基于星型结构的虚拟参考站网络RTK定位方法

摘要

本发明公开了一种基于星型结构的虚拟参考站网络RTK定位方法，首先建立星型结构的基本解算单元，构建一种星型结构的VRS网络RTK基线解算方式，并提出了适用于星型结构VRS网络RTK模糊度解算方法；然后针对这种星型结构分别对VRS网络RTK中电离层、对流层改正数的算法进行了研究。本发明方法在网络模糊度解算方面固定速度明显加快，提高幅度约50％，在生成的网络改正数方面精度及可靠性更高。

主权项

1.一种基于星型结构的虚拟参考站网络RTK定位方法，各个参考站连续采集观测数据，实时传输到数据处理与控制中心的数据库，进行网络计算；控制中心在线解算GPS参考站网内各独立基线的载波相位整周模糊度值；数据处理中心利用参考站网载波相位观测值计算每条基线上的双差综合误差，并据此建立距离相关误差的空间参数模型；移动站用户将通过单点定位得到的NMEA格式的概略坐标发送给控制中心，控制中心在该坐标位置创建一个虚拟参考站VRS；控制中心根据参考站、用户及GPS卫星的相对几何关系，通过内插计算模型得到移动站与参考站间的空间相关误差，再根据虚拟观测值计算模型生成VRS处的虚拟观测值；控制中心把虚拟观测值作为网络差分改正信息发送给移动站用户；用户移动站接收网络差分信息与VRS构成短基线，通过常规RTK计算模型进行差分解算，确定用户位置；其特征在于：建立星型结构的基本解算单元，构建一种星型结构的VRS网络RTK基线解算方式替代以用户所在三角形为基本解算单元建立网络改正模型的方法，按以下步骤实现：(1)建立星型结构的基本解算单元；1)将整个CORS网络按Delaunay三角网构网原则建立不规则三角网；2)从CORS网络中的参考站中选取中心参考站，选取的原则为：中心参考站与其余参考站形成的基线数目最少且中心参考站必须位于Delaunay三角网边界之内，将其余参考站作为辅助参考站，形成一个星型结构基本解算单元；3)将整网依据中心参考站的数目分成若干个子网，而这些子网以星型拓扑结构构建，以中心参考站名称命名；(2)星型VRS网络模糊度解算：1)由单基线模式利用宽巷组合的长波特性快速固定宽巷模糊度：基线长度为30～50km时，采用宽巷组合定义求解法：根据双频宽巷组合观测值的定义，把宽巷模糊度表示成：式中，为双差算子；N_w为宽巷模糊度；和分别为L₁、L₂波段载波相位观测值；f₁、f₂为L₁、L₂波段的频率；λ_w＝c/(f₁-f₂)为宽巷观测值的波长；ρ，O，T，I，M，ε分别为卫地距、轨道误差、对流层延迟、电离层延迟、多路径效应及观测噪声；基线长度为50～100km时，采用双频伪距P码P1、P2和相位观测值线性组合求解法：由于双频码相关的GPS接收机，不但可以获得载波相位观测值，而且还能获得L1，L2频率上的P码伪距，采用双频P码和相位观测值的线性组合法求解宽巷模糊度：式中P₁，P₂分别为L₁、L₂波段P码伪距值；根据噪声的偶然误差特性，采用综合多历元观测数据进行求解；2)由多基线模式利用无电离层组合、宽巷模糊度与L₁、L₂模糊度之间的关系解算出L₁、L₂双差模糊度对于星型解算单元中每一条基线在固定宽巷模糊度之后，采用无电离层组合分离出L1双差模糊度，其计算公式为：由上式可见，采用无电离层组合可以有效地消除电离层的影响，其中轨道误差O、多路径效应M可以忽略不计，因此影响精度主要为对流层延迟，任意一条基线pq的双差对流层延迟可以表示为：$\Delta ▿T_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{ZD}}_q▿\mathrm{MF}\left({\theta }_{\mathrm{pq}}^{\mathrm{ij}}\right)+{\mathrm{RZD}}_{\mathrm{pq}}▿\mathrm{MF}\left({\theta }_p^{\mathrm{ij}}\right)$式中RZD_pq为相对天顶对流层延迟，所以第k条基线多卫星模糊度解算模型如下：式中r为参考卫星，s为非参考卫星，m为中心参考站，k为辅助参考站；首先选择星型基本解算单元中基线最短的基线进行模糊度解算，构建卡尔曼滤波器，即可快速估计出中心参考站m的天顶对流层延迟ZD_m、m与k两站相对天顶对流层延迟RZD_mk以及模糊度浮点解；由于星型基本解算单元具有同一中心参考站m，将已估计出的天顶对流层延迟ZD_m应用于其余基线的解算，加快模糊度浮点解解算效率，构造新的卡尔曼滤波器，只估计相对天顶对流层延迟RZD_mk和模糊度浮点解，最后采用LAMBDA算法加快模糊度固定速度；(3)星型VRS网络改正数计算模型在VRS网络模糊度固定之后，则需要进行VRS网络误差改正数的计算建模，由于电离层延迟误差的色散性，采用双频相位观测值计算参考站网络各基线上的电离层延迟，忽略观测噪声和高阶电离层延迟误差的影响，得到基线上的电离层双差改正数，如下式：式中为电离层双差改正数。对于对流层双差改正数计算，在估计出中心参考站m的天顶对流层延迟ZD_m，以及m站与辅助参考站k之间相对天顶对流层延迟RZD_mk之后即可以求出，其中映射函数由Neill模型得到；在获取星型基本解算单元中各条基线的改正数之后，采用如下通用公式来内插出中心参考站与移动站的误差改正数：μ_v，n＝α₁μ_1，n+...+α_iμ_i，n+...+α_n-1μ_i-1，n式中μ为误差改正数，α_i为内插系数，i＝(1，…，n-1)。下标v为虚拟参考站，n代表中心参考站，1，…，n-1代表n-1个辅助参考站。