专利名称：连续运行参考站系统站间整周模糊度网络固定方法
技术领域：
本发明涉及GNSS网络差分定位系统中参考站间基线整周模糊度网络解算方法，尤其涉及连续运行参考站(CORS)系统站间整周模糊度网络固定方法，属于GNSS网络差分定位领域。

背景技术：
GNSS网络差分定位技术是目前卫星定位领域的热门技术，广泛应用于测绘及国土资源调查等行业，以虚拟参考站技术(VRS)为代表的网络差分技术兴起，使得建立参考站网络式GPS服务体系成为当前GPS技术应用发展的最新趋势。VRS技术作为多参考站环境下的GPS实时动态定位技术，是集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络技术以及GPS技术为一体的网络RTK定位技术，也是当前应用最广、最成功的代表性高新技术成果，VRS技术体系代表了常规RTK之后新一代定位技术的发展方向。
参考站间基线整周模糊度的在线固定是实现VRS技术的前提。随着参考站间基线距离的增长，系统误差相关性减弱甚至消失，双差观测值中的系统误差残差迅速增大，导致难以正确确定整周模糊度，使得定位精度下降，因而参考站间中长基线整周模糊度的在线固定是制约VRS/RTK实时性、可靠性的重要技术问题。国内外许多学者对中长基线模糊度解算方法开展了许多研究工作，主要有以下一些方法1、高星伟提出了参考站间的单历元整周模糊度搜索法(高星伟，2002)，该方法的主要思想是不解方程组，直接利用测站坐标已知、模糊度为整数和双频整周模糊度之间的线性关系这三个条件进行搜索，但其原理并不完善、可靠，故该方法没得到广泛应用；2、周乐韬的快速整周模糊度解算是另一种有效的长基线模糊度固定方法(周乐韬，2006)，其解算思路是使用并行滤波和扩波技术(Sun，1999；Chen，2000)先对宽巷模糊度和电离层无关模糊度并行进行卡尔曼滤波，由于宽巷的长波特性，滤波过程中必然先得到求解，再将其作为已知值代入电离层无关组合，使电离层无关组合波长由0.006m扩大到0.107m，最后通过对天顶对流层延迟湿分量的估计和对L1模糊度的整数估计来固定模糊度并计算参数固定解，但这种方法对于卡尔曼滤波中模型参数要求极高。


发明内容
本发明针对现有技术之不足，提出了一种快速且易于工程实现的参考站间基线整周模糊度网络解算方法即连续运行参考站系统站间整周模糊度网络固定方法，该方法的技术方案是 连续运行参考站系统站间整周模糊度网络固定方法，其特征在于首先利用载波与伪距的线性组合求解宽巷模糊度浮点解，根据宽巷模糊度的长波特性，通过多历元求解平均值确定宽巷模糊度整数解，即宽巷整周模糊度；然后通过Neill模型估计对流层延迟干湿分量，采用电离层无关组合分离出L1载波双差模糊度，继而确定L2载波双差模糊度；最后进行整周模糊度解算的正确性检验。
具体可按以下步骤 (1)各个参考站连续采集观测数据，并实时传输到中心服务器，对应添加到各条基线两端的基站中，即输入了L1，L2载波相位观测值，P1，P2伪距观测量等信息。
(2)宽巷整周模糊度的快速固定。利用双频相位观测值可以有效地消除电离层的影响，而通过差分技术可以消除接收机钟差、卫星钟差的影响，同时在很大程度上削弱轨道偏差和大气延迟偏差的影响(较短基线甚至可忽略)。宽巷整周模糊度的固定主要采用两种方法一种是宽巷组合定义求解法，即根据宽巷组合观测值的定义直接求解，解算结果主要受大气误差的影响，适用于基线长30～50km；另一种是双频P码和相位观测值线性组合法，解算结果主要受伪距精度的影响，适用于基线长度为50～100km。本发明能够根据工程应用中基线长度选择解算方法，以快速固定宽巷整周模糊度。
1)宽巷组合定义求解法 根据双频宽巷组合观测值的定义，可以把宽巷模糊度表示成
式中，

为双差算子；Nw为宽巷模糊度；

和

分别为L1、L2波段载波相位观测值；f1、f2为L1、L2波段的频率；λw＝c/(f1-f2)为宽巷观测值的波长；ρ，O，T，I，M，ε分别为卫地距、轨道误差、对流层延迟、电离层延迟、多路径效应及观测噪声。
在连续运行参考站(CORS)网络中，卫星轨道误差和多路径效应影响可忽略不计，卫地距可以精确计算得到，故在上式中，

主要受电离层与对流层的双差残差影响。由于双差对流层主要受基线长度以及卫星高度角大小的影响，即随着基线长度的增大而增大，随卫星高度角的增大而减小，特别是低高度角卫星双差对流层延迟急剧增大。因此，当基线长度在一定范围内，通过设定卫星截止高度角10～20°，再考虑到宽巷波长λw＝86.2cm，电离层与对流层的双差残差对宽巷模糊度的影响可控制在半周之内，利用该法单历元即可确定

的值。
2)双频P码和相位观测值线性组合法 由于双频码相关的GPS接收机，不但可以获得载波相位观测值，而且还能获得L1，L2频率上的P码伪距，故可采用双频P码和相位观测值的线性组合法求解宽巷模糊度
式中P1，P2分别为L1、L2波段P码伪距值。可以看出，上式消除了电离层对流层以及几何卫地距影响，忽略多路径效应，上式仅受残余双差观测噪声的影响。虽然伪距噪声比载波相位影响大得多，但由于宽巷组合的长波特性，伪距噪声得到有效抑制。
由于伪距噪声的影响，根据上式只利用单历元观测值很难正确固定出宽巷模糊度

在参考站网络中，采样间隔很短，为了准确地固定宽巷模糊度，本发明根据噪声的偶然误差特性，综合多历元观测数据进行求解。
(3)L1、L2双差模糊度解算。在双差宽巷模糊度确定之后，利用与电离层无关的线性组合，同时采用Neill模型估计对流层延迟干湿分量，通过序贯最小二乘条件平差快速固定L1双差整周模糊度，继而确定L2双差整周模糊度。并充分利用GNSS网络差分定位系统基准站网的拓扑关系，检核L1、L2双差模糊度整数解的准确性，从而提高双差模糊度解算的成功率。
采用电离层无关线性组合确定

即
式中，

为双差算子；

为无电离层延迟组合观测值，ρ为站星距，O为轨道误差，T为对流层延迟，顾及窄巷观测值波长λn＝c/(f1+f2)及根据宽巷模糊度定义有
由于在参考站网络中，卫星轨道误差和多路径效应影响可忽略不计，卫地距可以精确计算得到，

精确求出后，上式中确定

的主要影响源来自对流层的双差残差。因对流层的影响与卫星高度角相关，为此引入映射函数，将其表示为天顶延迟和关于卫星高度角的映射函数的乘积，故可将L1载波的双差模糊度

作为待估参数，天顶对流层延迟ZD可由Neill模型得到其初值，按下式计算
式中，MF(·)为对流层映射函数；λn，λw分别是窄巷和宽巷观测的波长；

为无电离层组合；

为宽巷模糊度；f1，f2为L1和L2的频率；

是双差卫地距；p，q为参考站编号；k+1为观测卫星数。
对于上式的解算，本发明采用序贯平差进行L1载波双差模糊度

的解算，序贯平差解算方法。
设在tk历元，有m+1个卫星，有nk×1观测向量Lk，相应的协方差矩阵为Qk，权矩阵为

在tk-1历元获得模型参数向量估计值

相应的协方差矩阵为Qk-1，误差方程为 式中

为nk×(m+2)设计矩阵；

为nk×1观测矩阵； 为(m+2)×1状态估计向量； 解算过程如下 初始值为 通过上述序贯平差法，即可确定L1双差模糊度
L2双差模糊度 (4)模糊度正确性的网络检验。鉴于参考站网络的特点，可以通过参考站网络多基线组合检验模糊度正确性。此种检验方法跟网络差分系统软件实现时内部构网算法有密切关系，本发明采用Delaunay三角网作为基准站网络。
采用Delaunay三角网时，以三角形为基本解算单元，三条基线选取相同的参考卫星进行双差组合，则对于网络内任意解算单元的三条基线而言，它们的相应模糊度都存在以下关系(以ABC构成的解算单元Cel_ABC为例) 本发明的优点及有益效果 (1)本发明可以用于CORS系统中Network RTK技术的实现，即可以实时解算参考站间的整周模糊度，从而为生成虚拟观测值或改正数作准备。
(2)本发明也是事后基线解算软件的核心算法。



图1是本发明中参考站间基线整周模糊度网络解算方法流程图； 图2是本发明中基准站网络示意图； 图3是本发明中实验基准站网络示意图； 图4是本发明中宽巷组合定义求解法求解宽巷模糊度单历元解结果图； 图5是本发明中双频P码和相位观测值线性组合法求解宽巷模糊度单历元值与多历元平均值示意图； 图6是本发明中采用电离层无关组合求解L1双差模糊度示意图。

具体实施例方式 参看图1，本发明中参考站间基线整周模糊度网络解算方法主要按以下流程进行 (1)各个参考站连续采集观测数据，并实时传输到中心服务器，对应添加到各条基线两端的基站中，即输入了包括L1，L2载波相位观测值、P1，P2伪距观测量信息； (2)根据现场实际情况选择以下两种方法解算确定宽巷整周模糊度 1)基线长度为30～50km时，采用宽巷组合定义求解法 2)基线长度为50～100km时，采用双频伪距P码P1、P2和相位观测值线性组合求解法 (3)L1、L2双差模糊度解算 在双差宽巷模糊度确定之后，利用与电离层无关的线性组合，同时采用Neill模型估计对流层延迟干湿分量，通过序贯最小二乘条件平差快速固定L1双差模糊度，继而确定L2双差整周模糊度； (4)L1、L2双差模糊度正确性的网络检验 采用Delaunay三角网时，以三角形为基本解算单元，三条基线选取相同的参考卫星进行双差组合，则对于网络内任意解算单元的三条基线而言，它们的相应模糊度都存在以下关系，满足以下关系L1、L2双差模糊度正确， 若L1、L2双差模糊度满足上式，则L1、L2双差模糊度搜索结束，解算结束；否则，在从(1)开始，即从解算宽巷双差模糊度开始，重新解算。
参看图2，为基准站网络，其中字母A-F代表基准站，按Delaunay三角网构网原则构网，建立CORS网络，根据用户位置确定所在的三角形，从而进行L1、L2双差模糊度正确性的网络检验。
下面使用江苏CORS数据作为算例。实验数据为江苏CORS里的三个站(句容站(BTJR)、扬州站(BFYZ)、扬中站(BTZF))2007年3月6日30min的观测数据，图3为三个站拓扑关系图，其中基线BTJR-BFYZ(长度53353.895m)，基线BFYZ-BTZF(长度43668.153m)，基线BTZF-BTJR(长度70022.556m)。采用本发明提出的方法解算其双差模糊度，并将最后结果与采用高精度Bernese解算软件的解算结果比较。
第一步宽巷模糊度的快速固定，分别采用宽巷组合定义求解法和双频P码和相位观测值线性组合法两种方法求解宽巷模糊度，以基线刚升起的PRN2卫星为例结果如图4、图5所示。
从图4、图5可以看出，宽巷组合定义求解法在卫星高度角很小时单历元解误差较大，随着卫星高度角的变大，解算结果逐渐靠近宽巷模糊度正确整数值。而双频P码和相位观测值线性组合法中组合观测值所有历元的单历元解都在正确整数值上下一周左右范围内波动，跟卫星高度角的变化无关，即采用单历元解无法固定宽巷模糊度值，但通过累计多历元取平均值的方法后，宽巷模糊度随着历元的增多快速趋近于整数值，宽巷模糊度得以固定。
本发明经过大量数据测试发现在基线长度小于50km时适宜采用宽巷组合定义求解法；在基线长度大于50km时宜采用双频P码和相位观测值线性组合法。
第二步L1双差模糊度的确定。为了便于说明L1载波双差模糊度收敛情况，选取PRN 11号卫星的模糊度收敛情况进行显示，PRN 28号卫星作为参考卫星；根据Bernese解算结果，G28-G11CA 00:00:00...01:45:00 float＝14.879 fixed＝15.000 sigma＝0.121num＝421，则PRN 11的L1载波双差模糊度为15。解算结果如图6所示。
从图6可以看出，当次小方差与最小方差ratio＞F分布的值时，PRN 11号卫星双差模糊度固定，固定时间在180s左右，结果与Bernese解算结果一致，完全满足CORS系统相关要求。
第三步模糊度正确性的网络检验。本发明对图3中所示的三条基线进行上述方式的模糊度解算，以PRN 11号卫星为例，L1双差模糊度如下 基线BTJR-BFYZ15 基线BFYZ-BTZF8 基线BTZF-BTJR-23 满足这一检验条件。
权利要求
1.连续运行参考站系统站间整周模糊度网络固定方法，其特征在于首先利用载波与伪距的线性组合求解宽巷模糊度浮点解，根据宽巷模糊度的长波特性，通过多历元求解平均值确定宽巷模糊度整数解，即宽巷整周模糊度；然后通过Neill模型估计对流层延迟干湿分量，采用电离层无关组合分离出L1载波双差模糊度，继而确定L2载波双差模糊度；最后进行整周模糊度解算的正确性检验。
2.根据权利要求1所述连续运行参考站系统站间整周模糊度网络固定方法，具体按以下步骤
(1)各个参考站连续采集观测数据，并实时传输到中心服务器，对应添加到各条基线两端的基站中，即输入了包括L1，L2载波相位观测值、P1，P2伪距观测量信息；
(2)根据现场实际情况选择以下两种方法解算确定宽巷整周模糊度
1)基线长度为30～50km时，采用宽巷组合定义求解法
根据双频宽巷组合观测值的定义，把宽巷模糊度表示成
式中，
为双差算子；Nw为宽巷模糊度；
和
分别为L1、L2波段载波相位观测值；f1、f2为L1、L2波段的频率；λw＝c/(f1-f2)为宽巷观测值的波长；ρ，O，T，I，M，ε分别为卫地距、轨道误差、对流层延迟、电离层延迟、多路径效应及观测噪声；
在连续运行参考站CORS网络中，卫星轨道误差和多路径效应影响忽略不计，卫地距可以精确计算得到，故在上式中，
主要受电离层与对流层的双差残差影响，由于双差对流层主要受基线长度以及卫星高度角大小的影响，即随着基线长度的增大而增大，随卫星高度角的增大而减小，特别是低高度角卫星双差对流层延迟急剧增大，因此，当基线长度在一定范围内，通过设定卫星截止高度角10～20°，再考虑到宽巷波长λw＝86.2cm，电离层与对流层的双差残差对宽巷模糊度的影响可控制在半周之内，利用该法单历元即可确定
的值，即双差宽巷模糊度；
2)基线长度为50～100km时，采用双频伪距P码P1、P2和相位观测值线性组合求解法
由于双频码相关的GPS接收机，不但可以获得载波相位观测值，而且还能获得L1，L2频率上的P码伪距，采用双频P码和相位观测值的线性组合法求解宽巷模糊度
式中P1，P2分别为L1、L2波段P码伪距值；根据噪声的偶然误差特性，采用综合多历元观测数据进行求解；
(3)L1、L2双差模糊度解算
在双差宽巷模糊度确定之后，利用与电离层无关的线性组合，同时采用Neill模型估计对流层延迟干湿分量，通过序贯最小二乘条件平差快速固定L1双差模糊度，继而确定L2双差整周模糊度；
采用电离层无关线性组合确定
，即求解L1双差模糊度
式中，
为双差算子；
为无电离层延迟组合观测值，ρ为站星距，O为轨道误差，T为对流层延迟，顾及窄巷观测值波长λn＝c/(f1+f2)及根据宽巷模糊度定义
有
引入映射函数，将其表示为天顶延迟和关于卫星高度角的映射函数的乘积，将L1的双差模糊度
作为待估参数，天顶对流层延迟ZD可由Neill模型得到其初值，按下式计算
式中，MF(·)为对流层映射函数；λn，λw分别是窄巷和宽巷观测的波长；
为无电离层组合；
为宽巷模糊度；f1，f2为L1和L2的频率；
是双差卫地距；p，q为参考站编号；k+1为观测卫星数；
采用序贯平差进行L1载波双差模糊度
的解算，序贯平差解算方法如下
设在tk历元，有m+1个卫星，有nk×1观测向量Lk，相应的协方差矩阵为Qk，权矩阵为
在tk-1历元获得模型参数向量估计值
相应的协方差矩阵为Qk-1，误差方程为
式中
为nk×(m+2)设计矩阵；
为nk×1观测矩阵；
为(m+2)×1状态估计向量；
解算过程如下
初始值为
通过上述序贯平差法，即可确定L1双差模糊度
L2双差模糊度
(4)L1、L2双差模糊度正确性的网络检验
采用Delaunay三角网时，以三角形为基本解算单元，三条基线选取相同的参考卫星进行双差组合，则对于网络内任意解算单元的三条基线而言，它们的相应模糊度都存在以下关系，满足以下关系L1、L2双差模糊度正确
全文摘要
本发明公开了一种连续运行参考站(CORS)系统站间整周模糊度网络固定方法，首先利用载波与伪距的线性组合求解宽巷模糊度浮点解，根据宽巷模糊度的长波特性，通过多历元求解平均值确定宽巷模糊度整数解；然后通过Neill模型估计对流层延迟干湿分量，采用电离层无关组合分离出L1模糊度，继而确定L2模糊度；最后进行模糊度解算的正确性检验。本发明提出的方法可在短时间固定参考站间基线整周模糊度，快速、稳定而且易于工程实现。
文档编号G01S19/07GK101770033SQ20101010733
公开日2010年7月7日 申请日期2010年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者王庆, 潘树国, 沈雪峰, 邓健, 袁本银, 柯福阳 申请人:东南大学