顾及闪烁指数的GNSS精密定位随机模型建模方法和系统与流程

顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型建模方法和系统
技术领域
1.本发明涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型建模方法和系统。


背景技术：

2.电离层闪烁是电离层中的不规则体导致穿过其传播的无线电信号的振幅与相位发生快速随机起伏的现象，它与gnss(global navigation satellite system)信号频率并不存在比例关系，不能利用常规的电离层延迟误差处理方式予以消除，因此越来越受到gnss用户的关注。
3.电离层闪烁会降低gnss伪距和载波相位观测值的质量，如何合理分配受闪烁影响的gnss观测值的权重是实现闪烁环境下gnss高精度定位的关键问题之一。目前已被广泛使用的gnss精密定位观测值随机模型是高度角随机模型，其对低高度角卫星观测值赋予较小的权重，而对高高度角卫星观测值赋予较大的权重或经验常数，并未考虑电离层闪烁对gnss观测值的影响。然而，电离层闪烁可以发生在任意高度角的gnss卫星信号中，甚至包括那些位于50
°
以上的高度角卫星信号。
4.目前，利用电离层闪烁监测接收机(ismr)的闪烁指数产品构建的接收机跟踪噪声随机模型，可以提高闪烁环境下gnss定位的精度。然而，该模型所需参数除了闪烁指数以外，还包括ismr输出的相位功率谱密度、相位功率谱斜率等，并且它们也更适用于半无码跟踪技术接收机。此外，相比于全球广泛部署的测地型gnss接收机，ismr采样频率高且价格昂贵，当前在全球部署的数量也仅有200余台。因此，基于ismr数据产品建立的接收机跟踪噪声随机模型难以适用于测地型gnss接收机。
5.综上，顾及电离层闪烁信息的gnss精密定位方法是目前削弱闪烁对gnss高精度定位影响的重要手段，但如何基于全球广泛部署的测地型接收机闪烁指数建立合理的gnss观测值随机模型，从而提高电离层闪烁环境下gnss精密定位服务能力，是当前gnss精密定位技术所需解决的难题。


技术实现要素：

6.本发明解决的一个主要问题是如何建立适用于电离层闪烁环境下的gnss观测值随机模型，从而削弱电离层闪烁对gnss精密定位影响的问题。
7.根据本发明的一个方面，本发明提供一种顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型建模方法，所述建模方法包括：
8.收集全球不同纬度地区的gnss跟踪站卫星观测数据；
9.基于非差非组合gnss精密单点定位技术提取不同频率的gnss伪距与载波相位观测值的残差；
10.构建基于测地型gnss接收机数据的电离层闪烁指数；
11.利用多项式拟合方法确定所述电离层闪烁指数与所述gnss伪距和载波相位观测
值残差之间的关系，并建立gnss精密定位随机模型；
12.利用全球不同纬度地区的gnss跟踪站卫星观测数据以及车载gnss动态数据验证所述gnss精密定位随机模型的有效性。
13.进一步地，基于非差非组合gnss精密单点定位技术提取不同频率的gnss伪距与载波相位观测值残差的具体步骤包括：
14.获取精密卫星轨道与卫星钟差数据；
15.将所述精密卫星轨道与卫星钟差数据作为起算数据，进行非差非组合精密单点定位解算，所述观测方程为：
[0016][0017]
其中，r、s、f分别为gnss接收机、卫星、观测值频率标识，分别为gnss伪距与载波相位观测值，为卫星与测站间的几何距离，c为真空中的光速，dtr、dts分别指接收机钟差和卫星钟差，d
trop
是对流层延迟误差，d
ion,f
是第f个频率上的电离层延迟误差，b
r，f
(p)、分别为接收机端和卫星端的伪距硬件延迟偏差，b
r，f
(φ)、分别为接收机端和卫星端的相位硬件延迟偏差，λf为卫星信号f频率的波长，为载波相位观测值的整周模糊度参数，为初始相位偏差，ε
p
、ε
φ
分别表示伪距和相位观测噪声；
[0018]
基于解算后精确的gnss跟踪站坐标，利用动态精密单点定位模式解算不同频率gnss伪距和载波相位观测值的残差，残差公式为：
[0019][0020]
其中，分别表示伪距与载波相位观测值的残差。
[0021]
进一步地，构建基于测地型gnss接收机数据的电离层闪烁指数包括步骤：
[0022]
提取不同纬度地区gnss跟踪站的载波噪声密度c/n0数据，其中c表示载波功率，n0表示噪声功率谱密度；
[0023]
将载波噪声密度c/n0转换为信号噪声密度s/n0，其中s表示信号功率，转换公式为：
[0024][0025]
利用所述信号噪声密度s/n0计算去趋势后的信号强度si
detrended
，计算公式为：
[0026][0027]
其中，k表示当前历元，n表示一段时间内总的历元数，与gnss观测值采样率有关，当gnss采样率为1hz时，n取值为60；
[0028]
利用去趋势后的信号强度si
detrended
构建电离层闪烁指数s
4c
，电离层闪烁指数构建公式为：
[0029][0030]
进一步地，利用数值分析方法确定所述电离层闪烁指数与所述gnss伪距与载波相位观测值残差之间的关系，并建立gnss精密定位随机模型，包括步骤：
[0031]
利用电离闪烁指数s
4c
表征电离层闪烁强度，分析在不同闪烁强度下gnss伪距和载波相位观测值的残差特性；
[0032]
利用多项式拟合方法确定闪烁指数与gnss伪距、载波相位观测值噪声之间的相关关系，拟合公式为：
[0033][0034]
其中，在电离层平静环境下(s
4c
≤0.2)观测值噪声的方差σ利用高度角随机模型确定；在闪烁环境下(s
4c
＞0.2)观测值噪声的方差σ利用多项式拟合函数进行确定，其中a、b、c分别为拟合系数。
[0035]
根据本发明的另一个方面，还公开一种顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型建模系统，所述建模系统运行时用于实现如前任一所述的一种顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型建模方法，所述建模系统包括：
[0036]
数据采集模块，用于收集全球不同纬度地区的gnss跟踪站卫星观测数据与车载gnss动态数据；
[0037]
残差提取模块，用于基于非差非组合gnss精密单点定位技术提取不同频率的gnss伪距与载波相位观测值的残差；
[0038]
闪烁指数构建模块，用于构建基于测地型gnss接收机数据的电离层闪烁指数；
[0039]
数据分析和建模模块，用于基于数值分析方法确定所述电离层闪烁指数与所述gnss伪距和载波相位观测值残差之间的关系，并建立gnss精密定位随机模型；
[0040]
验证模块，用于利用全球不同纬度地区的gnss跟踪站卫星观测数据以及车载gnss动态数据验证所述gnss精密定位随机模型的有效性。
[0041]
本发明具有以下优点：
[0042]
1、初步解决了gnss高度角随机模型在电离层闪烁环境下未合理分配gnss伪距和载波相位观测值权重的问题。
[0043]
2、在不依赖高频专用型闪烁监测接收机的数据产品条件下，削弱了电离层闪烁对gnss精密定位的影响，丰富了电离层闪烁环境下gnss精密定位数据处理方法，提高了测地型gnss接收机在电离层闪烁环境下的定位精度和可靠性。
附图说明
[0044]
本发明构成说明书的一部分附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
[0045]
图1为本发明实施例中顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型的建模方法流程示意图。
[0046]
图2为本发明实施例中基于香港hkst测站2021年9月30日跟踪的gps卫星数据，构建的不同卫星s
4c
闪烁指数的时间序列示意图。
[0047]
图3为本发明实施例中利用香港hkst测站2021年9月30日跟踪的gps卫星数据，基于非差非组合ppp解算的不同卫星c1、p2伪距观测值残差绝对值示意图。
[0048]
图4为本发明实施例中利用香港hkst测站2021年9月30日跟踪的gps卫星数据，基于非差非组合ppp解算的不同卫星l1、l2载波相位观测值残差绝对值示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
[0050]
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
[0051]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0052]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
[0053]
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
[0054]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0055]
实施例一，如图1所示，为本发明实施例中顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型的建模方法流程示意图，包括如下处理步骤：
[0056]
步骤1、基于igs网、mgex网、北斗地基增强网、陆态网等海量的基准站网，收集全球不同纬度地区gnss跟踪站的卫星观测数据与导航数据。
[0057]
步骤2、基于非差非组合gnss精密单点定位技术(ppp)提取不同频率的gnss伪距与载波相位观测值残差。
[0058]
步骤2的具体步骤包括：
[0059]
(1)获取igs/mgex分析中心的事后精密轨道与钟差等数据。
[0060]
(2)利用精密轨道与钟差等数据以及单站电离层延迟数据解算非差非组合ppp观测方程。
[0061]
具体地，非差非组合ppp的观测方程为：
[0062][0063]
其中，r、s、f分别为gnss接收机、卫星、观测值频率标识，分别为gnss伪距与载波相位观测值，为卫星与测站间的几何距离，c为真空中的光速，dtr、dts分别指接收机钟差和卫星钟差，d
trop
是对流层延迟误差，d
ion,f
是第f个频率上的电离层延迟误差，b
r,f
(p)、分别为接收机端和卫星端的伪距硬件延迟偏差，b
r，f
(φ)、分别为接收机端和卫星端的相位硬件延迟偏差，λf为卫星信号f频率的波长，为载波相位观测值的整周模糊度参数，为初始相位偏差，ε
p
、ε
φ
分别表示伪距和相位观测噪声。
[0064]
具体地，非差非组合ppp中的电离层延迟参数采用如下公式估计：
[0065]
dion(z)＝a0 a1dl a2dl2 a3db a4db2 r(t)
ꢀꢀ
(2)
[0066]
其中，dion(z)为接收机至卫星天顶电离层延迟，a0为测站上空电离层延迟的均值，a1、a2分别为东、西水平梯度的二阶多项式系数，a3、a4分别为南、北水平梯度的二阶多项
式系数，多项式系数ai(i＝0，1，2，3，4)一般每5分钟估计一组，dl、db分别为穿刺点与测站之间的经度、纬度差异；r(t)为随机参数，采用球形模型逼近参数化的半变异函数表达。
[0067]
(3)基于ppp解算的精确gnss跟踪站坐标，利用动态ppp模式解算不同频率gnss伪距和载波相位观测值残差。
[0068]
具体地，残差计算公式如下：
[0069][0070]
其中，res(p)、res(φ)分别表示伪距与载波相位观测值残差。
[0071]
步骤3、构建基于测地型gnss接收机数据的电离层闪烁指数。
[0072]
具体步骤包括：
[0073]
(1)提取不同纬度地区gnss跟踪站的载波噪声密度c/n0数据，其中c表示载波功率，n0表示噪声功率谱密度。
[0074]
具体地，首先将载波噪声密度c/n0转换为信号噪声密度s/n0：
[0075][0076]
其中，s表示信号功率。
[0077]
然后，利用下式计算去趋势后的信号强度si
detrended
：
[0078][0079]
其中，k表示当前历元，n表示一段时间内总的历元数，与gnss观测值采样率有关，当gnss采样率为1hz时，n取值为60。
[0080]
(2)利用去趋势后的信号强度si
detrended
构建电离层闪烁指数s
4c
，具体构建公式为：
[0081][0082]
最后，将si
detrended
回代至s
4c
的计算公式即可获得基于测地型gnss接收机数据的电离层闪烁指数s
4c
。
[0083]
基于测地型gnss接收机数据构建的s
4c
指数如图2所示，可以看出，s
4c
指数可以反映出2021年9月30日当天中国香港地区电离层闪烁主要发生在当地时(lt)的20:00-22:00与0:00-2:00时间段。
[0084]
步骤4、建立顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型。
[0085]
具体步骤包括：
[0086]
(1)利用电离闪烁指数s
4c
表征电离层闪烁强度，综合分析在不同闪烁强度下gnss伪距和载波相位观测值的残差特性。
[0087]
基于图2中国香港测站2021年9月30日数据，图3与4分别给出了电离层闪烁环境下，gnss非差非组合ppp解算的伪距(c1与p2)和载波相位观测值(l1与l2)残差绝对值时间序列。
[0088]
从图3和4中可以看出，电离层平静环境下，伪距残差整体上小于0.75m，相位残差整体上小于0.05m；而电离层闪烁环境下，伪距与相位观测值残差出现了明显跳变，其中伪距与相位残差最大值可分别达2.5m与0.15m。
[0089]
(2)利用多项式拟合方法确定闪烁指数与gnss伪距、载波相位观测值噪声之间的相关关系。
[0090]
具体地，拟合公式如下：
[0091][0092]
其中，在电离层平静环境下(s
4c
≤0.2)，观测值噪声的方差σ利用高度角随机模型确定；在闪烁环境下(s
4c
＞0.2)，观测值噪声的方差σ则利用多项式拟合函数进行确定，其中a、b、c分别为拟合系数。最终建立基于电离层闪烁指数s
4c
的gnss精密定位随机模型如式(7)所示。
[0093]
步骤5、利用步骤1收集的未参与建模的全球不同纬度地区gnss跟踪站数据以及自主采集的车载gnss动态数据，开展gnss动态ppp实验，验证顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型的可用性。
[0094]
本发明采用非差非组合精密单点定位技术提取gnss观测值残差信息，通过分析gnss观测值残差与电离层闪烁指数之间的分布关系，建立顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型。
[0095]
实施例二，一种顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型建模系统，建模系统运行时用于实现如实施例一所述的一种顾及闪烁指数的gnss精密定位随机模型建模方法的步骤，gnss精密定位随机模型建模系统包括：
[0096]
数据采集模块，用于收集全球不同纬度地区的gnss跟踪站卫星观测数据与车载gnss动态数据，具体为基于igs网、mgex网、北斗地基增强网、陆态网等海量的基准站网，收集全球不同纬度地区gnss跟踪站的卫星观测数据与导航数据；
[0097]
残差提取模块，用于基于非差非组合gnss精密单点定位技术提取不同频率的gnss伪距与载波相位观测值的残差；
[0098]
闪烁指数构建模块，用于构建基于测地型gnss接收机数据的电离层闪烁指数；
[0099]
数据分析和建模模块，用于基于数值分析方法确定电离层闪烁指数与gnss伪距和载波相位观测值残差之间的关系，并建立gnss精密定位随机模型；
[0100]
验证模块，用于利用全球不同纬度地区的gnss跟踪站卫星观测数据以及车载gnss动态数据验证gnss精密定位随机模型的有效性。
[0101]
本发明实施后的效果主要有以下几点：
[0102]
1、初步解决了gnss高度角随机模型在电离层闪烁环境下未合理分配gnss伪距和载波相位观测值权重的问题。
[0103]
2、在不依赖高频专用型闪烁监测接收机的数据产品条件下，削弱了电离层闪烁对gnss精密定位的影响，丰富了电离层闪烁环境下gnss精密定位数据处理方法，提高了测地型gnss接收机在电离层闪烁环境下的定位精度和可靠性。
[0104]
3、采用残差分析等数值分析方法，剖析不同电离层闪烁环境下gnss伪距和载波相位观测值的噪声特性，建立基于闪烁指数的gnss高精度定位随机模型，并利用不同闪烁环境下的gnss实测数据，验证所建立的gnss精密定位随机模型的可靠性。
[0105]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围
之内。
[0106]
还需要说明的是，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、商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、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。