基于电离层延迟估计模型中长基线监测方法、装置和介质

技术领域

本发明涉及GNSS定位技术领域，具体涉及一种基于电离层延迟估计模型的中长基线监测方法、装置和介质。

背景技术

经过近十年的发展，GNSS相对定位技术在形变监测领域已经逐渐趋于成熟。由于其高精度、自动化、全天候的特点，GNSS相对定位监测技术已广泛应用于边坡、建筑施工、大跨度桥梁、尾矿库、大坝水库等场景，为保证人民财产安全和生命健康做出了重要贡献。

目前，应用于监测场景的主要是短基线(小于10km)相对定位模式，但是应用短基线模式需要基准站的大量建设，造成了资源浪费。因此，适用于中长基线(10-30km)监测场景的GNSS相对定位技术尤为重要。

目前基于长基线的GNSS解算存在以下缺点：

第一，因为，每颗卫星的电离层延迟之间不存在类似的强关系，现有方案没有考虑每颗卫星的电离层延迟的差异性和时间相关性，造成解算精度不够高。

第二，浮点模糊度的收敛速度较慢，实时性不高。

第三，模糊度正确性检核方法单一，容易错判和漏判。

有鉴于此，需要对现有的中长基线模糊度解算方法进行改进，以提高解算结果的准确性，提高模糊度的收敛速度。

发明内容

针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于电离层延迟估计模型中长基线监测方法、装置和介质，以解决现有技术没有考虑每颗卫星的电离层延迟的差异性和时间相关性，造成解算精度不够高，且模糊度的收敛速度较慢的问题。

为此，本发明提供的一种基于电离层延迟估计模型中长基线监测方法，包括以下步骤：

为每颗卫星附加一个电离层参数，构建由位置参数、双差模糊度、相对天顶对流层延迟和电离层延迟组成的窄巷双差观测模型；

采用随机游走模型构建上述窄巷双差观测模型的电离层延迟时间约束模型；

通过窄巷卡尔曼滤波器，基于窄巷双差观测模型的电离层延迟时间约束模型对窄巷双差观测模型进行滤波处理，得到第一浮点位置和窄巷浮点模糊度；

构建由位置参数、双差宽巷模糊度和相对天顶对流层延迟组成的宽巷双差观测模型；

通过宽巷卡尔曼滤波器，对宽巷双差观测模型进行滤波处理，得到第二浮点位置和宽巷浮点模糊度，并通过LAMBDA搜索固定得到宽巷固定模糊度；

选取精度较高的宽巷固定模糊度作为观测值，构建宽巷固定模糊度与窄巷浮点模糊度之间的约束观测方程

通过LAMBDA搜索固定窄巷浮点模糊度，得到至少部分窄巷固定模糊度；

对窄巷固定模糊度进行模糊度正确性检核；

基于检核后的窄巷固定模糊度更新位置参数，得到实时的位置坐标。

在上述方法中，优选地，采用以下三种方式组合进行窄巷固定模糊度正确性检核；

方式一：将窄巷固定模糊度中固定的单频模糊度残差进行迭代卡方检验，剔除不服从卡方分布的单频模糊度；

方式二：将窄巷固定模糊度中固定的双频模糊度组合并计算获得宽巷模糊度，与已固定的宽巷模糊度进行比较，剔除不一致的双频模糊度；

方式三：计算窄巷固定模糊度中固定的双频模糊度的残差v

在上述方法中，优选地，窄巷双差观测模型表示为：

y＝B·b+A·a+D·t+F·i+ε；

进一步合并后得：y＝H·x+v；

其中，y为观测值项，b和B分别为位置参数项及其系数矩阵，a和A分别为模糊度参数项及其系数矩阵，t和D分别为对流层延迟及其系数矩阵，i和F分别为电离层延迟及其系数矩阵构成的电离层参数，ε表示误差，x＝[btia]

在上述方法中，优选地，

窄巷双差观测模型为载波相位双差观测方程的矩阵形式，载波相位双差观测方程为：

式中，λ

在上述方法中，优选地，电离层延迟时间约束模型如下：

I

其中，ΔI为电离层延迟的历元变化，D

在上述方法中，优选地，宽巷双差观测模型表示为：

y

其中，y

宽巷双差观测模型为宽巷双差观测方程的矩阵形式，宽巷双差观测方程如下：

其中，

在上述方法中，优选地，得到窄巷浮点模糊度及其方差阵后，通过LAMBDA搜索固定得到窄巷固定模糊度时，如果无法全部固定，则基于ADOP最小原则进行部分固定，首先剔除单频模糊度，然后剔除双频模糊度，直至ratio值大于2.5。

本发明还提供了一种基于电离层延迟估计模型中长基线监测装置，包括：

窄巷双差观测模型，由位置参数、双差模糊度、相对天顶对流层延迟和电离层延迟组成，其中，每颗卫星上附加有一个电离层参数；

电离层延迟时间约束模型，采用随机游走模型构建上述窄巷双差观测模型的电离层延迟时间约束模型；

窄巷卡尔曼滤波器，基于窄巷双差观测模型的电离层延迟时间约束模型对窄巷双差观测模型进行滤波处理，得到第一浮点位置和窄巷浮点模糊度；

宽巷双差观测模型，由位置参数、双差宽巷模糊度和相对天顶对流层延迟组成；

宽巷卡尔曼滤波器，用于对宽巷双差观测模型进行滤波处理，得到第二浮点位置和宽巷浮点模糊度，并通过LAMBDA搜索固定得到宽巷固定模糊度；

搜索固定模块，用于利用LAMBDA搜索固定宽巷模糊度得到宽巷固定模糊度，并选取精度较高的宽巷固定模糊度作为观测值，构建宽巷固定模糊度与窄巷浮点模糊度之间的约束观测方程

模糊度正确性检核模块，用于对固定后的窄巷固定模糊度进行检核；

位置更新模块，用于基于检核后的窄巷固定模糊度更新位置参数，得到实时的位置坐标。

在上述系统中，优选地，采用以下三种方式组合进行窄巷模糊度正确性检核；

方式一：将窄巷固定模糊度中固定的单频模糊度残差进行迭代卡方检验，剔除不服从卡方分布的单频模糊度；

方式二：将窄巷固定模糊度中固定的双频模糊度组合并计算获得宽巷模糊度，与已固定的宽巷模糊度进行比较，剔除不一致的双频模糊度；

方式三：计算窄巷固定模糊度中固定的双频模糊度的残差v

本发明还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时，实施上述的基于电离层延迟估计模型的中长基线监测方法。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种基于电离层延迟估计模型的中长基线监测方法、装置和介质，解决了现有技术没有考虑每颗卫星的电离层延迟的差异性和时间相关性，造成解算精度不够高，且浮点模糊度的收敛速度较慢的问题。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

构建了一个电离层相对延迟估计器，每颗卫星设置一个电离层参数，利用随机游走模型对相对电离层延迟进行时间约束，充分考虑了电离层延迟的差异性和时间相关性，提高了中长基线解算的质量和精度。另外，构建了更容易固定的宽巷浮点模糊度组合及其滤波器，通过构建宽巷固定模糊度与窄巷浮点模糊度之间的约束观测方程，加快浮点模糊度和和电离层延迟参数的收敛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于电离层延迟估计模型中长基线监测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例，仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。

需要说明的是，本文中“内、外”、“前、后”及“左、右”等方位词是以产品使用状态为基准对象进行的表述，显然，相应方位词的使用对本方案的保护范围并非构成限制。

目前，可通过双频观测值组建消电离层组合，对观测值中的电离层误差进行消除，其载波相位的消电离层组合形式可表现为：

f

组合观测值的波长

N＝f

由此可知，组合后的模糊度可拆解为一个宽巷浮点模糊度项N

为此，本发明构建了一个相对电离层延迟估计器，每颗卫星设置一个电离层参数，通过卡尔曼滤波窄巷双差观测模型得到窄巷浮点模糊度，滤波宽巷双差观测模型得到宽巷浮点模糊度；通过LAMBDA搜索固定得到宽巷固定模糊度，并选取精度较高的约束窄巷浮点模糊度，再通过LAMBDA搜索固定得到窄巷固定模糊度；对窄巷固定模糊度进行检核，并更新位置参数。利用随机游走模型对相应的相对电离层延迟进行时间约束，充分考虑了不同卫星电离层延迟之间的差异性和同一卫星电离层延迟的时间相关性，减小了RTK波动，提高了中长基线的解算质量和精度。

图1为本发明提供的一种基于电离层延迟估计模型的中长基线监测方法流程图。如图1所示，该方法，包括以下步骤：

步骤110，为每颗卫星附加一个电离层参数，构建由位置参数、双差模糊度、相对天顶对流层延迟和电离层延迟组成的窄巷双差观测模型，表示为：

y＝B·b+A·a+D·t+F·i+ε。

其中，y为观测值项，b和B分别为位置参数项及其系数矩阵，a和A分别为模糊度参数项及其系数矩阵，t和D分别为对流层延迟及其系数矩阵，i和F分别为电离层延迟及其系数矩阵构成的电离层参数，ε表示误差。

进一步合并后得：

y＝H·x+v。

其中，x＝[b t i a]

窄巷双差观测模型为载波相位双差观测方程的矩阵形式，载波相位双差观测方程表示为：

式中，λ

步骤120，采用随机游走模型构建上述窄巷双差观测模型的电离层延迟时间约束模型I

I

其中，k表示当前历元，k-1表示上一历元，ΔI为电离层延迟的历元变化，D

步骤130、构建窄巷卡尔曼滤波器，基于窄巷双差观测模型的电离层延迟时间约束模型对窄巷双差观测模型进行滤波处理，得到第一浮点位置和窄巷浮点模糊度。

卡尔曼滤波算法公式如下：

(1)预报更新：

表示当前时刻k的状态估计值根据上一个时刻k-1的状态估计值预测获得。

P

(2)量测更新：

卡尔曼增益矩阵K

卡尔曼滤波最优估计值

最优估计协方差P

步骤140，构建由双差宽巷观测值和相对天顶对流层延迟组成的宽巷双差观测模型，表示为：

y

其中，y

宽巷双差观测模型为宽巷双差观测方程的矩阵形式，宽巷双差观测方程与窄巷双差观测模型类似，具体如下：

其中，

因为双差宽巷观测值的对流层延迟误差与L1频点相当，电离层延迟误差仅为L1的1.28倍，且宽巷组合的波长可达86cm，相较于L1放大了4倍多，因此宽巷电离层对宽巷残差的影响约为窄巷电离层对L1频点的0.28倍，可忽略电离层延迟影响，仅附加一个天顶对流层延迟参数。

步骤150、利用宽带卡尔曼(kalman)滤波器，对宽巷双差观测模型进行滤波处理，得到第二浮点位置和宽巷浮点模糊度，并通过LAMBDA搜索固定得到宽巷固定模糊度。

步骤160，在固定的宽巷固定模糊度中，选取精度较高的宽巷固定浮点模糊度作为观测值，构建宽巷固定模糊度与窄巷浮点模糊度之间的约束观测方程

在此搜索固定窄巷固定模糊度的过程中，如果无法全部固定，则基于ADOP最小原则进行部分固定，首先剔除单频模糊度，然后剔除双频模糊度，直至ratio值大于2.5。

步骤170、采用以下三种方式组合进行窄巷固定模糊度正确性检核；

方式一：将窄巷固定模糊度中固定的单频模糊度残差进行迭代卡方检验，剔除不服从卡方分布的单频模糊度；

方式二：将窄巷固定模糊度中固定的双频模糊度组合并计算获得宽巷模糊度，与已固定的宽巷模糊度进行比较，剔除不一致的双频模糊度；

方式三：计算窄巷固定模糊度中固定的双频模糊度的残差v

假设长时间滤波后相对天顶对流层延迟收敛，而由于每颗卫星的电离层参数是单独估计的，不可能一直保持收敛状态。则v

步骤180、基于检核后的窄巷固定模糊度更新位置参数，得到实时的位置坐标。

其中，

表示原来的位置坐标参数的估计值；

表示位置参数/>

表示模糊度参数的协方差矩阵的逆矩阵；

表示模糊度参数/>

表示模糊度参数的原来的估计值；

表示模糊度参数的更新后的估计值。

基于上述方法，本发明还提供了一种基于电离层延迟估计模型的中长基线监测装置，包括：

窄巷双差观测模型，由位置参数、双差模糊度、相对天顶对流层延迟和电离层延迟组成，其中，每颗卫星上附加有一个电离层参数；

电离层延迟时间约束模型，采用随机游走模型构建上述窄巷双差观测模型的电离层延迟时间约束模型；

窄巷卡尔曼滤波器，基于窄巷双差观测模型的电离层延迟时间约束模型对窄巷双差观测模型进行滤波处理，得到第一浮点位置和窄巷浮点模糊度；

宽巷双差观测模型，由位置参数、双差宽巷模糊度和相对天顶对流层延迟组成；

宽巷卡尔曼滤波器，用于对宽巷双差观测模型进行滤波处理，得到第二浮点位置和宽巷浮点模糊度，并通过LAMBDA搜索固定得到宽巷固定模糊度；

搜索固定模块，用于利用LAMBDA搜索固定宽巷模糊度得到宽巷固定模糊度，并选取精度较高的宽巷固定模糊度作为观测值，构建宽巷固定模糊度与窄巷浮点模糊度之间的约束观测方程

模糊度正确性检核模块，用于对固定后的窄巷固定模糊度进行检核；

位置更新模块，用于基于检核后的窄巷固定模糊度更新位置参数，得到实时的位置坐标。

本发明中的基于电离层延迟估计模型中长基线监测方法，可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序在由处理器执行时，实施上述的基于电离层延迟估计模型中长基线监测方法。

综合以上具体实施例的描述，本发明提供的基于电离层延迟估计模型的中长基线监测方法、装置和介质，与现有技术相比，具有如下优点：

第一，每颗卫星设置一个电离层参数，通过构建一个电离层相对延迟估计器，利用随机游走模型对相对电离层延迟进行时间约束，充分考虑了电离层延迟的差异性和时间相关性，提高了中长基线解算的质量和精度。

第二，利用宽巷模糊度容易固定的优势先固定宽巷模糊度，然后选取高精度的宽巷固定模糊度作为观测值与窄巷浮点模糊度形成约束方程，以提高窄巷浮点模糊度的精度，然后窄巷浮点模糊度再通过LAMBDA进行搜索固定，通过构建约束宽巷浮点模糊度与窄巷浮点模糊度的观测方程，构建了更容易固定的宽巷浮点模糊度组合及其滤波器，从中选取高可靠性的宽巷浮点模糊度对窄巷浮点模糊度进行约束，加快浮点模糊度和和电离层延迟参数的收敛。

第三，通过单频模糊度残差卡方检验、双频模糊度宽巷检验和双频模糊度残差电离层特性检验三种方法，对固定后的窄巷固定模糊度进行检核，提高了窄巷固定模糊度的可靠性。

最后，还需要说明的是，在本文中使用的术语"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、物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、物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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。