專利名稱：基于gnss的遠(yuǎn)距離高精度實時/快速定位方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度的實時/快速定位方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
全球衛(wèi)星定位技術(shù)是一種利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global NavigationSatellite Systems，GNSS)進(jìn)行的高科技現(xiàn)代定位方法，具有全球性、全天候、連續(xù)、精確和實時的導(dǎo)航、定位、授時的功能，為軍事、交通、測繪、水利、建設(shè)、農(nóng)林、旅游、資源調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測等部門或行業(yè)帶來極大方便。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是由多個相互兼容的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)組成的全球聯(lián)合定位導(dǎo)航系統(tǒng)。我國用戶目前或未來幾年可以使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要包括美國的GPS(Global Positioning System，即全球定位系統(tǒng))、俄羅斯的GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System，即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))、歐洲的Galileo(即伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等。
不同衛(wèi)星定位系統(tǒng)間的兼容具有使可用衛(wèi)星資源成倍增加的巨大優(yōu)勢，已成為未來全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)展的方向。在所述GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，目前已經(jīng)成熟并大規(guī)模廣泛應(yīng)用的主要是GPS系統(tǒng)，其它系統(tǒng)與其類似，只是分屬于不同國家或地區(qū)，因此下面以GPS為例進(jìn)行說明。GPS定位的基本原理是距離交會，從原理上來說，只要知道了待定點與三顆衛(wèi)星之間的距離以及這三顆衛(wèi)星的位置，便可以交會出該點的三維坐標(biāo)。待定點與衛(wèi)星間的距離是通過光速乘以信號從衛(wèi)星傳播到接收機(jī)的時間得到的，在這個過程中，會受到接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、電離層和對流層折射誤差、多路徑效應(yīng)等多種系統(tǒng)誤差的影響或干擾，其中影響最大的就是接收機(jī)的鐘差，通常的解決方法是將其作為未知數(shù)，同待定點的三維坐標(biāo)一起解算。因此，若忽略(或消弱)其它系統(tǒng)誤差，只需同時觀測四顆GPS衛(wèi)星，便可解算出用戶位置和用戶鐘差。這種方法稱為絕對定位或單點定位。
但由于上述其它系統(tǒng)誤差的影響，這種絕對定位精度較差，目前一般為10米左右。為了克服上述其它系統(tǒng)誤差造成的影響，通常采用差分方法，即在待定點周圍建一個位置已知的基準(zhǔn)點(一般稱為基準(zhǔn)站或參考站)，與待定點同時觀測，由于基準(zhǔn)站的坐標(biāo)已知，便可估算出系統(tǒng)誤差的大小，又因為待定點與基準(zhǔn)站同時觀測且相距較近(常規(guī)差分方法一般相距15公里以內(nèi))，所以近似認(rèn)為二者的相關(guān)系統(tǒng)誤差是相同的，通過這種方法可得到待定點相對于基準(zhǔn)站的精確位置。因此差分方法屬于相對定位。
GPS有兩種最主要的觀測量，一種是偽距，一種是載波相位。二者各有優(yōu)缺點偽距具有處理簡單的優(yōu)點，但觀測精度較低，一般為米級；載波相位具有精度高的優(yōu)點，一般為毫米級，但處理復(fù)雜，因為含有模糊度問題。以載波相位觀測量為主要觀測量，同時解算待定點坐標(biāo)和模糊度的實時差分方法稱為RTK(Real-Time Kinematic)。由于RTK技術(shù)具有定位快，精度高的優(yōu)點，因此發(fā)展較快，應(yīng)用也較廣。
目前的RTK技術(shù)可分為兩種一種是單站RTK(或稱為常規(guī)RTK)，另一種是多站RTK(或稱為網(wǎng)絡(luò)RTK)。常規(guī)RTK是二十世紀(jì)九十年代初出現(xiàn)并很快成熟和廣泛應(yīng)用的相對定位技術(shù)，它是以一個基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)估算待定點處的相關(guān)系統(tǒng)誤差，因此待定點距離基準(zhǔn)站的距離不能過遠(yuǎn)，一般為15公里以內(nèi)；網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是在常規(guī)RTK技術(shù)的基礎(chǔ)上，于2000年左右開始出現(xiàn)的相對定位技術(shù)，它是在一個區(qū)域建立多個基準(zhǔn)站(通稱基準(zhǔn)站網(wǎng))，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)估算基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)及其周邊的待定點處的相關(guān)系統(tǒng)誤差，因此具有作用范圍廣的優(yōu)點。
由于網(wǎng)絡(luò)RTK與常規(guī)RTK相比具有作用范圍廣、定位精度和可靠性高，并可提供多種服務(wù)的優(yōu)點，因此自出現(xiàn)到目前一直是快速高精度定位的研究熱點。我國已有多個城市或地區(qū)建立了基于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的GPS定位綜合服務(wù)系統(tǒng)，如深圳、北京、江蘇、昆明、武漢等，它們的基準(zhǔn)站距離一般不超過50公里，可在基準(zhǔn)網(wǎng)內(nèi)和周邊幾十公里范圍內(nèi)為用戶提供厘米級的實時定位。
對于遠(yuǎn)距離的差分定位技術(shù)，除了目前正在迅速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)RTK外，我國有的部門還在使用單站差分技術(shù)，如交通部海事局建立的中國沿海RBN-DGPS系統(tǒng)，其單站有效作用距離為海上300公里，在系統(tǒng)服務(wù)范圍之內(nèi)，亞米級接收機(jī)(如型號為MX9 400N的接收機(jī))利用該系統(tǒng)播發(fā)的差分信號進(jìn)行GPS定位，實時定位精度優(yōu)于5米(95％的置信度)。
這兩種遠(yuǎn)距離差分技術(shù)各有優(yōu)缺點前一種以載波相位為主要觀測量，實時定位精度厘米級，但處理較復(fù)雜，需處理模糊度問題，且用戶不能離基準(zhǔn)站網(wǎng)過遠(yuǎn)(目前約30公里)，主要應(yīng)用于陸地；后一種以偽距為主要觀測量，處理較簡單，有效作用范圍大，但實時定位精度不是很高，通常精度為5米左右，主要應(yīng)用于海洋。
然而對遠(yuǎn)離海岸300～400公里的海洋區(qū)域或者沙漠腹地區(qū)域如何進(jìn)行高精度的實時/快速衛(wèi)星定位呢？例如對于上述地區(qū)進(jìn)行1∶5000和1∶10000、甚至更大比例尺的航空攝影測圖。這種情況下，即使在沿海/島嶼或者沙漠邊緣上建立基準(zhǔn)站，但由于作業(yè)區(qū)域距離基準(zhǔn)站網(wǎng)較遠(yuǎn)，也難以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的精確快速定位。
進(jìn)一步地，隨著其它GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，如何在其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下，以及適應(yīng)多種GNSS衛(wèi)星聯(lián)合進(jìn)行遠(yuǎn)距離衛(wèi)星定位/導(dǎo)航都是需要解決的技術(shù)問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于GNSS的遠(yuǎn)距離高精度實時/快速定位方法和系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中網(wǎng)絡(luò)RTK以及單站差分技術(shù)無法同時滿足高精度與遠(yuǎn)距離定位的問題，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度快速定位。
為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括GNSS衛(wèi)星、基準(zhǔn)站網(wǎng)、系統(tǒng)中心、系統(tǒng)用戶終端和通信鏈路組成，其中 GNSS衛(wèi)星，用于向系統(tǒng)用戶終端和基準(zhǔn)站網(wǎng)中的基準(zhǔn)站發(fā)送定位信息，所述定位信息包括偽距信息及星座信息； 所述基準(zhǔn)站網(wǎng)，包括至少3個基準(zhǔn)站，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息，并將所述包含偽距的定位信息通過通信鏈路發(fā)送給系統(tǒng)中心； 系統(tǒng)中心，用于接收基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站的定位信息，并根據(jù)其中的偽距信息以及基準(zhǔn)站的實際位置數(shù)據(jù)獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差；根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差通過內(nèi)插/外推方法得到用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差；用于接收用戶終端的定位信息，根據(jù)其中的偽距信息以及用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差獲得用戶終端的準(zhǔn)確位置信息； 用戶終端，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息，并將所述包含偽距的定位信息通過通信鏈路發(fā)送給系統(tǒng)中心，從系統(tǒng)中心接收用戶終端的準(zhǔn)確位置信息。
進(jìn)一步地，所述定位信息進(jìn)一步包括載波相位。
進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)中心，根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用非差偽距觀測方程、或單差偽距觀測方程、或雙差偽距觀測方程得到，所得相關(guān)系統(tǒng)誤差分別為非差相關(guān)系統(tǒng)誤差、或單差相關(guān)系統(tǒng)誤差、或雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差，所述相關(guān)系統(tǒng)誤差包括頻率相關(guān)誤差和頻率無關(guān)誤差。
進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)中心根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差通過內(nèi)插/外推方法得到用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，所述非差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于非差、單差和雙差用戶定位模式；單差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于單差和雙差用戶定位模式；雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于雙差用戶定位模式。
進(jìn)一步地，所述內(nèi)插/外推算法是線性內(nèi)插、或曲面擬合、或最小二乘法；所述系統(tǒng)中心利用所述內(nèi)插/外推法獲得的用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的概括公式為 其中，

為用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的估值；a0，a1，...an為內(nèi)插/外推系數(shù)；B1，B2，...Bn為與所選定位模型相一致的基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差。
進(jìn)一步地，若用戶采用雙差定位模式，則系統(tǒng)中心根據(jù)所得用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差得到如下的觀測方程，利用所述雙差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置 其中，下標(biāo)u表示用戶站；e為殘余系統(tǒng)誤差，忽略殘余系統(tǒng)誤差和觀測噪聲ε的影響，取用戶的坐標(biāo)初值，并在初值處按泰勒級數(shù)展開即線性化，通過對觀測方程組進(jìn)行最小二乘解算，得到用戶初值的改正值，對用戶初值進(jìn)行改正，最終得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。
進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)中心進(jìn)一步還利用載波相位觀測值對于基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站及用戶的偽距進(jìn)行平滑。
本發(fā)明還提供另一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的定位系統(tǒng)，包括GNSS衛(wèi)星、基準(zhǔn)站網(wǎng)、系統(tǒng)中心、系統(tǒng)用戶終端和通信鏈路組成，其中 GNSS衛(wèi)星，用于向系統(tǒng)用戶終端和基準(zhǔn)站網(wǎng)中的基準(zhǔn)站發(fā)送定位信息，所述定位信息包括偽距信息及星座信息； 所述基準(zhǔn)站網(wǎng)，包括至少3個基準(zhǔn)站，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息，并將所述包含偽距的定位信息通過通信鏈路發(fā)送給系統(tǒng)中心； 系統(tǒng)中心，用于接收基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站的定位信息，并根據(jù)其中的偽距信息以及基準(zhǔn)站的實際位置數(shù)據(jù)獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差，將所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差發(fā)送給用戶終端； 用戶終端，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息及所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差，根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差通過內(nèi)插/外推方法得到用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差；用于根據(jù)用戶終端的定位信息中的偽距信息以及用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差獲得用戶終端的準(zhǔn)確位置信息。
進(jìn)一步地，所述定位信息進(jìn)一步包括載波相位。
進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)中心，根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用非差偽距觀測方程、或單差偽距觀測方程、或雙差偽距觀測方程得到，所得相關(guān)系統(tǒng)誤差分別為非差相關(guān)系統(tǒng)誤差、或單差相關(guān)系統(tǒng)誤差、或雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差，所述相關(guān)系統(tǒng)誤差包括頻率相關(guān)誤差和頻率無關(guān)誤差。
進(jìn)一步地，所述用戶終端，根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差通過內(nèi)插/外推方法得到用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，所述非差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于非差、單差和雙差用戶定位模式；單差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于單差和雙差用戶定位模式；雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于雙差用戶定位模式。
進(jìn)一步地，所述內(nèi)插/外推算法是線性內(nèi)插、或曲面擬合、或最小二乘法；所述用戶終端利用所述內(nèi)插/外推法獲得的用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的概括公式為 其中，

為用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的估值；a0，a1，...an為內(nèi)插/外推系數(shù)；B1，B2，...Bn為與所選定位模型相一致的基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差。
進(jìn)一步地，若用戶采用雙差定位模式，則所述用戶終端根據(jù)所得用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差得到如下的觀測方程，利用所述雙差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置 其中，下標(biāo)u表示用戶站；e為殘余系統(tǒng)誤差，忽略殘余系統(tǒng)誤差和觀測噪聲ε的影響，取用戶的坐標(biāo)初值，并在初值處按泰勒級數(shù)展開即線性化，通過對觀測方程組進(jìn)行最小二乘解算，得到用戶初值的改正值，對用戶初值進(jìn)行改正，最終得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。
進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)中心和用戶終端進(jìn)一步還用于利用載波相位觀測值對于基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站及用戶的偽距進(jìn)行平滑。
本發(fā)明還提供一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的定位方法，包括如下步驟 A、由系統(tǒng)用戶終端和基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站接收GNSS衛(wèi)星的定位信息，所述定位信息包括偽距和衛(wèi)星星歷； B、根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差； C、根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差利用內(nèi)插/外推算法估算得到用戶處的相關(guān)系統(tǒng)誤差； D、根據(jù)用戶終端的定位信息中的偽距，利用所述用戶處的相關(guān)系統(tǒng)誤差，從偽距中獲得所述用戶終端的實際位置信息。
進(jìn)一步地，所述定位信息進(jìn)一步還包括載波相位。
進(jìn)一步地，步驟B中，所述根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用非差偽距觀測方程得到，對每一基準(zhǔn)站的每一頻率建立非差偽距觀測方程如下 其中，ρ為偽距觀測量；R為衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的接收機(jī)的幾何距離；I為電離層折射常數(shù)；f為相應(yīng)載波頻率，L1和L2為對應(yīng)的兩個頻率；T為包括接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差的與頻率無關(guān)的系統(tǒng)誤差；ε為觀測噪聲。
進(jìn)一步地，步驟B中，所述根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用單差偽距觀測方程得到，在所有觀測衛(wèi)星中選擇一顆參考衛(wèi)星p，并與另外一顆衛(wèi)星q的非差偽距觀測方程之間求差，對每一基準(zhǔn)站的每一頻率建立單差偽距觀測方程如下 其中，Δ(*)pq為單差運算符，有Δ(*)pq＝(*)p-(*)q，ρ為偽距觀測量；R為衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的接收機(jī)的幾何距離；I為電離層折射常數(shù)；f為相應(yīng)載波頻率，L1和L2為對應(yīng)的兩個頻率；T為包括接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差的與頻率無關(guān)的系統(tǒng)誤差；ε為觀測噪聲。
進(jìn)一步地，步驟B中，所述根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用雙差偽距觀測方程得到，在所有觀測衛(wèi)星中選擇一顆參考衛(wèi)星p，并與另外一顆衛(wèi)星q的非差偽距觀測方程之間求差，對每一基準(zhǔn)站的每一頻率建立單差偽距觀測方程，若在所有基準(zhǔn)站中選擇一個參考基準(zhǔn)站i，并與另外一個基準(zhǔn)站j的單差偽距觀測方程進(jìn)一步求差，得到如下的雙差偽距觀測方程 其中，

為雙差運算符，ρ為偽距觀測量；R為衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的接收機(jī)的幾何距離；I為電離層折射常數(shù)；f為相應(yīng)載波頻率，L1和L2為對應(yīng)的兩個頻率；T為包括接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差的與頻率無關(guān)的系統(tǒng)誤差；ε為觀測噪聲。
進(jìn)一步地，步驟C中，所述非差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于非差、單差和雙差用戶定位模式；單差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于單差和雙差用戶定位模式；雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于雙差用戶定位模式。
進(jìn)一步地，步驟C中，所述內(nèi)插/外推算法是線性內(nèi)插、或曲面擬合、或最小二乘法；利用所述內(nèi)插/外推法獲得的用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的概括公式為 其中，

為用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的估值；a0，a1，...an為內(nèi)插/外推系數(shù)；B1，B2，...Bn為與所選定位模型相一致的基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差。
進(jìn)一步地，步驟D中，若用戶采用雙差定位模式，則根據(jù)步驟C中所得用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差得到如下的觀測方程，利用所述雙差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置 其中，下標(biāo)u表示用戶站；e為殘余系統(tǒng)誤差，忽略殘余系統(tǒng)誤差和觀測噪聲ε的影響，取用戶的坐標(biāo)初值，并在初值處按泰勒級數(shù)展開即線性化，通過對觀測方程組進(jìn)行最小二乘解算，得到用戶初值的改正值，對用戶初值進(jìn)行改正，最終得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。
進(jìn)一步地，若用戶初值取的不夠準(zhǔn)確時，進(jìn)一步對步驟D進(jìn)行迭代運算。
進(jìn)一步地，步驟D中，若用戶采用非差定位模式，則根據(jù)步驟C中所得用戶非差相關(guān)系統(tǒng)誤差，利用所述非差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置； 若用戶采用單差定位模式，則根據(jù)步驟C中所得用戶單差或非差相關(guān)系統(tǒng)誤差，利用所述單差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置。
進(jìn)一步地，步驟A中進(jìn)一步包括利用載波相位觀測值對于基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站及用戶的偽距進(jìn)行平滑。
本發(fā)明的定位方法及定位系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)差分方式，網(wǎng)絡(luò)差分以偽距觀測值(C/A碼、P碼)為主，以載波相位觀測值為輔，甚至在特定要求下可以不考慮相位因素；而網(wǎng)絡(luò)RTK則是以載波相位觀測值為主，以偽距觀測值為輔。因網(wǎng)絡(luò)差分不需要解算整周模糊度，其數(shù)據(jù)的計算處理要簡單得多，而網(wǎng)絡(luò)RTK因需要進(jìn)行復(fù)雜的相位處理則相對要復(fù)雜得多。同時，與網(wǎng)絡(luò)RTK相比網(wǎng)絡(luò)差分的基準(zhǔn)站的有效距離可以更大，有效作用范圍可以更遠(yuǎn)，因此還具有建站投資少，適用范圍廣的優(yōu)點。但作為以偽距觀測值為主的代價就是實時/快速定位精度沒有網(wǎng)絡(luò)RTK的高，難以達(dá)到厘米級。但對于遠(yuǎn)海測繪中，只要能滿足1∶10000和1∶5000比例尺地形圖測繪控制點要求，就可發(fā)揮重要作用。
同時相比于單站差分技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)差分因采用多個基準(zhǔn)站協(xié)作定位，所以提供的差分信息精度更高，并通過實驗驗證本發(fā)明具有如下優(yōu)點 ●實時定位結(jié)果的水平和垂直分量精度(RMS)都優(yōu)于2米； ●快速靜態(tài)定位結(jié)果的水平分量精度最大值5分鐘優(yōu)于1米(平均0.61米)；20分鐘可優(yōu)于0.5米(平均0.29米)，可分別滿足遠(yuǎn)海1∶10000和1∶5000比例尺測圖控制點要求； ●快速靜態(tài)觀測一般20分鐘即可收斂，時間再長對精度提高效果不明顯。
因此本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)差分方法具有定位精度高、覆蓋范圍廣、使用方便等優(yōu)點，適合特殊情況下的高精度實時/快速定位應(yīng)用，對特殊應(yīng)用類型的作業(yè)設(shè)計、系統(tǒng)建設(shè)和用戶使用都具有一定的參考作用。除此之外，也可廣泛應(yīng)用于海洋測繪、航道測量、航道疏浚、航標(biāo)定位、海洋資源勘探、海上救助、海洋漁業(yè)等其它海上作業(yè)。



圖1是基于GNSS的遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)示意圖； 圖2是利用網(wǎng)絡(luò)差分實現(xiàn)遠(yuǎn)距離定位的流程圖； 圖3是用于驗證所述遠(yuǎn)距離定位方法的基準(zhǔn)站網(wǎng)與用戶終端位置圖； 圖4a是用戶動態(tài)實驗軌跡圖； 圖4b是用戶動態(tài)實驗軌跡圖的局部放大圖； 圖5a是B地B1站北分量動態(tài)定位誤差變化圖； 圖5b是B地B1站東分量動態(tài)定位誤差變化圖； 圖5c是B地B1站垂直分量動態(tài)定位誤差變化圖； 圖6a是B地B1站北分量靜態(tài)定位精度變化圖； 圖6b是B地B1站東分量靜態(tài)定位精度變化圖； 圖6c是B地B1站垂直分量靜態(tài)定位精度變化圖。

具體實施例方式 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。
本發(fā)明采用網(wǎng)絡(luò)差分法來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離定位，所述網(wǎng)絡(luò)差分法的基本思路是首先在定位區(qū)域或周邊建立稀疏連續(xù)運行衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站網(wǎng)(基準(zhǔn)站間的距離可達(dá)到200～300公里)，基準(zhǔn)站進(jìn)行連續(xù)高采樣率(一般為1Hz)觀測，將觀測數(shù)據(jù)通過通信鏈路傳輸?shù)较到y(tǒng)計算與控制中心(簡稱系統(tǒng)中心)；然后系統(tǒng)中心通過對基準(zhǔn)站網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到該地區(qū)及周邊300～400公里范圍內(nèi)的高精度實時相關(guān)系統(tǒng)誤差改正信息；最后根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)誤差內(nèi)插/外推用戶的相關(guān)系統(tǒng)誤差，并進(jìn)行相關(guān)改正和處理，得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。
由于采用了多個基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域定位誤差實時估算，因此網(wǎng)絡(luò)差分與單站差分相比精度更高，作用范圍更廣；同時，由于該網(wǎng)絡(luò)差分方法以偽距觀測量為主要觀測量，載波相位觀測量為輔助觀測量，無需處理模糊度問題，所以與網(wǎng)絡(luò)RTK相比計算更簡單穩(wěn)健。正是由于網(wǎng)絡(luò)差分的這些優(yōu)點，所以可以用于遠(yuǎn)海測繪或沙漠測繪等特殊的遠(yuǎn)距離高精度定位應(yīng)用。
如圖1所示顯示了基于GNSS的網(wǎng)絡(luò)差分實現(xiàn)遠(yuǎn)距離定位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由GNSS衛(wèi)星、基準(zhǔn)站網(wǎng)、系統(tǒng)中心、系統(tǒng)用戶終端和通信鏈路組成，其中 ●GNSS衛(wèi)星，用于向系統(tǒng)用戶終端和基準(zhǔn)站網(wǎng)中的基準(zhǔn)站發(fā)送定位信息；所述GNSS衛(wèi)星可以是美國的GPS衛(wèi)星、俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星、歐洲的Galileo衛(wèi)星以及我國的北斗II衛(wèi)星，其數(shù)量根據(jù)各個衛(wèi)星系統(tǒng)的實際需要來確定，但應(yīng)至少滿足能夠為地面基準(zhǔn)站和用戶終端提供定位數(shù)據(jù)，尤其是能夠提供偽距信息。
●基準(zhǔn)站網(wǎng)(Base Station Network-BSN) 基準(zhǔn)站網(wǎng)的主要功能是從GNSS衛(wèi)星接收定位數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)中心提供實時GNSS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)等。所述基準(zhǔn)站網(wǎng)，其包括至少3個基準(zhǔn)站，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息。所有的基準(zhǔn)站必須建設(shè)在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，并且要求有良好的衛(wèi)星信號接收環(huán)境，遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾源，另外要求交通、通信便利，水電齊全，便于運行和維護(hù)。每個基準(zhǔn)站還需要配備GNSS接收機(jī)、計算機(jī)、UPS、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，觀測室、觀測墩、水電、空調(diào)等觀測條件，以及防雷電、防病毒、防火防盜等防護(hù)設(shè)備和措施。
●計算與控制中心(Calculation and Control Center-CCC) 系統(tǒng)計算與控制中心簡稱系統(tǒng)中心，是系統(tǒng)的中樞，主要功能是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲與處理、系統(tǒng)和用戶的管理與服務(wù)，用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)接收、存儲、管理、計算和發(fā)播等功能。系統(tǒng)中心要有專門的工作室，可根據(jù)具體需要設(shè)立一個總中心，或一個總中心與多個分中心來分擔(dān)部分計算與通信的任務(wù)。系統(tǒng)中心需要配備多臺高性能的計算機(jī)(或服務(wù)器)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算、存儲、備份、管理、查詢、播發(fā)和下載等不同的功能，除此之外，還需要UPS、機(jī)柜、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，水電、空調(diào)等必要辦公資源和設(shè)備，以及防雷電、防電涌、防病毒、防火防盜等防護(hù)設(shè)備和措施。另外，為了節(jié)約建設(shè)和便于管理，系統(tǒng)中心也可兼?zhèn)浠鶞?zhǔn)站的功能，即設(shè)立觀測墩、配備GNSS接收機(jī)(當(dāng)然系統(tǒng)中心要符合上述GNSS基準(zhǔn)站觀測要求)。
●數(shù)據(jù)通信鏈路(Data Communication links-DCL) 系統(tǒng)通信部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)各部分間的數(shù)據(jù)和指令傳輸，用于實現(xiàn)基準(zhǔn)站網(wǎng)與系統(tǒng)中心之間、系統(tǒng)中心與系統(tǒng)用戶終端之間的信息傳輸，包括有線和無線兩種傳輸方式；該系統(tǒng)可使用多種通信手段，包括無線電數(shù)據(jù)鏈、電話固網(wǎng)、GSM流動網(wǎng)以及NTRIP(Internet RTK)等方式播發(fā)實時差分改正信息。系統(tǒng)中心與各基準(zhǔn)站之間一般采用雙向有線連接的方式，基準(zhǔn)站向系統(tǒng)中心傳送采集到的各種信息，系統(tǒng)中心向各基準(zhǔn)站發(fā)送控制和管理指令；系統(tǒng)中心與系統(tǒng)用戶之間可根據(jù)具體情況選用單向或雙向通信模式，或者二者有機(jī)組合的模式，一般實時用戶采用GSM/GPRS等無線連接的方式，后處理用戶采用電話固網(wǎng)、Internet等有線連接方式。
●系統(tǒng)用戶(System Client Section-SCS) 系統(tǒng)用戶是系統(tǒng)的使用終端，通過注冊登錄來有償/無償使用系統(tǒng)的全部或部分服務(wù)。按要求定位精度的不同可分為一般用戶和高精度用戶，一般用戶如車輛監(jiān)控與管理、旅游服務(wù)等，高精度用戶如國土測繪、工程施工和災(zāi)害監(jiān)測等；按定位要求的實時性不同可分為實時用戶和后處理用戶，實時用戶如交通工具的定位與導(dǎo)航，后處理用戶如地殼板塊監(jiān)測等。另外還包括其它行業(yè)的應(yīng)用，如氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等。
在上述GNSS系統(tǒng)中利用網(wǎng)絡(luò)差分方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離衛(wèi)星定位時，如圖2所示包括如下步驟 第一步獲取GNSS衛(wèi)星定位信息。基準(zhǔn)站網(wǎng)和系統(tǒng)用戶同時接收GNSS衛(wèi)星的定位信息得到各自偽距、載波相位等觀測信息和衛(wèi)星星歷。部分基準(zhǔn)站可根據(jù)需要安裝氣象儀器，接收氣溫、氣壓和相對濕度等氣象信息； 第二步計算基準(zhǔn)站網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)中心接收基準(zhǔn)站網(wǎng)傳送來的觀測數(shù)據(jù)，首先對其進(jìn)行儲存，然后進(jìn)行處理。對于每一個基準(zhǔn)站，都可以建立如下L1和L2頻率的非差偽距觀測方程 其中ρ為偽距觀測量；R為衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的接收機(jī)的幾何距離；I為電離層折射常數(shù)；f為相應(yīng)載波頻率；T為接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差等與頻率無關(guān)系統(tǒng)誤差；ε為觀測噪聲。若系統(tǒng)衛(wèi)星提供更多頻率數(shù)據(jù)，則可得到與方程(1)或(2)類似的相應(yīng)頻率觀測方程。當(dāng)基準(zhǔn)站觀測了n(n≥4)顆GNSS衛(wèi)星，就可得到2n個上述觀測方程。由于基準(zhǔn)站衛(wèi)星的位置是精確已知的，衛(wèi)星的位置也是已知的，所以R是可以計算出來的，所以可以得到基準(zhǔn)站網(wǎng)的發(fā)散誤差和非發(fā)送誤差，即方程(1)和(2)等號右邊的第二和第三項?；诜匠?1)和(2)得到相關(guān)系統(tǒng)誤差，稱為非差相關(guān)系統(tǒng)誤差。
若在所有觀測衛(wèi)星中選擇一顆參考衛(wèi)星(假設(shè)為p)，并與另外一顆衛(wèi)星(假設(shè)為q)的非差偽距觀測方程之間求差，可消除接收機(jī)鐘差影響，并消弱其它相關(guān)系統(tǒng)誤差影響，得到如下的單差偽距觀測方程 其中Δ(*)pq為單差運算符，有Δ(*)pq＝(*)p-(*)q。由方程(3)和(4)可得到基準(zhǔn)站網(wǎng)的單差相關(guān)系統(tǒng)誤差。
若在所有基準(zhǔn)站中選擇一個參考基準(zhǔn)站(假設(shè)為i)，并與另外一個基準(zhǔn)站(假設(shè)為j)的單差偽距觀測方程進(jìn)一步求差，可進(jìn)一步消除衛(wèi)星鐘差影響，并且進(jìn)一步消弱其它相關(guān)系統(tǒng)誤差影響，得到如下的雙差偽距觀測方程 其中

為雙差運算符，有由方程(5)和(6)可得到基準(zhǔn)站網(wǎng)的雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差。
需要說明的是上述非差、單差和雙差三種定位模式，在實際使用時任選一種，只要與后面的用戶定位模式一致或兼容即可。這里的兼容指的是求差之前的兼容求差之后的，反過來則不兼容。具體地說是非差相關(guān)系統(tǒng)誤差可用于非差、單差和雙差用戶定位模式；單差相關(guān)系統(tǒng)誤差可用于單差和雙差用戶定位模式；而雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差只能用于雙差用戶定位模式。
第三步估算用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差。由于用戶與基準(zhǔn)站網(wǎng)同步觀測GNSS衛(wèi)星定位信息，因此可以得到與方程(1)和(2)類似的非差偽距觀測方程，或者與方程(3)和(4)類似的單差偽距觀測方程，再或者與方程(5)和(6)類似的雙差偽距觀測方程。與第二步不同的是由于用戶坐標(biāo)未知，所以這里的R為未知量。當(dāng)選用了與基準(zhǔn)站網(wǎng)一致的定位模式后，便可根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差估算用戶處的相關(guān)系統(tǒng)誤差，這里使用的主要是內(nèi)插/外推算法，由于涉及具體算法多種多樣，有線性內(nèi)插、曲面擬合、最小二乘配置等，并且都很成熟，可根據(jù)具體的使用情況進(jìn)行選擇，如基準(zhǔn)站的數(shù)量和計算量大小。這里給出一個內(nèi)插/外推用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的概括公式 其中

為用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的估值；a0，a1，...an為內(nèi)插系數(shù)；B1，B2，...Bn為與所選定位模型相一致的基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差。
該步的計算可由系統(tǒng)中心完成，也可由用戶完成，這與用戶是采用雙向通信還是單向通信有關(guān)。當(dāng)用戶采用雙向通信模式，則用戶在第一步完成后，需進(jìn)行單點定位，得到用戶當(dāng)前的概略位置，并將概略位置或連同觀測信息發(fā)送到系統(tǒng)中心，然后由系統(tǒng)中心完成上述的第三步工作內(nèi)容，得到當(dāng)前用戶的相關(guān)系統(tǒng)誤差，并將其連同其它基準(zhǔn)站信息(與用戶定位模式有關(guān))發(fā)送給用戶；若用戶采用單向通信模式，即只接收信息，則系統(tǒng)中心將第二步得到的基準(zhǔn)站網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)誤差信息連同基準(zhǔn)站坐標(biāo)等信息一起發(fā)送給用戶，由用戶完成上述的第三步工作內(nèi)容。這兩種通信模式各有優(yōu)缺點前一種優(yōu)點是數(shù)據(jù)通信量少，用戶端計算量少，甚至不需要計算。缺點是用戶設(shè)備要求具備收發(fā)功能，并且理論上系統(tǒng)用戶有數(shù)量限制；與前一種相反，后一種的優(yōu)點是系統(tǒng)用戶數(shù)量無限，設(shè)備簡單，只需接收信息，不需發(fā)送信息。缺點是數(shù)據(jù)傳輸量較大，用戶的計算量較大。實際應(yīng)用時，可根據(jù)具體情況選擇適合的通信模式。
第四步計算用戶的精確三維位置。將用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差用第三步中的估值進(jìn)行改正，以用戶采用雙差定位模式為例，可得到如下的觀測方程 其中下標(biāo)u表示用戶站；e為殘余系統(tǒng)誤差；其它符號含義同前面。當(dāng)忽略殘余系統(tǒng)誤差和觀測噪聲的影響，最終只剩下用戶的三維坐標(biāo)是未知的。然后取用戶的坐標(biāo)初值，并在初值處按泰勒級數(shù)展開，即線性化。通過對觀測方程組進(jìn)行最小二乘解算，可得到用戶初值的改正值，對用戶初值進(jìn)行改正，最終得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。若用戶初值取的不夠準(zhǔn)確，該步中的過程可以進(jìn)行迭代，一般1～2次即可收斂。
在上述方法流程中，網(wǎng)絡(luò)差分的算法根據(jù)所采用的定位模型和通信模式不同，其形式會有所不同，但其實質(zhì)都是利用基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位誤差估算用戶站的定位誤差，然后消除/消弱用戶站的定位誤差，提高用戶的定位精度。因此其算法和流程也大同小異。
另外，為了提高偽距觀測值的精度，可先使用相應(yīng)的載波相位觀測值對偽距進(jìn)行平滑，然后再代入上述相應(yīng)公式中，可得到更好的定位效果。
需要說明的是，網(wǎng)絡(luò)差分與網(wǎng)絡(luò)RTK的系統(tǒng)構(gòu)成可以完全一樣，但二者的最大區(qū)別在于網(wǎng)絡(luò)差分是以偽距觀測值(C/A碼、P碼)為主，以載波相位觀測值為輔，甚至在特定要求下可以不考慮相位因素；而網(wǎng)絡(luò)RTK則是以載波相位觀測值為主，以偽距觀測值為輔。這也就是說，網(wǎng)絡(luò)差分不需要解算整周模糊度，因此其數(shù)據(jù)的計算處理要簡單得多，而網(wǎng)絡(luò)RTK因需要進(jìn)行復(fù)雜的相位處理則相對要復(fù)雜的多。同時，與網(wǎng)絡(luò)RTK相比網(wǎng)絡(luò)差分的基準(zhǔn)站的有效距離可以更大，有效作用范圍可以更遠(yuǎn)，因此還具有建站投資少，適用范圍廣的優(yōu)點。但作為以偽距觀測值為主的代價就是實時/快速定位精度沒有網(wǎng)絡(luò)RTK的高，難以達(dá)到厘米級。但對于遠(yuǎn)海測繪中，只要能滿足1∶10000和1∶5000比例尺地形圖測繪控制點要求，就可發(fā)揮重要作用。
另外，對于GLONASS和Galileo等其它GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)，與GPS類似，也可以采用類似的定位方法。我國的北斗定位系統(tǒng)也將在I代的基礎(chǔ)上升級完善，最終實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的兼容。至于系統(tǒng)間的部分差異并不影響所述方法的使用，例如GLONASS采用的頻分多址(FDMA)技術(shù)與GPS采用的碼分多址(CDMA)技術(shù)之間的差異。總之，只要可以得到定位衛(wèi)星的偽距觀測量和載波相位觀測量以及衛(wèi)星星歷等必要信息，即可使用上述方法進(jìn)行遠(yuǎn)距離高精度實時/快速用戶定位。
由于GPS連續(xù)運行站在我國逐步建立，并開始得到廣泛應(yīng)用，因而對于距離基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)，且位于基準(zhǔn)站網(wǎng)一側(cè)的情況下，例如遠(yuǎn)洋、沙漠、戈壁等建立基準(zhǔn)站不易的情況下，本發(fā)明給出了一種基于GNSS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)差分方法，通過該方法可實現(xiàn)諸如遠(yuǎn)海的高精度實時/快速GNSS衛(wèi)星定位。最后，通過實驗也證明在基準(zhǔn)站距離200～300公里的情況下，用戶在距離基準(zhǔn)站網(wǎng)400公里一側(cè)的范圍內(nèi)，采用雙頻機(jī)可實現(xiàn)優(yōu)于2m的實時高精度定位，觀測20分鐘可到達(dá)優(yōu)于0.5米的定位精度。
驗證時，選取了3個運行中的基準(zhǔn)站構(gòu)成了站間距離二百多公里的條狀基準(zhǔn)站網(wǎng)，并在距離此基準(zhǔn)站網(wǎng)300～400公里的A地和B地設(shè)立用戶站即用戶終端，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)差分實時動態(tài)和靜態(tài)實驗；驗證示意圖如圖3所示。
1動態(tài)實驗 動態(tài)實驗是將流動站設(shè)于汽車頂部，從C地沿高速公路經(jīng)過A地到達(dá)B地，然后再按原路返回。往返時間大約3.5小時，數(shù)據(jù)采樣率為1Hz。按上述算法對動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，流動站的動態(tài)軌跡如圖4所示，其中橫坐標(biāo)表示東方向，縱坐標(biāo)表示北方向，單位為米。
2靜態(tài)實驗 由于動態(tài)實驗難以測試用戶的定位精度，因此實驗期間分別在A地和B地進(jìn)行了3次靜態(tài)定位實驗(參見圖3)，每次實驗時間約2小時，采樣率1Hz，衛(wèi)星高度截止角13°。
(1)動態(tài)處理模式 數(shù)據(jù)采集后，首先將用戶站即用戶終端和3個基準(zhǔn)站的靜態(tài)數(shù)據(jù)用GAMIT軟件進(jìn)行精確處理，可得到用戶站的精確坐標(biāo)(精度1～2cm)，作為用戶站的真值；然后將靜態(tài)數(shù)據(jù)按上述算法進(jìn)行實時動態(tài)處理，定位結(jié)果與已知真值進(jìn)行比較，可得實時定位誤差。對這3個站的動態(tài)定位結(jié)果進(jìn)行概率統(tǒng)計分析，可得各測站實時動態(tài)定位誤差的RMS(Root-Mean-Square)值，如表1所示。為了便于分析和應(yīng)用，同時將北分量誤差和東分量誤差轉(zhuǎn)換為水平方向誤差，列于表1的最后一列。并且以B地的第一個站B1為例，給出各分量動態(tài)定位誤差變化圖，如圖5所示。為了顯示真實的網(wǎng)絡(luò)差分后定位情況，結(jié)果未采用任何濾波處理。其中橫坐標(biāo)表示時間，單位為分鐘；縱坐標(biāo)表示各分量實時定位誤差值，單位為米。其余2個站的結(jié)果與圖5類似，這里不再給出。
表1實時動態(tài)定位誤差表(單位米) (2)靜態(tài)處理模式 為了測試網(wǎng)絡(luò)差分在靜態(tài)，特別是快速靜態(tài)中的定位精度，對上述3站的靜態(tài)數(shù)據(jù)采用靜態(tài)模式進(jìn)行處理，并與真值比較，可得靜態(tài)定位精度。同樣以B1站為例，給出其靜態(tài)定位各分量精度變化情況，如圖6所示。其中橫坐標(biāo)表示時間，單位為分鐘；縱坐標(biāo)表示靜態(tài)定位誤差值，單位為米。
為了更全面地分析靜態(tài)情況下的定位精度收斂情況，將3個靜態(tài)站的2小時觀測數(shù)據(jù)分為4個測段，分別采用靜態(tài)模式進(jìn)行處理，給出這些站不同時間的定位精度，結(jié)果如表2所示。為了便于分析和應(yīng)用，表2直接給出了不同定位時間水平和垂直方向的定位誤差。
表2靜態(tài)定位精度隨時間變化表(單位米)

需要說明的是①表2中的結(jié)果不是指定收斂時間結(jié)束時的真實誤差，而是從收斂時間結(jié)束開始到測段結(jié)束這段時間內(nèi)的最大誤差。例如表2中B1的第1測段的垂直分量精度(參見圖6c)，它收斂到5分鐘時的真實誤差為+0.15米，這樣的精度具有一定的偶然性，所以取的是從5分鐘到120分鐘這段時間內(nèi)的最大誤差，即50分鐘時的-0.46米。②個別時段由于衛(wèi)星分布較差，可能造成收斂較慢的情況，如A站的第1測段的垂直方向。
通過上述的實驗結(jié)果，可以得出在用戶距離基準(zhǔn)站網(wǎng)三百多公里的極其不利情況下，用戶站的實時定位結(jié)果的水平和垂直分量精度(RMS)都優(yōu)于2米；在快速靜態(tài)定位情況下，5分鐘水平方向精度可達(dá)到1米(最大值)，平均0.61米；20分鐘可優(yōu)于0.5米(最大值)，平均0.29米，且已基本穩(wěn)定。
本發(fā)明對網(wǎng)絡(luò)差分方法及系統(tǒng)構(gòu)成和算法模型進(jìn)行了說明，并以遠(yuǎn)海測繪的實際情況為例，即基準(zhǔn)站距離200～300公里，且為條狀分布；用戶站距離基準(zhǔn)站網(wǎng)300～400公里，且位于條狀基準(zhǔn)站網(wǎng)的一側(cè)，進(jìn)行了實驗。通過實測驗證，可得如下的結(jié)論在上述條件下， ●實時定位結(jié)果的水平和垂直分量精度(RMS)都優(yōu)于2米； ●快速靜態(tài)定位結(jié)果的水平分量精度最大值5分鐘優(yōu)于1米(平均0.61米)；20分鐘可優(yōu)于0.5米(平均0.29米)，可分別滿足遠(yuǎn)海1∶10000和1∶5000比例尺測圖控制點要求； ●快速靜態(tài)觀測一般20分鐘即可收斂，時間再長對精度提高效果不明顯。
因此本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)差分方法具有定位精度高、覆蓋范圍廣、使用方便等優(yōu)點，適合特殊情況下的高精度實時/快速定位應(yīng)用，對特殊應(yīng)用類型的作業(yè)設(shè)計、系統(tǒng)建設(shè)和用戶使用都具有一定的參考作用。除此之外，也可廣泛應(yīng)用于海洋測繪、航道測量、航道疏浚、航標(biāo)定位、海洋資源勘探、海上救助、海洋漁業(yè)等其它海上作業(yè)。
本文所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)以及更新等等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的定位系統(tǒng)，其特征在于，包括GNSS衛(wèi)星、基準(zhǔn)站網(wǎng)、系統(tǒng)中心、系統(tǒng)用戶終端和通信鏈路組成，其中
GNSS衛(wèi)星，用于向系統(tǒng)用戶終端和基準(zhǔn)站網(wǎng)中的基準(zhǔn)站發(fā)送定位信息，所述定位信息包括偽距信息及星座信息；
所述基準(zhǔn)站網(wǎng)，包括至少3個基準(zhǔn)站，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息，并將所述包含偽距的定位信息通過通信鏈路發(fā)送給系統(tǒng)中心；
系統(tǒng)中心，用于接收基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站的定位信息，并根據(jù)其中的偽距信息以及基準(zhǔn)站的實際位置數(shù)據(jù)獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差；根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差通過內(nèi)插/外推方法得到用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差；用于接收用戶終端的定位信息，根據(jù)其中的偽距信息以及用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差獲得用戶終端的準(zhǔn)確位置信息；
用戶終端，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息，并將所述包含偽距的定位信息通過通信鏈路發(fā)送給系統(tǒng)中心，從系統(tǒng)中心接收用戶終端的準(zhǔn)確位置信息。
2、如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
所述定位信息進(jìn)一步包括載波相位。
3、如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
所述系統(tǒng)中心，根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用非差偽距觀測方程、或單差偽距觀測方程、或雙差偽距觀測方程得到，所得相關(guān)系統(tǒng)誤差分別為非差相關(guān)系統(tǒng)誤差、或單差相關(guān)系統(tǒng)誤差、或雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差，所述相關(guān)系統(tǒng)誤差包括頻率相關(guān)誤差和頻率無關(guān)誤差。
4、如權(quán)利要求3所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
所述系統(tǒng)中心根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差通過內(nèi)插/外推方法得到用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，所述非差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于非差、單差和雙差用戶定位模式；單差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于單差和雙差用戶定位模式；雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于雙差用戶定位模式。
5、如權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
所述內(nèi)插/外推算法是線性內(nèi)插、或曲面擬合、或最小二乘法；
所述系統(tǒng)中心利用所述內(nèi)插/外推法獲得的用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的概括公式為
其中，
為用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的估值；a0，a1，...an為內(nèi)插/外推系數(shù)；B1，B2，...Bn為與所選定位模型相一致的基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差。
6、如權(quán)利要求4所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
若用戶采用雙差定位模式，則系統(tǒng)中心根據(jù)所得用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差得到如下的觀測方程，利用所述雙差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置
其中，下標(biāo)u表示用戶站；e為殘余系統(tǒng)誤差，忽略殘余系統(tǒng)誤差和觀測噪聲ε的影響，取用戶的坐標(biāo)初值，并在初值處按泰勒級數(shù)展開即線性化，通過對觀測方程組進(jìn)行最小二乘解算，得到用戶初值的改正值，對用戶初值進(jìn)行改正，最終得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。
7、如權(quán)利要求2所述的定位方法，其特征在于
所述系統(tǒng)中心進(jìn)一步還利用載波相位觀測值對于基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站及用戶的偽距進(jìn)行平滑。
8、一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的定位系統(tǒng)，其特征在于，包括GNSS衛(wèi)星、基準(zhǔn)站網(wǎng)、系統(tǒng)中心、系統(tǒng)用戶終端和通信鏈路組成，其中
GNSS衛(wèi)星，用于向系統(tǒng)用戶終端和基準(zhǔn)站網(wǎng)中的基準(zhǔn)站發(fā)送定位信息，所述定位信息包括偽距信息及星座信息；
所述基準(zhǔn)站網(wǎng)，包括至少3個基準(zhǔn)站，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息，并將所述包含偽距的定位信息通過通信鏈路發(fā)送給系統(tǒng)中心；
系統(tǒng)中心，用于接收基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站的定位信息，并根據(jù)其中的偽距信息以及基準(zhǔn)站的實際位置數(shù)據(jù)獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差，將所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差發(fā)送給用戶終端；
用戶終端，用于接收GNSS系統(tǒng)定位信息及所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差，根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差通過內(nèi)插/外推方法得到用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差；用于根據(jù)用戶終端的定位信息中的偽距信息以及用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差獲得用戶終端的準(zhǔn)確位置信息。
9、如權(quán)利要求8所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
所述定位信息進(jìn)一步包括載波相位。
10、如權(quán)利要求8所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
所述系統(tǒng)中心，根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用非差偽距觀測方程、或單差偽距觀測方程、或雙差偽距觀測方程得到，所得相關(guān)系統(tǒng)誤差分別為非差相關(guān)系統(tǒng)誤差、或單差相關(guān)系統(tǒng)誤差、或雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差，所述相關(guān)系統(tǒng)誤差包括頻率相關(guān)誤差和頻率無關(guān)誤差。
11、如權(quán)利要求10所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
所述用戶終端，根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差通過內(nèi)插/外推方法得到用戶終端的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，所述非差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于非差、單差和雙差用戶定位模式；單差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于單差和雙差用戶定位模式；雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于雙差用戶定位模式。
12、如權(quán)利要求11所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
所述內(nèi)插/外推算法是線性內(nèi)插、或曲面擬合、或最小二乘法；
所述用戶終端利用所述內(nèi)插/外推法獲得的用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的概括公式為
其中，
為用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的估值；a0，a1，...an為內(nèi)插/外推系數(shù)；B1，B2，...Bn為與所選定位模型相一致的基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差。
13、如權(quán)利要求12所述的定位系統(tǒng)，其特征在于，
若用戶采用雙差定位模式，則所述用戶終端根據(jù)所得用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差得到如下的觀測方程，利用所述雙差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置
其中，下標(biāo)u表示用戶站；e為殘余系統(tǒng)誤差，忽略殘余系統(tǒng)誤差和觀測噪聲ε的影響，取用戶的坐標(biāo)初值，并在初值處按泰勒級數(shù)展開即線性化，通過對觀測方程組進(jìn)行最小二乘解算，得到用戶初值的改正值，對用戶初值進(jìn)行改正，最終得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。
14、如權(quán)利要求9所述的定位方法，其特征在于
所述系統(tǒng)中心和用戶終端進(jìn)一步還用于利用載波相位觀測值對于基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站及用戶的偽距進(jìn)行平滑。
15、一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的定位方法，其特征在于，包括如下步驟
A、由系統(tǒng)用戶終端和基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站接收GNSS衛(wèi)星的定位信息，所述定位信息包括偽距和衛(wèi)星星歷；
B、根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差；
C、根據(jù)所述基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差利用內(nèi)插/外推算法估算得到用戶處的相關(guān)系統(tǒng)誤差；
D、根據(jù)用戶終端的定位信息中的偽距，利用所述用戶處的相關(guān)系統(tǒng)誤差，從偽距中獲得所述用戶終端的實際位置信息。
16、如權(quán)利要求15所述的定位方法，其特征在于
所述定位信息進(jìn)一步還包括載波相位。
17、如權(quán)利要求15所述的定位方法，其特征在于
步驟B中，所述根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用非差偽距觀測方程得到，對每一基準(zhǔn)站的每一頻率建立非差偽距觀測方程如下
其中，ρ為偽距觀測量；R為衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的接收機(jī)的幾何距離；I為電離層折射常數(shù)；f為相應(yīng)載波頻率，L1和L2為對應(yīng)的兩個頻率；T為包括接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差的與頻率無關(guān)的系統(tǒng)誤差；ε為觀測噪聲。
18、如權(quán)利要求17所述的定位方法，其特征在于
步驟B中，所述根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用單差偽距觀測方程得到，在所有觀測衛(wèi)星中選擇一顆參考衛(wèi)星p，并與另外一顆衛(wèi)星q的非差偽距觀測方程之間求差，對每一基準(zhǔn)站的每一頻率建立單差偽距觀測方程如下
其中，Δ(*)pq為單差運算符，有Δ(*)pq＝(*)p-(*)q，ρ為偽距觀測量；R為衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的接收機(jī)的幾何距離；I為電離層折射常數(shù)；f為相應(yīng)載波頻率，L1和L2為對應(yīng)的兩個頻率；T為包括接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差的與頻率無關(guān)的系統(tǒng)誤差；ε為觀測噪聲。
19、如權(quán)利要求18所述的定位方法，其特征在于
步驟B中，所述根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的定位信息中的偽距ρ，利用基準(zhǔn)站網(wǎng)中基準(zhǔn)站的實際位置信息R，從偽距中獲得基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差時，是利用雙差偽距觀測方程得到，在所有觀測衛(wèi)星中選擇一顆參考衛(wèi)星p，并與另外一顆衛(wèi)星q的非差偽距觀測方程之間求差，對每一基準(zhǔn)站的每一頻率建立單差偽距觀測方程，若在所有基準(zhǔn)站中選擇一個參考基準(zhǔn)站i，并與另外一個基準(zhǔn)站j的單差偽距觀測方程進(jìn)一步求差，得到如下的雙差偽距觀測方程
其中，
為雙差運算符，ρ為偽距觀測量；R為衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的接收機(jī)的幾何距離；I為電離層折射常數(shù)；f為相應(yīng)載波頻率，L1和L2為對應(yīng)的兩個頻率；T為包括接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差的與頻率無關(guān)的系統(tǒng)誤差；ε為觀測噪聲。
20、如權(quán)利要求17至19中任一項所述的定位方法，其特征在于
步驟C中，所述非差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于非差、單差和雙差用戶定位模式；單差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于單差和雙差用戶定位模式；雙差相關(guān)系統(tǒng)誤差用于雙差用戶定位模式。
21、如權(quán)利要求20所述的定位方法，其特征在于
步驟C中，所述內(nèi)插/外推算法是線性內(nèi)插、或曲面擬合、或最小二乘法；
利用所述內(nèi)插/外推法獲得的用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的概括公式為
其中，
為用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差的估值；a0，a1，...an為內(nèi)插/外推系數(shù)；B1，B2，...Bn為與所選定位模型相一致的基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)誤差。
22、如權(quán)利要求21所述的定位方法，其特征在于
步驟D中，若用戶采用雙差定位模式，則根據(jù)步驟C中所得用戶相關(guān)系統(tǒng)誤差得到如下的觀測方程，利用所述雙差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置
其中，下標(biāo)u表示用戶站；e為殘余系統(tǒng)誤差，忽略殘余系統(tǒng)誤差和觀測噪聲ε的影響，取用戶的坐標(biāo)初值，并在初值處按泰勒級數(shù)展開即線性化，通過對觀測方程組進(jìn)行最小二乘解算，得到用戶初值的改正值，對用戶初值進(jìn)行改正，最終得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。
23、如權(quán)利要求22所述的定位方法，其特征在于
若用戶初值取的不夠準(zhǔn)確時，進(jìn)一步對步驟D進(jìn)行迭代運算。
24、如權(quán)利要求21所述的定位方法，其特征在于
步驟D中，若用戶采用非差定位模式，則根據(jù)步驟C中所得用戶非差相關(guān)系統(tǒng)誤差，利用所述非差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置；
若用戶采用單差定位模式，則根據(jù)步驟C中所得用戶單差或非差相關(guān)系統(tǒng)誤差，利用所述單差觀測方程進(jìn)行改正，獲得精確三維位置。
25、如權(quán)利要求15所述的定位方法，其特征在于
步驟A中進(jìn)一步包括利用載波相位觀測值對于基準(zhǔn)站網(wǎng)的基準(zhǔn)站及用戶的偽距進(jìn)行平滑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于GNSS衛(wèi)星的定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，其中方法包括在定位區(qū)域或周邊建立稀疏連續(xù)運行衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站網(wǎng)，基準(zhǔn)站進(jìn)行連續(xù)高采樣率觀測，將觀測數(shù)據(jù)通過通信鏈路傳輸?shù)较到y(tǒng)中心；然后系統(tǒng)中心通過對基準(zhǔn)站網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得高精度實時相關(guān)系統(tǒng)誤差改正信息；最后根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的相關(guān)誤差內(nèi)插/外推用戶的相關(guān)系統(tǒng)誤差，并進(jìn)行相關(guān)改正和處理，得到用戶的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。本發(fā)明具有定位精度高、覆蓋范圍廣、使用方便等優(yōu)點，適合特殊情況下的高精度實時/快速定位應(yīng)用。
文檔編號G01S19/42GK101295014SQ200810111939
公開日2008年10月29日 申請日期2008年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月19日
發(fā)明者高星偉, 陳俊勇, 過靜珺, 程鵬飛 申請人:中國測繪科學(xué)研究院