一种单频gps接收机的精密单点定位方法
阅读说明：本技术 一种单频gps接收机的精密单点定位方法 (Precise single-point positioning method of single-frequency GPS receiver ) 是由 贺红斌 鲍笛 何佳玲 焦欢欢 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单频GPS接收机的精密单点定位方法,GPS数据计算与处理,完成单点定位处理；将GPS接收机的GPS数据和SBAS数据、无线通信模块的修正数据、外围串口的差分等数据进行综合处理和计算,在精确获取到卫星轨道和卫星的钟差值后,本发明涉及单频GPS接收机技术领域。该单频GPS接收机的精密单点定位方法,通过采用格网模型在大多数情况下只改正了电离层延迟的60％左右,剩余的40％左右的电离层延迟制约了精度的进一步提高,未探测出的周跳在很大程度上也会影响定位精度,采用多普勒法检测周跳,探测周跳的能力取决于多普勒观测值的精度和采样率,接收机的多普勒观测值精度好于2cm/s,采样率为15s时,能探测5周的周跳。(The invention discloses a precise single-point positioning method of a single-frequency GPS receiver, which comprises the steps of calculating and processing GPS data to finish single-point positioning processing; the invention relates to the technical field of single-frequency GPS receivers, which comprehensively processes and calculates GPS data and SBAS data of a GPS receiver, correction data of a wireless communication module, difference of peripheral serial ports and other data, and accurately obtains clock error values of a satellite orbit and a satellite. According to the precise single-point positioning method of the single-frequency GPS receiver, only about 60% of ionospheric delay is corrected by adopting a grid model under most conditions, the residual ionospheric delay of about 40% limits further improvement of precision, the positioning precision can be influenced to a great extent by undetected cycle slip, the cycle slip is detected by adopting a Doppler method, the cycle slip detection capability depends on the precision and the sampling rate of a Doppler observed value, the precision of the Doppler observed value of the receiver is better than 2cm/s, and when the sampling rate is 15s, the cycle slip of 5 weeks can be detected.)
技术领域
本发明涉及单频GPS接收机技术领域，具体为一种单频GPS接收机的精密单点定位方法。
背景技术
卫星定位技术自1993年GPS建成以来，在导航、测量、定时、空间技术等方面得到广泛的应用，并成为继通信、互联网之后的第三个IT新增长点，GPS的定位方式分相对定位和绝对定位两种，后者也称为单点定位，GPS自投入使用以来，其相对定位的定位方式发展得很快，从最先的码相对定位到现在的RTK定位，使GPS的定位精度不断提高，但是，绝对定位即单点定位发展得比较缓慢，传统的GPS单点定位是利用码伪距观测值以及由广播星历所提供的卫星轨道参数和卫星钟改正数进行的，其优点是，数据采集与处理较为方便、自由和简单，用户在任一时刻只需用一台GPS接收机就能获得WGS-84坐标系中的三维坐标，但由于伪距观测值的精度一般为数分米至数米，用广播星历所求得的卫星位置的误差可达数米至数十米，卫星钟差的误差为±20ns左右，因而GPS单点定位接收机一般只能用于导航及资源调查、勘探等低精度的领域。
目前的单频精密单点定位存在一定的难点，在载波相位平滑伪距观测模型的建立、电离层延迟改正和周跳探测与修复上，静态和动态定位精度均达到平面方向0.5m,高程方向1m的水平，在使用更好的接收机并且进行数据预处理的前提下,静态精度平面方向甚至能达到0.2m,高程方向能达到0.5ml1，然而单点定位中部分误差无法采用求差的方式消除，必须使用各种模型和参数估计方法进行改正，单频精密单点定位的周跳探测和动态定位操作起来较为困难。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种单频GPS接收机的精密单点定位方法，解决了单点定位中部分误差无法采用求差的方式消除，必须使用各种模型和参数估计方法进行改正，单频精密单点定位的周跳探测和动态定位操作起来较为困难的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种单频GPS接收机的精密单点定位方法，具体包括以下步骤：
S1、载波相位平滑伪距观测模型；在实际使用中,假设对第i颗卫星观测,伪距观测方程与载波相位的观测方程分别为:ρ＝ρ-CVm-CVig-Viu-Vime；φλ＝ρ-CVtR+CVtS+Viun-Vip-Nλ，式中,ρ为第i颗卫星的伪距观测值，ρ为第i颗卫星与接收机间真正的几何距离,C为光速,Vm为接收机钟误差,Vig为第i颗卫星钟误差,Viu为电离层延迟,Vime为对流层延迟,φλ为第i颗卫星的载波相位观测值,λ为载波的波长，N为整周模糊度，对于相邻两个观测历元间(tk,tk-1),由两个观测方程式可以推导出相位平滑伪距模型:P1(tk)＝λ[σ(tk)-ψ(tk-1)]+ρ(tk-1)+V(tk-1)+Vip(tk-1)+C[VtR(tk-1)-VtS(tk-1)]＝λ[ψ(tk)-ψ(tk-1)]+P1(tk-1)；
S2、GPS数据计算与处理，完成单点定位处理；将GPS接收机的GPS数据和SBAS数据、无线通信模块的修正数据、***串口的差分等数据进行综合处理和计算，完成精密单点定位；在精确获取到卫星轨道和卫星的钟差值后，再考虑影响定位结果的各种误差源并利用相应的改正模型对其进行改正；结合IGS站提供的GPS卫星精密星历求出高精度的卫星轨道，利用精密卫星钟差进行钟差改正；对单频单点定位的精度影响最大电离层误差，采用电离层格网模型来修正；在解算过程中，利用载波相位变化率探测周跳，利用切比雪夫多项式确定并修复周跳，使用Hatch滤波进行伪距相位平滑等数据预处理工作，再利用卡尔曼滤波方法进行待求参数的估计计算；
S3、单频精密单点定位解算流程首先是数据预处理,先读入观测文件、电离层文件、气象文件,精密轨道文件及钟差文件,对数据预处理；然后改正固体潮、大洋负荷、相对论效应、天线相位中心偏差等相关误差，得到干净的数据；其次是计算残差,剔除超限的数据，直到所有残差均符合要求；最后是参数估计,计算测站坐标和接收机钟差，在试验算例解算时采用静态数据模拟动态数据解算或动态数据直接解算，完成单频GPS接收机的精密单点定位。
优选的，所述步骤S1中，某一个历元的伪距观测值,等于前一个历元的伪距观测值与这两个历元的载波相位测量值差值的和，用多个历元的伪距观测值和载波相位值,求得同一个历元的多个伪距值,取其平均值,就是伪距的平滑值。
优选的，所述步骤S1中，由于对流层误差、电离层误差、相对论误差可以通过模型进行改正,通过选取合适的观测地点及采用抗多路径效应的硬件来减弱多路径误差,通过采用精密钟差来消除或减弱卫星钟误差,所以不需要将其当成参数进行估计，因此，单频精密单点定位中的估计参数包括测站的三维地心坐标及接收机的钟误差。
优选的，所述步骤S1中，考虑到观测值随机噪声及其他未模型化的系统噪声的影响,且单点定位无法利用差分方式消除观测值误差影响，因此，在数据处理时,依据观测值的质量因子,确定观测值方差-协方差,采用卫星高度角定权的方法。
优选的，所述步骤S2中，电离层延迟误差选用了格网改正模型，格网模型是在一个星期甚至更长的时间后,根据全球IGS跟踪站的数据,通过精密数据处理软件联合解算得出的，其结果基本上反映了电离层的变化情况，格网模型改正效率不会随着时间推后而连续降低,改正效率稳定性也比较好,不会随着时间的延后而单调降低。
(三)有益效果
本发明提供了一种单频GPS接收机的精密单点定位方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
(1)、该单频GPS接收机的精密单点定位方法，通过采用格网模型在大多数情况下只改正了电离层延迟的60％左右,剩余的40％左右的电离层延迟制约了精度的进一步提高，未探测出的周跳在很大程度上也会影响定位精度,采用多普勒法检测周跳,探测周跳的能力取决于多普勒观测值的精度和采样率，接收机的多普勒观测值精度好于2cm/s,采样率为15s时,能探测5周的周跳。
(2)、该单频GPS接收机的精密单点定位方法，通过采用载波相位平滑伪距观测模型对数据进行计算，在进行单频精密动态定位时,不论当载体处于静态时,还是处于动态时,不论运动载体机动性强或不强,精密单点定位的精度比普通单点定位5m左右的定位精度有较大提高。
(3)、该单频GPS接收机的精密单点定位方法，通过选取合适的观测地点及采用抗多路径效应的硬件来减弱多路径误差,通过采用精密钟差来消除或减弱卫星钟误差,所以不需要将其当成参数进行估计，因此，单频精密单点定位中的估计参数包括测站的三维地心坐标及接收机的钟误差，可以有效地提高单频GPS接收机的精密单点定位准确。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种技术方案：一种单频GPS接收机的精密单点定位方法，具体包括以下步骤：
S1、载波相位平滑伪距观测模型；在实际使用中,假设对第i颗卫星观测,伪距观测方程与载波相位的观测方程分别为:ρ＝ρ-CVm-CVig-Viu-Vime；φλ＝ρ-CVtR+CVtS+Viun-Vip-Nλ，式中,ρ为第i颗卫星的伪距观测值，ρ为第i颗卫星与接收机间真正的几何距离,C为光速,Vm为接收机钟误差,Vig为第i颗卫星钟误差,Viu为电离层延迟,Vime为对流层延迟,φλ为第i颗卫星的载波相位观测值,λ为载波的波长，N为整周模糊度，对于相邻两个观测历元间(tk,tk-1),由两个观测方程式可以推导出相位平滑伪距模型:P1(tk)＝λ[σ(tk)-ψ(tk-1)]+ρ(tk-1)+V(tk-1)+Vip(tk-1)+C[VtR(tk-1)-VtS(tk-1)]＝λ[ψ(tk)-ψ(tk-1)]+P1(tk-1)；
S2、GPS数据计算与处理，完成单点定位处理；将GPS接收机的GPS数据和SBAS数据、无线通信模块的修正数据、***串口的差分等数据进行综合处理和计算，完成精密单点定位；在精确获取到卫星轨道和卫星的钟差值后，再考虑影响定位结果的各种误差源并利用相应的改正模型对其进行改正；结合IGS站提供的GPS卫星精密星历求出高精度的卫星轨道，利用精密卫星钟差进行钟差改正；对单频单点定位的精度影响最大电离层误差，采用电离层格网模型来修正；在解算过程中，利用载波相位变化率探测周跳，利用切比雪夫多项式确定并修复周跳，使用Hatch滤波进行伪距相位平滑等数据预处理工作，再利用卡尔曼滤波方法进行待求参数的估计计算；
S3、单频精密单点定位解算流程首先是数据预处理,先读入观测文件、电离层文件、气象文件,精密轨道文件及钟差文件,对数据预处理；然后改正固体潮、大洋负荷、相对论效应、天线相位中心偏差等相关误差，得到干净的数据；其次是计算残差,剔除超限的数据，直到所有残差均符合要求；最后是参数估计,计算测站坐标和接收机钟差，在试验算例解算时采用静态数据模拟动态数据解算或动态数据直接解算，完成单频GPS接收机的精密单点定位，同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
本发明中，步骤S1中，某一个历元的伪距观测值,等于前一个历元的伪距观测值与这两个历元的载波相位测量值差值的和，用多个历元的伪距观测值和载波相位值,求得同一个历元的多个伪距值,取其平均值,就是伪距的平滑值。
本发明中，步骤S1中，由于对流层误差、电离层误差、相对论误差可以通过模型进行改正,通过选取合适的观测地点及采用抗多路径效应的硬件来减弱多路径误差,通过采用精密钟差来消除或减弱卫星钟误差,所以不需要将其当成参数进行估计，因此，单频精密单点定位中的估计参数包括测站的三维地心坐标及接收机的钟误差。
本发明中，步骤S1中，考虑到观测值随机噪声及其他未模型化的系统噪声的影响,且单点定位无法利用差分方式消除观测值误差影响，因此，在数据处理时,依据观测值的质量因子,确定观测值方差-协方差,采用卫星高度角定权的方法。
本发明中，步骤S2中，电离层延迟误差选用了格网改正模型，格网模型是在一个星期甚至更长的时间后,根据全球IGS跟踪站的数据,通过精密数据处理软件联合解算得出的，其结果基本上反映了电离层的变化情况，格网模型改正效率不会随着时间推后而连续降低,改正效率稳定性也比较好,不会随着时间的延后而单调降低。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。