一种敏感高程的增强非组合PPP电离层误差改正方法及存储介质

技术领域

本发明涉及GNSS精密定位过程中大气延迟误差改正技术领域，具体涉及一种敏感高程的北斗增强非组合PPP电离层误差改正方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)包括中国的北斗卫星导航系统(BDS)、美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧盟的伽利略卫星导航系统(GALILEO)。为陆、海、空三大应用领域提供实时性、全天候和全球性的定位、导航和授时服务。工作模式是卫星端向用户端播发无线电，整个空间段传播过程会受到一系列误差源影响。GNSS精密定位技术领域中，电离层延迟误差是不可避免的重要误差源之一。接收机天顶方向的电离层延迟能够达到几米至几十米，斜径上的延迟甚至可达百米。根据对电离层物理结构以及活动机理研究可知，电离层内部存在自由电子的色散现象，电磁波信号在穿过电离层时传播速度会发生变化、传播路径也会发生弯曲。由此，在实现对地精密定位、精确导航、授时服务等领域，改正电离层延迟误差是一项不可或缺的工作。

电离层延迟误差可以利用差分处理技术、选取随着目前GNSS系统以及密集基准站的建设，精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)的电离层延迟通常采用消电离层组合改正，该方法选取无几何距离组合的码和相位观测值，使用相位平滑伪距方法得到平滑的电离层观测值，但是大气延迟误差消弱受到伪距多路径以及观测噪声的影响，电离层延迟误差改正效果精度较低。

发明内容

为克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种敏感高程的北斗增强非组合PPP电离层误差改正方法，能够有效消除GNSS基准站分布情况以及观测噪声对改正结果的影响，提高电离层误差改正精度。

一种敏感高程的增强非组合PPP电离层误差改正方法，包括如下步骤：

步骤1：利用多频基准站获取高精度三维坐标值和观测时间；

步骤2：通过增强站计算出单个基准站的天顶电离层改正值，利用基准站相位观测值和伪距观测值计算电离层延迟；

步骤3，基于多个基准站电离层延迟改正值，采用顾及高程的平面距离加权内插方法计算用户流动站三方向的电离层延迟值。

所述的步骤还包括，步骤4：地基增强系统数据中心将生成的电离层增强信息通过通信链路播发给用户。

步骤1采用双频接收机获取基准站观测值。

步骤1利用多频接收机接收GNSS多频信号，获取三方向的电离层延迟误差，消除电离层延迟误差，提高GNSS定位精度。

步骤2基于地基增强系统实时观测数据和已知基准站精确坐标，选用直接双频模型计算电离层延迟Δ

相位观测值的电离层延迟为Δ

式中，n

伪距观测值的电离层延迟为Δ

式中，n

令，TEC＝∫N

将上述电离层延迟带入观测方程，

式中，P

可得：

做无几何组合后可得：

式中，P

计算出电离层TEC值：

式中,

获得TEC值之后，根据电离层延迟计算公式计算出基准站电离层延迟值：

获得TEC值之后，根据电离层延迟计算公式计算出基准站电离层延迟值：

步骤3利用平面加权内插法，内插出流动站三个方向上的电离层改正值，加权计算最终的电离层延迟误差改正值；

顾及基准站和流动站的相对位置，利用平面加权内插法确定流动站电离层延迟误差；对平面相互垂直的两个方向，分别内插出流动站的电离层改正值，通过加权计算得到流动站用户的最终电离层延迟值；

其中，三个方向上的电离层延迟值计算公式如下：

I

I

I

式中，X，Y，Z是基准站与流动站坐标差值，通过点坐标确定，I

根据流动站U相对于基准站A、B、C、D的位置关系，建立局部坐标系。

电离层延迟计算公式中的X、Y和Z是基准站和流动站在三个方向上的坐标差值，以此建立局部坐标系；

利用顾及高程的影响，电离层的影响与高程、平面有关，采用内插方式解算出流动站的电离层延迟误差；

获取三组坐标差值后，根据电离层延迟计算公式求解待定系数c

三个电离层插值加权求得最终电离层延迟，具体定权方法和计算公式如下：

式中，st

步骤4利用已知的基准站电离层延迟值，按照顾及高程的平面加权内插模型，计算用户接收机的电离层延迟值，通过数据中心和通信链路将生成电离层增强信息播发给用户。

一种计算机程序可读存贮介质，所述计算机可读存贮介质存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器运行时控制存储介质所在设备执行所述的北斗增强非组合PPP电离层误差改正方法。

本发明的有益效果为：

本发明电离层延迟处理利用地基增强系统获取各个电离层延迟值；根据已知的基准站电离层延迟值，按照平面加权内插模型，计算用户接收机的电离层延迟值，播发给流动站用户使用，减少了观测噪声，提高了电离层延迟误差精度。

附图说明

图1为大气延迟误差内插示意图。

图2为X-Y方向流动站电离层延迟变量取值方法图。

图3为基准站和流动站相对位置示意图。

图4为四个基准站电离层延迟曲线图。

图5为流动站电离层延迟计算值DFJZ和内插值INTE、SPMN曲线图。

图6为INTE、SPMN两种电离层延迟内插方法附和曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种敏感高程的增强非组合PPP电离层误差改正方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：利用北斗多频基准站获取高精度三维坐标值和观测时间，为提高定位精度，采用双频接收机获取基准站观测值。

由于单频接收机只接收单频载波信号，本发明利用北斗多频接收机获取两频率的卫星观测信息，消除电离层延迟误差，利用北斗多频接收机接收北斗多频信号，获取三方向的电离层延迟误差，进而消除电离层延迟误差，提高GNSS定位精度。

步骤2：通过增强站计算出单个基准站的天顶电离层改正值，利用基准站相位观测值和伪距观测值计算电离层延迟，基于地基增强系统实时观测数据和已知基准站精确坐标，选用直接双频模型计算电离层延迟Δ

相位观测值的电离层延迟为Δ

式中，n

伪距观测值的电离层延迟为Δ

式中，n

令，TEC＝∫N

将上述电离层延迟(3)带入观测方程(4)，

式中，

可得：

做无几何组合后可得：

式中，P

计算出电离层TEC值：

式中,

获得TEC值之后，根据电离层延迟计算公式计算出基准站电离层延迟值：

这种电离层延迟计算模型需要顾及双频之间时间延迟TGD，避免做无几何组合由于双频时间未对齐造成电离层延迟计算不准确，双频之间时间延迟TGD可从广播星历中获得。

通常电离层延迟误差计算模型有Klobuchar模型、Bent模型、IRI(InternationalReference Ionosphere)模型等，也有计算大气电子量TECu(Total Electron Contentunits)的计算模型GIMS等，但无论是电离层单层、多层假设或大气电子总量测算方法，这些模型的计算精度都不够准确，而且具体观测时其适应性差。本发明利用北斗基准站多频观测值计算电离层延迟。

步骤3，基于多个基准站电离层延迟改正值，采用顾及高程的平面距离加权内插方法计算用户流动站三方向的电离层延迟值。

如图1-2所示，设计流动站U相对于基准站A、基准站B、基准站C、基准站D的位置关系，顾及基准站和流动站的相对位置，利用平面距离加权内插方法确定流动站电离层延迟误差。

本发明按照平面相互垂直的两个方向，即X与Y、X与Z方向，顾及电离层对高程变化不敏感的特性，分别内插出流动站的电离层改正值，得到三个电离层内插值，通过这三个电离层延迟值加权计算流动站用户的电离层延迟值。

利用平面加权内插法，内插出流动站三个方向上的电离层改正值X方向的改正值I

其中，三个方向上，也可以是NEU方向，的电离层延迟值的计算公式如下：

I

I

I

式中，X，Y，Z是基准站与流动站在三个方向上的坐标差值，通过点坐标确定，I

根据流动站U相对于基准站A、B、C、D的位置关系，建立局部坐标系。

电离层延迟计算公式中的X、Y和Z是基准站和流动站在三个方向上的坐标差值。以此建立局部坐标系，如图2所述为X、Y方向的坐标系，同样还可建立Y、Z方向的坐标系,Z、X方向的坐标系。

利用顾及高程的影响，电离层的影响与高程、平面有关，采用内插方式解算出流动站的电离层延迟误差。

获取三组坐标差值后，根据电离层延迟计算公式求解待定系数c

三个电离层延迟插值加权求得最终电离层延迟，具体定权方法和计算公式如下：

式中，st

平面加权内插法本质是顾及基准站与流动站的相对位置，按照基准站的站点投影靠近流动站站点投影的稀疏程度加权内插。

常见的利用基准站已知电离层延迟值计算流动站电离层延迟值方法有LCM、DIM、LIM、LSM等内插模型，基本流程是基准站电离层误差获取后，流动站电离层误差改正由增强站的电离层改正内插获得。由于电离层对高程不敏感的特性，电离层的内插模型都是以平面内插为主，不考虑基准站和流动站的高程差，存在计算精度不够准确、具体观测适应性差的问题。本发明基于地基增强系统实时观测数据和已知基准站精确坐标，选用北斗多频模型计算电离层延迟。

如图3所示，选取五个基准站，ZZJZ、RZJZ、BDYL、GYJZ、DFJZ；鉴于相对位置和计算方便，DFJZ设计为流动站。基准站间相距在60km以内。图4电离层延迟值曲线图也表明了其变化趋势相似，延迟值相近。由于同处一个区域，卫星的可视时间大致相同。实验选取BDSC14卫星，采样率为30s间隔，数据截取2016年5月2日年积日123的6点开始，350个历元的数据。

基准站的电离层延迟改正值采用基准站观测数据解算得到，流动站的电离层延迟改正值选用距离有关的线性内插模型(INTE)和平面加权内插模型(SPMN)两种。

如图5流动站电离层延迟计算值DFJZ和内插值INTE、SPMN曲线图所示，对比两种内插模型的电离层延迟和计算出的电离层延迟真值结果，流动站线性内插值INTE曲线、平面加权内插值SPMN曲线和计算值DFJZ曲线重合度都非常高，致使内插值差异不易分辨。

下面用两种内插曲线与计算值分别作差，得到残差曲线图6，由此图可知，两种内插算法内插精度均未优于0.04TEC。距离相关的线性内插偏差在0.04-0.06TEC，历元中包含多个内插值；平面加权内插方法的内插结果多位于0.05-0.055TEC，其集中程度和稳定性比距离相关的线性内插方法高。

残差曲线图中，两类内插算法虽然稳定性都很高，但存在系统性偏差，相比而言，平面加权内插法的稳定性更好。在12至19min，距离相关的线性内插法出现较大波动，其余时段表现相当稳定；平面加权内插法微小波动较为频繁，但其偏差都很小，表现为更优秀的正态性。

分析实施例数据和其他外部因素，导致这种结果可能是一个或者两个基准站，电离层延迟变化不如其他基准站平稳，产生内插数据波动。相比较两种内插方法，本发明中的平面加权内插算法较为突出。

步骤4，地基增强系统数据中心将生成的电离层增强信息通过通信链路播发给用户，利用已知的基准站电离层延迟值，按照顾及高程的平面加权内插模型，计算用户接收机的电离层延迟值，通过数据中心和通信链路将生成电离层增强信息播发给用户。

一种计算机程序可读存贮介质，所述计算机可读存贮介质存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器运行时控制存储介质所在设备执行所述的北斗增强非组合PPP电离层误差改正方法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等工作，均应包含在本发明的保护范围之内。