專利名稱：一種基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法，涉及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣域差分方法研究的技術(shù)領(lǐng)域，是一種以滿足提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度且適合各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣域差分方法。

背景技術(shù)：
廣域差分能將偽距測(cè)量中的各種定位誤差加以消除，是提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的最有效的手段，但是目前的研究方法均是基于GPS這一類中軌衛(wèi)星的，我國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將采用地球同步衛(wèi)星(GEO)、傾斜高軌衛(wèi)星(IGSO)和中軌衛(wèi)星(MEO)組建成混合星座的全球定位系統(tǒng)，地球同步衛(wèi)星必須保持赤道面上的軌位約束條件，需要不定期實(shí)施機(jī)動(dòng)控制，因此不能采用同GPS一樣的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)平滑方法。同時(shí)，高軌衛(wèi)星的DOP值是MEO衛(wèi)星的DOP值的幾倍，也不能采用GPS為了克服DOP值過大而采用的對(duì)差分改正量進(jìn)行誤差限制的方法。在CAPS系統(tǒng)中，提出了星鐘和星歷分離的廣域差分方法，獲得了比較好的差分效果，但是這種方法在MEO星座中的應(yīng)用存在較大的困難，因?yàn)镸EO衛(wèi)星相對(duì)于地面用戶是快速運(yùn)動(dòng)的，可視時(shí)間短，不能采用某一顆不變的衛(wèi)星作為基準(zhǔn)星完成星歷誤差相對(duì)分離，而需要基準(zhǔn)星頻繁更替。


發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法，能夠同時(shí)適合多種衛(wèi)星星座以適合我國(guó)正在發(fā)展的compass，需要研究新的差分方法。
技術(shù)方案 本發(fā)明的基本思想是當(dāng)差分站存在與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間之間存在時(shí)間偏差時(shí)，為了通過星際單差的方法消除這一誤差，提出利用一顆假想衛(wèi)星代替實(shí)際衛(wèi)星，即虛擬基準(zhǔn)星以完成徑向星歷偽距誤差的相對(duì)分離。
本發(fā)明方法的特征在于將差分站分為區(qū)域主站和副站，且主站與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步，本方法具體步驟如下 步驟1在時(shí)間同步的區(qū)域主站分離出星鐘誤差 ，其中E表示衛(wèi)星的廣播星歷，ρ1k表示主差分站到第k顆衛(wèi)星的站星徑向偽距誤差，R1k(E)表示差分站與廣播星歷之間的幾何距離； 步驟2扣除星鐘誤差，得到包含站鐘偏差的徑向星歷偽距誤差Δρik，其值等于ρ1k-R1k(E)-(ρ1k-Rik(E))+c.Δti；其中ρik表示i差分站到第k顆衛(wèi)星的站星徑向偽距誤差，Rik(E)表示i差分站與廣播星歷之間的幾何距離，Δti表示副差分站的站鐘偏差； 步驟3構(gòu)造虛擬基準(zhǔn)星的徑向星歷偽距誤差ΔρiV 其中N表示可視衛(wèi)星總數(shù)，權(quán)重規(guī)則規(guī)定為衛(wèi)星的徑向偽距誤差實(shí)際值的倒數(shù) 所述的虛擬基準(zhǔn)星為一顆無星鐘誤差，在地心固連坐標(biāo)系中衛(wèi)星真實(shí)位置完全固定，其徑向星歷偽距誤差等于所有可視衛(wèi)星的徑向星歷偽距誤差統(tǒng)計(jì)平均的假想衛(wèi)星； 步驟4構(gòu)造各站觀測(cè)虛擬基準(zhǔn)星的偽距ρiv 其中RiV表示虛擬基準(zhǔn)星V到基準(zhǔn)站i的幾何距離； 步驟5基于虛擬基準(zhǔn)星的星歷誤差相對(duì)分離將實(shí)際衛(wèi)星與虛擬基準(zhǔn)星進(jìn)行星際單差，得到相對(duì)星歷偽距誤差Δρik-ΔρiV， 步驟6利用三個(gè)或三個(gè)相對(duì)星歷偽距誤差和三維用戶定位方程，解算得到各個(gè)衛(wèi)星的星歷改正數(shù)。
對(duì)于GEO星座，一個(gè)區(qū)域只需要一個(gè)主站。
對(duì)于混合星座，一個(gè)區(qū)域內(nèi)建立2-3個(gè)主站。
所述的Δρik扣除站鐘誤差，得到的誤差分量可以代表差分站觀測(cè)的徑向星歷偽距誤差實(shí)際值Δρ′ik，其值等于ρ1k-R1k(E)-(ρik-Rik(E))。
有益效果 本發(fā)明的一種基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法，效果主要表現(xiàn)在1)適應(yīng)于各種衛(wèi)星星座構(gòu)建的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，方法具有通用性；2)差分系統(tǒng)的建設(shè)成本低，省去了時(shí)間同步的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。3)滿足實(shí)時(shí)用戶對(duì)差分改正量的實(shí)時(shí)廣播需求，并且差分定位精度高。4)對(duì)星歷異常具有較好的抗敏感性，使得在星歷異常時(shí)同樣可以獲得良好的差分效果。



圖1本發(fā)明應(yīng)用的廣域差分系統(tǒng) 圖2在CAPS系統(tǒng)中的差分效果 圖3在GPS中的差分效果 圖4在中國(guó)未來的Compass中的差分效果 圖5在CAPS系統(tǒng)中星歷異常時(shí)的差分效果
具體實(shí)施例方式 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 附圖1給出了差分網(wǎng)的基本框架，地面差分站包括主站和副站兩種形式，其中主站作為一級(jí)差分站，與系統(tǒng)時(shí)間保持嚴(yán)格時(shí)間同步，在中國(guó)區(qū)域內(nèi)，對(duì)于GEO星座只需建立1個(gè)區(qū)域主站，對(duì)于MEO星座或混合星座，需要建立2-3個(gè)區(qū)域主站。副站不要求時(shí)間同步，站相對(duì)建設(shè)的比較多，建設(shè)比較簡(jiǎn)單。
各個(gè)差分站的位置事前經(jīng)過測(cè)繪得到精確的位置。
本實(shí)施例的具體步驟為 在主站進(jìn)行星鐘誤差分離，獲得星鐘改正數(shù) 由于星鐘誤差的空間無關(guān)性，這種誤差可以通過一個(gè)與系統(tǒng)時(shí)間同步的主基準(zhǔn)站分離，即一站式分離。如果衛(wèi)星的真實(shí)位置是已知的，那么這種星鐘誤差可以通過主差分站的偽距觀測(cè)得到，可以表示為 式中



其負(fù)值-ρCLKk表示星鐘改正數(shù)。
利用多個(gè)副站進(jìn)行星歷誤差，獲得星歷改正數(shù) 當(dāng)差分站時(shí)間不同步時(shí)，其站星偽距可以表示為 其中ρik，Rik和Δρik分別表示表示差分站i到衛(wèi)星k的站星徑向偽距誤差、站星幾何距離和徑向星歷偽距誤差，Δti表示差分站i的站鐘偏差。所以差分站i觀測(cè)的徑向星歷偽距誤差可以表示為 要消除站鐘誤差需要采用星際單差的方法[3]。構(gòu)造虛擬基準(zhǔn)星的目的之一就是通過與實(shí)際衛(wèi)星單差消除站鐘偏差，因此構(gòu)造虛擬基準(zhǔn)星的徑向星歷偽距誤差必須包含站鐘誤差。若Δρik扣除站鐘誤差，得到的誤差分量可以代表差分站觀測(cè)的徑向星歷偽距誤差實(shí)際值，其值表示為 上式中Δρ′ik越大，表示衛(wèi)星的徑向星歷偽距誤差和衛(wèi)星的廣播星歷誤差越大，在廣域差分解算中對(duì)差分修正量的貢獻(xiàn)也必須越大，因此在構(gòu)造虛擬基準(zhǔn)星的徑向星歷偽距誤差時(shí)，為了保證單差后的貢獻(xiàn)量越大，其取權(quán)重反而越小。為了符合這一分析，這里取Δρ′ik的倒數(shù)作為構(gòu)造虛擬基準(zhǔn)星徑向星歷偽距誤差分量的權(quán)重。
所以包含站鐘偏差的虛擬基準(zhǔn)星徑向星歷偽距誤差可以表示為 從上式可以看出，虛擬基準(zhǔn)星實(shí)際上指的一顆無星鐘誤差，在地心固連坐標(biāo)系中衛(wèi)星真實(shí)位置完全固定，徑向星歷偽距誤差等于各個(gè)星歷偽距誤差分量統(tǒng)計(jì)平均和的假想衛(wèi)星。
第i站到虛擬基準(zhǔn)星的偽距可以表示為 其中RiV表示從基準(zhǔn)站i到具有固定位置(在地心固連坐標(biāo)系)的幾何距離，第二項(xiàng)表示虛擬基準(zhǔn)星的星歷偽距誤差，第三項(xiàng)表示站鐘誤差，這三項(xiàng)合成了虛擬基準(zhǔn)星的偽距表達(dá)式。
通過實(shí)際衛(wèi)星與虛擬基準(zhǔn)星星際單差消除站鐘誤差，得到這個(gè)站的星歷相對(duì)偽距誤差貢獻(xiàn)量，表示為 上述就是利用虛擬基準(zhǔn)星進(jìn)行的星歷誤差相對(duì)分離原理，簡(jiǎn)稱虛擬基準(zhǔn)星差分原理。利用差分網(wǎng)內(nèi)所有可視衛(wèi)星與虛擬基準(zhǔn)星差分可以獲得星歷改正數(shù)。
虛擬基準(zhǔn)星差分方法的差分效果 附圖2、3、4分別說明了這種差分方法在三種不同星座構(gòu)建的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的差分定位效果。附圖5說明了在衛(wèi)星星歷由于某種原因引起異常時(shí)，這種差分方法的差分定位效果。分析結(jié)果表明，這種方法具有通用性強(qiáng)、差分效果好且對(duì)星歷異常不敏感等優(yōu)點(diǎn)。
在基于GEO星座的CAPS、MEO星座GPS及未來我國(guó)的Compass中的差分效果 表中方法一表示基于實(shí)際衛(wèi)星作為基準(zhǔn)星的差分方法，方法二表示基于虛擬衛(wèi)星作為基準(zhǔn)星的差分分法，差分前表示沒有采用差分的單點(diǎn)定位結(jié)果。表中的三種星座分別對(duì)應(yīng)三種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，基于GEO星座的中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)(CAPS)，基于MEO星座的GPS系統(tǒng)，基于混合星座的Compass。從表中數(shù)據(jù)可知在MEO星座中，兩種差分方法基本等效，在GEO星座或混合星座中，虛擬基準(zhǔn)星差分方法優(yōu)于實(shí)際基準(zhǔn)星差分方法。
三種星座體制中兩種差分方法的差分效果(1σ)

權(quán)利要求
1.一種基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法，其特征在于將差分站分為區(qū)域主站和副站，且主站與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步，本方法具體步驟如下
步驟1在時(shí)間同步的區(qū)域主站分離出星鐘誤差
其中E表示衛(wèi)星的廣播星歷，ρ1k表示主差分站到第k顆衛(wèi)星的站星徑向偽距誤差，R1k(E)表示差分站與廣播星歷之間的幾何距離；
步驟2扣除星鐘誤差，得到包含站鐘偏差的徑向星歷偽距誤差Δρik，其值等于其中ρik表示i差分站到第k顆衛(wèi)星的站星徑向偽距誤差，Rik(E)表示i差分站與廣播星歷之間的幾何距離，Δti表示副差分站的站鐘偏差；
步驟3構(gòu)造虛擬基準(zhǔn)星的徑向星歷偽距誤差ΔρiV
其中N表示可視衛(wèi)星總數(shù)，權(quán)重規(guī)則規(guī)定為衛(wèi)星的徑向偽距誤差實(shí)際值的倒數(shù)
所述的虛擬基準(zhǔn)星為一顆無星鐘誤差，在地心固連坐標(biāo)系中衛(wèi)星真實(shí)位置完全固定，其徑向星歷偽距誤差等于所有可視衛(wèi)星的徑向星歷偽距誤差統(tǒng)計(jì)平均的假想衛(wèi)星；
步驟4構(gòu)造各站觀測(cè)虛擬基準(zhǔn)星的偽距ρiV
其中RiV表示虛擬基準(zhǔn)星V到基準(zhǔn)站i的幾何距離；
步驟5基于虛擬基準(zhǔn)星的星歷誤差相對(duì)分離將實(shí)際衛(wèi)星與虛擬基準(zhǔn)星進(jìn)行星際單差，得到相對(duì)星歷偽距誤差Δρik-ΔρiV，
步驟6利用三個(gè)或三個(gè)相對(duì)星歷偽距誤差和三維用戶定位方程，解算得到各個(gè)衛(wèi)星的星歷改正數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法，其特征在于對(duì)于GEO星座，一個(gè)區(qū)域只需要一個(gè)主站。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法，其特征在于對(duì)于混合星座，一個(gè)區(qū)域內(nèi)建立2-3個(gè)主站。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法，其特征在于所述的Δρik扣除站鐘誤差，得到的誤差分量可以代表差分站觀測(cè)的徑向星歷偽距誤差實(shí)際值Δρ′ik，其值等于ρ1k-R1k(E)-(ρik-Rik(E))。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于虛擬基準(zhǔn)星的廣域差分方法，技術(shù)特征在于當(dāng)差分站存在與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間之間存在時(shí)間偏差時(shí)，為了通過星際單差的方法消除這一誤差，提出利用一顆假想衛(wèi)星代替實(shí)際衛(wèi)星，即虛擬基準(zhǔn)星以完成徑向星歷偽距誤差的相對(duì)分離。效果主要表現(xiàn)在1)適應(yīng)于各種衛(wèi)星星座構(gòu)建的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，方法具有通用性；2)差分系統(tǒng)的建設(shè)成本低，省去了時(shí)間同步的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。3)滿足實(shí)時(shí)用戶對(duì)差分改正量的實(shí)時(shí)廣播需求，并且差分定位精度高。4)對(duì)星歷異常具有較好的抗敏感性，使得在星歷異常時(shí)同樣可以獲得良好的差分效果。
文檔編號(hào)G01S5/14GK101609142SQ200910022300
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者蔡成林, 李孝輝, 吳海濤, 張惠君, 王玉蘭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心