]
其中，为卫星s的非差宽巷模糊度，为参考星非差宽巷模糊度；
[0091]
多历元平滑后取整，提取单差宽巷模糊度固定解：
[0092]
提取单差窄巷模糊度固定解，提取单差窄巷模糊度浮点解：
[0093][0094]
其中，c为真空中的光速；
[0095]
使用lambda部分模糊度搜索算法，搜索并提取出正确固定的单差窄项模糊度固定解：
[0096]
提取单差消电离层模糊度固定解，使用模糊度正确固定的单差窄巷模糊度和单差宽巷模糊度，恢复单差消电离层模糊度固定解：
[0097][0098]
天顶对流层湿延迟提取，构造单差消电离层模糊度虚拟观测量：
[0099][0100]
使用单差消电离层模糊度作为虚拟观测量进行滤波更新，得到天顶对流层湿延迟固定解：
[0101]
星基增强系统高精度参数入库，将基于星基增强系统和ppp-ar技术提取的天顶对流层湿延迟固定解和各卫星对星间单差消电离层延迟固定解存入数据库中；
[0102]
附有参数约束的地基增强系统双差基线解算，使用基于星基增强系统提取得到天顶对流层湿延迟和正确固定的单差消电离层模糊度固定解作为附加参数，对地基增强系统双差观测模型中的待求参数：单差天顶对流层湿延迟和双差消电离层模糊度进行约束，增强了观测模型强度，加快基线解算滤波收敛速度，实现快速初始化的目的。具体地，包括：
[0103]
构造双差消电离层组合基线解算观测模型：
[0104][0105]
其中，为基线上站点b与卫星s视线方向上对流层湿延迟映射函数，为基线上站点a与参考星视线方向上对流层湿延迟映射函数，δzwd为单差天顶对流层湿延迟，为双差消电离层模糊度，ρ为接收机r天线相位中心到卫星s之间的几何距离，对流层干延迟已通过模型进行改正；
[0106]
使用基于星基增强系统提取得到的天顶对流层湿延迟固定解和各卫星对星间单差消电离层延迟模糊度固定解，构造虚拟观测量：
[0107]
[0108]
其中，为单差消电离层模糊度，为天顶对流层湿延迟；
[0109]
其随机模型为：
[0110][0111]
增加虚拟观测量之后，最终附有参数约束的双差消电离层组合观测方程表示为：
[0112][0113]
随机模型为：
[0114][0115]
随机模型自适应，在地基增强系统发生delauny三角网重组时，对于新增基线初始化解算，通过调整随机模型型q
′
，对单差天顶对流层湿延迟和双差消电离层模糊度做紧约束，以达到快速初始化的目的；在基线解算初始化完成后，调整随机模型μq
′
，其中μ为方差膨胀系数，对单差天顶对流层湿延迟和双差消电离层模糊度做宽松约束，降低星基增强系统与地基增强系统估计参数的相关性。
[0116]
虚拟观测值生成及播发，地基增强系统在基线完成初始化后，使用基线双差对流层延迟和离层延迟进行区域建模，构造虚拟观测值并播发给用户，提供高精度网络rtk定位服务。
[0117]
现有的星基地基融合方法主要侧重于在终端设备上对二者进行融合，即终端设备需具备支持地基增强系统的rtk算法引擎，还需具备支持星基增强系统的ppp/ppp-ar/ppp-rtk算法引擎。当地基增强系统无法提高网络rtk定位时，使用星基增强系统ppp/ppp-ar/ppp-rtk技术进行高精度定位。因此，现有方案对终端设备的功能具有较高要求，需要终端同时支持两种算法引擎才可实现，否则，也无法避免由于地基增强系统触发重组网，解算初始化导致的服务不稳定、不连续的问题。
[0118]
本发明提出了一种在服务端对星基和地基增强系统融合的方法，利用星基增强系统以基准站为解算单元，使用ppp非差定位技术进行解算的特性，可不受基准站delauny三角网重组的影响，一直连续滤波解算，并将提取得到的高精度估计参数作为先验信息来辅助地基增强系统重组网后出现的新增基线解算快速收敛、初始化。避免由于地基增强系统基准站网重组，重组网区域服务端基线解算完成初始化需要较长时间，导致服务长时间不稳定、不连续的问题。
[0119]
与现有方案相比，本发明侧重于对星基和地基服务端算法进行融合，从服务端算法层面解决地基增强系统由于基线解算初始化慢导致的服务不稳定不连续的问题，终端无需切换服务，在仅使用地基增强服务的情况下，仍能保持连续、高精度定位。
[0120]
本发明提出了附有对流层参数、模糊度参数约束的双差基线解算算法函数模型。使用星基增强系统ppp非差定位技术估计、提取得到的对流层天顶延迟、单差消电离层模糊度参数作为先验信息，作为附加参数约束地基增强系统基线解算模型。由于基线解算模型待估参数个数不变，为1个单差对流层天顶湿延迟参数和n颗卫星的双差模糊度参数，增加
单差对流层天顶延迟和m个双差模糊度的虚拟观测量，即增强了观测方程模型强度，能够加快基线解算的收敛速度，即使基准站网触发重组网，也能快速恢复高精度网络rtk定位服务。
[0121]
与本发明相比，现有的双差模糊度解算快速解算算法：电离层加权的双频双差模糊度解算算法、三步法、三频超宽项法均未对对流层参数、模糊度参数进行约束，仍需要较长的(3～5分钟)基线初始化时间。
[0122]
一种电子设备，包括：处理器；
[0123]
存储器；以及程序，其中程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行一种星基地基融合定位方法。
[0124]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行一种星基地基融合定位方法。
[0125]
一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现一种星基地基融合定位方法。
[0126]
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。