一種實(shí)時北斗精密相對定位的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星定位領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)時北斗精密相對定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 實(shí)時北斗精密相對定位技術(shù)是一種利用北斗高精度載波相位觀測值的實(shí)時動態(tài) 差分定位技術(shù)，常被稱為RTK(Real-TimeKinematic)技術(shù)，在車輛導(dǎo)航、飛機(jī)盲降和駕校 自動監(jiān)考等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在進(jìn)行RTK工作時，基準(zhǔn)站需將自己的載波相位觀 測值等信息通過數(shù)據(jù)通訊設(shè)備實(shí)時播發(fā)給周圍工作的移動站。移動站利用自己的北斗 衛(wèi)星導(dǎo)航測量數(shù)據(jù)和接收到的基準(zhǔn)站測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行載波相位差分相對定位，實(shí)現(xiàn)移動 站實(shí)時精密定位，定位精度為厘米量級。目前已有的用于實(shí)時衛(wèi)星精密相對定位方法主 要有同步載波相位差分相對定位法（參見[l]StephenJ.Comstock.DevelopmentofA Low-Latency,HighDataRate,DifferentialGPSRelativePositioningSystemforUAV FormationFlightControl.Dissertation,AirForceInstituteofTechnology,2006.
[2] 程偉?；贒SP的GPS動態(tài)載波相位差分技術(shù)研宄，西北工業(yè)大學(xué)，2006.)，這種典型的 方法難以有效解決以下問題：基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈路通信時延；移動站位置輸出更新率有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對北斗實(shí)時精密定位技術(shù)中存在的移動站動態(tài)定位實(shí)時性難以提高的 問題，提出了非同步載波相位差分相對定位方法。該方法利用基準(zhǔn)站低更新率播發(fā)的歷史 時刻衛(wèi)星導(dǎo)航測量數(shù)據(jù)和移動站當(dāng)前時刻的衛(wèi)星導(dǎo)航測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行時間異步站間載波相 位差分相對定位，解決了基準(zhǔn)站差分測量數(shù)據(jù)播發(fā)通信時延問題，可實(shí)現(xiàn)移動站高更新率 實(shí)時精密相對定位，并且避免了同步載波相位差分定位技術(shù)中的數(shù)據(jù)同步過程。該方法同 樣適用于GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）精密動態(tài)相對 定位。
[0004] 具體技術(shù)方案為：
[0005] 一種實(shí)時北斗精密相對定位的方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟一，整周模糊度參數(shù)初始化：利用基準(zhǔn)站和移動站的同步北斗觀測數(shù)據(jù)初始 化載波相位整周模糊度參數(shù)；
[0007] 步驟二，周跳探測：對站星間的非同步雙差載波相位進(jìn)行周跳探測，對發(fā)生周跳的 衛(wèi)星進(jìn)行標(biāo)記；
[0008] 步驟三，偽距單點(diǎn)定位：利用基準(zhǔn)站、移動站的北斗偽距觀測信息，分別進(jìn)行基準(zhǔn) 站和移動站偽距單點(diǎn)定位，獲得基準(zhǔn)站和移動站的絕對位置，獲得基準(zhǔn)站測量時的北斗衛(wèi) 星信號發(fā)送時刻的衛(wèi)星坐標(biāo)及鐘差和移動站測量時的北斗衛(wèi)星信號發(fā)送時刻的衛(wèi)星坐標(biāo) 及鐘差；
[0009] 步驟四，基準(zhǔn)站與移動站的觀測歷元差判斷：計(jì)算基準(zhǔn)站的觀測歷元與移動站的 觀測歷元之差，如果差值大于15s，則返回步驟一，否則進(jìn)入步驟五；
[0010] 步驟五，周跳修復(fù)：采用附加模糊度參數(shù)方法修復(fù)發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度， 即利用未發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度計(jì)算發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度；
[0011] 步驟六，求解基準(zhǔn)站與移動站的相對位置：利用基準(zhǔn)站和移動站的非差非同步載 波相位觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星坐標(biāo)以及鐘差，建立非同步載波相位雙差相對定位觀測方程，計(jì)算 基準(zhǔn)站與移動站的相對位置。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟六中建立非同步載波相位雙差相對定位觀測方程，計(jì)算基準(zhǔn) 站與移動站的相對位置，具體過程為：
[0013] (S1)建立載波相位雙差觀測方程組：利用基準(zhǔn)站和移動站的非差載波相位觀測 值及廣播星歷信息，建立雙差載波相位相對定位觀測方程；設(shè)基準(zhǔn)站A在觀測時刻h，測得 i號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為和j號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為?；移 動站B在觀測時刻，測得i號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為〇〗（卩）和j號衛(wèi)星的非差載 波相位觀測值為(纟）；i，j為整數(shù)。
[0014] 定義：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種實(shí)時北斗精密相對定位的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，整周模糊度參數(shù)初始化：利用基準(zhǔn)站和移動站的同步北斗觀測數(shù)據(jù)初始化載 波相位整周模糊度參數(shù)； 步驟二，周跳探測：對站星間的非同步雙差載波相位進(jìn)行周跳探測，對發(fā)生周跳的衛(wèi)星 進(jìn)行標(biāo)記； 步驟三，偽距單點(diǎn)定位：利用基準(zhǔn)站、移動站的北斗偽距觀測信息，分別進(jìn)行基準(zhǔn)站和 移動站偽距單點(diǎn)定位，獲得基準(zhǔn)站和移動站的絕對位置，獲得基準(zhǔn)站測量時的北斗衛(wèi)星信 號發(fā)送時刻的衛(wèi)星坐標(biāo)及鐘差和移動站測量時的北斗衛(wèi)星信號發(fā)送時刻的衛(wèi)星坐標(biāo)及鐘 差； 步驟四，基準(zhǔn)站與移動站的觀測歷元差判斷：計(jì)算基準(zhǔn)站的觀測歷元與移動站的觀測 歷元之差，如果差值大于15s，則返回步驟一，否則進(jìn)入步驟五； 步驟五，周跳修復(fù)：采用附加模糊度參數(shù)方法修復(fù)發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度，即利 用未發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度計(jì)算發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度； 步驟六，求解基準(zhǔn)站與移動站的相對位置：利用基準(zhǔn)站和移動站的非差非同步載波相 位觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星坐標(biāo)以及鐘差，建立非同步載波相位雙差相對定位觀測方程，計(jì)算基準(zhǔn) 站與移動站的相對位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種實(shí)時北斗精密相對定位的方法，其特征在于，所述步驟六 中建立非同步載波相位雙差相對定位觀測方程，計(jì)算基準(zhǔn)站與移動站的相對位置，具體過 程為： (Si)建立載波相位雙差觀測方程組：利用基準(zhǔn)站和移動站的非差載波相位觀測值及 廣播星歷信息，建立雙差載波相位相對定位觀測方程；設(shè)基準(zhǔn)站A在觀測時刻h，測得i號 衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為1 Φ〗(~)和j號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為Φ?(〇 ;移動 站B在觀測時刻h，測得i號衛(wèi)星的非差載波相位觀測值為￠:,(6)和j號衛(wèi)星的非差載波 相位觀測值為; i，j為整數(shù)； 定義：
其中，上標(biāo)i和j代表衛(wèi)星號，i號衛(wèi)星為參考星，下標(biāo)A和B代表基準(zhǔn)站和移動站；T 代表衛(wèi)星信號發(fā)送時刻，如C :表示在觀測時刻t(l時，對應(yīng)i號衛(wèi)星的信號發(fā)送時刻，單位 為秒； 則非同步載波相位雙差觀測方稈為：
其中，為不同時刻的雙差載波相位觀測值，單位為米；pMga)為不同時 刻的雙差幾何距離，單位為米；<(1卩）為不同時刻的雙差整周模糊度，單位為周；λ為 某個頻點(diǎn)的對應(yīng)波長，單位為米；為不同時刻的雙差衛(wèi)星鐘差，單位為秒；C為 光速，單位為米/秒；為不同時刻的雙差噪聲，單位為米； 式（1)中，基站與移動站的相對位置參數(shù)隱含于雙差幾何距離量PMc1)中，其具體 為表達(dá)式為：
式（2)中，riT/；)和為j號衛(wèi)星在信號發(fā)送時刻TJPTtl的三維位置坐標(biāo)，單 位為米；^ 和K的):為i號衛(wèi)星在信號發(fā)送時刻T# T ^的三維位置坐標(biāo)，單位為米； I. I I表示衛(wèi)星到測站之間的幾何距離，單位為米；rJO為基準(zhǔn)站在觀測時刻h的三維位 置坐標(biāo)^bU1)為移動站在觀測時刻^的三維位置坐標(biāo)，單位為米； 設(shè)基準(zhǔn)站和移動站共同觀測了 m顆衛(wèi)星，則有建立（m-1)個雙差載波相位觀測方程：
式中，k表示衛(wèi)星號，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m為整數(shù)； (S2)相對定位觀測方程組線性化：根據(jù)泰勒展開原理，對非線性相對定位觀測方程組 進(jìn)行線性化； 在式（2)中，衛(wèi)星的坐標(biāo)以實(shí)時播發(fā)的廣播星歷參數(shù)計(jì)算；在基準(zhǔn)站位置線性泰勒展 開至一階項(xiàng)，式（2)變?yōu)?br>其中，u代表單位矢量，:表示移動站B到j(luò)號衛(wèi)星的單位矢量；表示移動站B到i 號衛(wèi)星的單位矢量；AT表示j號衛(wèi)星的雙差幾何距離泰勒展開的零階項(xiàng)；1?為基準(zhǔn)站到移 動站的基線矢量； 將式（4)代入式（3)，則線性化的觀測方程組為：
式中，k表示衛(wèi)星號，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m為整數(shù)； 式（5)中，衛(wèi)星鐘差雙差&'??(7；,,7;)根據(jù)實(shí)時廣播星歷參數(shù)計(jì)算； (S3)線性觀測方程組求解：根據(jù)最小二乘估計(jì)，即可求得基準(zhǔn)站到移動站的基線矢 量； 記：
式中，k表示衛(wèi)星號，k = 1，2,…，j,…m-1 ;k辛i ;k, m為整數(shù)； 根據(jù)最小二乘估計(jì)原理，求解式（5)，得到： rAB= (QtQ)-1QtY (7) rAB即可確定基準(zhǔn)站與移動站之間的相對位置。
【專利摘要】本發(fā)明屬于衛(wèi)星定位領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)時北斗精密相對定位的方法，具體步驟為：步驟一，整周模糊度初參數(shù)始化；步驟二，周跳探測；步驟三，偽距單點(diǎn)定位；步驟四，基準(zhǔn)站與移動站的觀測歷元差判斷：計(jì)算基準(zhǔn)站的觀測歷元與移動站的觀測歷元之差，如果差值大于15s，則返回步驟一，否則進(jìn)入步驟五；步驟五，周跳修復(fù)，利用未發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度計(jì)算發(fā)生周跳的衛(wèi)星的整周模糊度；步驟六，求解基準(zhǔn)站與移動站的相對位置。本發(fā)明提高移動站動態(tài)定位的實(shí)時更新率和降低移動站定位結(jié)果的輸出延遲；基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)以較低頻率采樣和播發(fā)，降低了對數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)時性和可靠性的要求，還減少了無線通信設(shè)備和鏈路的成本。
【IPC分類】G01S19-41, G01S19-51, G01S19-44
【公開號】CN104536027
【申請?zhí)枴緾N201510043928
【發(fā)明人】張良, 吳杰, 呂漢峰, 王鼎杰
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月28日
【公告號】CN104536027B