基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法和系统

1.本发明涉及卫星导航定位技术领域，特别涉及一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法和系统。


背景技术：

2.对于标准化状态域空间表达(ssr)全球导航卫星系统(gnss)改正数据格式的需求早在多年前已经达成共识，当时国际gnss服务(igs)开发并分析了精密单点定位(ppp)技术，工业界提出使用ppp-rtk技术。rtcm特别委员会sc-104于2007年成立了一个工作组。ssr技术被广泛认为是先进且灵活的gnss改正方法，因为它在支持无限的用户量、不同类型的应用以及支持各种现代gnss、频率和信号方面具有可拓展的优势。
3.rtcm-ssr工作组定义了ssr概念，以及针对所有精度种类的实时的可靠性消息，包括模糊度分辨率(rtk质量)。其拟议的时间表/工作计划包括以下主要步骤：阶段1，卫星轨道、卫星时钟和卫星码偏差信息，使双频接收机实现基于伪距的实时(rt)-ppp；阶段2，垂直总电子含量(vtec)电离层信息，使单频接收器实现基于伪距的rt-ppp；卫星相位偏差信息，实现基于相位的rt-ppp；阶段3，电离层倾斜总电子含量(stec)和对流层信息，实现ppp-rtk；阶段4，压缩以减少带宽。
4.gps和glonass的标准化rtcm-ssr信息首次发表于2011年7月1日，在“rtcm standard 10403.1”的修正1-5中。到目前为止，只有rtcm第1阶段的信息被标准化，而且只有覆盖gps和glonass的信息。随后，igs开发并发布了一种开放的格式标准，包括用于多gnss ssr改正的第1和第2阶段消息。特别是支持igs的实时服务以及更广泛的研究和科学应用。虽然使用了不同的消息格式，但igs-ssr的基本内容与rtcm-ssr的内容兼容。
5.现有北斗导航系统缺乏基于状态域的时空基准表征方法，原有基于观测域的时空基准表征方法无法实现非差非组合的导航定位，其对于主站观测的依赖使其在可用性、灵活性、用户数量等方面都受到诸多限制。本发明旨在通过建立基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法，支撑非差非组合北斗导航定位的实现。


技术实现要素：

6.为克服现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法和系统。该方法针对北斗的观测误差来源，建立观测方程，独立解算各个观测误差，形成一种不依赖主站观测的，精度可比实时相对定位（rtk）的，实时绝对定位（ppp-rtk）方法。
7.本发明由下述技术方案实现：本发明提供了一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法，包括如下步骤：步骤1，通过ssr卫星轨道改正信息，得到卫星的位置；步骤2，通过ssr卫星时钟改正，得到卫星的时钟；
步骤3，通过ssr卫星偏差改正，得到不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测；步骤4，通过ssr垂直总电子含量（vtec）信息，得到倾斜总电子含量（stec）信息，进而得到不包含电离层偏差的伪距和相位观测；步骤5，通过ssr用户测距精度(ura)指标，经由表格得到用户测距精度。
8.进一步的，步骤1中，ssr卫星轨道改正信息使用卫星固定坐标系，其包含径向、切向和法向三个方向的轨道改正参数。
9.进一步的，步骤2中，ssr卫星轨道改正是对依据gnss-icd算法的卫星广播参数计算的卫星轨道的改正，ssr卫星时钟改正也由依据gnss-icd算法的特定gnss卫星广播参数用相应的计算得出。
10.进一步的，步骤3中，不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测由伪距和相位原始观测通过如下数学表达获得：，，其中，和分别对应伪距和相位的ssr偏差改正，和分别为伪距和相位原始观测。
11.进一步的，步骤5中，通过每颗卫星的ssr ura消息得到ssr用户测距精度指标，经由指标与数值的对应关系，转换成用户测距精度。
12.本发明还涉及一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征系统，包括：卫星位置获取模块，用于通过ssr卫星轨道改正信息，得到卫星的位置；卫星时钟获取模块，用于通过ssr卫星时钟改正，得到卫星的时钟；伪距和相位观测模块，用于通过ssr卫星偏差改正，得到不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测；不包含电离层偏差的伪距和相位观测模块，用于通过ssr垂直总电子含量（vtec）信息，得到倾斜总电子含量（stec）信息，进而得到不包含电离层偏差的伪距和相位观测；用户测距精度模块，用于通过ssr用户测距精度(ura)指标，经由表格得到用户测距精度。
13.本发明还涉及一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
14.本发明还涉及一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的方法。
15.本发明的技术方案能实现如下有益的技术效果：本发明通过建立基于ssr的北斗时空基准，解决非差非组合的北斗导航定位技术问题，最终实现ppp-rtk，其在支持无限的用户量、不同类型的应用以及支持各种现代gnss、频率和信号方面具有可拓展的优势。
附图说明
16.图1为本发明的基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法的流程示意图；图2为本发明的基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法的流程图。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
18.下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
19.本发明提供了一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法，包括如下步骤：步骤1、通过ssr卫星轨道改正信息，得到卫星的位置。
20.ssr卫星轨道改正信息使用卫星固定坐标系，其包含径向、切向和法向三个方向的轨道改正参数。
21.轨道和时钟电文要与从卫星广播电文获得的相应值相结合。北斗导航卫星使用的广播导航电文类型见表1。
22.表1 北斗广播电文类型，具体的，ssr卫星轨道改正信息包括轨道改正参数，轨道改正参数向量包括径向(radial)、切向(along)和法向(cross)三个方向。卫星位置改正参数由轨道改正参数转换可得，具体如下：，，，，其中，即广播星历的卫星位置，为的速度即广播星历的卫星速度，，，分别代表径向、切向和法向的单位向量。
23.通过进一步与广播星历的卫星位置结合，计算出卫星的位置，其计算公式如下：，步骤2、通过ssr卫星时钟改正，得到卫星的时钟。
24.ssr轨道改正是对依据gnss-icd算法的卫星广播参数计算的卫星轨道的改正。ssr卫星时钟改正也由依据gnss-icd算法的特定gnss卫星广播参数用相应的计算得出。ssr改正不是针对任何特定gnss广播改正项本身定义的改正。
25.ssr时钟改正包括对应广播卫星时钟的时钟改正的参数，下式表示描述了某一时间段内的时钟差异：，其中，为ssr卫星钟改正信息的多项式系数，为当前时间，为ssr卫星钟改正信息的获取时间，为ssr卫星钟高频改正信息。
26.结合广播卫星时钟，得到卫星的时钟如下：，其中，为依据gnss-icd算法的卫星广播参数算出的卫星时间，为ssr卫星钟改正信息。
27.步骤3、通过ssr卫星偏差改正，得到不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测。
28.gnss卫星传输的每个信号都会产生一个单独的时间依赖性偏差，表示为硬件和软件延迟的函数。在gnss伪距(pr)和相位(phr)(载波相位)观测方程中，单个卫星信号偏差与卫星钟差之间存在线性依赖关系。因此，在估计过程中完全分离所有偏差和时钟参数是不可能的。克服这个问题的解决方案之一是定义“卫星偏差基准”，将某个信号或信号的线性组合的偏差设置为零。例如，gps广播时钟改正是基于：p1和p2信号(rinex观测码c1p和c2p)的无电离层组合是无偏的。igs的卫星钟产品也采用了类似的惯例，应用偏差基准将把所有剩余偏差转化为相对于偏差基准的相对偏差。
29.为了避免在ssr标准的定义中使用偏差基准约定，ssr卫星偏差改正信息中包含绝对信号偏差。每个支持的信号部分都需要传输一个偏差参数。这增加了一个附加参数所需的位数，但为服务提供者选择支持的信号和偏差基准定义提供了最大的灵活性。伪距和相位偏差消息包含绝对值，但也可以通过将其中一个偏差设置为零来支持dcbs的使用。
30.不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测由伪距和相位原始观测通过如下数学表达获得：，，其中，和分别对应伪距和相位的ssr偏差改正，和则为原始观测。
31.步骤4、通过ssr垂直总电子含量（vtec）信息，得到倾斜总电子含量（stec）信息，进而得到不包含电离层偏差的伪距和相位观测。
32.电离层垂直tec (vtec)是用球谐函数来表达的。球谐函数保证电离层模型的全球性和连续性，而且也可以应用于区域表示。它是多级电离层改正的第一个组成部分。
33.网格高分辨率模型用来实现区域/大陆块级的vtec表示。
34.，
其中，和分别代表球谐函数的最大阶和级，和为当前的阶和级，和分别代表余弦和正弦的系数，为电离层穿刺点偏移，为电离层穿刺点经度，为电离层穿刺点纬度，是拉格朗日函数。进一步通过卫星在接收机的球位置高度角，和球中心角，可得到该层的stec。
35.，因此，电离层对于伪距和相位观测的影响和可以表示为：，，步骤5、通过ssr用户测距精度(ura)指标，经由表格得到用户测距精度。
36.每个状态参数不是独立的。例如，时钟和径向轨道状态参数是相关的。ssr用户测距精度(ura)，即无故障状态下用来约束卫星钟差和星历误差所引起的用户测距误差（ure）的最小标准差,属于无偏高斯分布。其作为单一的统计指标用来描述所有非色散状态参数的质量。通过每颗卫星的ssr ura消息得到ssr用户测距精度指标，经由指标与数值的对应关系，转换成用户测距精度。ssr ura指标与用户测距精度的对应关系如下表。
37.表2 ssr ura 指标与用户测距精度的对应关系表
38.，综上，通过步骤1-4完成对误差源的独立，建立观测模型，进而解算观测模型完成定位；通过步骤5评定非色散参数的质量。
39.本发明针对北斗导航系统，结合国际先进的状态域空间标准，提供一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法。填补国内在自主研制的卫星导航系统ssr表达方法上的空白，后续为北斗相关实时服务的各种定位模式（单频/多频、伪距/相位rt-ppp和ppp-rtk）提供改正信息基础标准。
40.本发明还涉及一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征系统，包括：卫星位置获取模块，用于通过ssr卫星轨道改正信息，得到卫星的位置；卫星时钟获取模块，用于通过ssr卫星时钟改正，得到卫星的时钟；伪距和相位观测模块，用于通过ssr卫星偏差改正，得到不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测；不包含电离层偏差的伪距和相位观测模块，用于通过ssr垂直总电子含量（vtec）信息，得到倾斜总电子含量（stec）信息，进而得到不包含电离层偏差的伪距和相位观测；用户测距精度模块，用于通过ssr用户测距精度(ura)指标，经由表格得到用户测距精度。
41.本发明还涉及一种电子设备，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的方法。
42.本发明还涉及一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的方法。
43.综上所述，本发明提供了一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法和系统，包括如下步骤：通过ssr卫星轨道改正信息，得到卫星的位置；通过ssr卫星时钟改正，得到卫星的时钟；通过ssr卫星偏差改正，得到不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测；通过ssr垂直总电子含量（vtec）信息，得到倾斜总电子含量（stec）信息，进而得到不包含电离层偏差的伪距和相位观测；通过ssr用户测距精度(ura)指标，经由表格得到用户测距精度。本发明通过建立基于ssr的北斗时空基准，解决非差非组合的北斗导航定位技术问题，最终实现ppp-rtk，在支持无限的用户量、不同类型应用以及支持各种现代gnss、频率和信号方面具有可拓展的优势。
44.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

技术特征：
1.一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，通过ssr卫星轨道改正信息，得到卫星的位置；步骤2，通过ssr卫星时钟改正，得到卫星的时钟；步骤3，通过ssr卫星偏差改正，得到不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测；步骤4，通过ssr垂直总电子含量信息，得到倾斜总电子含量信息，进而得到不包含电离层偏差的伪距和相位观测；步骤5，通过ssr用户测距精度指标，得到用户测距精度。2.根据权利要求1所述的基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法，其特征在于，步骤1中，ssr卫星轨道改正信息使用卫星固定坐标系，其包含径向、切向和法向三个方向的轨道改正参数。3.根据权利要求1所述的基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法，其特征在于，步骤2中，ssr卫星轨道改正是对依据gnss-icd算法的卫星广播参数计算的卫星轨道的改正，ssr卫星时钟改正也由依据gnss-icd算法的特定gnss卫星广播参数用相应的计算得出。4.根据权利要求1所述的基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法，其特征在于，步骤3中，不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测由伪距和相位原始观测通过如下数学表达获得：，，其中，和分别对应伪距和相位的ssr偏差改正，和分别为伪距和相位原始观测。5.根据权利要求1所述的基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法，其特征在于，步骤5中，通过每颗卫星的ssr ura消息得到ssr用户测距精度指标，经由指标与数值的对应关系，转换成用户测距精度。6.一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征系统，其特征在于，包括：卫星位置获取模块，用于通过ssr卫星轨道改正信息，得到卫星的位置；卫星时钟获取模块，用于通过ssr卫星时钟改正，得到卫星的时钟；伪距和相位观测模块，用于通过ssr卫星偏差改正，得到不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测；不包含电离层偏差的伪距和相位观测模块，用于通过ssr垂直总电子含量（vtec）信息，得到倾斜总电子含量（stec）信息，进而得到不包含电离层偏差的伪距和相位观测；用户测距精度模块，用于通过ssr用户测距精度(ura)指标，经由表格得到用户测距精度。

技术总结
一种基于状态域空间的北斗时空基准精确表征方法和系统，属于卫星导航技术领域，包括如下步骤：通过卫星轨道改正信息，得到卫星的位置；通过卫星时钟改正，得到卫星的时钟；通过卫星偏差改正，得到不包含单独时间依赖性偏差的伪距和相位观测；通过垂直总电子含量信息，得到倾斜总电子含量信息，进而得到不包含电离层偏差的伪距和相位观测；通过用户测距精度指标，经由表格得到用户测距精度。本发明通过建立基于SSR的北斗时空基准，解决非差非组合的北斗导航定位技术问题，最终实现PPP-RTK，在支持无限的用户量、不同类型应用以及支持各种现代GNSS、频率和信号方面具有可拓展的优势。频率和信号方面具有可拓展的优势。频率和信号方面具有可拓展的优势。


技术研发人员：李子申 李朴 王宁波 王亮亮 刘炳成 汪亮 王晨旭 王志宇
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/9/7