一种多星座的单基准站接收机钟差估计方法

摘要

本发明公开了一种多星座单基准站接收机钟差估计方法。在多星座数据融合处理时，由于不同星座间的接收机钟差不同，以及信号传播延迟的影响，导致信号发射时刻的卫星位置不能精确求定，对于由接收机钟差及钟跳引起的与卫星速度有关的误差项，在双差观测值中仍然能造成最大1m的误差变化而影响实际定位效果。本发明方法采用在卫星位置计算中估计接收机钟差，修正信号传播时延，再利用卡尔曼滤波的方法求解接收机钟差，从而得到精确的已修正接收机钟差的接收机与卫星几何距离的实用方法。本发明方法能将与卫星速度有关的接收机钟差项的影响减弱到亚毫米级，并且适用于存在1毫秒时钟跳跃的接收机，实现多星座融合的高精度定位。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星定位领域，尤其涉及多星座的单基准站接收机钟差估计方法。

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（VirtualReferenceStation，VRS）技术为代表的网络差分技术兴 起，使得建立基准站网络式GPS服务体系成为当前GPS技术应用发展的最新趋势。VRS技 术作为多基准站环境下的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。

VRS技术定位的基本方法为：各个参考站连续采集观测数据，实时传输到数据处理与 控制中心的数据库，进行网络计算；控制中心在线解算GPS参考站网内各独立基线的载波 相位整周模糊度值；数据处理中心利用参考站网载波相位观测值计算每条基线上的双差综合 误差，并据此建立距离相关误差的空间参数模型；移动站用户将通过单点定位得到的NMEA （NationalMarineElectronicsAssociation，美国国家海事电子协会）格式的概略坐标发送给 控制中心，控制中心在该坐标位置创建一个虚拟参考站；控制中心根据参考站、用户及GPS 卫星的相对几何关系，通过内插计算模型得到移动站与参考站间的空间相关误差，再根据虚 拟观测值计算模型生成VRS处的虚拟观测值；控制中心把虚拟观测值作为网络差分改正信 息发送给移动站用户；用户移动站接收网络差分信息与VRS构成短基线，通过常规RTK计 算模型进行差分解算，确定用户位置，快速实现固定并得到实时厘米级定位精度，见图1所 示。

在常规双差模型中，各站点的与光速有关的接收机钟差项在构建双差时通过星间求差的 方式被消除，忽略了与卫星速度有关的接收机钟差项对观测方程的影响。在数据处理过程中， 对于时钟比较稳定在1微秒变化的接收机，相对于原始观测值仅存在小于1毫米的误差而忽 略其影响。然而由于各生产厂家所设计的接收机钟的不同，部分接收机存在较大接收机钟差 甚至某些接收机出现1ms的钟跳，与卫星速度有关的钟差值在计算得到的几何距离上会最大 产生接近1米的误差影响，并且在双差中不能被消除或削弱。因此，需精确估计各接收机钟 差，修正卫星与接收机间的几何距离已得到正确的定位结果。

发明内容

本发明方法从信号接收和发射钟面时刻引起的卫星和接收机钟差角度出发，分析了不同 星座不同接收机钟差的产生原因，详细推导了与光速和卫星速度有关的接收机钟差项对原始 观测值影响的误差公式，提出了一种在卫星位置计算中估计接收机钟差，修正信号传播时延 的实用方法，该方法可以有效估计各星座接收机钟差值，并且适用于存在较大接收机钟差利 用该方法精确计算并统一各星座卫星位置坐标，并通过验证相应卫星和接收机几何距离变化 量来比较修正效果。与卫星速度有关的接收机钟差项的影响减弱到亚毫米级，并且适用于存 在1毫秒时钟跳跃的接收机，实现多星座融合的高精度定位。

本发明的技术方案是：

多星座钟差分析：

对于接收机时刻t_k接收到卫星发射信号，该时刻接收机钟差为δ_k，即相对于GPS时t：

t=t_k-δ_k

该t时刻接收机与卫星的站星距可表示为

${\rho }_k^i=\mathrm{c\tau }$

$=|r_k\left(t\right)-r^i(t-\tau )|$

其中c为光速，τ为信号传播时间，r_k(t)为信号接收时间t时的接收机矢量位置，rⁱ(t-τ) 为信号发射时刻t-τ时的卫星矢量位置，rⁱ(t-τ)又可表示为：

$r^i(t-\tau )=r^i\left(t\right)-{\stackrel{·}{r}}^i\left(t\right)\tau$

利用上述公式，我们可以解得信号传播时间τ：

$(c^2-{\stackrel{·}{r}}^i\left(t\right)·{\stackrel{·}{r}}^i\left(t\right)){\tau }^2-2{\stackrel{·}{r}}^i\left(t\right)(r_k\left(t\right)-r^i\left(t\right))\tau$

$-(r_k\left(t\right)·r_k\left(t\right)-2r_k\left(t\right)·r^i\left(t\right)+r^i\left(t\right)·r^i\left(t\right))=0$

对于多星座系统，不同星座系统所对应主控站的钟差改正值不相同，各系统间改正值精 度是由各主控站时钟精度决定，相互独立。对于同一星座的卫星，可将其与接收机钟差合并 估计，而对于多星座来说，各星座应具有其单独的接收机钟差值并估计其精度。所以这里各 星座的接收机钟差值实际为：

${\mathrm{\delta t}}_k=\delta {\hat{t}}_k+\delta t_{G/R/C/E}^i$

这里的指的是不同星座（对应为GPS、GLONASS、北斗、GALILEO）主控站 的钟差改正值，为接收机本身钟的改正值。

卡尔曼滤波法估计接收机钟差：

1）采用卫星伪距粗略估计卫星信号传输时间τ₀=P/c；假设初始接收机钟差δt_k为0， 利用初始观测历元及信号传输时间τ₀得到卫星的瞬时坐标(Xⁱ,Yⁱ,Zⁱ)及初始卫星钟差改正 数δtⁱ₀，由于在区域参考站网络（连续运行卫星定位服务综合系统，ContinuousOperational  ReferenceSystem，CORS）中，基站坐标已知，则可计算出初始卫星位置和接收机的几何距 离，并重新计算信号传输时间。

${\rho }_k^i=\sqrt{{(X^i-X_k)}^2+{(Y^i-Y_k)}^2+{(Z^i-Z_k)}^2}$

${\tau }_k^i=\frac{1}{c}{\rho }_k^i$

2）构建接收机钟差估计方程，单历元求解不同星座各自的接收机钟差值，其中n为卫 星总数，δt_k(G)、δt_k(R)、δt_k(C)、δt_k(E)分别为GPS、GLONASS、北斗、GALILEO的 相应的接收机钟差值，δtⁱ表示所对应卫星的初始卫星钟差改正数

BX=L

对于CORS基准站，由于其坐标已知，仅需估计接收机钟差，可单历元最小二乘进行估 计，对于流动站其坐标未知，仍需将其作为未知参数，构建卡尔曼滤波器求解：

X^T=[δX,δY,δZ,δt_k(G),δt_k(R),δt_k(C),δt_k(E)]

其中，δX,δY,δZ为基准站坐标改正值，δt_k(G)、δt_k(R)、δt_k(C)、δt_k(E)分别为GPS、 GLONASS、北斗、GALILEO的相应的接收机钟差值，n为卫星总数，为方程线性 化后系数。

使用经验模型确定观测值权重以及参数初始值，若接收机不存在钟跳，可采用白噪声来 模拟接收机钟差的变化，对于存在钟跳的接收机，设定对应接收机钟差动态噪声矩阵为， σ_t=3.0e5，单位为米，为1ms钟跳所造成伪距最大变化值。

3）利用第二步得到的接收机钟差值计算对应时刻卫星位置，得到精确的已 修正接收机钟差的接收机与卫星几何距离。

在上述卫星位置与接收机钟差的计算过程中，还需考虑地球自转及相对论效应的影响， 并模型化相关大气对流层及电离层延迟误差项，以得到正确的接收机钟差及卫星位置信息。

本发明的优点及有益效果：

多星座参考站卫星钟差估计方法，从信号接收和发射钟面时刻引起的卫星和接收机钟差 角度出发，分析了不同星座不同接收机钟差的产生原因，详细推导了与光速和卫星速度有关 的接收机钟差项对原始观测值影响的误差公式，并比较了不同厂商接收机时钟的区别，提出 了一种在卫星位置计算中估计接收机钟差，修正信号传播时延的实用方法，该方法可以有效 估计各星座接收机钟差值，并且适用于存在较大接收机钟差利用该方法精确计算并统一各星 座卫星位置坐标，并通过验证相应卫星和接收机几何距离变化量来比较修正效果。通过大量 实测数据分析，通过修正精确卫星位置，可计算得到了正确的多星座模糊度结果及相关大气 延迟误差。基于东南大学GPS和北斗实验参考站数据的实验表明：该方法将与卫星速度有 关的接收机钟差项的影响减弱到亚毫米级，并且适用于存在1毫秒时钟跳跃的接收机，实现 多星座融合的高精度定位。

附图说明

图1是VRS与参考站网关系图；

图2是基线LIXI—JLHU各基站接收机GPS钟差；

图3是基线LIXI—JLHU各基站接收机北斗钟差；

图4是基线LIXI—JLH卫星载波与站星距差值变化（G19卫星）；

图5是基线LIXI—JLH卫星载波与站星距差值变化（C06卫星）；

图6是基线LIXI—JLH卫星双差加入钟差修正的大气误差延迟；

图7是基线LIXI—JLH卫星双差不加入钟差修正的大气误差延迟；

图8是某品牌三系统接收机接收机钟差；

图9是IGSHofn站点接收机GPS钟差；

图10是IGSHofn站点接收机北斗钟差；

图11是IGSohi2站点收机GPS钟差；

图12是IGSwuhn站点接收机GPS钟差。

具体实施方式

采用一组东南大学GPS和北斗实验参考站数据，包含北斗双频B1，B2载波伪距观测数 据，GPS的L1，L2载波伪距观测数据，实验参考站选用东南大学礼西楼LIXI双星系统（GPS 和北斗）参考站及九龙湖JLHU双星系统参考站，基线长度为19.7km，接收机型号为和芯 星通U240，数据采样间隔为1秒。图2为两站点接收机GPS钟差值，图3为两站点接收机 北斗钟差值，其中LIXI站点在第3522个历元发生1毫秒的接收机钟跳，钟跳的产生是由接 收机本身引起的，故GPS和北斗的钟差值在同一时刻产生跳跃。

对于双差观测值，双差的载波与站星距的差值反应为固定的模糊度及双差对 流层延迟与双差电离层延迟值，其中后两项大气误差在短基线中延迟值较小变化缓慢，可忽 略其对的影响。

$\Delta ▿(\mathrm{\lambda \phi }-\rho )=\Delta ▿N+\Delta ▿T-\Delta ▿I$

利用上述方法，比较该基线双差的载波与站星距的差值变化，分析接收机钟 跳对双差观测值的影响。结果见图4、5。图4为GPS19卫星双差值变化，图5为北斗C06 卫星双差值变化。

上图中，卫星高度角越小，其由径向速度与接收机钟跳的乘积造成的站星距误差跳变值 越大，同时，利用本文所提到的修正站星距的方法，可以有效地解决接收机钟差对站星距造 成的误差，以得到基线正确的模糊度结果。

在网络RTK(Real-TimeKinematic，实时动态定位)中，利用站点的精确位置实时生成各 基线的双差对流层、电离层延迟。固定基线双差模糊度后，采用无几何模型估计电离层延迟 值，与卫星速度有关钟跳不会引起电离层延迟的跳变，而对于双差对流层延迟值，采用无电 离层组合得到精确双差对流层延迟值，此时与卫星速度有关的接收机钟差误差会对造成对流 层延迟值的跳变而影响大气误差的生成，如图6、7所示。

图6、7中，不考虑与卫星速度有关的接收机钟差会得到错误的对流层延迟值并且在钟 跳时刻引起对流层延迟值的跳变，电离层延迟值采用无几何模型进行计算，这里使用的是正 确的模糊度结果计算L1、L2上的电离层延迟值，需要特别说明的是，不考虑接收机钟差的 修正，钟跳时刻会造成卫星模糊度解算结果不正确而影响电离层延迟值的正确生成。

接收机钟跳会对卫星与接收机间几何距离上产生接近1米的误差（与卫星高度角有关 的），这部分误差在双差中是不能被消除的，而影响模糊度的固定和差分定位精度。本文提 出的对多星座卫星钟差的估计方法，可以有效地确定卫星轨道位置和估计卫星与接收机间的 几何距离，解决接收机钟跳对数据处理的影响，同时统一多星座数据融合算法中各星座的时 间基准，具有实际工程意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。