阅读说明：本技术 一种低轨导航增强ppp-rtk对流层延迟产品生成方法 (A kind of low rail navigation enhancing PPP-RTK tropospheric delay product generation method ) 是由 雷文英 秦晓伟 王国永 严涛 王瑛 蒙艳松 于 2019-07-24 设计创作，主要内容包括：一种低轨导航增强PPP-RTK对流层延迟产品生成方法,首先对两个频点的载波相位进行无电离层线性组合,得到无电离层载波相位测量值；然后对相邻两个历元的无电离层载波相位测量值进行差分,得到第n-1个历元至第n个历元的位置差分和接收机钟漂；解算本地时钟频率f<Sub>0</Sub>与标称频率之间的频偏Δf；基于三阶锁频环对频偏Δf进行时钟频率驯服；最后利用频率驯服后的高稳本振,采用PPP技术对对流层ZTD进行估计,完成对流层延迟产品生成。本发明使得被增强的GNSS导航用户具备1分钟收敛到10cm精度的能力,同时能够有效降低传统PPP-RTK技术对地面上CORS站数量的需求。(A kind of low rail navigation enhancing PPP-RTK tropospheric delay product generation method, carries out the carrier phase of two frequency bins to obtain no ionosphere carrier-phase measurement without ionosphere linear combination first；Then difference is carried out without ionosphere carrier-phase measurement to two neighboring epoch, obtains differential position and the drift of receiver clock of (n-1)th epoch to n-th epoch；Resolve local clock frequency f 0 Frequency deviation Δ f between nominal frequency；Clock frequency is carried out to frequency deviation Δ f based on three rank frequency locking ring to tame；The steady local oscillator of height after finally being tamed using frequency, estimates troposphere ZTD using PPP technology, completes tropospheric delay product and generates.Have 1 minute the invention enables enhanced GNSS navigation user and converge to the ability of 10cm precision, while can be effectively reduced demand of traditional PPP-RTK technology to the station CORS quantity on ground.)

一种低轨导航增强PPP-RTK对流层延迟产品生成方法

技术领域

本发明涉及一种低轨导航增强PPP-RTK对流层延迟产品生成方法，属于低轨GNSS导航领域。

背景技术

随着人类生活水平的日益提高，人类在智慧交通运输、智慧农业、智慧建筑方面的应用对实时高精度卫星导航的需求愈发旺盛。然而，传统的GNSS(Global NavigationSatellite System)服务越来越难以满足新时代下的实时高精度导航需求，主要表现在以下几个方面：(1)传统的GNSS伪码定位技术(Single Point Positioning，SPP)由于定位精度差(官方承诺的精度在10m左右)不能满足车道级自动驾驶的高精度导航应用需求(车道级导航精度需求为一英尺，约30cm)；(2)传统的GNSS精密定位技术(Precise PointPositioning，PPP)采用双频无电离层组合伪码和载波相位观测量，结合精密星历和精密钟差需要30分钟左右的收敛时间，不能满足自动驾驶PPP收敛时间小于1分钟的需求。(3)传统的实时动态定位(Real Time Kinematic,RTK)技术，通过在固定的已知位置使用地面参考站来处理GNSS观测量，并将经过差分误差校正的信号发送到移动车辆中的接收机中，它通常精确到厘米级，并且实时工作，但每个参考站只有10-20km的范围，不能满足广域覆盖的需求。

针对GNSS系统存在的以上问题，世界各大发达国家均致力于研发新型的星载GNSS卫星增强技术，其具有代表性的技术有星载PPP-RTK技术和鸿雁低轨导航增强技术。这些星载GNSS技术正在推动着人类生活导航位置信息服务向着更加高效、安全、智能的方向演化。星载PPP-RTK技术的典型代表是日本QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)导航系统提供的CLAS(Centimeter-Level Augmentation Service)服务。PPP-RTK不通过单个参考站播发定位改正信息，而是先通过被增强区域的连续运行参考站系统(ContinuouslyOperating Reference Stations，CORS)网，估计出该区域内的状态空间表示(State SpaceRepresentation，SSR)消息。SSR消息包括卫星信号星上硬件偏差、卫星钟差、卫星轨道误差、电离层格网延迟和对流层格网延迟参数。SSR的优点是所需带宽远小于RTK或DGPS，因此可以从GEO卫星或IGSO卫星进行传输。此外，在地面上，SSR可以使用各种通信链路或广播媒体，例如LTE，4G/5G，TCP/IP和数字多媒体广播(DMB)。QZSS针对GPS的增强CLAS服务中，PPP-RTK技术的运用严重依赖于地面致密的CORS网，日本CORS网基站间距为一般为30km。如果我国直接照搬采用日本的CORS网体制实现PPP-RTK，其建设和运行维护成本都非常高，不符合我国国情。

鸿雁低轨导航增强技术是我国独立自主研制的低轨GNSS导航增强技术。该技术采用低轨卫星星座播发双频导航测距信号，利用其落地功率强、空间几何构形变化快等特点，对GNSS用户进行信号增强。前期研究结果表明，为了获得小于10cm的绝对定位精度，其用户PPP定位首次收敛时间可从30分钟左右缩短到3分钟左右，该技术对智能驾驶、车道级导航具有重要支撑意义。但是基于低轨卫星信号增强的GNSS系统PPP服务尚不能达到1分钟收敛的自动驾驶应用需求。

低轨导航增强PPP-RTK技术能够满足未来我国广域车道级导航的应用需求，因此理论上可以获得更优的导航增强性能。对于鸿雁低轨导航增强系统而言，用户(接收机)可以通过双频无电离层组合消除99％的电离层延迟误差，但是对流层延迟无法被消除。目前，用户PPP高精度定位对流层延迟的处理方式有以下两种：一种是GNSS导航增强用户在自身位置解算过程中把对流层延迟作为未知参数进行估计，这种方式会导致用户PPP定位收敛时间过长，不利于快速PPP收敛；另一种是GNSS导航增强用户获取对流层延迟的SSR产品，通过此种方式用户可以直接获得其对流层延迟信息，可有效加速PPP收敛。因此，PPP-RTK信息中对流层格网延迟SSR参数是缩短用户PPP定位时间中至关重要的参数。然而，由于对流层延迟变化的实时性和区域分布特性，对流层格网延迟SSR参数的获取依赖于地面CORS网的实时估计。目前对流层格网SSR参数的获取通常采用CORS站端进行PPP进行估计，该方法的缺点是首次定位其收敛时间过长或接收机失锁后其重新收敛时间过长，且所需要的CORS站间距较密、建设成本高、部署和运维难度大。

发明内容

本发明的发明内容为：克服现有技术的不足，提供一种低轨导航增强PPP-RTK对流层延迟产品生成方法，使得被增强的GNSS导航用户具备1分钟收敛到10cm精度的能力，同时能够有效降低传统PPP-RTK技术对地面上CORS站数量的需求。

本发明的技术解决方案是：

一种低轨导航增强PPP-RTK对流层延迟产品生成方法，包括如下步骤：

(1)对每颗可见GNSS卫星两个频点的载波相位进行无电离层线性组合，得到每颗可见GNSS卫星无电离层载波相位测量值；

(2)对每颗可见GNSS卫星相邻两个历元的无电离层载波相位测量值进行差分，得到每颗可见GNSS卫星第n-1个历元至第n个历元载波多普勒的积分值；

(3)利用m颗可见GNSS卫星的第n-1个历元至第n个历元载波多普勒的积分值，计算第n-1个历元至第n个历元接收机位置差分Δr_r和接收机钟漂Δcdt_r；

(4)根据本地时钟频率f₀以及第n-1个历元至第n个历元的接收机钟漂Δcdt_r，解算本地时钟频率f₀与标称频率之间的频偏Δf；

(5)基于三阶锁频环对频偏Δf进行时钟频率驯服；

(6)利用频率驯服后的高稳本振，采用PPP技术对对流层ZTD进行估计，完成对流层延迟产品生成。

所述步骤(1)的实现方式如下：

其中，是第n个历元下接收机r到第s颗卫星的载波相位测量值，是第n个历元下第s颗卫星天线和接收机r天线相位中心之间的几何距离，c是光速，dT^s(n)是第n个历元下第s颗卫星的钟差，dt_r(n)是第n个历元下接收机r的钟差，是第n个历元下第s颗卫星对流层误差,λ_IF是无电离层组合的波长，是第n个历元下第s颗卫星无电离层线性组合的模糊度，是第n个历元下第s颗卫星无电离层线性组合的载波相位噪声。

进一步用内积形式表达为：

其中r^s(n)＝[x^s(n),y^s(n),z^s(n)]^T是第s颗卫星的位置，r_r(n)＝[x_r(n),y_r(n),z_r(n)]^T是接收机r的位置；是第n个历元Sagnac效应引入的延迟，表示为

其中ω_e是地球转动角速度。

所述步骤(2)的实现方式如下：

第s颗可见GNSS卫星第n-1个历元至第n个历元载波多普勒的积分值满足：

其中s＝1,2,...,m，m为可见GNSS卫星总数，Δr_r是第n个历元和第n-1个历元接收机r的位置差分，Δr_r＝r_r(n)-r_r(n-1)

ΔcdT^s是第s颗卫星的钟漂，Δcdt_r是第n个历元和第n-1个历元接收机r的钟漂。

所述步骤(3)中，当m≥4时，v₁＝[Δr_r ^T,Δcdt_r]^T满足

其中m≥4是第n个历元同时观测到的GNSS卫星个数，实际中计算

的最小二乘解，表示为

v₁＝(H^TH)^-1H^Tb。

所述步骤(4)中，利用如下公式计算频偏Δf：

Δf＝Δdt_rf₀

Δdt_r是第n个历元和第n-1个历元接收机r的钟差差分。

所述步骤(5)中，基于三阶锁频环对频偏Δf进行时钟频率驯服的过程如下：

(7.1)利用三阶锁频环路滤波器对频偏进行滤波，判断滤波后的频偏是否小于接收机跟踪失锁门限，若滤波后的频偏小于失锁门限，则进入步骤(7.2)；若滤波后的频偏大于等于失锁门限，则进入步骤(7.3)；

(7.2)以滤波后的频偏作为接收机本地时钟压控晶振调整量对压控晶振的频率进行调节，使压控晶振振荡频率与其标称振荡频率基本一致，进入步骤(7.4)；

(7.3)以最大不失锁频率作为接收机本地时钟压控晶振调整量对压控晶振的频率进行调节，使压控晶振振荡频率与其标称振荡频率基本一致，进入步骤(7.4)；

(7.4)锁频环路稳定后，压控晶振的频率作为频率驯服后的高稳本振输出。

所述步骤(7.1)中，三阶锁频环路滤波器为

其中B_n＝0.2Hz,ω₀＝B_n/0.7845,G＝2.4ω₀,a＝1.1ω₀/2.4,

所述步骤(6)的实现方式如下：

无电离层伪距观测值表示为

其中ε_P,IF(n)是无电离层线性组合的伪距观测噪声，采用扩展卡尔曼滤波(EKF)进行接收机定位，第n个历元待估计的状态变量x(n)表示为

其中Z_r(n)代表第n个历元下对流层天顶总延迟ZTD，G_N,r(n)和G_E,r(n)分别是第n个历元下ZTD梯度矢量的北分量和东分量，为第n个历元下m颗可见GNSS卫星的载波相位实数模糊度，c是光速，dt_r(n)是第n个历元下接收机r的钟差，r_r(n)＝[x_r(n),y_r(n),z_r(n)]^T是第n个历元下接收机r的位置；

EKF中，含时钟稳定度约束的第n个历元状态x(n)至第n+1个历元x(n+1)的状态更新方程可表示为

x(n+1)＝Ax(n)+w(n)

s.t.σ_y(n)≤5E-12,n＝2,3,4...

其中σ_y(n)是接收机时钟在第n个历元的Allan方差，A＝I_m+7是m+7阶的单位方阵，w(n)是第n个历元的状态更新噪声；

无电离层线性组合的载波和伪距量测方程为：

y_IF,r(n)＝Qx_IF,r(n)+f_T(x_IF,r(n))+d_Φ+v(n)

式中，为m×3的接收机到m颗卫星单位余弦矩阵；I_m×1为m×1的单位矢量；I_m×m为m×m的单位矩阵，O_m×m为m×m的全零矩阵，d_Φ为2m×1的矢量，代表卫星端硬件延迟相位校正项，v(n)为2m×1的测量噪声矢量。

M_T描述天顶对流层总延迟Z_r与其北、东方向的梯度G_N,r、G_E,r对对流层湿延迟分量的贡献；

f_T(x_IF,r(n))表征的是天顶对流层总延迟Z_r对流层天顶干分量对对流层延迟的贡献；

式中：m_H(·)为干投影函数；Z_H,r为天顶对流层延迟的干分量，x_k(n)隐含在和中；

为第n个历元下2m×1的观测矢量，其中Φ_IF,r(n)是m×1的无电离层载波相位观测矢量，P_IF,r(n)是m×1的无电离层伪距观测矢量；通过多个历元的观测使得PPP收敛后，可获得并输出该站的ZTD产品。

第n个历元M_T表示为：

式中：m_W(·)为湿投影函数；和分别为第i颗卫星的仰角和方位角。

本发明基于低轨导航增强PPP-RTK对流层延迟产品生成方法能够满足未来我国广域车道级导航的应用需求，与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于载波多普勒时钟驯服技术对对流层格网参数进行估计。该方法通过GNSS载波多普勒测本地钟速，将接收机本地时钟的中长期稳定度驯服到优于5E-12，将对流层变化量与接收机钟差变化量进行分离，从而缩短地面参考站PPP-RTK技术中的对流层格网SSR参数的收敛时间。

(2)由于低轨卫星快速变化对PPP的收敛加速效果，本发明可以进一步放宽对PPP-RTK对流层延迟产品精度的要求，从而可降低传统PPP-RTK技术对地面上CORS站密度和数量的需求。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为低轨导航增强PPP-RTK对流层产品生成及服务流程；

图3为未时钟驯服PPP估计的ZTD与GPT3模型ZTD性能比较；

图4为驯服高稳本振PPP估计的ZTD与GPT3模型ZTD性能比较；

图5为驯服高稳本振PPP估计的站心坐标系北向分量收敛曲线；

图6为驯服高稳本振PPP估计的站心坐标系东向分量收敛曲线；

图7为驯服高稳本振PPP估计的站心坐标系天向分量收敛曲线。

具体实施方式

低轨导航增强PPP-RTK技术运用低轨卫星播发导航增强信号的信号增强手段和低轨卫星播发PPP-RTK的SSR信息增强手段，能够满足未来我国广域车道级导航的应用需求，因此理论上可以获得更优的导航增强性能。

本发明针对低轨导航增强PPP-RTK技术中的对流层格网SSR参数的实时高精度估计问题，提出一种基于载波多普勒时钟驯服技术的对流层延迟产品生成方法。该方法通过GNSS载波多普勒测本地钟速，将接收机本地时钟的中长期稳定度驯服到优于5E-12，将对流层变化量与接收机钟差变化量进行分离，从而缩短地面参考站PPP-RTK技术中的对流层格网SSR参数的收敛时间。本发明研究成果可为后续低轨星座地面CORS网的建设和对流层格网SSR参数的实时高精度生成奠定理论基础。

如图1所示，本发明的步骤如下：

1)对两个频点的载波相位进行无电离层线性组合，得到无电离层载波相位测量值

为了提高时钟驯服的准确度和稳定度，在时钟驯服过程中采用载波多普勒的测量体制，使得载波多普勒测量精度达到mm/s量级。对于静态双频用户，采样率选1Hz，第n个历元下接收机r到第s颗卫星的载波相位测量值可以表达为

其中是第n个历元下第s颗卫星天线和接收机r天线相位中心之间的几何距离，c是光速，dT^s(n)是第n个历元下第s颗卫星的钟差，dt_r(n)是第n个历元下接收机r的钟差，是对流层误差,λ_IF是无电离层组合的波长，是无电离层线性组合的模糊度，代表是无电离层线性组合的载波相位噪声。

进一步用内积形式表达为：

其中r^s(n)＝[x^s(n),y^s(n),z^s(n)]^T是第s颗卫星的位置，r_r(n)＝[x_r(n),y_r(n),z_r(n)]^T是接收机r的位置；是Sagnac效应引入的延迟，表示为

其中ω_e是地球转动角速度。

2)针对m颗可见GNSS卫星中的每一颗卫星，对相邻两个历元的无电离层载波相位测量值进行差分，得到第n-1个历元至第n个历元载波多普勒的积分值

第n-1个历元至第n个历元无电离层载波相位测量值的差分满足：

上式中，通过差分运算消除了对流层误差，

其中Δr_r是第n个历元和第n-1个历元接收机r的位置差分，Δr_r＝r_r(n)-r_r(n-1)

ΔcdT^s是第s颗卫星的钟漂，Δcdt_r是第n个历元和第n-1个历元接收机r的钟漂；

3)利用m颗可见GNSS卫星的第n-1个历元至第n个历元载波多普勒的积分值计算第n-1个历元至第n个历元接收机位置差分

Δr_r和接收机钟漂Δcdt_r

当同时可观测4颗以上卫星时，v₁＝[Δr_r ^T,Δcdt_r]^T满足

其中m≥4是第n个历元同时观测到的GNSS卫星个数，实际中计算的最小二乘解，表示为

v₁＝(H^TH)^-1H^Tb。

4)根据本地时钟频率f₀以及第n-1个历元至第n个历元的用户钟漂，利用如下公式解算本地时钟频率f₀与标称频率之间的频偏Δf

Δf＝Δdt_rf₀

5)基于三阶锁频环对频偏Δf进行时钟频率驯服

根据频偏Δf利用三阶锁频环路滤波器对频偏进行滤波，判断滤波后的频偏是否小于接收机跟踪失锁门限。若滤波后的频偏小于失锁门限，则以此作为接收机用户本地时钟压控晶振调整量对压控晶振的频率进行调节，使振荡频率与其标称振荡频率基本一致。若滤波后的频偏大于等于失锁门限，则以最大不失锁频率作为压控晶振调整量对压控晶振的频率进行调节。压控晶振的频率即为频率驯服后的高稳本振，本发明所用的锁频环路滤波器可表示为

其中B_n＝0.2Hz,ω₀＝B_n/0.7845,G＝2.4ω₀,a＝1.1ω₀/2.4,

以锁频环的输出自适应调整压控晶振，等待约3分钟左右即可以实现驯服锁定。最后以环路锁定后压控晶振的频率作为为驯服输出，其可兼顾晶振短期稳定度和GNSS时钟的长期稳定度。

6)利用频率驯服后的高稳本振，采用PPP技术对对流层ZTD进行估计，完成对流层延迟产品生成。

在完成本地时钟驯服的基础上，采用非差无电离层组合的伪距和载波相位观测量进行精密单点定位，完成本接收CORS站天顶方向上对流层ZTD的估计。无电离层线性组合的伪距观测值分别可以表示为

其中ε_P,IF(n)是无电离层组合的伪距观测噪声。采用扩展卡尔曼滤波EKF(Extended Kalman Filter)进行接收机的定位，第n个历元待估计的状态变量可表示为

其中Z_r(n)代表第n个历元下对流层天顶总延迟ZTD，G_N,r(n)和G_E,r(n)分别是第n个历元下ZTD梯度矢量的北分量和东分量，为第n个历元下m颗可见GNSS卫星的载波相位实数模糊度。

接收机时钟驯服约束条件下的CORS站，采用EKF对接收机状态变量进行状态估计

x(n+1)＝Ax(n)+w(n)

s.t.σ_y(n)≤5E-12,n＝2,3,4...

其中σ_y(n)是接收机时钟在第n个历元的Allan方差。A＝I_m+7是m+7阶的单位方阵。w(n)是第n个历元的状态更新噪声。

无电离层线性组合的载波和伪距量测方程为：

y_IF,r(n)＝Qx_IF,r(n)+f_T(x_IF,r(n))+d_Φ+v(n)

式中，为m×3的接收机到m颗卫星单位余弦矩阵；I_m×1为m×1的单位矢量；I_m×m为m×m的单位矢量，O_m×m为m×m的全零矩阵，d_Φ为2m×1的矢量，代表卫星端相位校正项；v(n)为2m×1的测量噪声矢量。

M_T描述天顶对流层总延迟Z_r与其北、东方向的梯度G_N,r、G_E,r对对流层湿延迟分量的贡献，可表示为：

式中：m_W(·)为湿投影函数；和分别为第i颗卫星的仰角和方位角。f_T(x_IF,r(n))表征的是天顶对流层总延迟Z_r对流层天顶干分量对对流层延迟的贡献：

式中：m_H(·)为干投影函数；Z_H,r为天顶对流层延迟的干分量，x_k(n)隐含在和中。

为第n个历元下2m×1的观测矢量，其中Φ_IF,r(n)是m×1的无电离层载波相位观测矢量，P_IF,r(n)是m×1的无电离层伪距观测矢量。通过多个历元的观测使得PPP收敛后，可获得并输出该站的ZTD产品。

本发明低轨导航增强PPP-RTK对流层产品生成及服务流程如图2所示，分为网络端PPP-RTK对流层产品生成播发及用户端获取应用两部分。包括以下几个阶段：第一阶段，地面单个CORS站接收GNSS双频观测数据，利用无电离层组合的载波相位测量值来驯服CORS站接收机的时钟，将接收机本地时钟的中长期稳定度驯服到优于5E-12；第二阶段，依托单个CORS站驯服后的高稳本振，使未知参数估计过程中钟差的变化小于1.5mm，加速PPP(Precise Point Positioning)过程中对流层天顶总延迟ZTD(Zenith Total Delay)参数的收敛，并输出单个CORS站的ZTD；第三阶段，通过利用多个CORS站的ZTD值，利用普通克里格(Ordinary Kriging)插值获得整数经纬度格网上的ZTD。低轨导航增强区域内的对流层ZTD格网参数，经由运控中心站上注给低轨卫星，再由低轨卫星播发给地面被增强区域内的用户。用户端双频无电离层组合消除电离层误差，通过对流层格网ZTD参数进行插值获得本地用户的ZTD对流层延迟，在用户的PPP定位过程中直接代入对流层ZTD，从而不需要对ZTD的收敛过程，获取到快速收敛的低轨导航增强PPP-RTK服务。

低轨导航增强PPP-RTK对流层产品生成及服务流程如图2所示。为了进一步验证本发明所提低轨导航增强PPP-RTK技术中的对流层格网SSR参数的实时高精度估计方法的科学性、正确性、有效性，同时分析评估其对流层ZTD估计所能达到的性能指标，通过实际GPS天线和GPS接收机接收实际GPS数据，分析比较传统未驯服的PPP进行对流层ZTD估计性能和采用本发明驯服高稳本振PPP的对流层ZTD估计性能。

试验所采用的接收机是高灵敏度双频双模GNSS接收机。所用GPS接收机的天线相位中心所在位置经纬度坐标为(34°9′14.1366″N，108°58′57.5424″E)，海拔高度为505.966m，接收GPS数据的NovAtel天线架设在楼顶，其型号为GPS-702-GG。试验中PPP所用的精密星历采用的是IGS事后最终星历，实际中PPP可以使用实时精密星历产品。采用传统对流层ZTD估计方法，其ZTD估计曲线与目前最准的对流层经验模型GPT3的ZTD的一致性比对，如图3所示。

从图3中可以看出，传统PPP估计对流层ZTD，需要经过约18000s的时间才收敛到GPT3模型估计的ZTD的3cm误差限之内。采用相同的接收机，利用本发明钟差约束的PPP技术对流层ZTD进行估计，其结果如图4所示。

从图4可看出，采用驯服高稳本振PPP估计的ZTD约在6000s左右进入GPT3模型的3cm误差限之内，其收敛速度约为传统方法的3倍。因此，本发明方法在对流层ZTD估计方面相对于传统方法具有先进性和有效性。为了进一步验证说明本发明算法估计对流层ZTD的高效性，驯服高稳本振PPP给出的站心坐标系下的东向分量、北向分量、天向分量分别如图5-图7所示。

由图5-图7可看出，经过本发明方法驯服高稳本振PPP，其用户东北天方向的收敛速度改善明显，经过约2000s的时间，其即可收敛到10cm误差以内。本发明方法可以将钟差和对流层ZTD估计有效分离，在加快对流层ZTD参数估计收敛速度的同时，可加快用户三维位置的收敛速度。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。