基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法技术

本发明专利技术提供了一种基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，该方法包括：首先，利用自动下载更新的IGU超快速轨道解算轨道修正信息、钟差修正信息、大气修正信息等。其次，实时RTCM格式数据流解码，接入数据流之后，采用IF模型和MW模型分别解算观测值的修正信息和宽巷模糊度信息。将解算好的修正信息进行合理改造，提取有效小数部分信息进行编码并利用北斗短报文技术播发给用户。流动站在接收到实时数据流的同时接收到北斗短报文数据解码，恢复成有效修正信息。利用IF模型和MW模型利用PPP技术解算流动站实时动态位置，并尝试固定模糊度，提供给用户高精度定位。与现有技术相比，本发明专利技术具有精度高、稳定性强、适用范围广、适合实际应用等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于卫星导航的定位技术，特别是涉及一种基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法。
技术介绍
目前我国的测绘、国土、城建、规划、水利等行业，及国家一些重大工程建设，需要厘米级甚至更高的精确定位，90％以上采用GPS的基准站差分定位技术。一旦GPS停止服务，这些行业和工程将陷入混乱或停顿。特别在战争时期，如果没有独立自主定位系统，其后果更是不堪设想；随着中国自主研发、独立运行的北斗导航卫星系统开始覆盖亚太地区，北斗的应用越来越广泛。然而，目前因北斗卫星数量、地面增强系统建立不完善、分布不均匀。北斗的定位系统还不能提供高精度的定位测高服务，无法满足测绘、工程施工等方面的高精度定位要求，特别在远海区域，如我国的南海诸多区域，受地域及环境限制，常规的差分传输与接收方式、许多陆地上可以解决的方案无法实施。面对目前远海工程项目的不断展开，对北斗高精度的定位需求越来越强烈，通过什么手段、技术来解决北斗高精度定位的难题，如何将其应用于海洋工程施工项目中是我们面临的一大难题。众所周知，影响GPS卫星定位精度的误差主要包括：卫星钟误差、星历误差(轨道误差)、电离层误差、对流层误差等，我们常用的差分模式及精密单点定位(英文缩写为PPP)技术等主要是通过实时或事后消除观测值的误差来提高定位精度的。目前，北斗卫星的单点定位精度都在10米以上，定位精度较低，仅能满足一般船舶的导航服务，对于一些定位精度要求在厘米级的施工及测量作业来说，研究北斗高精度定位新技术是必然趋势。目前北斗还不具有快速预报星历，更谈不上实时精密星历，对于远洋这种没有一定密度分布覆盖参考站网的北斗高精度定位需要发展国际最新的GNSS研究成果，开发采用全球尺度IGS参考站实现北斗精密轨道、钟差的实时确定以及预报，从而实现远洋船舶的精密单点定位软件非常必要。通过北斗卫星系统的信息发送与接收功能进行精密单点定位误差改正数的播发，向观测用北斗卫星终端发送精度较高的卫星钟误差、星历误差(轨道误差)改正值，实现高精度的北斗实时定位，满足日益增长测量定位需求，促进我国海洋产业的快速发展。传统的高精度定位主要是针对GPS展开的，对于远海作业的施工船来讲，GPS单点定位的精度仅能达到10m左右，很难满足高精度导航定位的要求，主要采用差分的方式来解决高精度定位的问题，如常用的伪距差分、载波相位差分、网络差分等主要用于短距离、测范围的测量区域，对差分基准站的距离要求较高，对于距离岸端上千km的远海测量来说，传统的差分模式已不能实施相关的测量定位工作。主要受制于卫星差分传输距离的限制。星站差分的出现是解决远距离差分的一种方式，但使用费用相对较高。精密单点定位是利用全球若干地面跟踪站的GPS观测数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差,对单台GPS接收机所采集的相位和伪距观测值进行定位解算。利用这种预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据；同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据可实现2-4dm级精度的实时动态定位或2-4cm级精度的快速静态定位。根据PPP技术的要求,定位中需要系统提供卫星的精密轨道和钟差。目前,国际GPS服务组织(IGS)的几个数据分析中心具备这个能力提供卫星的精密轨道和钟差,IGS提供的卫星轨道精度能够达到2～3cm,卫星钟差的精度优于0.02ns,这种精度的卫星钟差和轨道,够满足任何精度的定位要求，但这种高精度的产品需要2周的延迟，因此高精度的PPP一般无法实现实时定位。若要实现实时高精度PPP的要求，必须计算高精度的实时卫星轨道和卫星钟差产品，这也是实时PPP的难点，尽管目前GPS卫星快速预报精密星历的精度已到达5cm，但快速预报卫星钟差的精度只有3ns，远大于高精度PPP的要求，因此要实现实时PPP，必须实时计算高精度的卫星轨道和卫星钟差，并发送这些精密轨道和钟差产品给用户，在用户端才能实现高精度PPP定位。实现远洋高精度PPP定位的另一主要问题就是高精度轨道、钟差改正数的超远距离播发，这是无法采用传统的电台或信标机所能实现的。而北斗系统最大的特色在于有源定位和短报文特色服务，不止解决了中国有无卫星导航系统的问题，还能将短信和导航结合，是中国北斗卫星导航系统的独特专利技术，也是一大优势。“短报文”可以发布120个字的信息，并能够定位，在没有通信网络的海洋、沙漠和野外，安装了北斗系统终端的用户可以确定自己的位置，并能够向外界发布文字信息。北斗在传统的定位技术应用方面与GPS具有相同之处，同样也可以采用传统的差分方式来进行精密测量定位，与之相关的定位研究也比较成熟，除了人们常用的差分技术，还诞生有PPK、PPP等定位技术。对于北斗来讲，其通讯功能是我们利用的重点，如果利用北斗卫星的短报文信息传输功能为观测用北斗接收机提供卫星钟差、对流层延迟、电离层延迟及其轨道误差改正数等，同样可以达到厘米级的高精度定位目标。目前，利用北斗卫星短报文传输潮位及船舶信息的研究已经完成，而利用北斗卫星系统传输北斗卫星测量定位所需的、准确的卫星轨道参数、钟差、UDP等方面的研究，国内外鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，能够进行精确的海上定位。为解决上述问题，本专利技术提供一种基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，包括：(a)基准站获取GNSS双频或多频的实时观测数据流并解码，自动下载更新超快速精密轨道；(b)基准站对实时观测数进行数据预处理，剔除其中含有粗差的数据，得到干净的实时观测数据；(c)基准站采用IF模型和MW模型同时对所述干净的实时观测数和超快速精密轨道进行解算，得到轨道信息、钟差信息、大气信息的综合修正信息及宽巷模糊度，并对综合修正信息和宽巷模糊度进行压缩编码，利用北斗短报文技术对所述压缩编码实时播发；(d)流动站接收所述压缩编码及实时观测数据流；(e)流动站对所述压缩编码进行解码，得到所述轨道、钟差、大气的综合修正信息；(f)流动站对接收到的实时观测数据流进行预处理，剔除其中含有粗差的数据，得到干净的实时观测数据；(g)流动站建立IF模型和MW模型，采用所述观测方程对所述综合修正信息和实时观测数据进行解算，得到位置浮点解、浮点IF模糊度以及宽巷模糊度；(h)流动站根据浮点IF模糊度以及宽巷模糊度计算对应窄巷模糊度，并对所述窄巷模糊度进行尝试固定；(h)流动站判断固定是否成功，(i)若固定成功，则输出位置固定解，其中，所述位置固定解是根据对所述窄巷模糊度固定，对所述位置浮点解进行更新得到，若固定不成功，则输出位置浮点解。进一步的，在上述方法中，所述的步骤(b)中，数据预处理包括卫星截止高度角设置、时标校正、相位观测值周跳探测、粗差探测与处理以及卫星和接收机的天线相位中心修正。进一步的，在上述方法中，所述的步骤(c)中：(c1)利用切比雪夫多项式拟合方法，利用卫星三维空间中的离散点，拟合出一条已知的合适的曲线最大限度地逼近这些点，利用切比雪夫参数拟合公式得综合修正信息中的轨道信息：给出采样的数据来拟合出一个逼近函数，并且使其满足在采样点的函数值与真实值间的方差和最小。进一步的，在上述方法中，所述步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，其特征在于，该方法包括：(a)基准站获取GNSS双频或多频的实时观测数据流并解码，自动下载更新超快速精密轨道；(b)基准站对实时观测数进行数据预处理，剔除其中含有粗差的数据，得到干净的实时观测数据；(c)基准站采用IF模型和MW模型同时对所述干净的实时观测数和超快速精密轨道进行解算，得到轨道信息、钟差信息、大气信息的综合修正信息及宽巷模糊度，并对综合修正信息和宽巷模糊度进行压缩编码，利用北斗短报文技术对所述压缩编码实时播发；(d)流动站接收所述压缩编码及实时观测数据流；(e)流动站对所述压缩编码进行解码，得到所述轨道、钟差、大气的综合修正信息；(f)流动站对接收到的实时观测数据流进行预处理，剔除其中含有粗差的数据，得到干净的实时观测数据；(g)流动站建立IF模型和MW模型，采用所述观测方程对所述综合修正信息和实时观测数据进行解算，得到位置浮点解、浮点IF模糊度以及宽巷模糊度；(h)流动站根据浮点IF模糊度以及宽巷模糊度计算对应窄巷模糊度，并对所述窄巷模糊度进行尝试固定；(h)流动站判断固定是否成功，(i)若固定成功，则输出位置固定解，其中，所述位置固定解是根据对所述窄巷模糊度固定，对所述位置浮点解进行更新得到，若固定不成功，则输出位置浮点解。...

【技术特征摘要】
1.一种基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，其特征在于，该方法包括：(a)基准站获取GNSS双频或多频的实时观测数据流并解码，自动下载更新超快速精密轨道；(b)基准站对实时观测数进行数据预处理，剔除其中含有粗差的数据，得到干净的实时观测数据；(c)基准站采用IF模型和MW模型同时对所述干净的实时观测数和超快速精密轨道进行解算，得到轨道信息、钟差信息、大气信息的综合修正信息及宽巷模糊度，并对综合修正信息和宽巷模糊度进行压缩编码，利用北斗短报文技术对所述压缩编码实时播发；(d)流动站接收所述压缩编码及实时观测数据流；(e)流动站对所述压缩编码进行解码，得到所述轨道、钟差、大气的综合修正信息；(f)流动站对接收到的实时观测数据流进行预处理，剔除其中含有粗差的数据，得到干净的实时观测数据；(g)流动站建立IF模型和MW模型，采用所述观测方程对所述综合修正信息和实时观测数据进行解算，得到位置浮点解、浮点IF模糊度以及宽巷模糊度；(h)流动站根据浮点IF模糊度以及宽巷模糊度计算对应窄巷模糊度，并对所述窄巷模糊度进行尝试固定；(h)流动站判断固定是否成功，(i)若固定成功，则输出位置固定解，其中，所述位置固定解是根据对所述窄巷模糊度固定，对所述位置浮点解进行更新得到，若固定不成功，则输出位置浮点解。2.根据权利要求1所述的基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，其特征在于，所述的步骤(b)中，数据预处理包括卫星截止高度角设置、时标校正、相位观测值周跳探测、粗差探测与处理以及卫星和接收机的天线相位中心修正。3.根据权利要求2所述的基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，其特征在于，所述的步骤(c)中：(c1)利用切比雪夫多项式拟合方法，利用卫星三维空间中的离散点，拟合出一条已知的合适的曲线最大限度地逼近这些点，利用切比雪夫参数拟合公式得综合修正信息中的轨道信息：给出采样的数据来拟合出一个逼近函数，并且使其满足在采样点的函数值与真实值间的方差和最小。4.根据权利要求3所述的基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，其特征在于，所述步骤(c1)包括：为了实现时间采样区间[t0,t0+Δt]上的星历坐标数据的n阶切比雪夫拟合，首先将时间标准化：假设需要在时间间隔[t0,t0+Δt]计算n阶切比雪夫多项式系数，其中，t0为起始历元时刻,Δt为拟合时间区间的长度，将变量t∈[t0,t0+Δt]变换为τ∈[-1,1],则τ=2(t-t0)Δt-1---(1)]]>因此,以切比雪夫多项式为基函数拟合构成的卫星位置函数为fx(t)=Σi=0naxiTi(τ),]]>fy(t)=Σi=0nayiTi(τ),]]>fz(t)=Σi=0naziTi(τ)---(2)]]>其中，n为切比雪夫多项式的阶数,fx(t),fy(t),fz(t)分别为X、Y、Z3个坐标分量,axi,ayi,azi分别为X、Y、Z3个坐标分量的切比雪夫多项式系数，T(τ)表示τ的函数，i＝0,1,...,n,采用以下递推公式(3)计算Ti(τ):T0(τ)=0T2(τ)=τTn(τ)=2τTn-1(τ)-Tn-2(τ),|τ|≤1,n≥2.---(3)]]>公式(4)根据公式(2)得到，根据精密星历,设卫星的Xk坐标为观测值,则误差方程为:Vxk=Σi=0naxiTi(τk)-Xk,(k=1,2,...,m;i=0,1,2,...n)---(4)]]>其中，表示位置分量残差向量，Xk位置分量观测值向量，m表示位置分量观测值的维数,m为采样点数且必须满足m＞n+1的条件,误差方程(4)的矩阵展开式(5)为Vx＝BC-fx(5)其中，表示位置分量残差，fx＝[X1X2X3...Xm]T表示位置分量观测值，待求解的切比雪夫多项式系数，表示误差方程系数阵。通过最小二乘思想求出使误差VX最小的系数解：C＝(BTB)-1(BTfx)(6)公式(6)是公式(5)的结果，变量t确定之后，τ和Ti都可以计算出来，从而可以计算B，最终求出比雪夫多项式系数C,其余参数与上述相同。将求出的系数播发给用户站，用户站根据这些系数计算观测时刻的卫星坐标。5.根据权利要求4所述的基于北斗短报文技术多模多频海上精密定位方法，其特征在于，所述步骤(c1)之后还包括：根据公式(7)计算拟合精度：σx=±Σi=1m(xi-f(τi))2m---(7)]]>公式(7)是评定公式(6)的结果精度的公式，m为已知历元个数，σx为位置分量X的拟合精度，f(τi)i＝1,2,3,...m为利用切比雪夫多项式拟合的卫星坐标,xi为已知历元处卫星坐标，同理，求得位置分量Y、Z的拟合精度σY、σZ，评定时以σX、σY、σZ中的绝对值最大者是否小于某一限值来评价拟合的质量。6.根据权利要求5所述的基于北斗短...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏，李博峰，石峰，臧楠，陆亚英，张芙盛，焦永强，
申请(专利权)人：上海达华测绘有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31