一种基于区域CORS的单频PPP电离层加权方法

摘要

本发明公开了一种基于区域CORS的单频PPP电离层加权方法，电离层延迟是制约单频精密单点定位PPP流动站精度进一步提高的最主要因素，通过区域连续基准站网精密模型化局部区域的电离层延迟的方法对于稀疏基准站区域的单频用户其改正精度有限。本发明方法基于区域连续运行卫星定位服务综合系统网络，通过对基准站数据进行非组合精密单点定位，构建区域电离层模型，分离卫星、接收机硬件延迟，以提取卫星倾斜方向电离层延迟值，提出了一种基于区域CORS的单频PPP电离层加权方法。本发明方法充分利用区域站点提供的高精度电离层延迟信息，可有效提高单频PPP用户的收敛时间及定位精度，可实现单频PPP用户厘米级高精度定位。

主权项

一种基于区域CORS的单频PPP电离层加权方法，其特征在于包括如下步骤：(1)基于区域CORS网络双频原始观测值，并利用区域内各基准站点精确坐标，构建非差非组合卡尔曼滤波器，对包含基准站接收机硬件延迟偏差项B_k和卫星硬件延迟偏差项B^s的卫星倾斜方向电离层延迟值进行估计；步骤(1)所述非差非组合卡尔曼滤波器的滤波待估参数包括基准站接收机钟差dt_k、各卫星倾斜方向电离层延迟值各卫星的双频相位模糊度以及基准站天顶对流层湿延迟ZTD_w,k；设在历元j，流动站k处存在n颗卫星，联合所有卫星L1、L2载波和P1、P2码观测数据，所述非差非组合卡尔曼滤波器的状态空间表达式为：$\left\{\begin{array}{cc}{X}_{j+1}={\Phi }_{j,j+1}{X}_j+W_{j+1}& E\left(W_{j+1}\right)=0,Cov\left(W_{j+1}\right)=Q_{j+1}\\ L_{j+1}=B_{j+1}{X}_{j+1}+V_{j+1}& E\left(V_{j+1}\right)=0,Cov\left(V_{j+1}\right)=R_{j+1},Cov(V,W)=0\end{array}\right.---\left(1\right)$其中，E为数学期望，Cov为协方差，X_j+1、X_j分别表示第j+1历元和第j历元的3n+2维状态向量；均为n维状态向量；表示各卫星的双频相位模糊度；ZTD_w,k表示基准站点天顶对流层湿延迟；表示包含基准站接收机硬件延迟偏差项B_k和卫星硬件延迟偏差项B^s的卫星倾斜方向电离层延迟值；dt_k'表示包含了相应接收机硬件延迟影响的基准站接收机钟差；Φ_j,j+1表示为(3n+2)×(3n+2)维状态转移矩阵；${\Phi }_{j,j+1}=\left[\begin{array}{ccccc}{\Phi }_{{\mathrm{ZTD}}_{w,k}}& & & & \\ & {\Phi }_{{{\mathrm{dt}}_k}^{\prime }}& & & \\ & & {\Phi }_{{I_k^s}^{\prime }}& & \\ & & & {\Phi }_{N_1^s}& \\ & & & & {\Phi }_{N_2^s}\end{array}\right]---\left(2\right)$其中，Δt表示采样率，即历元间隔；表示卫星倾斜方向电离层延迟值的随机游走量；表示基准站天顶对流层湿延迟的随机游走量；E_n表示n维单位阵；Q_j+1表示为(3n+2)×(3n+2)维动态噪声矩阵；$Q_{j+1}=\left[\begin{array}{ccccc}{Q}_{{\mathrm{ZTD}}_{w,k}}& & & & \\ & Q_{{{\mathrm{dt}}_k}^{\prime }}& & & \\ & & Q_{{I_k^s}^{\prime }}& & \\ & & & Q_{N_1^s}& \\ & & & & Q_{N_2^s}\end{array}\right]---\left(3\right)$其中，Δt表示采样率，即历元间隔；q_ZTD表示基准站天顶对流层湿延迟的噪声初始值；q_Ion表示卫星倾斜方向电离层延迟值的噪声初始值；表示基准站接收机钟差的噪声初始值；z'为该卫星穿刺点位置天顶角；分别设q_ZTD＝1～9(cm/h)²，q_Ion＝0.1(m/s)²，L_j+1表示为第j+1历元4n维观测矩阵；$L_{j+1}=\left[\begin{array}{c}{P}_{1,k}^s(j+1)-{\rho }_k^s(j+1)-T_{dry,k}^s(j+1)+{\mathrm{cdt}}_{IGS}^s(j+1)-{ϵ}_{k,P(j+1)}^s\\ P_{2,k}^s(j+1)-{\rho }_k^s(j+1)-T_{dry,k}^s(j+1)+{\mathrm{cdt}}_{IGS}^s(j+1)-{ϵ}_{k,P(j+1)}^s\\ {\lambda }_1{\phi }_{1,k}^s(j+1)-{\rho }_k^s(j+1)-T_{dry,k}^s(j+1)+{\mathrm{cdt}}_{IGS}^s(j+1)-{ϵ}_{k,\phi (j+1)}^s\\ {\lambda }_2{\phi }_{2,k}^s(j+1)-{\rho }_k^s(j+1)-T_{dry,k}^s(j+1)+{\mathrm{cdt}}_{IGS}^s(j+1)-{ϵ}_{k,\phi (j+1)}^s\end{array}\right]---\left(4\right)$其中分别表示双频载波信号1，2上的卫星s与基准站接收机k之间的伪距观测值；为卫星s和基准站接收机k之间的真实距离；表示基准站接收机k与卫星s之间的对流层干延迟部分；c表示光速；表示IGS公布的卫星钟差；为基准站接收机k与卫星s之间伪距观测噪声；λ₁,λ₂为双频载波信号1，2的波长；为对应的载波观测值；为基准站接收机k与卫星s之间载波观测噪声；B_j+1表示为第j+1历元4n×(3n+2)维观测系数矩阵；$B_{j+1}=\left[\begin{array}{ccccc}{B}_{{\mathrm{MF}}_w}& B_{{{\mathrm{dt}}_k}^{\prime }}& B_I& 0& 0\\ B_{{\mathrm{MF}}_w}& B_{{{\mathrm{dt}}_k}^{\prime }}& \frac{f_1^2}{f_2^2}{B}_I& 0& 0\\ B_{{\mathrm{MF}}_w}& B_{{{\mathrm{dt}}_k}^{\prime }}& -B_I& B_{N_1}& 0\\ B_{{\mathrm{MF}}_w}& B_{{{\mathrm{dt}}_k}^{\prime }}& -\frac{f_1^2}{f_2^2}{B}_I& 0& B_{N_2}\end{array}\right]---\left(5\right)$其中，其中表示对流层湿延迟投影函数向量；MF_w(θ¹) … MF_w(θⁿ)表示各卫星的对流层湿延迟投影函数；θ¹…θⁿ表示各卫星高度角；c表示光速；λ₁,λ₂为双频载波信号1，2的波长；R_j+1表示为第j+1历元4n×4n维观测噪声矩阵：$R_{j+1}=\left[\begin{array}{cccc}{R}_{P_1}& & & \\ & R_{P_2}& & \\ & & R_{{\phi }_1}& \\ & & & R_{{\phi }_2}\end{array}\right]---\left(6\right)$其中分别表示双频载波伪距观测噪声；分别表示双频载波观测噪声；将上述公式代入卡尔曼滤波器公式中得到：$\left\{\begin{array}{c}{P}_{j,j+1}={\Phi }_{j,j+1}{P}_n{\Phi }_{j,j+1}^T+Q_{j+1}\\ J_{j+1}=P_{j,j+1}{B}_{j+1}^T{(B_{j+1}{P}_{j,j+1}{B}_{j+1}^T+R_{j+1})}^{-1}\\ P_{j+1}=(E-J_{j+1}{B}_{j+1})P_{j,j+1}\\ X_{j+1}={\Phi }_{j,j+1}{X}_j+J_{j+1}(L_{j+1}-B_{j+1}{\Phi }_{j,j+1}{X}_j)\end{array}\right.---\left(7\right)$其中E为单位矩阵，J_j+1为中间增益矩阵，P_j,j+1,P_j+1均为中间计算过渡矩阵，通过公式(7)依次迭代估计得到基准站天顶对流层湿延迟值ZTD_w,k、包含基准站接收机硬件延迟偏差项B_k和卫星硬件延迟偏差项B^s的卫星倾斜方向电离层延迟值双频浮点解模糊度(2)通过垂直电子总含量多项式模型估计卫星倾斜方向电离层延迟值的真实值分离卫星硬件延迟偏差项B^s和接收机硬件延迟偏差项B_k，并将卫星硬件延迟偏差项B^s作为先验值发送给单频PPP流动站；(3)利用卫星倾斜方向真实电离层延迟值对流动站卫星穿刺点位置电离层进行内插，获取流动站位置电离层延迟值并将其作为先验值发送给单频PPP流动站；(4)单频PPP流动站利用区域基准站点提供的对流层延迟先验信息，并通过电离层延迟先验值采用非组合星间差分模型进行观测，然后构建卡尔曼滤波器，对该流动站所在位置进行精确定位。