使用精确卫星信息定位的先进全球导航卫星系统(GNSS)

摘要

提供一种方法用于估算对确定全球导航卫星系统（GNSS）接收器的位置或其位置变化有用的参数。所述方法包括步骤：获得（s10）GNSS接收器接收的来自多个GNSS卫星的每一个处的至少一个GNSS信号；从至少一个网络节点处，获得（s20），精确卫星信息，基于（i）多个GNSS卫星的至少一个的轨道或位置，和（ii）多个GNSS卫星的至少一个的时钟偏移；在获得的GNSS信号之间，识别（s30），周跳所可能影响的至少一个GNSS信号的子集，之后将这个识别出的子集称作为周跳影响子集；和估算（s40）对确定GNSS接收器的位置或GNSS接收器的位置变化有用的参数，使用不属于周跳影响子集的至少一些获得的GNSS信号，和精确的卫星信息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种全球导航卫星系统（GNSS）的位置估算方法和设备。 所述方法和设备的应用领域包括，但不限于，导航，地图制作，土地测量， 土木工程，农业，防灾救灾，和科学研究。

背景技术

全球导航卫星系统（GNSS）包括全球定位系统（GPS）（美国）， GLONASS（俄罗斯），伽俐略（欧洲）和COMPASS（中国）（使用或 研发中的系统）。GNSS典型地使用多个绕地球飞行的卫星。这多个卫星 形成了卫星的星座。GNSS接收器检测到在卫星所广播的电磁信号上调制 的伪随机噪声（PRN）代码。也将这个代码称为测距码。代码检测包括将 在所述广播信号上调制的位序列与接收器所生成的即将检测到的代码的复 制品比较。基于用于一系列卫星中每一个的代码到达时间的检测，GNSS 接收器估算其位置。定位包括，但不限于，地理定位，即地球表面的定位。

例如，在2008年的Hofmann-Wellenhof B.等的GNSS,Global  Navigation Satellite Systems,GPS,GLONASS,Galileo,& more, Springer-Verlag Wien（之后称作为“参考文献[1]”）分别在第9,10和11 章中分别提供了GPS,GLONASS和伽俐略的概述，其全部内容通过引用 结合于此。

使用GNSS信号代码的定位提供了有限精度，特别是由于其比特率（码 片速率）所确定的代码的分辨率。例如，GPS包括具有在1575.45MHz载 波频率处10.23MHz码片速率的粗/获得（C/A）码的传输，所谓的L1频 率。与保留用于军事应用的具有10.23MHz码片速率的精（P）码相比， 这个代码是免费提供给公众的。当同时考虑到与C/A码的检测（所述伪随 机代码的到达时间的电子检测）相关的电子不确定度和其他误差时，使用 所述GPS C/A码的基于代码的定位的准度约为15米，所述其他误差包括 由电离层和对流层效果，星历误差，卫星时钟误差和多径传播所引起的那 些误差。

基于PRN代码检测的定位的一种替换方法是，基于载波相位测量值的 定位。在这种替换方式或附加方式（能够将测距码和载波相位一起用于定 位）中，检测到自GNSS卫星传送的GNSS信号的载波相位，而不是（或 不仅仅是）在自这个卫星传送的信号上调制的代码。

基于载波相位测量值的这种方式具有提供更高的位置精度的潜能，即 达到厘米级或甚至毫米级的精度，相比基于代码的方式。可直观地理解其 原因如下。这个代码，如在L1频带上的GPS C/A码，具有更长于这个代 码被调制到的载波的一个周期（用于L1频带的19厘米）的码片长度（用 于C/A码的300米）。因此，比起用于代码检测，当用于载波相位检测时， 可将位置分辨率视为更大。

然而，在基于载波相位测量值的位置估算过程中，由于未知数量的周 期，载波相位是模糊不清的。能够确定接收信号的相位，但是不能以清楚 的方式直接确定整数周期。这就是所谓的“整周模糊度问题”，“整周模糊度 分辨率问题”或“相位模糊度分辨率问题”。

例如，在参考文献[1]第5章节中提供了用于代码观测值和用于载波相 位观测值的GNSS观测值方程。在参考文献[1]第7.2章节中提供了对GNSS 整周模糊度分辨率问题的介绍。

存在改善基于GNSS载波相位测量值的定位系统实施方式的需求，用 于以快速，稳定和计算高效方式获得接收器位置的精确估算。

发明概述

本发明目的在于满足上述需求。特别地，本发明目的在于改善记住了 快速获得稳定和更精确解决方案的目标的现有技术的方法的实施方式。

本发明包括如在权利要求中所定义的方法和设备。

在本发明的一实施方案中，提供了一种方法，用于估算对确定全球导 航卫星系统（GNSS）接收器的位置或GNSS接收器的位置变化有用的参 数。所述方法包括步骤：（a）获得在GNSS接收器处从多个GNSS卫星 每一个接收到的至少一个GNSS信号；（b）从至少一个网络节点处，获 得信息，这里称作为“精确卫星信息”，基于：（b.i）多个GNSS卫星的至 少一个的轨道或位置，和（b.ii）多个GNSS卫星的至少一个的时钟偏移； （c）在获得的GNSS信号之间，识别由周跳所可能影响的至少一个GNSS 信号的子集，之后将这个识别出的子集称作为“周跳影响子集”；和（d）估 算对确定GNSS接收器的位置或GNSS接收器的位置变化有用的参数，使 用：（d.i）不属于周跳影响子集的至少一些获得的GNSS信号，和（d.ii） 精确的卫星信息。

省略可能受周跳影响的信号，包括实际已经受周跳影响的信号和那些 可能已经受周跳影响的信号（而实际上，他们可能已经受异常卫星时钟影 响），为了使用基于卫星位置和卫星时钟偏移的参考信息（精确卫星信息） 计算接收器位置的目的，使得能够有效和精确地估算对确定GNSS接收器 位置有用的参数。这是因为，通过省略可能受周跳影响的信号，这个计算 既不受周跳影响信号损坏的观测值所影响，也不受瞬态卫星时钟异常损坏 的观测值所影响，其中影响观测值的这些损坏没有一个的源占据在精确信 息中。

附图简要说明

现在，应结合附图说明本发明的实施方案，其中：

图1和图2示出了单差（时间）和双重差分（时间/卫星）的来自GPS 卫星32的L1C/A载波相位测量值的时间序列，达到其中未发生任何周跳 的四个小时，为了描述该方程（6）在大多数情况下是有效的；

图3和图4示出了在电离层闪烁事件期间在加拿大西北地区剑桥湾中 的跟踪站采集的来自GPS-25的L1-C/A和L2-P载波测量值的变化率；

图5示出了用于GPS-25的L1-C/A和L2-P载波相位增量时间序列的 单差（时间）；

图6，图7和图8示出了来自2010年8月17日的用于GLONASS-07 的L1-C/A,L1-P,和L2-P载波相位增量测量值；

图9，图10和图11示出了L1-C/A和L1-P（图9），L1-C/A和L2-P （图10），和L1-P和L2-P（图11）的载波相位增量测量值的差；

图12，图13和图14示出了在GLONASS-07和GLONASS-22之间的 双重差分（时间/太空飞行器）的L1-C/A,L1-P,和L2-P载波相位时间序 列；

图15，图16和图17示出了在GLONASS-07之间的双重差分（时间/ 站）的L1-C/A,L1-P,和L2-P载波相位时间序列；

图18示出了以运动模式使用无电离层伪距测量值和精确卫星信息估 算的Trimble NetR9接收器（即，GNSS接收器）估算位置的东，北和垂 直分量中的误差；

图19示出了以静止模式使用无电离层载波相位测量值和精确卫星信 息估算的Trimble NetR9接收器估算位置的东，北和垂直分量中的误差；

图20和图21包含了来自GPS-11和GLONASS-01处的 Melbourne-Wubbena观测值组合的样地；

图22是本发明一实施方案中的方法的流程图，包括测量值质量分析步 骤；

图23是本发明一实施方案中的方法的流程图，包括验证输入天线参考 位置（ARP）步骤和测量值质量分析步骤；

图24是本发明一实施方案中的方法的流程图；

图25是本发明一实施方案中的方法的流程图，其中获得精确卫星位置 进一步包括获得GNSS信号相位之间的偏差；

图26是本发明一实施方案中的方法的流程图，其中识别周跳影响 GNSS信号考虑到精确卫星信息；

图27是本发明一实施方案中的方法的流程图，其中估算对确定GNSS 接收器的位置或其位置变化有用的参数不利用源自具有不正常时钟偏移的 卫星处的信号；

图28和图29分别是本发明两个实施方案中的方法的流程图，其中， 在估算对确定GNSS接收器的位置或其位置变化有用的参数之后，实施周 跳固定；

图30示意性地描述了本发明一实施方案中的设备。

发明详述

现在，应结合具体实施方案说明本发明。具体实施方案用于为技术人 员提供更好的理解，但不打算以任何方式限制由附属权利要求所定义的本 发明的范围。特别地，能够将整个说明书中独立说明的实施方案组合以在 他们不是相互排斥的范围内形成进一步的实施方案。

图24的流程图描述了本发明一实施方案中的方法。所述方法用于估算 至少来自全球导航卫星系统（GNSS）信号并对确定位置，如固定或移动 的GNSS接收器或更精确地连接所述GNSS接收器的天线的位置，有用的 参数。所述方法可最终导致确定或估算之后称作为漫游器接收器的漫游器 位置的固定或移动的天线位置。

所述方法包括以下步骤：

首先，在步骤s10中，在GNSS接收器（即将确定其位置或位置变化） 处，获得了从多个GNSS卫星每一个接收到的至少一个GNSS信号。接收 器获得在GNSS接收器本身处接收到的至少一个GNSS信号（如果接收器 本身负责执行方法），或服务器获得在GNSS接收器处接收到的至少一个 GNSS信号（如果服务器负责执行方法，而不是接收器）。接收器，如漫 游器接收器，通过观测来自多个GNSS卫星每一个处的特定频率（载波） 上携带的测距码，或通过观测来自多个GNSS卫星每一个处的特定频率（载 波）上省略的载波相位，或通过观测所述测距码和所述载波相位二者， 可从多个GNSS卫星每一个处接收至少一个GNSS信号。

其次，在步骤s20中，从至少一个网络节点处获得信息，这个信息在这 里称作为“精确卫星信息”。所获得的精确卫星信息包括信息关于（i）多个 GNSS卫星至少一个的轨道或位置和关于（ii）多个GNSS卫星至少一个的 时钟偏移。可从参考接收器的网络处获得精确卫星信息，例如如国际申请 WO 2011/034624 A2,WO 2011/034615 A2,WO 2011/034616 A2,WO 2011/034617 A2,和WO 2011/034614 A2中所述。

随后，在步骤s30中，识别由周跳所影响的，或可能由周跳所影响的 GNSS信号（在那些接收到的信号之间）。一种检测周跳的方式是通过例 如在参考文献[1]，第7.1.2章节中解释的差的方案，参照第198页上的表 7.1和附属说明。导出下面方程（8）的说明也将提供了解释如何能够检测 到周跳的依据。

下一步，在步骤s40中，估算对确定GNSS接收器的位置或其位置变 化有用的参数。估算这些参数的这个过程利用了不在周跳影响子集（包括 实际已经受周跳影响的信号和那些可能已经受周跳影响的信号，尽管他们 可能已经受异常卫星时钟影响）中的至少一些获得的GNSS信号，也利用 了精确卫星信息。

换句话说，基于处理步骤s20和s30的结果，s40估算对确定或估算位 置，如漫游器位置或更具体地其天线位置，有用的参数。例如，估算的参 数可指示用于GNSS接收器和GNSS卫星之间载波的最可能数量的周期， 即估算的参数可能是被解决的整周模糊度。换句话说，所述方法的输出不 必是位置本身，而是可为例如另一实体（如专用于这样任务的服务器上的 处理实体）用于估算或确定漫游器位置的参数。

如上所述，可由漫游器接收器本身或远离漫游器接收器的另外处理实 体实施所述方法。漫游器接收器可以是静态的（不移动）或动态的（移动）。 漫游器接收器可发送表示GNSS观测值的数据给随后负责获得（步骤s10） GNSS观测值和实施所述方法其他步骤（步骤s20,s30,和s40）的处理实 体。

可由参考接收器的网络计算或准备精确卫星信息，因为其位置是精确 已知的，随后，使用例如NTRIP（通过互联网协议的RTCM网络传输， 其中RTCM代表海运事业（服务）无线电技术委员会），或通过卫星链接， 例如在允许同一天线用于接收这些GNSS信号的L1频带上，可传送精确 卫星信息。

也称为参考站的参考接收器的地点，典型地非常精确地已知，如在两 （2）厘米内。每一个参考站包括至少一个天线并接收和观测来自这些 GNSS卫星或至少他们中的一些的GNSS信号。精确已知位置的参考接收 器的，或多个参考接收器的GNSS信号的观测值使得能够确定与精确卫星 轨道相关，与精确卫星时钟误差相关，和与这些GNSS信号之间偏移（偏 差）相关的信息。

在一实施方案中，如图25所述，在步骤s20中获得的精确卫星信息进 一步包括在源自一个卫星的两个或更大GNSS信号的相位之间的偏差，用 于多个GNSS卫星中的至少一个。将所述信息提供作为估算步骤s40的输 入使得能够固定整周模糊度。在不知道来自所述卫星的GNSS信号的相位 之间的偏差时，一般可能的是，仅仅获得浮点解。换句话说，仅仅获得偏 差信息用于固定模糊度，本发明能够没有所述固定（即，将这些模糊度认 为“浮点”）而运行。然而，也存在来自固定模糊度的好处。在源自一个卫 星的两个或更多GNSS信号之间的偏差在所述GNSS信号生成中是固有 的，因为在卫星硬件（放大器，电缆，滤波器，等）中的延迟，获取所述 信息用于解决在来自多个GNSS卫星至少一个的一个或多个相位测量值中 的整周模糊度。

通过“在所述GNSS信号生成中是固有的”，这意味着在此上下文中一 般不能避免这些偏差。在来自相同卫星的两个或更多信号之间的偏差是用 于生成这些信号的处理和电子电路的函数。这些大多是归因于通过这些电 子电路的不同传播路径的延迟。对于GPS，由基本的，f₀*154给出L1信 号，对于L2，其为f₀*120。如果不存在偏差，当首次打开振荡器时，在t =0处，二者的传送相位将为零。随后，基于逝去的时间和这些频率，即使 这些频率不同，将保持所述相位关系。随后，一秒以后，如果没有偏差， L1和L2二者的相位将再次为零。所述偏差是归因于在卫星中的滤波器， 电缆，放大器等中的硬件延迟。

当可获得这些偏差时的优点是最终接收器位置确定的改善质量（或精 度）。

在一实施方案中，s10获得来自多个GNSS卫星每一个处的至少一个 GNSS信号包括作出所述GNSS信号的测距码观测值和载波相位观测值。

在一实施方案中，s20获得精确卫星信息包括每两秒或更频繁地获得 每一个GNSS卫星的精确卫星信息。例如，可每一秒或更频繁地获得每一 个GNSS卫星的精确卫星信息。

在一实施方案中，s30识别周跳影响子集包括，使用无几何影响载波 相位组合（在下面的方程（9）中给出了无几何影响载波相位组合的实施例） 和无几何影响代码载波组合（无几何影响代码载波组合的实施例是在下面 的方程（17）中给出了的Melbourne-Wubbena组合，也参见下面提及的 参考文献[7]）中至少一个检测周跳。特别地，这可通过计算无几何影响电 离层载波相位（电离层残差载波相位组合是在下面的方程（9）中给出的无 几何影响载波相位组合的实施例）或通过计算无几何影响 Melbourne-Wubbena代码载波（参见下面的方程（17））来执行。使用无 几何影响载波相位组合和无几何影响代码载波组合的至少一个使得能够确 定受或可能受周跳影响的那些信号。

在一实施方案中，如图26所述，周跳影响GNSS信号的步骤30中的 识别也可考虑精确卫星信息。这个实施方案特别有利，如果卫星具有漂移 问题，其中其时钟相比较其期望的基于所述卫星原子时钟稳定性的规范的 行为漂移，在此时，所述时钟漂移不能由所述卫星广播的卫星时钟参数来 确定。

在一实施方案中，s40估算对确定GNSS接收器的位置或其位置变化 有用的参数的步骤包括使用不在周跳影响子集中的至少一些获得的GNSS 信号的时差载波相位确定接收器的位置变化。下面与附属说明一起的方程 （5）和方程（6）将示出，对于静态接收器，一个能够形成通常仅仅是接 收器时钟漂移函数的任意信道的时差测量值和信道载波相位锁定状态（即 周跳）。一旦识别出周跳，可将方程（5）应用于来自每一个周跳空闲信道 的载波相位测量值以估算接收器的天线位置变化。由于一个接收器通常具 有许多用于任意给定时期的这样的测量值，一个接收器可应用最小二乘处 理以确定最合适的位置变化和时钟变化。

在一实施方案中，如图27的流程图所述，除了排斥来自周跳影响GNSS 信号子集的GNSS信号之外，当在步骤s40中计算这些参数时，也排斥了 基于精确卫星信息以具有不正常时钟偏移而确定的来自这些卫星的信号。 当卫星时钟偏移或漂移超过基于卫星原子时钟稳定性的规范的阈值时，将 卫星称为具有不正常时钟偏移。当使用广播时钟参数计算时钟偏移的努力 导致了残差时钟误差时，当比较精确卫星信息，其超过可接收的阈值时， 也将卫星称为具有不正常时钟偏移。

在一实施方案中，如图28的流程图所示，一旦在步骤s40中已经估算 了这些参数，在步骤s50中，基于这些周跳影响GNSS信号实施周跳固定。 随后，在步骤s60中，再次（用于改善这些参数的精度），估算了对确定 GNSS接收器位置以及GNSS接收器时钟偏移有用的参数，至少基于已经 实施了周跳固定的一个GNSS信号，除了在如上所述的步骤s40中已经使 用的信息之外。

在步骤s50中，可如下实施周跳固定。一旦怀疑载波相位测量值记录 包含周跳，随后一个接收器必须确定所述周跳的最可能的整数值，和其实 际上是周跳的概率。一种方式是简单地将所述残差舍入到最接近整数值并 计算剩下值仅仅是噪声的概率。然而，如果可获得相同卫星的另外残差， 能够为每一个信道确定最佳整数值周跳集，使用搜索技术如在Teunissen,P. J.J.(1994),“A new method for fast carrier phase ambiguity estimation”, Proceeding of IEEE PLANS’94,Las Vegas,NV,April11-15,pp.562-573中 说明的内容。一旦确定了所述整数值周跳，将他们用于纠正原有的载波相 位测量值。

在一实施方案中，s60对确定GNSS接收器位置或其位置变化以及 GNSS接收器时钟偏移有用的参数的再次估算利用了无电离层代码组合 （参见下面的方程（11）和附属文字）和无电离层载波相位组合（参见下 面的方程（13）和附属文字）。

在一实施方案中，如图29的流程图所示，s60对确定GNSS接收器位 置或其位置变化以及GNSS接收器时钟偏移有用的参数的再次估算利用了 包括已经实施周跳固定的周跳影响子集的至少一个GNSS信号的至少一些 获得的GNSS信号，但是排斥了基于精确卫星信息而确定的以具有，超过 基于卫星原子时钟稳定性的规范的阈值的时钟偏移或漂移，或超过基于将 精确卫星信息与使用广播卫星时钟参数计算出的时钟偏移相比较时的残差 时钟误差的阈值的时钟偏移或漂移的，源自卫星的GNSS信号。s60参数 再次估算也利用了获得的精确卫星信息，如上所解释的一样。

图30示意性地描述了本发明一实施方案中的设备。设备100配置用于 估算对确定GNSS接收器位置或其位置变化有用的参数，通过实施参照图 24所述的方法。

为了这样做，设备100可包括处理单元，主存储器，ROM（只读存储 器）或RAM（随机访问存储器），存储装置，输入装置，输出装置，和 通信接口。总线可包括允许在设备100的组件之间通信的路径。

处理单元可包括处理器，微处理器，或处理逻辑，其可解释并执行计 算机可执行指令用于执行包括步骤s10,s20,s30,s40的方法。主存储器可包 括ROM或RAM或其他类型的动态存储装置，其可存储用于处理单元执 行的信息和指令。ROM可包括ROM装置或其他类型的静态存储装置， 其可存储用于处理单元的静态信息和指令。存储装置可包括磁学和/或光学 记录介质和其相应驱动。

输入装置可包括允许用户输入信息到设备的机构，如小键盘，键盘， 鼠标，笔，语音识别和/或生物机构等。输出装置可包括输出信息给操作者 的机构，包括显示器，打印机，扬声器等。通信接口可包括任意类似收发 器的机构，其使得设备100能够与其他装置和/或系统（如用于获得精确卫 星信息）通信。例如，通信接口可包括通过网络与另一装置或系统通信的 机构。

设备100可实施此处所述的某些操作或处理。其可实施这些操作以响 应于执行被包含在计算机可读介质如主存储器，ROM，和/或存储装置中 的软件指令的处理单元。可将计算机可读介质定义为物理或逻辑存储器装 置。例如，逻辑存储器装置可包括在单个物理存储器装置或分布在多个物 理存储器装置内的存储器空间。主存储器，ROM和存储装置中的每一个 可包括计算机可读媒体。存储装置的磁学和/或光学记录媒体（例如，可读 CD,DVD,或蓝光光盘（BD））也可包括接收机可读媒体。可将软件指令 从另一计算机可读介质如存储装置或通过通信接口从另一装置处，读入主 存储器中。

被包含在主存储器中的软件指令可使得处理单元实施此处所述的操作 或处理。或者，可使用硬件电路替换或合并软件指令以实施此处所述的处 理和/或操作。因而，此处所述的实施方式不限于硬件和软件的任意特定合 并。

现在，让我们进一步解释其中已经研发本发明的上下文以更好对其理 解。

不同的全球导航卫星系统（GNSS）定位服务，类似虚拟参考站（VRS） 网络，单基地实时动态（RTK）纠正，海运参考站，用于精确着陆的局域 增强系统（LAAS）等的服务提供商，典型地需要在通过一些类似无线， 卫星或IP的通信媒体的传输之前的GNSS测量值或纠正值的接收器自主 完整性监测（RAIM）。尽管用于RAIM的各种方法存在于文献中（例如 参见，Lee,Y.C.(1992),Receiver autonomous integrity monitoring(RAIM) capability for sole-means GPS navigation in the oceanic phase of flight, Position Location and Navigation Symposium,pp464-472;Hewitson,S., Lee,H.K.,and Wang,J.(2004),Localization Analysis for GPS/Galileo  Receiver Autonomous Integrity Monitoring,Journal of Navigation,57,pp. 245-259;and Hewitson,S.and Wang,J.(2007),GNSS Receiver  Autonomous Integrity Monitoring with a Dynamic Model,Journal of  Navigation,60pp247-263）并被合并于各种GNSS产品中，大部分被研发 用于经典的GNSS导航方案。这些方案主要使用了通过导航广播消息散播 的伪距测量值和卫星轨道以及时钟信息。

类似于将在一实施方案中说明的原始GNSS数据分析的更先进方法， 已经被用于Trimble基础设施中，监测方案软件另外使用了载波相位测量 值和各种频率组合以检测来自每一个参考接收器的GNSS测量值中的误 差。尽管能够使用广播卫星星历实现这些，异常值检测等级受在计算出的 卫星位置和时钟偏移的误差所限制。这个能够被改善，使用—例如—IGS 超快速轨道（参见Springer,T.A.and Hugentobler,U.,IGS ultra rapid  products for(near-)real-time applications,Physics and Chemistry of the  Earth,Part A:Solid Earth and Geodesy,Volume26,Issues6-8,pp. 623-628），其显著地减少了所述卫星位置误差。然而，在足够高的速率或 质量时典型地无法获得卫星时钟偏移用于允许短期不稳定性的建模（也被 称为“短暂的”不稳定性），其在GNSS卫星时钟中偶尔被观测到。

用于Trimble GNSS接收器中的单基地实时动态（RTK）引擎也实施 来自参考和漫游器接收器的测量值的原始数据分析。代码载波合并和电离 层残差载波合并用于检测和标记未被嵌入在这些接收器中的信号跟踪固件 标记的周跳。同样，RTK引擎使用了来自参考接收器的时差L1载波相位 测量值用于检测总卫星位置误差和不稳定的卫星时钟。仅仅使用广播卫星 星历或IGS超快速轨道，RTK引擎将拒绝在短期时钟不稳定性时期期间 来自卫星的所有测量值。不需达到高速和高质量的卫星时钟偏移，这是用 于RTK引擎的最佳做法，但是减少了可获得用于模糊度求解和定位的卫 星数量。

现有Trimble CenterPoint RTX系统（TCP）（参见以上已经提及的 国际申请WO 2011/034624A2,WO 2011/034615 A2,WO 2011/034616 A2, WO 2011-034617 A2,和WO 2011/034614 A2）由超过100个GNSS参考 接收器和多个冗余服务器的全球网络组成。TCP是实时计算精确GNSS卫 星轨道和时钟的一些本发明实施方案所使用的系统的实施例。也可使用 GNSS参考站的其他全球网络或区域子网络，本发明不限于任意特定全球 网络，或区域子网络的使用。实施TCP，期望的位置和时钟偏移的精度大 约是三厘米。对于所有被跟踪的卫星，经过20秒间隔通过L频带卫星链 路传输精确位置，而每2秒传输精确时钟偏移。如果存在足够的传输带宽， 可减少这些间隔。使用NTRIP标准，能够使用TCP-IP（网络协议）以1Hz 传输精确轨道和时钟。本发明的一些实施方案提供了负责通过以1Hz访问 精确卫星位置和时钟偏移来估算对确定接收器位置有用的参数的模型，最 终结果是卫星时钟不稳定性时期的更强健处理，一般地改善了代码和载波 异常值检测和更可靠周跳检测和固定。对于单基地RTK参考站，直接的 好处卫星时钟不稳定性时期期间拒绝测量值数量的减少。计算位置的RTK 引擎和用于分析原始GNSS数据的一实施方案中将说明的方法也都可能被 延伸为使用TCP轨道和时钟以确定具有增长精度的参考站位置。

先前被提及作为先进方法的原始GNSS数据的分析，此后将称作为原 始数据分析方法，将在一实施方案中说明，并设计用于检测在来自单个 GNSS接收器的测量值中的异常值和载波相位周跳。当前将这个方法用于 Trimble基础设施软件产品用于分析来自GNSS参考接收器和其中天线参 考位置（ARP）的坐标典型地已知为在国际地球参考框架（ITRF）内厘米 等级的天线的测量值。将来自每一个GNSS接收器信道的伪距和载波相位 测量值高通滤波，并为异常值和周跳检查来自这些滤波器的残差。

对于基于频带k和调制类型m的从GNSS接收器到卫星j的伪距和 载波相位观测值，假定以下观测模型用于将在时期i处观测值关联到 某些物理量：

$P_{\mathrm{ikm}}^j={\rho }_i^j+{\mathrm{c\Delta t}}_i-{\mathrm{c\Delta t}}_i^j+T_i^j+I_{i{P}_k}^j+b_{i{P}_{\mathrm{km}}}-b_{{\mathrm{iP}}_{\mathrm{km}}}^j+m_{i{P}_{\mathrm{km}}}^j+{ϵ}_{i{P}_{\mathrm{km}}}^j---\left(1\right)$

${\Phi }_{\mathrm{ikm}}^j={\rho }_i^j+{\mathrm{c\Delta t}}_i-{\mathrm{c\Delta t}}_i^j+T_i^j+I_{{\mathrm{i\Phi }}_k}^j+b_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}-b_{{\mathrm{i\Phi }}_{\mathrm{km}}}^j+{\lambda }_k{N}_{\mathrm{ikm}}^j+m_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}^j+{ϵ}_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}^j---\left(2\right)$

其中

是在时期i的接收器到卫星j的几何全距

c是光速

Δt_i是在时期i的接收器时钟误差

是在时期i的卫星j时钟误差

是在时期i的接收器到卫星j的对流层延迟

是在时期i的频率f_k处的接收器到卫星j的代码电离层 延迟

是在时期i的频率f_k处的接收器到卫星j的载波相位 电离层延迟

是在时期i的频率f_k上用于调制类型m的接收器伪距偏差

是在时期i的频率f_k上用于调制类型m的卫星j伪距偏差

是在时期i的频率f_k上用于调制类型m的接收器相位偏差

是在时期i的频率f_k上用于调制类型m的卫星j相位偏差

λ_k是频率f_k波长

是在时期i的用于波长λ_k的接收器到卫星j的整周模糊度项

是在时期i的频率f_k上用于调制类型m的接收器到卫星j的代码多径

是在时期i的频率f_k上用于调制类型m的接收器到卫星j的相位多径

是在时期i的频率f_k上接收器到卫星j的代码随机噪声项

是在时期i的频率f_k上接收器到卫星j的相位随机噪声项

表1列出了各种GNSS所使用的一些PRN信号类型（其中QZSS代 表了“准天顶卫星系统”）

表1信号类型

通过首先从方程（1）和（2）中移除几何全距（），接收器时钟误 差（Δt_i），卫星时钟误差（）和对流层延迟（），可能的是，使用 相对简单的两个状态滤波器来滤波来自每一个信道的伪距和载波相位测量 值。（这将在作为方程（8）的先导的说明中被更完整地说明。在方程（8） 后的段中，提及到了将把在方程（8）中已说明的测量值通过相对简单的因 而提供能够被分析以检测载波相位异常值和固定周跳的残差的高通滤波 器。可对伪距测量值和被分析用于检测伪距异常值的残差使用相同方式。 对于高通滤波器，可使用Kalman滤波器估算假定以下模型是 Gauss-Markov处理的绝对状态和时差）。根据已知GNSS天线位置计算 几何全距，根据任意可获得的星历计算卫星位置。根据相同星历计算卫 星时钟误差，计算对流层延迟，例如，根据如在Niell,A.E.,Global  mapping functions for the atmosphere delay at radio wavelengths,Journal  of Geophysical Research,1996（此处称作为“参考文献[2]”）中说明的模型。

从方程（1）和（2）中移除几何全距，卫星时钟误差和对流层延 迟给出：

$P_{\mathrm{ikm}}^j=\mathrm{c\Delta }{t}_i+I_{{\mathrm{iP}}_k}^j+b_{{\mathrm{iP}}_{\mathrm{km}}}-b_{{\mathrm{iP}}_{\mathrm{km}}}^j+m_{i{P}_{\mathrm{km}}}^j+{ϵ}_{{\mathrm{iP}}_{\mathrm{km}}}^j---\left(3\right)$

${\Phi }_{\mathrm{ikm}}^j={\mathrm{c\Delta t}}_i+I_{{\mathrm{i\Phi }}_k}^j+b_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}-b_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}^j+{\lambda }_k{N}_{\mathrm{ikm}}^j+m_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}^j+{ϵ}_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}^j---\left(4\right)$

能够如下移除接收器时钟误差Δt_i。在任意时期i，接收器时钟误差Δt_i对于来自所有卫星的代码和载波相位测量值是共同的并能够以各种方式被 确定，如，例如，中值，平均值，最小二乘，加权最小二乘，和Kalman 滤波器。

或者，能够通过差分方程（3）和（4）估算接收器时钟误差Δt_i，但是 这种组合是受伪距噪声控制的。因为原始数据分析方法的主要目的之一是 载波相位周跳的检测和修复，重要的是，使用载波相位噪声等级的精度确 定接收器时钟误差Δt_i。由于载波相位模糊度，难于直接使用方程（4）来 确定在任意时期的绝对接收器时钟误差Δt_i。

然而，可能的是，精确确定在使用时差载波相位测量值的连续时期之 间的接收器时钟误差变化。形成方程（2）的时差给出：

${\partial \Phi }_{\mathrm{ikm}}^j={\partial \rho }_i^j+c\partial {\mathrm{\Delta t}}_i-c\partial {\mathrm{\Delta t}}_i^j+{\partial T}_i^j+{\partial I}_{{\mathrm{i\Phi }}_k}^j+{\partial b}_{{\mathrm{i\Phi }}_{\mathrm{km}}}-{\partial b}_{{\mathrm{i\Phi }}_{\mathrm{km}}}^j+{\lambda }_k{\partial N}_{\mathrm{ikm}}^j+{\partial m}_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}^j+{ϵ}_{{i\partial \Phi }_{\mathrm{km}}}^j---\left(5\right)$

其中

是从时期i-1到时期i的频率f_k上用于调制类型m的接收器到卫星j 的载波相位增量

是从时期i-1到时期i的接收器到卫星j的几何全距增量

是从时期i-1到时期i的接收器时钟误差增量

是从时期i-1到时期i的卫星时钟误差增量

是从时期i-1到时期i的接收器到卫星的对流层延迟增量

是从时期i-1到时期i的频率f_k上接收器到卫星j的载波相位电离层延 迟增量

是从时期i-1到时期i的频率f_k上用于调整类型m的接收器相位偏差 增量

是从时期i-1到时期i的频率f_k上用于调整类型m的卫星j相位偏差 增量

是从时期i-1到时期i的频率f_k上用于调整类型m的接收器到卫星j 的整周模糊度增量（周跳）

是从时期i-1到时期i的频率f_k上用于调整类型m的接收器到卫星j 的相位多径增量

是从时期i-1到时期i的频率f_k上用于调整类型m的接收器到卫星j 的载波相位增量噪声

一般地，使用以1Hz或更高的时期更新速率由一个参考接收器所采集 的数据实施原始数据分析方法。当在连续时期之间的间隔小于或等于一秒 时，在方程（5）中的许多项将有效地取消。检查这个方程中的每一个项导 致下列结论：

·在大多环境中，根据广播星历计算的接收器到卫星的几何全距增量项 的误差不超过±3米/秒（Peyton,D.R.(1990).An investigation into  acceleration determination for airborne gravimetry using the global  positioning system.University of New Brunswick.Frederiction: University of New Brunswick,这里称作为“参考文献[3]”）。

·对于GPS卫星，使用具有在广播星历消息中提供的系数的二阶多项式， 能够计算时钟误差。这种参数化的精度较大地依靠于用于控制卫星时钟 计时的原子频率标准的长期和短期稳定性二者。典型地，GNSS卫星使 用具有在10^-11到10^-14数秒/秒范围中长期稳定性的原子时钟。短期稳定 性，如由时钟的Allan方差所确定的，在以下参考文献中被给出： Hesselbarth,A.,&Wanninger,L.,Short-term stability of GNSS  satellite clocks and its effects on precise point positioning,Dresden  University of Technology,Geodetic Institute,Dresden,Germany: Dresden University of Technology,2008（这里称作为“参考文献[4]”）。 因此，期望的是，根据广播星历计算的卫星时钟误差增量项的误差， 将不超过数毫米。

·一般地，根据经验模型计算的对流层延迟的残差误差不超过在被映射到 视线的顶点处整个延迟的20％。而且，典型地，在顶点的残差误差的 变化速率不超过大约1厘米/小时。即使当将这个误差映射到视线，其 将仍旧是亚毫米的并因此能够忽略接收器到卫星的对流层延迟增量项 。

·在平静的太空气象活动期间，能够将电离层延迟考虑为在至少数分钟时 期上是不变的并使得接收器到卫星的载波相位电离层延迟增量项通常是可以忽略的。

·期望接收器和卫星的载波相位偏差在相当长的时期上保留不变，因此偏 差增量项和在至少数分钟的间隔上应有效为零。

·根据Wanninger, L. a., Carrier phase multipath calibration of GPS  reference stations, Salt Lake City: Institute of Navigation, 2000（此处称 作为“参考文献[5]”），基于在GNSS天线和反射器之间的距离（即， 在GNSS接收器天线和多径源之间，也就是使得附加信号被接收器跟踪 的反射源），在载波相位多径中的主要时间周期分布在10到45分钟。 因此，载波相位多径增量项应为—如果非零—至少大幅度减少。

考虑以上内容，得到下面用于时差载波相位观测值的方程：

$\partial {\Phi }_{\mathrm{ikm}}^j=c\partial {\mathrm{\Delta t}}_i+{\lambda }_k{\partial N}_{\mathrm{ikm}}^j+{ϵ}_{i{\partial \Phi }_{\mathrm{km}}}^j---\left(6\right)$

如上所述，方程（6）假定平静的太空气象和对于从方程（5）消除的 项足够长的时间变量。在激烈的电离层活动和特别地电离层闪烁活动时期 期间，电离层延迟增量可能是重要的。另外，一些GNSS卫星所使用的时 钟偶尔展现具有增加漂移的短期不稳定性，例如，在10^-10和10^-9数秒/秒。 然而，一般地，方程（6）在大多环境下是有效的，能够将任意残差误差包 括于噪声项。在包含了其中未发生任何周跳的四个小时时期的来自GPS卫 星PRN32（GPS-32）的单差（时间）和双重差分（时间/卫星）L1 C/A载 波相位测量值的时间序列的图1和图2中描述了这个陈述的有效性。从来 自GPS-16的时间单差中减去来自GPS-32的时间单差消除了在方程（6） 中的接收器时钟误差增量项。在不存在周跳时，图2中的时间序列应 代表了与成比例的方程（6）中的期望噪声项。

方程（6）提供了使用数毫米的RMS误差估算在两个连续时期之间的 接收器时钟误差增量的机制。一个可能是，使用来自所有卫星的载波相位 增量测量值的简单平均值，频率和调制类型用于估算在每一个时期的平均 接收器时钟误差增量。然而，在将测量值包含到平均值之前，注意力不得 不转向检测周跳。原始数据分析方法使用了两个步骤的处理。在第一步骤 中，使用来自接收器未检测到周跳的所有信道的载波相位增量测量值，计 算中值接收器时钟误差增量。这能够进行，因为一般地，中值估算器在如 周跳的不连续性的出现中是更健壮的。在第二步骤中，将相对于中值估算 不是异常值的载波相位增量测量值的简单平均值用于计算相对于先前时期 的最终接收器时钟误差增量。

返回到方程（3）和（4），其需要的是一种估算在每一个时期i的接 收器时钟误差的手段。然而，为了周跳检测的估算，绝对接收器时钟误差 没有在先前和当前载波相位测量值的时期之间的接收器时钟误差增量一样 重要。因此，通过整合来自每一个时期的平均接收器时钟误差增量来构建 接收器时钟误差的估算就足够了，如下：

${\mathrm{c\Delta t}}_i^{\Phi }=\mathrm{c\Delta }{t}_0+c\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left[{\partial \mathrm{\Delta t}}_i^{\Phi }\right]---\left(7\right)$

其中

是基于载波相位在时期i处的接收器时钟误差

Δt₀是在时期0处的接收器时钟误差

是使用从时期i-1到时期i的载波相位增量估算的平均接收器时钟误差 增量

在时期0处的接收器时钟误差能够根据来自相同时期的所有伪距测量 值的平均值被计算出或能够简单地被假设为零。

将方程（7）代入方程（4）中并随后消除接收器时钟误差最终给出：

${\theta }_{\mathrm{ikm}}^j=I_{{\mathrm{i\Phi }}_k}^j+b_{i{\Phi }_{\mathrm{km}}}-b_{{\mathrm{i\Phi }}_{\mathrm{km}}}^j+{\lambda }_k{N}_{\mathrm{ikm}}^j+m_{{\mathrm{i\Phi }}_{\mathrm{km}}}^j+{ϵ}_{{\mathrm{i\Phi }}_{\mathrm{km}}}^j---\left(8\right)$

符号的使用指示了在方程（8）中的左手项不同于方程（4）中的左 手项。这是因为已经使用方程（7）估算并随后消除了接收器时钟项。换句 话说：

${\theta }_{\mathrm{ikm}}^j={\Phi }_{\mathrm{ikm}}^j-[{\mathrm{c\Delta t}}_0+c\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}[{\partial \mathrm{\Delta t}}_i^{\Phi }\left]\right].$

一旦从方程（4）中消除了几何全距，接收器和卫星时钟误差和对流层 延迟，能够将来自每一个接收器信道的载波相位测量值通过相对简单的高 通滤波器，得到的残差被分析用来检测异常值和固定载波相位周跳。为了 这个目的，原始数据分析方法使用Kalman滤波器估算假设以下模型是 Gauss-Markov处理的绝对状态和时间导数。

当原始数据分析方法识别出在特定信道上的可能周跳时，随后其视图 恢复载波相位周跳的整周本质。然而，当仅仅考虑来自单个信道的残差时， 这可能是困难的。因而，形成了共享共同卫星的信道残差的各种线性合并 以改善成功整周恢复的概率。例如，通过使用来自相同卫星的两个信道跟 踪GPS L1和L2的残差形成无电离层组合，能够消除在方程（8）中的电 离层延迟项

一般地，方程（8）的滤波得到良好的结果，但是在这个模型中内在的 一些假设不总是保真。特别地，两个问题能够导致周跳的错误检测和/或不 正确周跳固定。如先前章节所提及的一样，因为电子密度不规则的电离层 闪烁能够导致GNSS信号的深度衰退和在方程（4）和（8）中电离层延迟 项的快速波动。图3和图4包含了示出在2011年1月19日电离层闪烁事 件期间在加拿大西北地区剑桥湾中的跟踪站采集的来自GPS-25的L1-C/A 和L2-P载波测量值的变化率的绘图。

L1-C/A和L2-P载波相位增量时间序列的取差消除了来自方程（5）的 任意频率无关项，如下：

${\partial \Phi }_{\mathrm{iI}}^j={\partial \Phi }_{\mathrm{iL}1\mathrm{CA}}^j-{\partial \Phi }_{\mathrm{iL}2\mathrm{PE}}^j$

$={\partial I}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L1}}^j+{\partial b}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L1\mathrm{CA}}}-{\partial b}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L1\mathrm{CA}}}^j+{\lambda }_{L1}{\partial N}_{\mathrm{iL}1\mathrm{CA}}^j+{\partial m}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L1\mathrm{CA}}}^j+{ϵ}_{{i\partial \Phi }_{L1\mathrm{CA}}}^j$

$-({\partial I}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L2}}^j+{\partial b}_{i{\Phi }_{L2\mathrm{PE}}}-{\partial b}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L2\mathrm{PE}}}^j+{\lambda }_{L2}{\partial N}_{\mathrm{iL}2\mathrm{PE}}^j+{\partial m}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L2\mathrm{PE}}}^j+{ϵ}_{{i\partial \Phi }_{L2\mathrm{PE}}}^j)$

消除具有长时间常数的任意项：

${\partial \Phi }_{\mathrm{iI}}^j={\partial I}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L1}}^j-{\partial I}_{{\mathrm{i\Phi }}_{L2}}^j+{\lambda }_I{\partial N}_{\mathrm{iI}}^j+{ϵ}_{{i\partial \Phi }_I}^j---\left(9\right)$

方程（9）示出了在L1-C/A和L2-P载波相位增量测量值之间的差将— 当存在周跳时—仅仅是电离层延迟的变化率的函数。图5包含了这个用于 GPS-25的时间序列的绘图。这清楚地示出了在L1-C/A和L2-P载波相位 测量值中的高变化率可能是因为电离层闪烁。

除了电离层闪烁之外，能够使得方程（8）无效的其他问题是由各个 GNSS卫星所使用的原子频率标准中的不期望的不稳定性。有时，GPS和 GLONASS卫星的时钟都看起来展现了出离标准的行为。其一个极端的实 施例是在2010年10月24日被标记为不良的GLONASS-07。图6，图7 和图8包含了来自2010年8月17日用于GLONASS-07的L1-C/A,L1-P,和 L2-P载波相位增量测量值的绘图。将这三个时间序列与图1中的时间序列 进行的比较清楚地指示了GLONASS-07的问题（因为图6，图7和图8每 一个中的三个异常值）。然而，在这种情况中，L1-C/A和L1-P（图9）， L1-C/A和L2-P（图10）或L1-P和L2-P（图11）载波相位增量测量值的 取差指示了，这个问题与电离层干扰无关，但是的确必须来自当形成一个 卫星共有的信道之间差时取消的频率无关项之一。回来参考方程（5）和后 续讨论内容，最可能的候补是接收器和卫星时钟误差增量。在 GLONASS-07和GLONASS-22（图12，图13和图14）之间的双重差分 （时间/太空交通工具）时间序列（方程（5）是用于一个卫星的时间上的 简单差分；如果一个减去来自第二卫星的时间上的简单差分，获得了在时 间和卫星上的双重差分）的形成消除了其是接收器时钟问题的可能性，因 为在这个组合中取消了接收器时钟误差而不取消卫星时钟误差。然而，在 来自两个站的L1-C/A，L1-P和L2-P载波相位增量测量值之间的双重差分 的形成取消了卫星时钟误差。如图15，图16和图17中所示，已经消除了 在载波相位增量测量值中的快速起伏，这些起伏因此是由于卫星时钟的不 稳定性。

除了电离层闪烁和卫星时钟不稳定性之外，接收器到卫星几何全距的 误差能够导致用于异常值检测和周跳固定的简单高通滤波器的差性能。以 下模型假设参考接收器ARP总是静态的，ARP的坐标精确到ITRF中的 数米。一般地，所述模型能够容忍在接收器天线位置中达到10米的误差， 但是其不能处理在所述位置中的突发变化。类似地，所述模型能够容忍在 卫星轨道中的常在误差，但是其不能处理不符合以下力量模型的位置中的 突发变化。在所述的原始数据分析方法中，或根据广播星历或根据从国际 GNSS服务（IGS）可获得的超快速精确星历确定了卫星位置。根据从国际 GNSS服务：http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.html处，2011年6 月26日取回的，2009年7月17日的2009年的IGS产品，当GPS广播星 历用于计算卫星位置时，在X,Y和Z中的ID RMS误差是～100厘米，而 使用超快速精确星历，这被减小到大约5厘米。对于GLONASS卫星，期 望的是，通过比较于GPS的三个（3）中的一个因素，将广播星历的精度 变差（Wanninger,L.,&Wallstab-Freitag,S.,Combined processing of GPS, GLONASS and SBAS code phase and carrier phase measurements, Institude of Navigation,Fort Worth,Texas:Proceedings ION GNSS2007， 这里称作为“参考文献[6]”）。

现在让我们更具体地说明本发明的一些实施方案。

现有的TCP系统由超过100个GNSS参考接收器和多个实时计算精 确GNSS卫星轨道和时钟的冗余服务器的全球网络构成。这些位置和时钟 偏移的期望精度是大约4厘米。对于所有被跟踪的卫星，以20秒间隔从服 务器处传送精确位置，而每2秒传送精确时钟偏移。如已经提及的一样， 可使用更短的时间间隔。使用NTRIP，能够以1Hz传送这些精确的轨道和 时钟。使用这些数据流，将可能的是，结合先前已述的原始数据分析方法 使用伪距测量值或参考站ARP的精确单点定位（PPP）来实施单点定位。 以这种方式，可能检测到在静态参考站ARP坐标中的误差，或原始数据分 析方法甚至可能被延伸到处理非静态GNSS接收器。甚至在没有附加的单 点定位时，以1Hz的TCP数据流的可获得性将确保了卫星时钟不稳定性 时期的更健壮处理，对代码和载波异常值检测的改善，和一般地更可靠的 周跳检测和固定。

单个信道周跳检测和组合信道周跳固定（可用心阅读此章节，特别地，图 22-30中的步骤s30）

原始数据分析方法使用了单个信道周跳检测和组合信道周跳固定。如 上所述，这种方式具有的主要问题是在GNSS卫星时钟中的偶尔不稳定性 和电离层闪烁。电离层闪烁的影响被局部化并且不能从稀疏全球网络内插 或外推。然而，TCP数据流提供了具有典型地好过1厘米的精度的卫星 时钟偏移估算—完全在卫星时钟的期望噪声等级之下。使用TCP数据，当 使用方程（4）或一些导出的组合时，好于根据广播模型预测的时钟误差， 卫星时钟偏移估算极大地减少了周跳的错误检测和/或不正确周跳固定的 概率。

这种方式的其他问题是，其依赖于对接收器和卫星ARP的在周跳检测 /固定间隔，或更具体地，在精确增量范围上的位置的精确了解。在静态情 况中，如果已知接收器的ARP达到足够精度（数米），可获得精确卫星位 置用于两个时期（即，在检测到周跳的间隔的开始和结束处的时期），能 够将增量范围考虑为精确已知。然而，在运动情况中，在没有对接收器ARP 位置变化了解时，不能可靠地固定周跳。如果为接收器或天线装配有能够 用于估算位置变化的另一传感器，例如，惯性测量单元（IMU），随后可 能的是，将增量范围确定到足够精度。或者，在初步周跳检测步骤之后使 用时差载波相位测量值可确定ARP位置变化。假设在所述时间间隔之间可 获得足够的非跳动载波相位测量值，因而计算的位置变化将随后被用于固 定任意检测到的周跳。

使用具有精确轨道和时钟的无电离层代码的位置监视和代码质量评估（可 用心阅读此章节，特别地，图22-23和图28-29中的步骤s60）

检测在静态参考站ARP坐标中的误差的一个可能方案将是运行使用 无电离层伪距测量值和精确卫星信息的自主方案。可为一个时期使用来自 这个时期可获得的所有卫星的伪距测量值来计算自主方案。这也可能被成 为导航方案。能够形成无电离层伪距组合，例如，使用来自相同GPS卫星 的两个信道跟踪L1-C/A和L2-P的伪距测量值。

$P_{i0}^j={\mathrm{\alpha P}}_{\mathrm{iL}1\mathrm{CA}}^j+{\mathrm{\beta P}}_{\mathrm{iL}2P}^j$

具有$\alpha =f_{L1}^2/(f_{L1}^2-f_{L2}^2)$和$\beta ={-f}_{L2}^2/(f_{L1}^2-f_{L2}^2)$

$P_{i0}^j={\rho }_i^{\mathrm{jTCP}}+{\mathrm{c\Delta t}}_i-{\mathrm{c\Delta t}}_i^{\mathrm{jTCP}}+T_i^j+b_{i{P}_0}-b_{i{P}_0}^j+C_i^j+m_{{\mathrm{iP}}_0}^j+{ϵ}_{{\mathrm{iP}}_0}^j---\left(10\right)$

其中

是在时期i处的接收器到卫星j的无电离层伪距

是在时期i处的接收器到卫星j的L1-C/A伪距

是在时期i处的接收器到卫星j的L2-P伪距

是GPS L1信号的频率（平方）

是GPS L2信号的频率（平方）

是使用TCP精确轨道计算的在时期i处的接收器到卫星j的距离

是使用TCP时钟计算的在时期i处的卫星j的时钟误差

是在时期i处的接收器的无电离层伪距偏差

是在时期i处的卫星j的无电离层伪距偏差

是在时期i处的接收器到卫星j的纠正

是在时期i处的接收器到卫星j的无电离层伪距多径

是在时期i处的接收器到卫星j的无电离层伪距随机噪声

在方程（10）中的新项，是能够被用来改善具有伪距测量值的单点 定位精度的纠正值的和。这些包括了接收器和卫星天线相位中心偏移和变 化以及归因于固体潮和海洋潮汐负荷的站点位移。至少，天线偏移和固体 潮位移应被考虑。

TCP卫星时钟误差是基于无电离层组合，其表示为能够忽略在方程 （10）中的卫星偏差项另外，能够将接收器时钟误差Δt_i和接收器偏 差项一起集总成一项。考虑到这些，得到了用于无电离层伪距测量值的 下列数学模型：

$P_{i0}^j={\rho }_i^{\mathrm{jTCP}}+{\mathrm{c\Delta t}}_{\mathrm{ib}}-{\mathrm{c\Delta t}}_i^{\mathrm{jTCP}}+T_i^j+C_i^j+m_{{\mathrm{iP}}_0}^j+{ϵ}_{{\mathrm{iP}}_0}^j---\left(11\right)$

其中

Δt_ib是在时期i处的接收器时钟误差和无电离层伪距偏差

假设使用如先前提及的Niell模型（参考文献[2]）的经验模型足以确定 对流层延迟项，则在方程（11）中仅仅未知的是接收器ARP，，接收 器时钟/偏移项Δt_ib，和用于每一个卫星的无电离层伪距多径。使用设计 用来估算ARP和接收器时钟误差/偏移的Kalman滤波器，应当可能的是， 使用无电离层代码和精确轨道和时钟来将ARP坐标估算到米的等级精度。 图18示出了由与3的因子成比例的相关标准偏差限定的这样滤波器所估算 自主位置的东，北和垂直误差。当使用滤波器估算位置矢量（3×1）时，总 是获得了相关的协方差矩阵（3×3）。通过采用所述协方差矩阵的相应对角 元素的平方根，一个能够获得所述位置矢量的一个组件的标准偏差。这个 术语“sigma”与标准偏差同义。

使用具有精确轨道和时钟信息的无电离层载波相位的位置监视，载波相位质量评估和周跳检测（也可用心阅读此章节，特别地，图22-23和图28-29 中的步骤s60）

能够以与伪距非常相同的方式使用无电离层载波相位以监视参考站位 置而具有非常高的精度。例如，使用来自相同GPS卫星的两个信道跟踪 L1-C/A和L2-P的载波相位测量值，能够形成无电离层载波相位。

${\Phi }_{i0}^j={\mathrm{\alpha \Phi }}_{\mathrm{iL}1\mathrm{CA}}^j+{\mathrm{\beta \Phi }}_{\mathrm{iL}2P}^j$

具有$\alpha =f_{L1}^2/(f_{L1}^2-f_{L2}^2)$和$\beta ={-f}_{L2}^2/(f_{L1}^2-f_{L2}^2)$

${\Phi }_{i0}^i={\rho }_i^{\mathrm{jTCP}}+\mathrm{c\Delta }{t}_i-\mathrm{c\Delta }{t}_i^{\mathrm{jTCP}}+T_i^j+b_{{\mathrm{i\Phi }}_0}-b_{i{\Phi }_0}^j+N_{i0}^j+C_i^j+m_{i{\Phi }_0}^j+{ϵ}_{{\mathrm{i\Phi }}_0}^j---\left(12\right)$

其中

是在时期i处的接收器到卫星j的无电离层载波相位

是在时期i处的接收器到卫星j的L1-C/A载波相位

是在时期i处的接收器到卫星j的L2-P载波相位

是在时期i处的接收器的无电离层载波相位偏差

是在时期i处的卫星j的无电离层载波相位偏差

是在时期i处的接收器到卫星j的无电离层载波相位模糊度

是在时期i处的接收器到卫星j的无电离层载波相位多径

是在时期i处的接收器到卫星j的无电离层载波相位随机噪声

当使用无电离层伪距数学模型时，能够忽略在方程（12）中的卫星偏 差项。另外，能够将接收器时钟误差Δt_i和接收器偏差项一起集总成 一项。考虑到这些，得到了用于无电离层载波测量值的下列数学模型：

${\Phi }_{i0}^j={\rho }_i^{\mathrm{jTCP}}+{\mathrm{c\Delta t}}_{\mathrm{ib}}-{\mathrm{c\Delta t}}_i^{\mathrm{jTCP}}+T_i^j+N_{i0}^j+C_i^j+m_{{\mathrm{i\Phi }}_0}^j+{ϵ}_{{\mathrm{i\Phi }}_0}^j---\left(13\right)$

其中

Δt_ib是在时期i处的接收器时钟误差和无电离层载波相位偏差

为了最可能好地确定ARP高度，通常必要的是，估算在用于对流层延 迟的模型中的残差误差。一个方式可能是使用在顶点的总延迟和依赖仰角 映射函数替换在方程（13）中的视线对流层延迟项。然而，一般地，较 好地对流层延迟模型提供了干湿顶点延迟和用于每一个的映射函数。由于 在对流层延迟模型中的大部分误差来自湿的成分，更好的方式是估算在顶 点延迟的湿的成分中的残差误差。重写方程（13）以容纳这种方式：

${\Phi }_{i0}^j={\rho }_i^{\mathrm{jTCP}}+{\mathrm{c\Delta t}}_{\mathrm{ib}}-{\mathrm{c\Delta t}}_i^{\mathrm{jTCP}}+M_d\left(e_i^j\right)Z_{\mathrm{di}}+M_w\left(e_i^j\right)(Z_{\mathrm{wi}}+{\mathrm{\Delta Z}}_{\mathrm{wi}})+N_{i0}^j+C_i^j+m_{{\mathrm{i\Phi }}_0}^j+{ϵ}_{{\mathrm{i\Phi }}_0}^j---\left(14\right)$

其中

M_d是干映射函数（参见参考文献[2]）

是在时期i处的接收器到卫星j的仰角

Z_di是在时期i处的在顶点处的干对流层延迟

M_w是湿映射函数

Z_wi是在时期i处的在顶点处的湿对流层延迟

ΔZ_wi是在时期i处的在顶点处的湿对流层延迟中的残差误差

如先前所述，从选择的对流层延迟模型（如，Niell(1996)，即参考文 献[2]）获得顶点延迟和映射函数。在方程（14）中未知的是接收器ARP （），接收器时钟/偏差项（Δt_ib），在湿顶点延迟中的残差误差（ΔZ_wi）， 无电离层载波相位模糊度（）和无电离层载波相位多径（）。使用 设计合适的Kalman滤波器，ARP坐标能够轻易地被估算为厘米精度。然 而，当仅仅处理无电离层载波相位测量值时，不可能的是，确定用于以下 L1-C/A和L2-P模糊度的整周值，意为固定模糊度的方案将是不可能的， 到厘米精度的收敛时间将典型地变慢。为了参考站点位置的监视，收敛时 间通常仅仅是一个问题，如果存在归因于在来自所有卫星的测量值中的长 通信损耗或周跳的频繁滤波器完全重设。图19示出了由设计用来估算在方 程（14）中所有未知项的Kalman滤波器所估算的ARP坐标的东，北和上 的误差和3个sigma误差限制。在启动之后两个小时，期望的3个sigma 的东，北和上的误差分别是19，38和54毫米。在启动之后四个小时，期 望的3个sigma已经分别下降到14，15和28毫米。

窄巷代码多径监视和宽巷载波相位周跳检测（可用心阅读此章节，特别地， 图22-30中的步骤s30）

除了精确卫星轨道和时钟之外，TCP数据流也包含了用于每一个卫星 的伪距偏差。能够结合公知的Melbourne-Wubbena（Melbourne,W.(1985). The case for ranging in GPS based geodetic systems.Proceedings of 1st  International Symposium on Precise Positioning with the Global  Positioning System.Rockville,Maryland:U.S.Department of Commerce, 这里称作为参考文献[7]）伪距/载波相位组合使用这些以估算宽巷载波相位 模糊度，检测窄巷代码异常值和多径并检测宽巷载波相位周跳。能够形成 窄巷代码组合，例如，使用GPS L1-C/A和GPS L2-P伪距测量值如下：

$P_{i\in }^j={\rho }_i^j+{\mathrm{c\Delta t}}_i-{\mathrm{c\Delta t}}_i^j+T_i^j+I_{{\mathrm{iP}}_e}^j+b_{{\mathrm{iP}}_e}-b_{{\mathrm{iP}}_e}^j+m_{{\mathrm{iP}}_e}^j+{ϵ}_{{\mathrm{iP}}_e}^j---\left(15\right)$

其中 是在时期i处的接收器到卫星j的窄巷代码观测值 是在时期i处的接收器到卫星j的窄巷代码电离层延迟 是在时期i处的接收器的窄巷代码偏差 是在时期i处的卫星j的窄巷代码偏差 是在时期i处的接收器到卫星j的窄巷代码多径 是在时期i处的接收器到卫星j的窄巷代码随机噪声项

例如，能够形成宽巷载波相位组合，使用GPS L1-C/A和GPS L2-P 载波相位测量值如下：

${\Phi }_{\mathrm{i\Delta }}^j={\rho }_i^j+{\mathrm{c\Delta t}}_i-{\mathrm{c\Delta t}}_i^j+T_i^j+I_{{\mathrm{i\Phi }}_{\Delta }}^j+b_{{\mathrm{i\Phi }}_{\Delta }}-b_{{\mathrm{i\Phi }}_{\Delta }}^j+{\lambda }_{\Delta }{N}_{\mathrm{i\Delta }}^j+m_{{\mathrm{i\Phi }}_{\Delta }}^j+{ϵ}_{{\mathrm{i\Phi }}_{\Delta }}^j---\left(16\right)$

其中 是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位观测 值 是宽巷波长（用于GPS的～0.862米）

是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位电离层 延迟

是在时期i处的接收器的宽巷载波相位偏差

是在时期i处的卫星j的宽巷载波相位偏差

是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位模糊度

是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位多径

是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位随机噪声项

通过从宽巷载波相位组合处减去窄巷代码组合形成了所述 Melbourne-Wubbena组合。这种组合的特殊有用的特征是，宽巷载波相位 电离层延迟相同于窄巷代码电离层延迟并因此取消。这对于导出方程（17） 的几何全距，时钟误差和对流层延迟也成立。

${\theta }_{\mathrm{i\Delta e}}^j={\lambda }_{\Delta }{N}_{\mathrm{i\Delta }}^j+(b_{i{\Phi }_{\Delta }}-b_{{\mathrm{iP}}_e})-(b_{{\mathrm{i\Phi }}_{\Delta }}^j-b_{{\mathrm{iP}}_e}^j)+m_{{\mathrm{i\theta }}_{\mathrm{\Delta e}}}^j+{ϵ}_{{\mathrm{i\theta }}_{\mathrm{\Delta e}}}^j---\left(17\right)$

其中

是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位—窄巷代码

是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位—窄巷代码多径

是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位/窄巷代码噪声

包括在TCP数据流中的用于每一个卫星的伪距实际上是宽巷载波相 位和窄巷代码偏差之间的差。将宽巷载波相位和窄巷代码偏差项合并得到 下面的数学模型：

${\theta }_{\mathrm{i\Delta e}}^j={\lambda }_{\Delta }{N}_{\mathrm{i\Delta }}^j+b_{{\mathrm{i\theta }}_{\mathrm{\Delta e}}}-b_{{\mathrm{i\theta }}_{\mathrm{\Delta e}}}^{\mathrm{jTCP}}+m_{i{\theta }_{\mathrm{\Delta e}}}^j+{ϵ}_{{\mathrm{i\theta }}_{\mathrm{\Delta e}}}^j---\left(18\right)$

其中

是在时期i处的接收器宽巷载波相位/窄巷代码偏差

是在时期i处的卫星j的宽巷载波相位/窄巷代码偏差的TCP估算

在方程（18）中未知项是宽巷载波相位模糊度，组合的接收器偏差和 组合的多径。估算未知项的一个方式可能是使用同时估算接收器偏差和模 糊度和所有跟踪卫星的多径的设计合适的Kalman滤波器。这种方式的缺 点是具有1+2N给定大小的相当大的状态矢量，其中N是跟踪卫星的数量。 或者，通过形成在两个卫星之间的单差因而恢复宽巷模糊度的整周本质， 可消除接收器偏差。使用这种方式，使用用于估算单差模糊度和多径的设 计合适的两个状态Kalman滤波器，可分别处理来自每一个卫星的 Melbourne-Wubbena观测值。

如果宽巷模糊度的浮点估算足够，能够将宽巷模糊度和接收器偏差合 并为一个未知项，将方程（18）重写如下：

${\theta }_{\mathrm{i\Delta e}}^j=N_{\mathrm{i\Delta }}^j-b_{{\mathrm{i\theta }}_{\mathrm{\Delta e}}}^{\mathrm{jTCP}}+m_{{\mathrm{i\theta }}_{\mathrm{\Delta e}}}^j+{ϵ}_{{\mathrm{i\theta }}_{\mathrm{\Delta e}}}^j---\left(19\right)$

其中

是在时期i处的接收器到卫星j的宽巷载波相位浮点模糊度

在方程（19）中的未知项是合并的宽巷模糊度/接收器偏差和多径。能 够将设计合适的Kalman滤波器用于估算每一个卫星的这两个状态。尽管 不能为绝对宽巷模糊度解出整周值，在相对长时间间隔上的浮点宽巷模糊 度（周跳）的变化应接近整周，因为接收器偏差一般具有长的时间常数。 图20和图21包含了来自GPS-11和GLONASS-01的Melbourne-Wubbena 观测值组合的样本绘图。

机理

通过形成各种无几何测量值的组合，可能的是，检测来自静态或移动 GNSS接收器的载波相位测量值中的周跳。Melbourne-Wubbena组合（方 程（17））和电离层残差组合（方程（9））特别用于这个目的。对于移动 GNSS接收器，困难的是，同时确定整周周跳值和位置变化。假设存在足 够的无周跳卫星，然而，可能的是，确定使用仅仅使用无周跳卫星的时差 载波相位（方程（5））的漫游器位置的变化。一旦已经确定了漫游器位置 的变化，能够为使用方程（8）的剩余卫星和先前所述方法确定整周周跳值。 下一步，如果需要，能够使用所有可获得的卫星重计算漫游器位置变化的 变化。或者，使用无电离层代码（方程（11））和载波相位（方程（13）） 能够计算绝对漫游器位置。对于每一个时期，用于静态或运动接收器/天线 的一般情况的一个实施方案中的机理如下（图22）：

·获得来自所有信道的时期GNSS测量值（步骤s10）；

·获得精确卫星位置和时钟偏移（步骤s20）；

·使用无几何载波相位和代码载波组合检测周跳（如，电离层残差载波相 位（方程（9）），Melbourne-Wubbena代码载波（方程（17）））（步 骤s30）；

·使用来自无周跳卫星的时分载波相位（方程（5））计算来自先前时期 的接收器ARP位置变化（步骤s40）；

·试图单信道周跳固定（步骤s50）；

·使用无电离层代码（方程11）和载波相位测量值（方程13）计算接收 器ARP位置和时钟偏移（步骤s60）；

·代码和载波相位测量值的质量分析。例如参见Baarda,W.(1968)“A  testing procedure for use in geodetic network”,Publications on Geodesy (Vol.2Nr.5),Leppakoski,H,Kuueniemi,H,and Takala,J,2006, “RAIM and complementary Kalman filtering for GNSS Realiability  Enhancement”,Tempere University of Technology,Finland（步骤s70）；

用于静态接收器/天线的一个实施方案中的机理如下（图23）：

·获得来自所有信道的时期GNSS测量值（步骤s10）；

·获得精确卫星位置和时钟偏移（步骤s20）；

·单个信道周跳检测（步骤s30）；

·使用来自无周跳卫星的时分载波相位计算来自先前时期的接收器ARP 位置变化（步骤s40）；

·验证静态ARP（步骤s45）（也可以将这个步骤作为异常值检测步骤。 所述假设是接收器未移动，将针对这个假设再次测试计算的位置变化）；

·试图单信道周跳固定（步骤s50）；

·使用无电离层代码和载波相位测量值计算接收器ARP位置和时钟偏移 （步骤s60）；

·代码和载波相位测量值的质量分析（步骤s70）；

通过计算机程序的手段可实施任意上述方法和他们的实施方案。可将 所述计算机程序装载到如上所述的设备，漫游器，接收器或网站。因此， 本发明也涉及一种计算机程序，其在被执行在如上所述的设备，漫游器， 接收器或网站上时，执行了任意一个以上上述的方法和他们的实施方案。

本发明也涉及一种包括上述计算机程序的计算机可读介质或计算机程 序产品。例如，所述计算机可读介质或计算机程序产品可以是磁带，光学 存储器磁盘，磁盘，磁光盘，CD ROM，CD，DVD，BD，闪存单元等， 其中永久或临时地存储所述计算机程序。本发明也涉及一种具有用于执行 任一本发明方法的计算机可执行指令的计算机可读介质（或涉及一种计算 机程序产品）。

本发明也涉及一种适合被安装在已经在所述领域中的接收器上的固件 更新，即，被传递到作为计算机程序产品的领域的计算机程序。这应用于 每一个上述方法和设备。

GNSS接收器可包括天线，配置用于接收由卫星广播的频率处的信号， RF（射频）模块（用于信号选择，放大和检测），处理器单元，一个或多 个精确时钟（如晶体振荡器），一个或多个计算机处理单元（CPU），一 个或多个存储器单元（RAM，ROM，闪存等），和用于将位置信息显示 给用户的显示器。

在术语“接收器”，“滤波器”，“处理元件”等在这里被用作设备的单元 之处，关于单元的这些构成部分可能是如何分布的未做出限制。即，可以 将单元的构成部分分布在不同的带来预期功能的软件或硬件组件或装置 中。而且，可以将这些单元聚集在一起以通过合并，单个单元的手段实施 他们的功能。例如，可以将接收器，滤波器和处理元件合并以形成单个单 元来实施这些单元的合并的功能性。

可使用硬件，软件，硬件和软件的组合，预编程的ASIC（特定用途 集成电路）等实施上述单元。单元可包括计算机处理单元（CPU），存储 单元，输入/输出（I/O）单元，网络连接单元等。

尽管已经基于具体实施例说明了本发明，这些具体实施例仅仅用于为 技术人员提供更好的理解，并不打算用于限制本发明的范围。本发明的范 围更愿由附属权利要求限定。