一种北斗地基增强系统参考站坐标框架维持方法和系统

技术领域

本发明属于全球卫星导航系统(GNSS)高精度定位技术领域，具体涉及一种北斗地基增强系统参考站坐标框架维持方法和系统。

背景技术

实时动态(Real-time Kinematic,RTK)定位是一种在一定区域范围内通过双差方法消除或削弱GNSS时空基准和观测等空间相关误差继而获得高精度定位结果的技术，为了提升RTK服务的稳定性和精度，一般在服务区域建立较为均匀的参考站网形成地基增强系统，并根据用户概略位置提供附近虚拟参考站的观测数供用户实现双差组合定位。考虑到用户定位结果是相对于参考站的相对位置，参考站在用户作业时刻的坐标可以通过精密定位手段获取，并转换到指定坐标框架如CGCS2000下，因此，维持高精度的参考站CGCS2000坐标直接决定了用户增强服务的定位准确性。

参考站当前坐标往往基于当前精密轨道和钟差等产品获取，得到的是当前精密产品所在参考框架下的当前历元坐标，在将其对齐到增强服务所在的CGCS2000框架时主要面临如下难题：一、如何监控参考站长时间稳定性是稳健估计参考站在参考历元位置、速度的前提；二、如何基于运行时间仅数年的北斗地基增强系统参考站坐标序列计算可靠的CGCS2000框架下的站点速度。

上述难点直接影响北斗地基增强系统参考站坐标框架的稳定性，进而影响用户对北斗增强服务的使用体验，是地基增强系统高精度定位服务中必须要解决的问题。贾逸君在论文《基于模糊度固定的北斗地基增强系统基准站坐标稳定性研究与应用》中采用模糊度固定算法来提升北斗地基增强系统的稳定性，但是仍然存在北斗地基增强系统参考站受到未知因素影响导致坐标序列不连续、速度估计精度不高等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种北斗地基增强系统参考站坐标框架维持方法和系统，用于解决北斗地基增强系统参考站因受到未知因素影响导致估计精度不高的问题。

本发明第一方面，公开一种北斗地基增强系统参考站坐标框架维持方法，所述方法包括：

对北斗地基增强系统的参考站和IGS核心站历史观测数据进行数据预处理，建立无电离层组合观测方程和约束条件，进行站坐标解算，得到坐标序列；

剔除坐标序列中的粗差值，并采用滑动窗口拟合方法识别并标记坐标序列中的位置和速度跳变，得到干净坐标序列；

基于干净坐标序列对受地震影响的测站进行震后形变建模，基于震后形变建模结果对测站单天坐标序列进行震后形变改正，得到形变改正后的单天坐标解；

建立坐标序列组合模型，将形变改正后的单天坐标解输入坐标序列组合模型进行坐标序列组合，并引入随机模型，得到叠加的法方程；

建立目标框架下参考历元的位置和速度的约束方程，以约束方程为约束迭代求解叠加的法方程，得到目标框架下的参考站坐标和速度。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述剔除坐标序列中的粗差值具体包括：

设置滑动窗口，利用坐标序列前后历元的坐标差获取各个测站粗略的位置跳变和粗差信息，具体判断公式如下：

其中，t

提取测站坐标序列的三个坐标分量，逐次检查坐标差是否满足所述判断公式，若满足所述判断公式中的两个条件，则判断测站在历元t

若三个坐标分量中的任意一个分量判断出粗差或者跳变，则认为该测站出现粗差或者跳变。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述采用滑动窗口拟合方法识别并标记坐标序列中的位置和速度跳变具体包括：

依次逐天滑动窗口，采用如下公式拟合每一个窗口中的坐标序列：

其中，

求解得到参考历元t

在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于干净坐标序列对受地震影响的测站进行震后形变建模的表达式为：

其中，

在以上技术方案的基础上，优选的，所述坐标序列组合模型的表达式为：

其中，X

在以上技术方案的基础上，优选的，所述叠加的法方程的表达式为：

其中，tot表示总历元数；Y

在以上技术方案的基础上，优选的，所述迭代求解叠加的法方程，得到目标框架下的参考站坐标和速度具体包括：

求解叠加的法方程，计算所有测站在目标框架下参考历元的单天坐标解以及周期信号参数估计值，同时输出坐标残差；

基于坐标残差计算后验方差，以第一天的坐标解的后验方差为基准，将单天坐标解的后验方差与第一天的后验方差的比值作为所述单天坐标解的方差缩放因子；

调整单天坐标解的方差缩放因子，重复求解叠加的法方程的过程，直至前后两次方差缩放因子的差异小于预设阈值，最终得到目标框架下的参考站坐标和速度。

本发明第二方面，公开了一种北斗地基增强系统参考站坐标框架维持系统，所述系统包括：

初步解算模块：北斗地基增强系统的参考站和IGS核心站历史观测数据进行数据预处理，建立无电离层组合观测方程和约束条件，进行站坐标解算，得到坐标序列；

跳变识别模块：用于剔除坐标序列中的粗差值，并采用滑动窗口拟合方法识别并标记坐标序列中的位置和速度跳变，得到干净坐标序列；

形变改正模块：用于基于干净坐标序列对受地震影响的测站进行震后形变建模，基于震后形变建模对测站单天坐标序列进行震后形变改正，得到形变改正后的单天坐标解；

法方程建立模块：建立坐标序列组合模型，将形变改正后的单天坐标解输入坐标序列组合模型进行坐标序列组合，并引入随机模型，得到叠加的法方程；

迭代求解模块：建立目标框架下参考历元的位置和速度的约束方程，以约束方程为约束迭代求解叠加的法方程，得到目标框架下的参考站坐标和速度。

本发明第三方面，公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；

其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现如本发明第一方面所述的方法。

本发明第四方面，公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使计算机实现如本发明第一方面所述的方法。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1)采用地基增强系统参考站和IGS核心站联测方式进行站坐标解算，利用滑动窗口拟合方法对参考站坐标跳变和速度跳变进行精准识别，减少未知因素的影响，并充分考虑地基增强系统参考站的动态性，建立震后形变改正模型校正地震引起的参考站坐标序列非线性变化；基于形变校正后的坐标建立叠加的法方程，并将IGS核心站位置和速度信息约束到目标框架，迭代求解叠加的法方程，实现高精度北斗地基增强系统参考站的框架维持。

2)本发明利用滑动窗口拟合方法对坐标序列进行分段拟合，通过拟合参数序列判断坐标序列中发生的位置和速度跳变，完成坐标序列的不连续标记和粗差剔除，并在参考站坐标序列组合时充分利用标记的位置和速度跳变信息，体高误差估计精度。

3)本发明在参考站坐标序列组合时利用站点之间的方差-协方差信息增强参考站速度估计精度，并考虑周年/半周年季节信号和和交点年信号参数，削弱了坐标序列中周期信号对速度估计的影响，实现参考站速度的精确估计。

4)本发明通过调整方差缩放因子迭代求解叠加的法方程，直至单天坐标解的方差缩放因子趋于稳定，即便对于运行年限较短的参考站，也能实现高精度框架维持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明的北斗地基增强系统参考站坐标框架维持方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

要将北斗地基增强系统参考站在当前参考框架(如ITRF2020)的坐标转换到系统服务的目标框架(如CGCS2000，对应ITRF97，参考历元2000.0)，维持参考站坐标框架的高精度稳定，关键是基于参考站线性速度和框架转换约束关系实现对当前框架的历元坐标归算到CGCS2000坐标。

本发明的实施例以CGCS2000为目标框架，基于地基增强系统参考站以及IGS核心站提供的长时间历史观测数据(如伪距和相位)，采用精密定位技术获得测站单天的精密坐标及方差-协方差信息，并创造性地利用滑动窗口拟合方法对参考站坐标跳变和速度跳变进行精准识别，建立震后形变改正模型校正地震引起的参考站坐标序列非线性变化；联合处理地基增强系统参考站和IGS核心站，将IGS核心站位置、速度信息约束到与CGCS2000一致的国际地球参考框架ITRF97，并利用站点之间的方差-协方差信息改善增强系统参考站速度估计精度；通过在坐标序列组合模型中引入季节信号和交点年信号参数削弱坐标序列中周期信号对速度估计的影响，最终解决北斗地基增强服务系统的参考站坐标框架高精度维持难题。

请参阅图1，本发明提出一种北斗地基增强系统参考站坐标框架维持方法，所述方法包括：

S1、对北斗地基增强系统的参考站和IGS核心站历史观测数据进行数据预处理，建立无电离层组合观测方程和约束条件，进行站坐标解算，得到坐标序列。

假设北斗地基增强系统参考站和IGS核心站提供长时间(不少于1年)的伪距和相位观测数据，进行北斗地基增强服务系统参考站坐标解算。该假设条件在实际中非常容易满足，因为这是RTK参考站建设的基本要求，RTK参考站一般在系统正式运行之前就已经建成并连续跟踪GNSS卫星信号，而IGS核心站的观测数据可通过公开的网络渠道获得。

步骤S1具体包括如下分步骤：

S11、建立无电离层组合观测方程。

收集北斗地基增强系统参考站和IGS核心站历史观测数据，该历史观测数据包含伪距和相位，随历史观测数据进行数据预处理，然后采用事后精密轨道和钟差产品进行精密定位，建立无电离层组合观测方程如下：

公式(1)中，s和r分别表示卫星和测站；

S12、建立约束条件。

在处理公式(1)的观测方程时，往往将b

公式(2)中，s和k表示卫星对，r和h表示测站对；λ

本发明对北斗地基增强系统参考站和IGS核心站依次建立观测方程(1)，并通过在测站和卫星之间建立双差模糊度，形成约束方程(2)，通过累加所有历元的观测方程获得测站单天坐标估计值作为坐标序列，并提取方差-协方差信息进行存储。

S2、剔除坐标序列中的粗差值，并采用滑动窗口拟合方法识别并标记坐标序列中的位置和速度跳变，得到干净坐标序列。

考虑到北斗地基增强系统参考站不可避免的受到天线升级、接收机软件升级、地震等因素影响，坐标序列并不是连续的，往往存在位置和速度跳变，若不进行探测和标记，将损害坐标序列组合模型的参数估计精度，本发明通过逐个测站进行处理的方式剔除粗差值并标记跳变信息。

步骤S2具体包括如下分步骤：

S21、剔除坐标序列中的粗差值。

利用坐标序列前后历元的坐标差获取各个测站粗略的位置跳变和粗差信息，具体判断公式如下：

公式(3)中，t

提取测站坐标序列的三个坐标分量，逐次检查坐标差是否满足所述判断公式(3)，若满足所述判断公式(3)中的两个条件，则判断测站在历元t

S22、采用滑动窗口拟合方法识别并标记坐标序列中的位置和速度跳变。

依次逐天滑动窗口，采用如下公式拟合每一个窗口中的坐标序列：

公式(4)中，

通过公式(4)拟合得到参考历元t

S3、基于干净坐标序列对受地震影响的测站进行震后形变建模，基于震后形变建模结果对测站单天坐标序列进行震后形变改正，得到形变改正后的单天坐标解。

进行震后形变建模，得到震后形变模型的表达式为：

公式(5)中，

对测站震后形变进行拟合，公式(5)包含两个对数项和两个指数项，相应拟合的残差均方根误差记为RMS

震后形变模型对测站单天解坐标进行震后形变改正，求解得到形变改正后的单天坐标解。

S4、建立坐标序列组合模型，将形变改正后的单天坐标解输入坐标序列组合模型进行坐标序列组合，并引入随机模型，得到叠加的法方程。

本发明建立的坐标序列组合模型的表达式为：

公式(6)中，X

将形变改正后的单天坐标解输入坐标序列组合模型，并利用形变改正后的坐标单天解的方差-协方差矩阵和方差缩放因子作为随机模型，，形成叠加的法方程，表达式为：

公式(7)中，tot表示总历元数；Y

S5、建立目标框架下参考历元的位置和速度的约束方程，以约束方程为约束迭代求解叠加的法方程，得到目标框架下的参考站坐标和速度。

考虑到法方程存在秩亏，因此引入最小约束，将参考历元的位置和速度约束到CGCS2000框架，采用下式建立约束方程：

公式(8)中，

将公式(8)的约束方程附加到叠加的法方程(7)之后对叠加的法方程进行迭代求解。

具体的，求解叠加的法方程，计算所有测站在目标框架下参考历元的单天坐标解以及周期信号参数估计值，同时输出坐标残差v

本发明基于地基增强系统参考站以及IGS核心站提供的长时间历史观测数据，采用精密定位技术获得测站单天的精密坐标及方差-协方差信息。针对坐标序列不连续问题，本发明利用滑动窗口拟合方法对坐标序列进行分段拟合，通过拟合参数序列判断坐标序列中发生的位置和速度跳变，完成坐标序列的不连续标记和粗差剔除。针对参考站受地震影响产生的非线性震后形变问题，本发明采用对数和指数函数相结合的方式进行建模，通过拟合残差的均方根误差选择拟合参数个数，提高形变拟合精度。最后对形变校正后的坐标时间序列建立坐标序列组合模型，设置单天坐标解的初始方差缩放因子为1，累加所有天的坐标序列观测方程形成叠加的法方程，利用IGS核心站的ITRF97坐标和速度信息建立最小约束，计算参考站在参考历元的位置和速度等参数估计值和坐标残差，基于参考站坐标残差调整单天坐标解的方差缩放因子，重新建立坐标序列组合模型并求解，直至单天坐标解的方差缩放因子趋于稳定，最终实现高精度北斗地基增强系统参考站的框架维持。

与上述方法实施例相对应，本发明还提出一种北斗地基增强系统参考站坐标框架维持系统，所述系统包括：

初步解算模块：北斗地基增强系统的参考站和IGS核心站历史观测数据进行数据预处理，建立无电离层组合观测方程和约束条件，进行站坐标解算，得到坐标序列；

跳变识别模块：用于剔除坐标序列中的粗差值，并采用滑动窗口拟合方法识别并标记坐标序列中的位置和速度跳变，得到干净坐标序列；

形变改正模块：用于基于干净坐标序列对受地震影响的测站进行震后形变建模，基于震后形变建模对测站单天坐标序列进行震后形变改正，得到形变改正后的单天坐标解；

法方程建立模块：用于建立坐标序列组合模型，将形变改正后的单天坐标解输入坐标序列组合模型进行坐标序列组合，并引入随机模型，得到叠加的法方程；

迭代求解模块：用于建立目标框架下参考历元的位置和速度的约束方程，以约束方程为约束迭代求解叠加的法方程，得到目标框架下的参考站坐标和速度。

以上系统实施例和方法实施例是一一对应的，系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。

本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前述的方法。

本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。