一种低仰角对流层误差修正方法、系统、设备及介质

1.本发明涉及卫星定位数据处理技术领域，具体涉及一种低仰角对流层误差修正方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.卫星信号为电磁波信号，由卫星端发出，穿过地球表面的大气层被接收机获取，其中大气层中主要影响信号传播的有电离层和对流层。大气延迟是卫星定位中的主要误差，是影响gps定位精度的主要因素之一。如果不能有效地消除或削弱大气延迟，最终的定位偏差将达到上百米。
3.gps定位过程中，无线电信号经过中性大气层时会发生对流层延迟，在天顶方向，对流层延迟量约为2.4m，当仰角较低时，其误差可达20m。由于对流层延迟与信号频率无关，因此无法像电离层延迟一样采用多频组合观测值进行消除，需要建立相应的对流层延迟修正模型。在测站高程不变的情况下，卫星仰角越低，对流层传播延迟和弯曲延迟会逐渐增大，在观测数据中会存在一个较大的延迟误差。经研究表明，卫星仰角在接近0
°
时，对流层弯曲延迟约为0.2m，对流层传播延迟将达到25m以上。对流层传播路径上的斜延迟很难直接获取，因此一般将对流层斜延迟投影到天顶对流层延迟，天顶对流层延迟的精度则影响着定位的精度。目前，常用的天顶方向对流层改正模型有saastamoinen模型和hopfield模型，但单独使用这两种模型中的任一个以修正天顶对流层延迟，最终的定位精度都不是很高。
4.gps非差相位精密单点定位是利用gps卫星精密星历及由一定方法确定的精密卫星钟差，以单台双频gps接收机采集的非差相位数据作为主要观测值来进行单点定位计算，其精度可达分米级甚至厘米级。对于gps非差相位精密单点定位，许多误差(如接收机钟差、卫星钟差、对流层延迟、电离层延迟)不能直接去掉，只能通过模型和设未知数进行消除，因此，采用好的随机模型对估算对流层天顶延迟非常关键。卫星仰角与多路径效应和噪声密切相关，传统的随机模型有sine模型、sine平方型，这类模型认为信号在低仰角方向的噪声比较大，天顶方向的噪声比较小，但忽略了信号在低仰角时包含的信息多，而随机模型遗漏的信息都会影响天顶延迟的结果和精度。
5.北斗卫星导航系统偏差(简称系统偏差)具有随仰角呈非线性变化的特性，对非线性模型的拟合主要采用多项式拟合，采用多项式拟合非线性模型的方法大致为：首先选择多项式基函数，然后利用最小二乘法计算多项式系数，最后通过单个多项式对系统偏差进行拟合。然而，在大量数据的情况下，使用单个多项式对系统偏差进行拟合的精度较低，且不同仰角下观测数据的质量不同(如低仰角卫星受到的多路径效应以及观测噪声的影响较大)，更是降低了采用单个多项式对系统偏差进行拟合的精度。
6.实际上，北斗卫星导航系统定位过程中，系统偏差占主要部分，系统偏差包括多路径效应、电离层影响、对流层影响等，这些误差对于不同测站、不同观测方向上的卫星来说都是不等的，因此每颗卫星的测量精度也不同。然而，利用现有的非线性模型进行拟合，以修复系统偏差过程中，对所有的观测数据都是等权看待的，导致在进行最小二乘法拟合时，
模型对接收机位置的定位精度会降低。
7.目前，我国正在全力建设北斗卫星导航系统，但卫星数量有限，且存在地形因素导致接收机受遮挡严重，以及由于地区原因观测到的北斗卫星大多为低仰角卫星，在这种情况下，低仰角北斗卫星定位成为了一大热点，因此，如何更有效地利用低仰角卫星并在某种程度上缓和低仰角下延迟误差大的问题，以提高对接收机位置的定位精度，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题为：现有的利用非线性模型进行拟合，以修正北斗卫星导航系统偏差过程中，对所有的观测数据都是等权看待的，导致模型对接收机位置的定位精度低。为解决该技术问题，本发明提供了一种低仰角对流层误差修正方法、系统、设备及介质。
9.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
10.一种低仰角对流层误差修正方法，包括：
11.步骤s1：获取针对两个频点的第一原始观测数据，所述第一原始观测数据包括多个卫星位置和两个所述频点中每个所述频点在各个卫星仰角对应的第二原始观测数据，所述第二原始观测数据包括每个所述频点在各个历元的伪距观测值、载波相位观测值和卫星时钟误差，所述两个频点包括频点a和频点b，每个所述卫星位置各自对应一个卫星仰角，所述卫星仰角表征卫星与接收机所在处的地平线之间的夹角；
12.步骤s2：根据所述第二原始观测数据，确定电离层伪距组合观测值和电离层载波相位组合观测值；根据所述电离层伪距组合观测值、电离层载波相位组合观测值和预先构建的宽巷组合观测方程，确定所述第一原始观测数据中产生周跳的目标历元，更新所述目标历元对应的载波相位观测值，得到目标观测数据；
13.步骤s3：根据所述目标观测数据，确定无电离层伪距组合观测值和无电离层载波相位组合观测值；根据所述无电离层伪距组合观测值和所述无电离层载波相位组合观测值，确定无电离层组合观测方程；
14.步骤s4：根据所述卫星位置和预先构建的对流层改正模型，确定对流层延迟误差；
15.步骤s5：根据所述无电离层组合观测方程和所述对流层延迟误差，更新所述目标观测数据中每个所述频点在各个历元的载波相位观测值，得到每个所述频点在各个历元对应的调整后的载波相位观测值；
16.步骤s6：根据每个所述频点在各个历元对应的调整后的载波相位观测值，构建每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程；
17.步骤s7：根据各个所述卫星仰角，对各个所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程进行定权，得到多个目标载波相位观测方程；
18.步骤s8：根据各个所述目标载波相位观测方程，确定接收机位置。
19.采用本发明的有益效果是：通过先探测第一观测数据中产生周跳的目标历元，更新目标历元对应的载波相位观测值，以得到一个准确的载波相位观测值，然后通过确定无电离层组合观测方程和对流层延迟误差，以消除目标观测数据中各个载波相位观测值包含的电离层延迟误差和对流层延迟误差，得到精度高的载波相位观测值，再根据精度高的载
波相位观测值构建初始载波相位观测方程，并根据各个精度高的载波相位观测值对应的卫星仰角，对各个精度高的载波相位观测值对应的初始载波相位观测方程赋予权重，得到目标载波观测方程，从而解算接收机位置，解决了现有的利用非线性模型进行拟合，以修正北斗卫星导航系统偏差过程中，对所有的观测数据等权看待，导致模型对接收机位置的定位精度低的问题，通过对各个卫星仰角下目标观测数据中的载波相位观测值赋予权重，以修正系统偏差，从而提高了对接收机的定位精度。
20.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
21.进一步，所述根据各个所述卫星仰角，对各个所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程进行定权，具体包括：
22.对于各个所述卫星仰角中的每个所述卫星仰角，若所述卫星仰角大于预设的分界角度，确定所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元的初始载波相位观测方程的权重为设定值；
23.若所述卫星仰角不大于所述分界角度，根据所述卫星仰角，确定所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元的初始载波相位观测方程的权重。
24.采用上述进一步方案的有益效果是：通过对各个卫星仰角下初始载波相位观测方程赋予权重，根据各个赋予了权重的目标载波相位观测方程以修正系统偏差，解算接收机位置，避免了对所有的观测数据等权看待，从而提高了对接收机定位精度。
25.进一步，所述步骤s2中，根据所述第二原始观测数据，确定电离层伪距组合观测值和电离层载波相位组合观测值，具体包括：
26.根据各个所述频点的伪距观测值和各个所述频点对应的频率值，确定电离层伪距组合观测值；
27.根据各个所述频点的载波相位观测值和各个所述频点对应的频率值，确定电离层载波相位组合观测值。
28.采用上述进一步方案的有益效果是：通过确定电离层伪距组合观测值和电离层载波相位组合观测值，再基于电离层伪距组合观测值和电离层载波相位组合观测值探测和修复第一原始观测数据中产生周跳的目标历元，并对目标历元对应的载波相位观测值进行修复，从而得到一个准确的载波相位观测值，为后续解算接收机位置，提高接收机位置精度奠定了基础。
29.进一步，所述步骤s3中，根据所述目标观测数据，确定无电离层伪距组合观测值和无电离层载波相位组合观测值，具体包括：
30.根据所述目标观测数据，通过第一公式，确定所述无电离层伪距组合观测值和所述无电离层载波相位组合观测值，其中，所述第一公式为：
[0031][0032][0033]
其中，p
if
表示无电离层伪距组合观测值，φ
if
表示无电离层载波相位组合观测值，f1、f2分别表示所述频点a、所述频点b对应的频率值，p1、p2分别表示所述频点a、所述频点b
的伪距观测值，ρ表示卫星信号发射时刻与接收机的真实几何距离，c表示真空中的光速，dtr表示接收机时钟误差，表示卫星时钟误差，t表示信号在大气传播中的对流层延迟误差，φ1、φ2分别表示所述频点a、所述频点b的载波相位观测值，λ
if
表示组合波长，n
if
表示组合模糊度，表示伪距包括的硬件延迟误差和伪距噪声，表示载波相位包括的硬件延迟误差和相位噪声。
[0034]
采用上述进一步方案的有益效果是：通过确定无电离层伪距组合观测值和无电离层载波相位组合观测值，以确定无电离层组合观测方程，从而消除了电离层延迟误差，提高了接收机定位精度。
[0035]
进一步，所述对流层延迟误差是通过以下方式确定的：
[0036]
选取卫星截止角，根据所述卫星截止角对应的卫星位置，通过saastamoinen模型计算天顶延迟量；
[0037]
通过映射函数将所述天顶延迟量投影至实际传播路径，得到对流层延迟误差，所述实际传播路径表征卫星天线与接收机之间的信号传播路径。
[0038]
采用上述进一步方案的有益效果是：通过确定对流层延迟误差，便于修正对流层误差，提高接收机位置的定位精度。
[0039]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种低仰角对流层误差修正系统，包括：
[0040]
数据获取模块，用于获取针对两个频点的第一原始观测数据，所述第一原始观测数据包括多个卫星位置和两个所述频点中每个所述频点在各个卫星仰角对应的第二原始观测数据，所述第二原始观测数据包括每个所述频点在各个历元的伪距观测值、载波相位观测值和卫星时钟误差，所述两个频点包括频点a和频点b，每个所述卫星位置各自对应一个卫星仰角，所述卫星仰角表征卫星与接收机所在处的地平线之间的夹角；
[0041]
第一数据处理模块，用于根据所述第二原始观测数据，确定电离层伪距组合观测值和电离层载波相位组合观测值；根据所述电离层伪距组合观测值、电离层载波相位组合观测值和预先构建的宽巷组合观测方程，确定所述第一原始观测数据中产生周跳的目标历元，更新所述目标历元对应的载波相位观测值，得到目标观测数据；
[0042]
第二数据处理模块，用于根据所述目标观测数据，确定无电离层伪距组合观测值和无电离层载波相位组合观测值；根据所述无电离层伪距组合观测值和所述无电离层载波相位组合观测值，确定无电离层组合观测方程；
[0043]
第三数据处理模块，用于根据所述卫星位置和预先构建的对流层改正模型，确定对流层延迟误差；
[0044]
第四数据处理模块，根据所述无电离层组合观测方程和所述对流层延迟误差，更新所述目标观测数据中每个所述频点在各个历元的载波相位观测值，得到每个所述频点在各个历元对应的调整后的载波相位观测值；
[0045]
第五数据处理模块，用于根据每个所述频点在各个历元对应的调整后的载波相位观测值，构建每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程；
[0046]
第六数据处理模块，用于根据各个所述卫星仰角，对各个所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程进行定权，得到多个目标载波相位观测方程；
[0047]
解算定位模块，用于根据各个所述目标载波相位观测方程，确定接收机位置。
[0048]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的低仰角对流层误差修正方法。
[0049]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的低仰角对流层误差修正方法。
附图说明
[0050]
图1为本发明的方法流程示意图；
[0051]
图2为本发明的系统结构示意图；
[0052]
图3为本发明的电子设备结构示意图。
具体实施方式
[0053]
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0054]
实施例一
[0055]
为解决现有技术存在的技术问题，本实施例提供了一种低仰角对流层误差修正方法，如图1所示，包括：
[0056]
步骤s1：获取针对两个频点的第一原始观测数据，所述第一原始观测数据包括多个卫星位置和两个所述频点中每个所述频点在各个卫星仰角对应的第二原始观测数据，所述第二原始观测数据包括每个所述频点在各个历元的伪距观测值、载波相位观测值和卫星时钟误差，所述两个频点包括频点a和频点b，每个所述卫星位置各自对应一个卫星仰角，所述卫星仰角表征卫星与接收机所在处的地平线之间的夹角。
[0057]
步骤s2：根据所述第二原始观测数据，确定电离层伪距组合观测值和电离层载波相位组合观测值；根据所述电离层伪距组合观测值、电离层载波相位组合观测值和预先构建的宽巷组合观测方程，确定所述第一原始观测数据中产生周跳的目标历元，更新所述目标历元对应的载波相位观测值，得到目标观测数据。
[0058]
其中，所述步骤s2中，根据所述第二原始观测数据，确定电离层伪距组合观测值和电离层载波相位组合观测值，具体包括：
[0059]
根据各个所述频点的伪距观测值和各个所述频点对应的频率值，确定电离层伪距组合观测值，所述电离层伪距组合观测值为：
[0060][0061]
其中，p
iono
表示电离层伪距组合观测值，i
p1
表示p1码上电离层延迟；
[0062]
根据各个所述频点的载波相位观测值和各个所述频点对应的频率值，确定电离层载波相位组合观测值。
[0063]
所述预先构建的宽巷组合观测方程为：
[0064][0065]
其中，nw表示宽巷组合模糊度，表示宽巷组合观测值，λw表示组合波长。
[0066]
步骤s3：根据所述目标观测数据，确定无电离层伪距组合观测值和无电离层载波相位组合观测值；根据所述无电离层伪距组合观测值和所述无电离层载波相位组合观测值，确定无电离层组合观测方程。
[0067]
其中，所述步骤s3中，根据所述目标观测数据，确定无电离层伪距组合观测值和无电离层载波相位组合观测值，具体包括：
[0068]
根据所述目标观测数据，通过第一公式，确定所述无电离层伪距组合观测值和所述无电离层载波相位组合观测值，其中，所述第一公式为：
[0069][0070][0071]
其中，φ
if
表示无电离层伪距组合观测值，φ
if
表示无电离层载波相位组合观测值，f1、f2分别表示所述频点a、所述频点b对应的频率值，p1、p2分别表示所述频点a、所述频点b的伪距观测值，ρ表示卫星信号发射时刻与接收机的真实几何距离，c表示真空中的光速，表示接收机时钟误差，表示卫星时钟误差，t表示信号在大气传播中的对流层延迟误差，φ1、φ2分别表示所述频点a、所述频点b的载波相位观测值，λ
if
表示组合波长，n
if
表示组合模糊度，表示伪距包括的硬件延迟误差和伪距噪声，表示载波相位包括的硬件延迟误差和相位噪声。
[0072]
步骤s4：根据所述卫星位置和预先构建的对流层改正模型，确定对流层延迟误差。
[0073]
其中，所述对流层延迟误差是通过以下方式确定的：
[0074]
选取卫星截止角，根据所述卫星截止角对应的卫星位置，通过saastamoinen模型计算天顶延迟量；
[0075]
通过映射函数将所述天顶延迟量投影至实际传播路径，得到对流层延迟误差，所述实际传播路径表征卫星天线与接收机之间的信号传播路径。
[0076]
本实施例中，选取的卫星截止角的取值大于等于5
°
，估计得到的天顶对流层延迟的rms值较低，便于有效地利用低仰角的观测数据，提高对流层延迟误差的计算精度。
[0077]
步骤s5：根据所述无电离层组合观测方程和所述对流层延迟误差，更新所述目标观测数据中每个所述频点在各个历元的载波相位观测值，得到每个所述频点在各个历元对应的调整后的载波相位观测值。
[0078]
步骤s6：根据每个所述频点在各个历元对应的调整后的载波相位观测值，构建每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程。
[0079]
步骤s7：根据各个所述卫星仰角，对各个所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程进行定权，得到多个目标载波相位观测方程。
[0080]
其中，所述步骤s7中，根据各个所述卫星仰角，对各个所述卫星仰角下每个所述频
点在各个历元对应的初始载波相位观测方程进行定权，具体包括：
[0081]
对于各个所述卫星仰角中的每个所述卫星仰角，若所述卫星仰角大于预设的分界角度，确定所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元的载波相位观测值的权重为设定值；所述设定值通过第二公式确定，所述第二公式为：
[0082]
p
sl
＝1/sigm02[0083]
所述卫星仰角大于所述分界角度时，所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元的载波相位观测值的权重均为p
s1
，1/sigma2为设定值；
[0084]
若所述卫星仰角不大于所述分界角度，根据所述卫星仰角，通过第三公式确定所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元的载波相位观测值的权重；其中，所述第三公式为：
[0085]
p
s2
＝cos2(e)/sigma2[0086]
所述卫星仰角不大于所述分界角度时，所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元的载波相位观测值的权重均为p
s2
，其中，e表示卫星仰角。
[0087]
步骤s8：根据各个所述目标载波相位观测方程，通过加权最小二乘法解算出接收机位置。
[0088]
实施例二
[0089]
为解决现有技术存在的技术问题，本实施例提供了一种低仰角对流层误差修正系统，如图2所示，包括：
[0090]
数据获取模块，用于获取针对两个频点的第一原始观测数据，所述第一原始观测数据包括多个卫星位置和两个所述频点中每个所述频点在各个卫星仰角对应的第二原始观测数据，所述第二原始观测数据包括每个所述频点在各个历元的伪距观测值、载波相位观测值和卫星时钟误差，所述两个频点包括频点a和频点b，每个所述卫星位置各自对应一个卫星仰角，所述卫星仰角表征卫星与接收机所在处的地平线之间的夹角；
[0091]
第一数据处理模块，用于根据所述第二原始观测数据，确定电离层伪距组合观测值和电离层载波相位组合观测值；根据所述电离层伪距组合观测值、电离层载波相位组合观测值和预先构建的宽巷组合观测方程，确定所述第一原始观测数据中产生周跳的目标历元，更新所述目标历元对应的载波相位观测值，得到目标观测数据；
[0092]
第二数据处理模块，用于根据所述目标观测数据，确定无电离层伪距组合观测值和无电离层载波相位组合观测值；根据所述无电离层伪距组合观测值和所述无电离层载波相位组合观测值，确定无电离层组合观测方程；
[0093]
第三数据处理模块，用于根据所述卫星位置和预先构建的对流层改正模型，确定对流层延迟误差；
[0094]
第四数据处理模块，根据所述无电离层组合观测方程和所述对流层延迟误差，更新所述目标观测数据中每个所述频点在各个历元的载波相位观测值，得到每个所述频点在各个历元对应的调整后的载波相位观测值；
[0095]
第五数据处理模块，用于根据每个所述频点在各个历元对应的调整后的载波相位观测值，构建每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程；
[0096]
第六数据处理模块，用于根据各个所述卫星仰角，对各个所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元对应的初始载波相位观测方程进行定权，得到多个目标载波相位观测方程；
[0097]
解算定位模块，用于根据各个所述目标载波相位观测方程，确定接收机位置。
[0098]
进一步，所述第六数据处理模块具体包括：
[0099]
权重确定单元，具体用于：对于各个所述卫星仰角中的每个所述卫星仰角，若所述卫星仰角大于预设的分界角度，确定所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元的初始载波相位观测方程的权重为设定值；若所述卫星仰角不大于所述分界角度，根据所述卫星仰角，确定所述卫星仰角下每个所述频点在各个历元的初始载波相位观测方程的权重。
[0100]
进一步，所述第一数据处理模块具体包括：
[0101]
第一观测值确定单元，用于根据各个所述频点的伪距观测值和各个所述频点对应的频率值，确定电离层伪距组合观测值；根据各个所述频点的载波相位观测值和各个所述频点对应的频率值，确定电离层载波相位组合观测值。
[0102]
进一步，所述第二数据处理模块具体包括：
[0103]
第二观测值确定单元，用于根据所述目标观测数据，通过第一公式，确定所述无电离层伪距组合观测值和所述无电离层载波相位组合观测值，其中，所述第一公式为：
[0104][0105][0106]
其中，p
if
表示无电离层伪距组合观测值，φ
if
表示无电离层载波相位组合观测值，f1、f2分别表示所述频点a、所述频点b对应的频率值，p1、p2分别表示所述频点a、所述频点b的伪距观测值，ρ表示卫星信号发射时刻与接收机的真实几何距离，c表示真空中的光速，dtr表示接收机时钟误差，表示卫星时钟误差，t表示信号在大气传播中的对流层延迟误差，φ1、φ2分别表示所述频点a、所述频点b的载波相位观测值，λ
if
表示组合波长，n
if
表示组合模糊度，表示伪距包括的硬件延迟误差和伪距噪声，表示载波相位包括的硬件延迟误差和相位噪声。
[0107]
进一步，所述第三数据处理模块具体包括：
[0108]
天顶延迟确定单元，用于选取卫星截止角，根据所述卫星截止角对应的卫星位置，通过saastamoinen模型计算天顶延迟量；
[0109]
对流层延迟误差确定单元，用于通过映射函数将所述天顶延迟量投影至实际传播路径，得到对流层延迟误差，所述实际传播路径表征卫星天线与接收机之间的信号传播路径。
[0110]
实施例三
[0111]
为解决现有技术存在的技术问题，本实施例提供了一种电子设备，如图3所示，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如实施例一所述的低仰角对流层误差修正方法。
[0112]
实施例四
[0113]
为解决现有技术存在的技术问题，本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施
例一所述的低仰角对流层误差修正方法。
[0114]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。