一种模糊度固定的长基线卫星编队GNSS相对定位方法技术

一种模糊度固定的长基线卫星编队GNSS相对定位方法，目的是提高模糊度固定成功率和相对定位结果的精度。技术方案是先收集和预处理输入数据，确定编队卫星绝对概略轨道；然后消除差分观测数据中的几何距离和钟差，估计单差相位模糊度浮点解和单差电离层延迟参数，采用双差变换得到双差宽巷模糊度浮点解和协方差矩阵，固定双差宽巷整周模糊度和双差窄巷整周模糊度，最后输出模糊度固定的相对定位结果。采用本发明专利技术避免了传统方法M-W组合中伪码、相位等权处理所导致的模糊度固定强烈依赖于观测精度较低的伪码的问题，提高了长基线卫星编队GNSS相对定位模糊度固定成功率和最终相对定位结果的精度，计算稳定，提高了相对定位结果的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种模糊度固定的长基线卫星编队GNSS相对定位方法
本专利技术涉及一种航天测量领域中长基线卫星编队的相对定位方法，具体地说是一种采用了全球卫星导航系统GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)测量手段和模糊度固定策略的长基线卫星编队相对定位方法。
技术介绍
星载GNSS采用星-星跟踪方式，通过在编队飞行的卫星上安装GNSS接收机，采用载波相位差分GNSS技术，消除或消弱一些公共误差的影响，可以提供毫米级的相对定位精度。星载GNSS具有全天候、连续性、高精度、时空覆盖广等优点，利用星载GNSS高精度确定编队卫星的相对位置已被成功应用于分布式雷达干涉、地球重力场测量等任务。长基线卫星编队GNSS高精度相对定位的关键是相位模糊度的高成功率固定，GNSS双差相位模糊度具有整数特性，如果模糊度被准确固定，则双差观测模型中的模糊度参数会被消除，此时相位观测数据会被转换成高精度相对距离，可实现高精度的相对定位。在长基线GNSS模糊度固定中，主要影响来自GNSS信号传播过程中的电离层延迟，电离层延迟中的大部分可通过差分处理消除，但差分后残余的电离层延迟随着编队卫星间距离的变大而逐渐变大。在分析GNSS模糊度固定影响时，一般以载波相位波长λ(20cm左右)为参考，当星间距离达到几十公里甚至上百公里时，差分后残余的电离层延迟会达到几分米到米的量级，远超过λ/4，此时其对相位整周模糊度固定的影响不可被忽略。据文献报道，目前关于长基线卫星编队GNSS相对定位模糊度固定，主要有以下方法：一种方法是Bernese软件在早期的地面测站之间长基线GPS相对定位中采用宽巷和窄巷组合方法，参见DachR等在2007年编写的“BerneseGPSSoftware:Version5.0”。该方法首先使用M-W(Melbourne-Wübbena)组合，消除几何距离、电离层和钟差的影响，求解宽巷整周模糊度，然后构造仅有消电离层载波相位观测的双差模型来求解窄巷模糊度。此方法的缺点是M-W组合中伪码、相位等权组合导致宽巷整周模糊度固定强烈依赖于观测精度较低的伪码观测数据，成功率受限，而且一旦宽巷模糊度无法固定，会导致窄巷模糊度也无法固定，降低GNSS相对定位精度。另一种方法是KroesR在GRACE双星相对定位中采用的序贯EKF滤波方法，参见KroesR在2006年的博士论文“PreciserelativepositioningofformationflyingspacecraftusingGPS”。该方法用一阶高斯马尔可夫模型来近似表示差分后残余的电离层延迟随机序列，采用序贯EKF滤波方法，将电离层延迟作为变量添加到待估的滤波状态参数中，在估计相对轨道参数的同时估计出电离层延迟参数，实现电离层延迟的估计与校准。该方法的优点是能够在线递推估计双差整周模糊度，缺点是如果某个整周模糊度固定错误，会影响附近其它整周模糊度的固定，导致相对定位精度恶化，严重时甚至会引起滤波发散，导致无法输出准确的相对定位结果。综上所述，长基线卫星编队GNSS相对定位方法的精度和可靠性仍有待于进一步改进。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对传统长基线卫星编队GNSS相对定位方法中模糊度固定强烈依赖于伪码所导致的相对定位精度不高问题，提出一种模糊度固定的长基线卫星编队GNSS相对定位方法，通过消除差分观测数据中几何距离、钟差后的伪码、相位不等权值组合来固定模糊度，避免传统方法M-W组合中伪码、相位被等权组合，提高模糊度固定成功率和相对定位结果的精度。该方法采用批处理最小二乘处理方式，计算稳定，克服序贯滤波处理方法容易发散的缺点，提高相对定位可靠性。本专利技术的技术方案包括以下步骤：第一步，收集和预处理输入数据。1.1从卫星平台收集观测数据：GNSS观测数据、卫星平台姿态数据；从网站收集辅助数据：GNSS卫星精密星历、钟差以及天线相位中心变化PCV(PhaseCenterVariation)信息、地球重力场、地球旋转参数、UTC(CoordinatedUniversalTime)时间跳秒数据、JPL(JetPropulsionLaboratory)太阳历、太阳辐射流量、地磁指数；1.2对收集的观测数据进行预处理：对GNSS观测数据的野值进行剔除，并探测相位周跳。野值剔除和周跳探测方法见ZhengmingWang等在2011年出版的专著“MeasurementDataModelingandPrameterEstimation”(测量数据建模与参数估计)第7.2节。第二步，确定编队卫星绝对概略轨道。采用非差简化动力学方法(见ZhengmingWang等在2011年出版的专著“MeasurementDataModelingandPrameterEstimation”(测量数据建模与参数估计)第7.3节)确定编队卫星A、B的绝对轨道位置。输出编队卫星A、B的轨道力学模型参数yA0、yB0和每个时刻t的绝对轨道位置rA(t)、rB(t)，轨道位置包含x、y、z三个直角坐标分量，精度在几个厘米左右，主要用作后续更高精度相对定位的概略轨道位置。第三步，消除差分观测数据中的几何距离和钟差。3.1单差相对定位。方法是：单差是对两个接收机观测的同一颗GNSS卫星、同种类型观测数据做差，形成差分观测数据，采用t时刻的单差观测方程(1)消除GNSS卫星钟差，保留接收机相对钟差，其中t表示观测时刻，上标j(1≤j≤M)表示第j颗GNSS卫星，M是卫星的总数；下标1、2表示GNSS信号频率f1、f2；Δ表示单差；ΔP1j(t)为在时刻t频率f1的伪码差分观测数据；为在时刻t频率f2的伪码差分观测数据；为在时刻t频率f1的相位差分观测数据；为在时刻t频率f2的相位差分观测数据；A、B表示两颗编队卫星；为编队卫星A在时刻t频率f1的伪码观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f2的伪码观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f1的相位观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f2的相位观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f1的伪码观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f2的伪码观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f1的相位观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f2的相位观测数据；均来自第一步中经过预处理后的GNSS观测数据；为编队卫星A、B在时刻t与GNSS卫星j之间的单差几何距离；c表示光速，δtAB为编队卫星A、B两个GNSS接收机之间的相对钟差；为在时刻t的单差电离层延迟；为第k(1≤k≤nb，nb为连续跟踪弧段总数)个连续跟踪弧段f1频率的单差相位模糊度；为第k个连续跟踪弧段f2频率的单差相位模糊度；ε为观测误差。采用消电离层组合消除电离层延迟得到消电离层单差观测方程(2)，其中“IF”表示消电离层组合；为时刻t的单差伪码消电离层组合数据；为时刻t的单差相位消电离层组合数据；为第k个连续跟踪弧段对应的单差相位消电离层模糊度。单差几何距离可以通过下面的公式(3)计算，其中||表示计算三维矢量的长度；rA(t)、rB(t)为编队卫星A、B在时刻t的绝对轨道位置；为GNSS卫星j在时刻t的位置，利用IGS提供的事后精密星历插值计获得。将在概略点处线性化展开，得到公式(4),表示在时刻t从卫星B到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模糊度固定的长基线卫星编队GNSS相对定位方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，收集和预处理输入数据：1.1从卫星平台收集观测数据：GNSS观测数据、卫星平台姿态数据；从网站收集辅助数据：GNSS卫星精密星历、钟差以及天线PCV信息、地球重力场、地球旋转参数、UTC时间跳秒数据、JPL太阳历、太阳辐射流量、地磁指数；1.2对收集的观测数据进行预处理：对GNSS观测数据的野值进行剔除，并探测相位周跳；第二步，确定编队卫星A、B的绝对轨道位置，输出编队卫星A、B的轨道力学模型参数yA0、yB0和每个时刻t的绝对轨道位置rA(t)、rB(t)，轨道位置包含x、y、z三个直角坐标分量；第三步，消除差分观测数据中的几何距离和钟差：3.1单差相对定位，方法是：单差是对两个接收机观测的同一颗GNSS卫星、同种类型观测数据做差，形成差分观测数据，采用t时刻的单差观测方程(1)消除GNSS卫星钟差，保留接收机相对钟差，ΔP1j(t)=P1,Aj(t)-P1,Bj(t)=ρABj(t)+c·δtAB(t)+IABj(t)+ϵΔP1j(t)ΔP2j(t)=P2,Aj(t)-P2,Bj(t)=ρABj(t)+c·δtAB(t)+f12f22·IABj(t)+ϵΔP2j(t)ΔL1j(t)=L1,Aj(t)-L1,Bj(t)=ρABj(t)+c·δtAB(t)-IABj(t)+λ1·ΔN1(k)+ϵΔL1j(t)ΔL2j(t)=L2,Aj(t)-L2,Bj(t)=ρABj(t)+c·δtAB(t)-f12f22·IABj(t)+λ2·ΔN2(k)+ϵΔL2j(t)---(1)]]>其中t表示观测时刻，上标j表示第j颗GNSS卫星，1≤j≤M，M是卫星的总数；下标1、2表示GNSS信号频率f1、f2；Δ表示单差；为在时刻t频率f1的伪码差分观测数据；为在时刻t频率f2的伪码差分观测数据；为在时刻t频率f1的相位差分观测数据；为在时刻t频率f2的相位数据差分观测数据；A、B表示两颗编队卫星；为编队卫星A在时刻t频率f1的伪码观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f2的伪码观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f1的相位观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f2的相位观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f1的伪码观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f2的伪码观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f1的相位观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f2的相位观测数据；均来自第一步中经过预处理后的GNSS观测数据；为编队卫星A、B在时刻t与GNSS卫星j之间的单差几何距离；c表示光速，δtAB为编队卫星A、B两个GNSS接收机之间的相对钟差；为在时刻t的单差电离层延迟；为第k个连续跟踪弧段f1频率的单差相位模糊度，1≤k≤nb，nb为连续跟踪弧段总数；为第k个连续跟踪弧段f2频率的单差相位模糊度；ε为观测误差；采用消电离层组合消除电离层延迟得到消电离层单差观测方程(2)，ΔPIFj(t)=f12f12-f22ΔP1j(t)-f22f12-f22ΔP2j(t)=ρABj(t)+c·δtAB(t)+ϵΔPIFj(t)ΔLIFj(t)=f12f12-f22ΔL1j(t)-f22f12-f22ΔL2j(t)=ρABj(t)+c·δtAB(t)+ΔAIFj+ϵΔLIFj(t)---(2)]]>其中“IF”表示消电离层组合；为时刻t的单差伪码消电离层组合数据；为时刻t的单差相位消电离层组合数据；为第k个连续跟踪弧段对应的单差相位消电离层模糊度；单差几何距离通过公式(3)计算，ρABj(t)=|rB(t)-rGj(t)|-|rA(t)-rGj(t)|---(3)]]>其中| |表示计算三维矢量的长度；rA(t)、rB(t)为编队卫星A、B在时刻t的绝对轨道位置；为GNSS卫星j在时刻t的位置，利用IGS提供的事后精密星历插值计获得；将在概略点处线性化展开，得到公式(4),ρABj(t)≈ρAB,0j(t)-eBj(t)&CenterD...

【技术特征摘要】
1.一种模糊度固定的长基线卫星编队GNSS相对定位方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，收集和预处理输入数据：1.1从卫星平台收集观测数据：GNSS观测数据、卫星平台姿态数据；从网站收集辅助数据：GNSS卫星精密星历、钟差以及天线PCV信息、地球重力场、地球旋转参数、UTC时间跳秒数据、JPL太阳历、太阳辐射流量、地磁指数；1.2对收集的观测数据进行预处理：对GNSS观测数据的野值进行剔除，并探测相位周跳；第二步，确定编队卫星A、B的绝对轨道位置，输出编队卫星A、B的轨道力学模型参数yA0、yB0和每个时刻t的绝对轨道位置rA(t)、rB(t)，轨道位置包含x、y、z三个直角坐标分量；第三步，消除差分观测数据中的几何距离和钟差：3.1单差相对定位，方法是：单差是对两个接收机观测的同一颗GNSS卫星、同种类型观测数据做差，形成差分观测数据，采用t时刻的单差观测方程(1)消除GNSS卫星钟差，保留接收机相对钟差，其中t表示观测时刻，上标j表示第j颗GNSS卫星，1≤j≤M，M是卫星的总数；下标1、2表示GNSS信号频率f1、f2；Δ表示单差；ΔP1j(t)为在时刻t频率f1的伪码差分观测数据；为在时刻t频率f2的伪码差分观测数据；为在时刻t频率f1的相位差分观测数据；为在时刻t频率f2的相位数据差分观测数据；A、B表示两颗编队卫星；为编队卫星A在时刻t频率f1的伪码观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f2的伪码观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f1的相位观测数据；为编队卫星A在时刻t频率f2的相位观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f1的伪码观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f2的伪码观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f1的相位观测数据；为编队卫星B在时刻t频率f2的相位观测数据；均来自第一步中经过预处理后的GNSS观测数据；为编队卫星A、B在时刻t与GNSS卫星j之间的单差几何距离；c表示光速，δtAB为编队卫星A、B两个GNSS接收机之间的相对钟差；为在时刻t的单差电离层延迟；为第k个连续跟踪弧段f1频率的单差相位模糊度，1≤k≤nb，nb为连续跟踪弧段总数；为第k个连续跟踪弧段f2频率的单差相位模糊度；ε为观测误差；采用消电离层组合消除电离层延迟得到消电离层单差观测方程(2)，其中“IF”表示消电离层组合；为时刻t的单差伪码消电离层组合数据；为时刻t的单差相位消电离层组合数据；为第k个连续跟踪弧段对应的单差相位消电离层模糊度；单差几何距离通过公式(3)计算，其中||表示计算三维矢量的长度；rA(t)、rB(t)为编队卫星A、B在时刻t的绝对轨道位置；为GNSS卫星j在时刻t的位置，利用IGS提供的事后精密星历插值计获得；将在概略点处线性化展开，得到公式(4),表示在时刻t从卫星B到GNSS卫星j的视线方向单位矢量；为的概略点，其初始值采用第二步得到的编队卫星A、B的绝对轨道位置计算得到；ΔrB(t)为卫星B在t时刻的轨道位置改进量，ΔrB(t)＝rAC(yB0+ΔyB,t)-rAC(yB0,t)(5)其中rAC表示轨道力学积分函数，rAC(yB0,t)表示对轨道力学模型参数yB0进行Adams-Cowell多步积分得到的卫星B在时刻t的轨道位置；yB0、ΔyB分别表示卫星B的轨道力学模型参数向量的初始值和改进量，包括初始时刻轨道位置和速度、太阳光压系数、大气阻力系数和经验加速度系数；yB0采用第二步输出的轨道力学模型参数；ΔyB根据公式(6)采用最小二乘估计得到；将多个时刻的消电离层单差观测方程(2)整理成矩阵形式，得到单差观测改正值向量zSD，zSD＝HSD·xSD+eSD(6)其中“SD”表示单差；单差观测改正值向量[]T表示矩阵转置；设计矩阵表示偏导数；误差向量待估参数向量此时待估参数包括：接收机相对钟差δtAB(t)、单差相位消电离层模糊度和轨道力学模型参数改进向量ΔyB；3.2采用加权最小二乘方法估计得到xSD，其中单差观测权矩阵σL表示相位观测精度，σP表示伪码观测精度；3.3计算单差几何距离：卫星轨道位置rB(t)通过Adams-Cowell多步积分rAC(yB0+ΔyB,t)获得，再将rB(t)代入公式(3)更新计算单差几何距离3.4消除差分观测数据中单差几何距离和钟差项δtAB(t)：将3.3得到的单差几何距离和3.2得到的钟差项δtAB(t)从公式(1)中的观测数据中扣除，得到多个时刻扣除几何距离和钟差后的单差观测方程(8)，第四步，估计单差相位模糊度浮点解和单差电离层延迟参数：4.1设置伪码权值wP与相位权值wL之比，取wP:wL＝σL:σP，σL表示相位观测精度，σP表示伪码观测精度；4.2采用加权最小二乘方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷德峰，申镇，孙蕾，易东云，涂佳，刘俊宏，鞠冰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43