基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法，包括：提出一种适用于长基线的多频组合观测值组合系数约束条件，并以此选取北斗三号的最优观测值组合系数；参考站系统将接收的载波观测数据进行预先组合处理后，按一种改进的新型编码协议进行单向播发，在保证数据分辨率的条件下减轻了通信负担；定位解算终端解析参考站组合载波数据与自身接收的载波观测值进行差分，形成弱电离层影响的组合观测方程，同时联立自身消离层组合伪距单点定位观测方程，利用卡尔曼滤波对位置参数和对流层湿延迟参数进行估计，实现近海高精度定位解算。度定位解算。度定位解算。

【技术实现步骤摘要】
基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法


[0001]本专利技术属于GNSS(Global Navigation Satellite System)定位与导航
，涉及多频组合观测值组合定位解算模型，具体涉及基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法。

技术介绍

[0002]为了将北斗PNT服务更好地应用于海洋领域，我国交通运输部海事局建成了中国沿海无线电指向标
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差分全球定位系统台链(RBN
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DGPS)，信号完全覆盖中国沿海领域，成为一种国际标准化、现代化的助航系统。近年来又陆续开展沿海RBN差分北斗系统建设，完成中国沿海22座差分台站BDS/GPS双模兼容，推进沿海北斗高精度定位导航系统标准化工作。目前已在船舶导航、海洋测绘、海洋执法、应急搜救等多个业务中广泛应用。
[0003]但由于海上区域移动通信信号稳定性差、且缺乏足够的参考站网络支持，目前海上北斗定位应用与陆地相比仍然存在较大的差距，主要体现在定位精度低、可靠性差以及高精度定位所需的时间长。目前主要应用的沿海信标差分技术仅能支持米级至亚米级定位，而实时精密单点定位技术则需要实时钟差轨道产品的支持，目前在海上应用尚不成熟。
[0004]我国的北斗三号与2020年开通运行，提供B1I、B3I、B1C、B2a、B2b五频信号。利用五频观测信息，能够构建出一系列具有低噪声和弱电离层影响的优良观测值组合，在实施单向实时长基线RTK(Real
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time Kinematic)定位方面具有显著优势。这为解决海上定位难点提供了新方向。本文基于北斗五频观测值组合，着力解决海上长基线定位的难点，拟实现适用于无线信标小数据量单向播发的RTK定位新模式，以为近海区域高精度定位提供新的技术手段。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法，提出了适用于长基线的多频组合观测值组合模型，可以减轻海上区域移动通信压力，削弱长基线条件下的信号传播误差，从而实现近海长基线高精度定位的需求。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、提出一种适用于长基线的多频组合观测值组合系数约束条件，并以此选取北斗三号的最优观测值组合系数；
[0009]步骤2、参考站系统将接收的载波观测数据进行预先组合处理后，按本专利技术改进的新型编码协议进行单向播发，在保证数据分辨率的条件下减轻了通信负担；
[0010]步骤3、定位解算终端解析参考站组合载波数据与自身接收的载波观测值进行差分，形成弱电离层影响的组合观测方程，同时联立自身消离层组合伪距单点定位观测方程，利用卡尔曼滤波对位置参数和对流层湿延迟参数进行估计，实现近海高精度定位解算；
[0011]具体步骤为：
[0012]步骤1.提出一种适用于长基线的多频组合观测值组合系数约束条件，并以此选取北斗三号的最优观测值组合系数
[0013]首先考虑如式(1)所示的双差观测模型：
[0014][0015]式中，
[0016]下标i
k
(k＝1,2,
…
,5)表示频率标识；c表示光速；
[0017]表示五频组合频率，
[0018]表示五频组合模糊度，
[0019]表示五频组合测量噪声，
[0020]表示其他误差之和，
[0021]为一阶电离层延迟影响系数(单位cycle/m)，该值与模糊度的固定率和成功率
[0022]有关：
[0023][0024]对式(2)乘以组合波长即得以米为单位的电离层延迟系数如式(3)所示，该值影响测距的准确性：
[0025][0026]假设观测噪声均为白噪声，且各观测值间相互独立，可得以米为单位的组合载波观测噪声放大系数：
[0027][0028]在上述观测模型基础上，针对近海长基线定位环境，本专利技术所提出的多频组合观测值组合系数约束条件首先考虑长基线复杂电离层情况，选择极端条件下较大的电离层延迟为参照，要求电离层延迟对测距的影响小于1cm,对模糊度解算的影响小于0.1周。于是有其次，要求本专利技术提出的多频观测值组合的性能优于消电离层组合，于是有
[0029]选取最优组合系数时，在上述约束条件的基础上，顾及以周为单位的噪声放大系数不宜过大，故在有限的[
‑
5，5]范围内遍历各系数组合，在其中选取符合要求的组合。
[0030]步骤2.参考站系统将接收的载波观测数据进行预先组合处理后，按本专利技术提出的新型无线电通信协议进行播发
[0031]该协议以标准无线电播发协议为基础框架进行改进，完全符合标准无线电播发协议30bit为一字，32字为一帧等格式要求，且沿用了标准无线电播发协议的通用电文头，这使得使用该协议进行软件开发时，不需要重新开发解码模块，只需要在协议解码模块中加入一种新的报文类型即可。
[0032]为适应当前多系统卫星数量较多的情形，本专利技术设计的通信协议新增帧结束标识、顺序号字段，以保证数据传输前后的完整性。一旦发生顺序号计数不一致的情况，可以丢弃后面出错的帧，最大限度的保留已接收的完好的子历元。
[0033]为提升播发观测值的分辨率同时压缩所需的数据量，本专利技术设计的通信协议采用粗略距离与一米为单位的载波观测值的精确距离分离的形式，且采用以时间(ms)为单位进行传输。其距离分辨率为0.00014m，相较于标准无线电播发协议提升64％；对于传输10颗卫星观测数据的情形，其传输数据量相较于标准无线电播发协议提升26％。
[0034]步骤3.定位解算终端将弱电离层影响的差分组合观测方程与自身消电离层组合伪距单点定位观测方程联立进行参数估计。
[0035]在位置参数估算时，采用定位解算终端解析参考站组合载波数据与自身接收的载波观测值进行差分，形成弱电离层影响的组合观测方程，同时联立自身消电离层组合伪距单点定位观测方程的方式，大幅节省了通信方面需要传输的观测值数量，同时保证了厘米级的定位精度。
[0036]所述双差载波弱电离层影响的观测方程如下：
[0037][0038]式中，为以米为单位的组合载波观测值；表示对流层天顶湿延迟分量；el表示位考虑的剩余误差项；
[0039]所述消电离层组合伪距单点定位观测方程如下：
[0040][0041]将式(5)(6)的观测方程按泰勒展开方式进行线性化得到：
[0042][0043]式中，PIF为消电离层组合伪距观测值；ep表示未考虑的伪距剩余误差项；和分别表示坐标改正量δX、δY和δZ的系数；LIR为弱电离层影响的组合载波观测值；δX，δY，δZ，dtrop，N1，
…
，Nn为卡尔曼滤波的估计参数。
[0044]本专利技术的有益效果包括：
[0045]本专利技术提出的基于北斗三号多频信号的近海长基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法，其特征在于，包括：步骤1、提出一种适用于长基线的多频组合观测值组合系数约束条件，并以此选取北斗三号的最优观测值组合系数；步骤2、参考站系统将接收的载波观测数据进行预先组合处理后，按新型编码协议进行单向播发，在保证数据分辨率的条件下减轻了通信负担；步骤3、定位解算终端解析参考站组合载波数据与自身接收的载波观测值进行差分，形成弱电离层影响的组合观测方程，同时联立自身消离层组合伪距单点定位观测方程，利用卡尔曼滤波对位置参数和对流层湿延迟参数进行估计，实现近海高精度定位解算。2.如权利要求1所述的基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法，其特征在于，步骤1所述多频组合观测值组合系数约束条件，首先考虑如式(1)所示的双差观测模型：式中，下标i
k
(k＝1,2,
…
,5)表示频率标识；c表示光速；表示五频组合频率，表示五频组合频率，表示五频组合模糊度，表示五频组合模糊度，表示五频组合测量噪声，表示五频组合测量噪声，表示其他误差之和，表示其他误差之和，为一阶电离层延迟影响系数(单位cycle/m)，该值与模糊度的固定率和成功率有关：对式(2)乘以组合波长即得以米为单位的电离层延迟系数如式(3)所示，该值影响测距的准确性：假设观测噪声均为白噪声，且各观测值间相互独立，可得以米为单位的组合载波观测噪声放大系数：在上述观测模型基础上，针对近海长基线定位环境，步骤1所提出的多频组合观测值组合系数约束条件首先考虑长基线复杂电离层情况，选择极端条件下较大的电离层延迟为参照，要求电离层延迟对测距的影响小于1cm，对模糊度解算的影响小于0.1周，于是有
其次，要求步骤1提出的多频观测值组合的性能优于消电离层组合，于是有选取最优组合系数时，在上述约束条件的基础上，顾及以周为单位的噪声放大系数不宜过大，故在有限的[
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5，5]范围内遍历各系数组合，在其中选取符合要求的组合。3.如权利要求1所述的基于北斗三号多频信号的近海长基线定位方法，其特征在于，步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：高旺，张泽宇，刘季，路寅，张鹏，潘树国，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：