一种基于码伪距的秒级实时高精度定位方法与系统
阅读说明：本技术 一种基于码伪距的秒级实时高精度定位方法与系统 (Second-level real-time high-precision positioning method and system based on code pseudorange ) 是由 蒙艳松 田野 边朗 王瑛 严涛 李天� 周泉 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于码伪距的秒级实时高精度定位系统及方法,所述的系统包括北斗、GPS、Galileo组成的GNSS星座、低轨卫星星座、地面站、用户终端；所述的低轨卫星星座用于播发与GNSS同频的导航信号,以及在1518MHz～1525MHz播发导航增强电文；所述的地面监测站用于接收GNSS卫星导航信号和低轨卫星星座播发的导航信号；所述主控中心用于接收地面监测站的数据,生成GNSS卫星和低轨卫星的星历和载波相位偏差,同时根据地面监测站的密度生成区域/全球的大气延迟模型,得到导航增强电文；所述地面信关站通过馈电上行链路与低轨卫星星座建立连接,将主控中心生成的导航增强电文上注到低轨卫星星座；所述用户终端用于接收和处理GNSS卫星的导航信号和导航增强电文,得到码伪距并进行定位。(The invention relates to a second-level real-time high-precision positioning system and a method based on code pseudo-range, wherein the system comprises a GNSS constellation consisting of Beidou, a GPS and Galileo, a low-orbit satellite constellation, a ground station and a user terminal; the low-orbit satellite constellation is used for broadcasting navigation signals with the same frequency as the GNSS and broadcasting navigation enhancement messages at 1518 MHz-1525 MHz; the ground monitoring station is used for receiving GNSS satellite navigation signals and navigation signals broadcast by a low earth orbit satellite constellation; the main control center is used for receiving data of the ground monitoring station, generating ephemeris and carrier phase deviation of a GNSS satellite and a low-orbit satellite, and generating a regional/global atmosphere delay model according to the density of the ground monitoring station to obtain a navigation enhancement message; the ground gateway station establishes connection with a low-orbit satellite constellation through a feed uplink, and the navigation enhancement message generated by the main control center is injected to the low-orbit satellite constellation; and the user terminal is used for receiving and processing the navigation signal and the navigation enhancement message of the GNSS satellite to obtain the code pseudo range and positioning.)
技术领域
本发明属于卫星导航增强领域，涉及一种实现秒级实时高精度定位方法和系统。
背景技术
随着以“无人、智联、物联”为特征的新一代智能科技和产业革命的兴起与发展，GNSS高精度服务的用户和需求发生了重大变化：高精度用户从以测绘、工程测量、海洋资源探测等专业行业领域逐渐向大众行业或大众用户领域发展，典型用户为以自动驾驶为代表的新一代智能交通用户，自动驾驶的规模未来将会是千万量级；用户对高精度的服务需求从单纯的精度，向具有高完好、高可用的实时高精度发展。
目前全球基本导航服务与广域差分定位服务覆盖范围广，但是其定位精度只能达到米级。PPP(Precise Point Positioning，精密单点定位)、PPP-AR(Precise PointPositioning-Ambiguity Resolution，精密单点定位固定解)、网络RTK(Real-timeKinematic，实时动态(定位技术))、PPP-RTK等高精度定位技术，主要依赖于利用高精度的载波相位测量值，始终存在求解载波相位模糊度的问题。载波相位模糊度与各类误差高度耦合，是影响定位收敛的主要因素。虽然目前有非常多的技术能够有效解决模糊度求解的问题，但是在城市等应用范围较广的场景中，高质量且连续的载波相位测量对终端与观测环境要求较高，在实际使用中受限，导致利用载波相位实现秒级实时高精度定位应用受限。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于码伪距的秒级实时高精度定位方法与系统。
本发明解决技术的方案是：一种基于码伪距的秒级实时高精度定位系统，包括北斗、GPS、Galileo组成的GNSS星座、低轨卫星星座、地面站、用户终端；所述地面站包括地面监测站、主控中心、信关站；
所述的低轨卫星星座用于播发与GNSS同频的导航信号，以及在1518MHz～1525MHz播发导航增强电文；
所述的地面监测站用于接收GNSS卫星导航信号和低轨卫星星座播发的导航信号，生成码伪距和载波相位观测量数据；
所述主控中心用于接收地面监测站的数据，生成GNSS卫星和低轨卫星的精密星历和载波相位偏差，同时根据地面监测站的密度生成区域/全球的大气延迟模型，最终形成导航增强电文；
所述地面信关站通过馈电上行链路与低轨卫星星座建立连接，将主控中心生成的导航增强电文上注到低轨卫星星座；
所述用户终端用于接收和处理GNSS卫星和低轨卫星的导航信号和导航增强电文，得到码伪距，利用所述码伪距进行定位。
优选的，所述的用户终端通过下述方式利用码伪距进行定位：
S1、判断是否接收到低轨卫星播发的对应区域/全球的大气延迟模型，若收到，则基于码伪距的PPP-RTK定位方法进行定位；若未收到，则执行S2；
S2、判断GNSS卫星和低轨卫星的导航信号载噪比是否低于45dB-Hz，若否，则利用双频无电离层组合进行定位；否则，判断是否要求实现精度在分米级的秒级实时性，若要求，则转S3，否则转S4；
S3、利用导航增强电文中的多频载波相位数据，实现超宽巷与宽巷模糊度100％的固定，得到超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量；利用上述超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量，组合成无电离层模糊度的观测量，实现瞬时定位；
S4、利用码伪距观测量，在首个历元实现100％的宽巷模糊度固定；确定宽巷模糊度后，利用S3提供的超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量，通过几个历元实现窄巷模糊度的固定。
优选的，所述的用户终端通过宽带信号相干联合接收方法提高码伪距的测量精度，得到码伪距观测量；所述的宽带信号相干联合接收方法是：将同一个GNSS卫星或低轨卫星星座播发的两个中心频点差值在10MHz～100MHz的信号作为一个宽带信号处理。
优选的，所述基于码伪距的PPP-RTK定位方法进行定位包括如下步骤：
S1：地面监测站接收GNSS卫星和低轨卫星的导航信号和导航增强电文，通过精密单点定位生成该监测站对应的大气延迟，并将监测站位置、大气延迟传输至主控中心；
S2：主控中心利用S1的数据，生成对应区域/全球的大气延迟模型，并通过地面信关站上传至低轨卫星；
S3：用户端接收到包含有大气延迟模型的导航增强电文后，基于用户终端初始位置，利用大气延迟模型计算出自身位置对应的大气延迟；
S4：用户利用码伪距和S3计算出的大气延迟，实现秒级实时高精度定位。
优选的，S3中用户终端初始位置误差要求在1000m内。
优选的，所述的用户终端配备抗多径天线接收信号，所述抗多径天线与射频通道支持带宽范围在0～100MHz范围内信号接收能力。
优选的，所述的GNSS星座与低轨卫星星座播发三频或多频导航信号，所述的多频为超过三个频率。
优选的，低轨卫星星座在1518MHz～1525MHz播发(-145dBW～-120dBW)落地电平的信号，支持导航增强电文的高速播发。
一种基于码伪距的秒级实时高精度定位方法，包括如下步骤：
GNSS星座播发导航信号，低轨卫星星座播发与GNSS同频的导航信号；
地面监测站接收GNSS以及低轨卫星星座播发的导航信号，并传输至主控中心，由主控中心生成GNSS卫星和低轨卫星的星历和载波相位偏差，同时根据地面监测站的密度生成区域/全球的大气延迟模型，得到导航增强电文；
将主控中心生成的导航增强电文通过地面信关站上注到低轨卫星星座，由低轨卫星星座在1518MHz～1525MHz播发导航增强电文；
用户终端接收和处理GNSS卫星的导航信号和导航增强电文，得到码伪距，利用所述码伪距进行定位。
优选的，所述的用户终端通过下述方式利用码伪距进行定位：
S1、判断是否接收到低轨卫星播发的对应区域/全球的大气延迟模型，若收到，则基于码伪距的PPP-RTK定位方法进行定位；若未收到，则执行S2；
S2、判断上面提及的哪个信号载噪比是否低于45dB-HZ，若否，则利用双频无电离层组合进行定位；否则，判断是否要求实现秒级实时性，若要求，则转S3，否则转S4；
S3、利用导航增强电文中的多频载波相位数据，实现超宽巷与宽巷模糊度100％的固定，得到超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量；利用上述超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量，组合成无电离层模糊度的观测量，实现瞬时定位；
S4、利用码伪距观测量，在首个历元实现100％的宽巷模糊度固定；确定宽巷模糊度后，利用S3提供的超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量，通过几个历元实现窄巷模糊度的固定。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明公开了一种基于码伪距的秒级实时高精度定位方法与系统，提供秒级实时高精度定位服务，能够对当前GNSS高精度服务的实时性和可靠性进行增强与补充。为实现本发明公开的基于码伪距的秒级实时公安精度定位，本发明公开一种宽带信号相干联合接收方法、基于码伪距的实时高精度定位方法。同现有的方法相比，本发明公开的方法具有如下的优点：
(1)现有的高精度定位系统或者高精度增强系统，主要利用的是载波相位测量值，伪距测量值主要用来当做基准。载波相位测量值的优点是测量精度高、受到多径的影响较小，但是其始终需要求解模糊度，模糊度又与各类误差高度耦合，因此其定位的实时性受到影响，有时还会存在模糊度固定错误的情况。本发明提出的一种宽带信号相干联合接收方法，能够在现有发射信号的基础上，将两个相邻频段的信号当做一个宽带信号进行相干联合接收，提高码伪距的测量精度。又根据信号接收时的载噪比，分类进行数据处理，始终利用高精度的码伪距测量值来进行实时高精度定位或者辅助载波相位测量值模糊度的快速固定。
(2)现有文献中或已经建设实施的PPP-RTK系统，主要的原理是，在实时高精度轨道、钟差的基础上，利用各个监测站，求解区域内的载波相位小数偏差，然后利用PPP固定解，在整数空间的约束下，求解具有整数特性的对流层与电离层改正数，并将这些改正数播发给用户使用，提高了定位的实时性。本发明的基于码伪距的PPP-RTK定位方法与系统，简化了基于载波相位测量值PPP-RTK系统的设置，不需要在模糊度固定解的基础上，求解各个误差，简化了流程，提高了系统的实时与可靠性。
附图说明
图1为本发明公开的一种基于码伪距的秒级实时高精度定位系统示意图；
图2为宽带信号相干联合接收方法示意图；
图3为基于码伪距的秒级实时高精度定位方法示意图；
图4为北斗三频与低轨卫星B1I和1518～1525MHz相干联合接收信号频谱和码跟踪误差；
图5基于码伪距的PPP-RTK定位系统；
图6基于载波相位测量值的PPP-RTK系统与基于码伪距PPP-RTK系统的流程对比；
图7多频信号相干联合接收组成宽巷的测量误差。
具体实施方式
下面结合附图1-7及实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供的一种基于码伪距的秒级实时高精度定位系统，包括北斗、GPS、Galileo组成的GNSS星座，同时包括低轨卫星星座(播发与GNSS同频的导航信号，并能够在频段(1518MHz～1525MHz)播发导航增强电文)；低轨卫星星座支持导航增强电文的快速播发(导航增强电文包括GNSS卫星和低轨卫星的精密星历、多频信号的载波相位偏差，区域/全球的高精度大气延迟模型)。还包括地面监测站、主控中心、信关站。地面监测站主要用于接收GNSS卫星导航信号和低轨卫星导航信号；主控中心接收监测站的导航信号，生成GNSS卫星和低轨卫星的精密星历和载波相位偏差，同时如果每10km～100km都布设有地面监测站，那么可以生成对应区域或全球的高精度大气延迟模型，最终形成导航增强电文；地面信关站通过馈电上行链路，将主控中心生成的导航增强电文上注到低轨导航卫星。
还包括用户终端，用户终端可以接收和处理GNSS卫星的导航信号和低轨卫星导航信号，同时用户终端具备较强的抗多径能力。
用户在接收到GNSS卫星和低轨卫星的多频导航信号后，通过宽带信号相干联合接收方法提高码伪距的测量精度。所述的宽带信号相干联合接收方法是：接收通道和数字处理部分将同一个GNSS卫星或低轨卫星播发的两个频率相近的信号(中心频点差值在10MHz～100MHz)作为一个宽带信号处理，两个相干信号作为一个宽带信号进行联合处理，能够提高码伪距的测量精度。
用户终端利用宽带信号相干联合接收得到码伪距进行定位。根据用户是否接收区域/全球的高精度大气延迟模型和接收信号的载噪比，基于码伪距的秒级实时高精度定位方法可以分为三种处理方法，用户根据使用场景进行选择。
3.1基于码伪距的秒级实时高精度定位方法：在无区域/全球的高精度大气延迟模型信息时，当信号载噪比超过45dB-Hz，码伪距的跟踪误差较小(厘米级)，可以直接利用双频无电离层组合进行定位，码伪距不需要求解载波相位模糊度，能够瞬时实现高精度的定位(水平10厘米)；
3.2基于码伪距快速固定载波相位模糊度的方法：在没有区域/全球的高精度大气延迟模型信息时，当在信号载噪比低于45dB-HZ，码伪距的跟踪误差较大，定位方法的步骤如下所示：
S1.1利用多频载波相位数据，实现超宽巷与宽巷模糊度100％的快速固定(多频信号相干联合接收的码伪距测量精度远远高于传统的单一信号的接收精度)
S1.2利用S1.1中得到的超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量，组合成无电离层模糊度的观测量，实现瞬时高精度定位(水平15厘米)。
利用上述两个步骤定位的实时性较高，但是定位的精度还是稍差于利用载波相位观测量收敛后的精度。对于一些实时性要求不高的用户，为实现水平小于5厘米的定位精度，定位方法的步骤如下所示：
S1.3.1利用宽带信号相干联合接收码伪距观测量，在首个历元实现100％的宽巷模糊度固定。
S1.3.2在确定了宽巷模糊度后，利用S1.2提供的超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量，通过几个历元实现窄巷模糊度的固定。
3.3基于码伪距的PPP-RTK(Precise Point Positioning-Real-time Kinematic)定位方法，当有区域/全球的高精度大气延迟模型时，基于码伪距测量的PPP-RTK，由于宽带信号相干联合接收伪距测量误差较小，同时不存在固定模糊度的因素，其特征在于区域参考站可以不基于模糊度固定解生成电离层、对流层信息，不用考虑在整数空间下求解大气延迟的问题，减少了服务端的计算流程，增加实时性。
基于码伪距的PPP-RTK定位方法由于已知高精度大气延迟模型，可以不利用组合系数消除电离层，减少了组合后的噪声的放大，能够实现秒级实时高精度的定位。
实施例1
本发明公开的一种基于码伪距的秒级实时高精度定位系统如图1所示，包括：
1、GNSS/低轨卫星星座。GNSS星座是目前的北斗、GPS、Galileo系统，三个系统播发多频信号，其中北斗三号播发B1I、B1C、B2、B3信号，GPS播发L1、L2、L5，Galileo播发E1、E5、E6信号；低轨卫星能够播发与GNSS通用的三频信号，并能够在频段(1518MHz～1525MHz)播发导航增强电文，减少用户接收电文的时间。
2、地面站。地面站包括监测站、主控中心、信关站。地面监测站主要用于接收GNSS下行信号(即导航信号)和低轨卫星播发的与GNSS同频的导航信号；主控中心接收监测站的导航信号，用于生成高精度的GNSS/低轨卫星的精密星历(轨道、钟差)、载波相位偏差，同时根据地面监测站的密度能够生成区域/全球的高精度大气延迟模型；地面信关站通过馈电上行链路，与低轨导航增强卫星建立连接，将地面生成的各类高精度改正数(导航增强电文)上注到低轨导航增强卫星。
3、用户端。用户终端可同时接收GNSS下行信号和上述导航增强电文，进行高精度快收敛定位；用户端可以接收GNSS/LEO卫星星座播发的多频导航信号；用户端可以实现多个频点宽带信号相干联合接收，提高伪距的精度；用户终端配备抗多径天线(所述抗多径天线与射频通道支持带宽范围在0～100MHz范围内信号接收能力)，具有多径的敏感性分析能力，同时具备抗多径能力。
4、宽带信号相干联合接收的方法。以北斗三号为例，如图4所示，B2a与B2b、B2b与B3I、B1I和B1C、1518～1525MHz信号与B1I信号相干联合接收，图4分别是这些信号相干联合接收时的码跟踪误差，多频宽带信号相关联合接收减小伪距的测量噪声，提高定位精度。GPS的L2与L5跟踪精度与B2b与B3I类似、Galileo的E5a与E5b跟踪精度与B2b与B3I类似、E5b与E6相干联合接收精度与B2b和B3I类似。通常情况下，接收机的载噪比在45dB-HZ左右(高仰角等情况下载噪比会更高)，对应来看，相干联合接收时B2a+B2b、B2b+B3I、B1I+B1C在热噪声下的码跟踪误差分别是1.5～2cm、0.8～1cm、3～4cm、2～2.5cm左右通过过宽带信号相干联合接收，构成一个宽带信号(高于传统导航信号的带宽)，提高了热噪声下的码跟踪误差，该误差远远低于目前单一信号接收时的码跟踪误差。采用抗多径天线，接收机采用有效的抗多径设计和多径敏感性分析，可以有效减少多径对伪距测量值的干扰，进一步提高码伪距测量值的精度，同时采用宽带信号的相干联合接收，抗多径的能力要优于单一信号接收。通过上述宽带信号相干联合接收，得到精度较高的码伪距测量值用于秒级实时高精度定位。
5基于码伪距的秒级实时高精度定位方法。
以北斗三号和低轨卫星为例，宽带信号相干联合接收北斗三号或低轨卫星信号时，信号的中心频率如下表所示：
表1北斗三号相干联合接收时的信号中心频率
f<sub>1</sub>
B1I+B1C
1568.259MHz
f<sub>2</sub>
B2b+B3
1237.830MHz
f<sub>3</sub>
B2a+B2b
1191.795MHz
f<sub>4</sub>
1521MHz+B1I
1541.14MHz
(1)基于码伪距的秒级实时高精度定位方法
用户在没有接收到区域/全球的高精度大气延迟模型时，在信号载噪比超过45dB-Hz时，从图4可以看到码伪距的跟踪误差较小(厘米级)，可以直接以下的利用双频无电离层组合(可以利用北斗、Galileo和低轨卫星的测量数据)进行定位：
码伪距不需要求解载波相位模糊度，能够瞬时实现高精度的定位(水平10厘米)。
(2)基于码伪距快速固定载波相位模糊度的方法(S1.1和S1.2)
在信号载噪比低于45dB-HZ时，码伪距的跟踪误差较大，直接利用(1)所示的方法，定位精度较差，首先利用三频载波相位数据(利用北斗和低轨卫星的测量数据)，实现超宽巷与宽巷模糊度100％的快速固定(多频信号相干联合接收的码伪距测量精度远远高于传统的单一信号的接收精度)，然后利用超宽巷与宽巷模糊度固定的观测量，组合成无电离层模糊度的观测量，实现瞬时高精度定位(水平15厘米)。下面是具体步骤：
充分利用相干联合接收的三个频率，利用三频的数据进行快速收敛定位，超宽巷与宽巷组合如下所示：
双频组合的宽巷波长要远大于其测量误差，可以瞬时固定其宽巷模糊度，而其相位小数偏差可以通过平均和单差消除，宽巷测量值和测量误差如下式：
和的两个宽巷模糊度固定后，组合成新的观测量1表达式及误差如下：
宽巷和Lew超宽巷的模糊度固定后，组合成新的观测量2表达式及误差如下：
宽巷和Lew超宽巷的模糊度固定后，组合成新的观测量3表达式及误差如下：
当载波相位的测量误差在1毫米左右时，新的观测量的测量误差在十几个厘米左右，当相干联合接收的误差较大时，利用新的观测量实现高精度的定位。
(3)基于码伪距快速固定载波相位模糊度的方法(S1.3)
S1.1和S1.2所示的方法，定位的实时性较高，但是定位的精度还是稍差于利用载波相位观测量收敛后的精度。对于一些实时性要求不高的用户，可以利用如下的方法，实现水平小于5厘米的定位精度。首先利用相干联合接收的码伪距观测量，在首个历元实现100％的宽巷模糊度固定，确定了宽巷模糊度后，利用步骤3中(1)、(3)提供的观测量，通过几个历元实现窄巷模糊度的固定。对于宽巷模糊度，其求解如下所示：
上式中，宽巷的波长和确定宽巷模糊度的组合观测量Lw的测量误差表示如下：
宽巷模糊度能否快速固定主要与宽巷的波长和Lw的测量误差决定，其中Lw的测量误差又主要由载波相位、伪距的测量误差决定。
相干联合接收时，假设载波相位的测量误差都是2毫米，不同组合的宽巷与超宽巷波长与其测量误差分别如下表所示，可以看到，在不同的载噪比下，确定宽巷模糊度的组合观测量Lw的测量误差远小于宽巷波长，能够在首个历元实现100％的宽巷模糊度固定，同时由于宽巷的测量误差非常小，不会出现宽巷模糊度错误固定的情况，见图7。
在确定了宽巷模糊度后，下一步确定窄巷模糊度，窄巷波长和载波相位观测量的测量误差分别如下式所示：
在确定了宽巷模糊度后，然后确定窄巷模糊度，可以利用中S1.1和S1.2提供的观测量双频无电离层伪距观测量或者是三频无电离层模糊度固定观测量，通过几个历元实现窄巷模糊度的固定。
4基于码伪距的PPP-RTK定位方法
为了实现更高精度和秒级实时定位，本发明提出基于码伪距的PPP-RTK定位方法。在多频信号相干联合接收时，不论伪距是怎样的精度，由于消电离层的组合系数影响，会增加新的观测量误差，如果伪距的测量精度足够高，有了先验的高精度大气延迟模型，那么基于伪距的PPP-RTK定位方法能够实现瞬时的精密定位。图5是基于伪距的PPP-RTK定位方法的原理框图，图6是与基于载波的PPP-RTK系统的对比。
本发明基于码伪距的PPP-RTK定位方法步骤如下：
S1：地面监测站接收GNSS卫星和低轨卫星的导航信号和导航增强电文，通过精密单点定位生成该监测站对应的大气延迟，并将监测站位置、大气延迟传输至主控中心；
S2：主控中心利用S1的数据，生成对应区域/全球的大气延迟模型，并通过地面信关站上传至低轨卫星；
S3：用户端接收到包含有大气延迟模型的导航增强电文后，基于用户终端初始位置(误差要求在1000m内即可)，利用大气延迟模型计算出自身位置对应的大气延迟；
S4：用户利用码伪距和S3计算出的大气延迟，实现秒级实时高精度定位。
基于载波相位观测量的PPP-RTK系统，需要对应的载波相位小数偏差的信息，同时，生成电离层对流层增强信息的参考站必须实现PPP固定解，在保证了整数空间的前提下，再继续分解出电离层、对流层的各种误差信息，最后将统一匹配的精密轨道、钟差，相位小数偏差，电离层、对流层延迟等播发给用户使用，用户利用这些信息实现快速的模糊度的固定。该系统中，需要有三层的处理：1精密轨道与钟差；2对应的载波相位UPD；3对应的电离层、对流层延迟。
基于伪距测量的PPP-RTK系统，由于多频信号相干联合接收伪距测量误差较小，同时不存在固定模糊度的因素，区域参考站可以不基于模糊度固定解生成电离层、对流层信息，不用考虑在整数空间下求解大气延迟的问题，减少了服务端的计算流程，增加实时性。同时由于已知高精度大气延迟模型，可以不利用组合系数消除电离层，减少了组合后的噪声的放大，能够实现秒级实时高精度定位。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。