[发明专利]一种伪距离和多普勒组合差分定位系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统领域，更具体地，涉及一种伪距离和多普勒组合差分定位系统及方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)包括GPS、GLONASS、北斗和伽利略系统，为人类导航定位提供了巨大的便利，图1表示一个典型的全球导航卫星系统，GNSS信号接收机2捕获和跟踪导航卫星1发出的伪随机码以及导航数据，测量出导航卫星1到GNSS信号接收机2的无线电波传输时间，再利用导航数据计算卫星的位置和速度，然后计算出用户的位置、速度和时间。廉价的接收机通常是以单频多模芯片为主。自主定位的单频接收机的精度受到电离层延时、对流层延时、卫星时钟偏差、卫星时钟频率漂移、卫星星历偏差、多径误差等影响，定位精度在最优情况下只能达到7-10米。为了提高定位精度，K.Tysen Mueller发明了网络差分GPS系统，Edward H.Martin利用向量处理差分GPS，Peter Van Wyck Loomis发明了载波相位差分GPS相关网络，Patrick A.Hwang使用双频率测量发明了增强差分GNSS载波相位平滑码处理。

卫星差分导航系统可以极大地提高卫星定位系统的精度和定位完整性。最普通的结构由参考站、数据通信网络和移动站三个部分组成。事先精确测量定位的参考基站利用高质量的卫星接收机，估算每一颗卫星测量中缓慢变化的各种误差分量，形成对可见卫星的测量修正，再通过数据通信网络广播给附近的移动用户，这样就可以得到比单点定位更高的精度。卫星差分定位有很多不同的方法，它们大体可以分为局域差分系统(Local area differential GNSS)，广域差分系统(Wide area differential GNSS)和载波相位差分系统(Carrier-Phase differential GNSS)。

大部分局域差分系统使用单参考站，根据已知位置信息和GPS观测数据生成差分改正信息，通过无线通讯链路实时播发给移动站。如果基站和移动用户的距离在10公里以内，基于码相位的局域差分可以实现亚米级定位精度。基于码相位的差分除了系统比较简单以外，还有一个好处：由于它只需要传输每一颗卫星伪距的标量修正，而且标量修正是缓慢变化的，系统传输的数据量很小，节约网络资源。局域差分定位的主要缺点是精度不高，只能达到亚米级的定位。由于伪距容易受到多径的影响，局域差分更容易受到多径干扰，使得复杂环境下定位精度变差，甚至失效。

广域差分系统是利用服务区内的参考站网监测可见GPS卫星，计算每一颗卫星的矢量修正。矢量修正包括卫星时钟修正、卫星位置的三个坐标的修正、以及格点化的电离层延迟参数。广域差分系统的精度和局域差分接近，但它可以覆盖大到整个国家甚至地球的区域。而且它比覆盖同样面积的局域网构建使用更少的参考站。和局域差分系统一样，广域差分系统也是利用码相位测量，对网络传输要求不高，但也容易受到多径误差的影响。覆盖范围最广的广域差分系统是美国航空航天局部署的广域增强系统(WAAS/SBAS)。它通过数十个分布在美国各地的高精度参考站测量到的信息，传送到东西两个主控站进行分析，主控站计算出每一颗卫星的矢量修正，通过地面注入站传输至地球同步卫星，该同步卫星利用GPS的Ll频率载波，将上述差分修正量作为GPS卫星导航电文转发给用户站，用户接收机的基带芯片只需配备用于处理SBAS信息的通道，就可以享受高精度的免费服务。目前大部分商业化的GPS接收机都配备SBAS能力，在美国、日本和欧洲的用户都可以得到3米左右的精度。

载波相位差分是一种高精度定位模式，通常称为实时动态(RTK)技术。实时动态差分系统测量卫星信号从导航卫星到参考基站的相位变化，达到百分之几的载波波长的精度，通常为厘米级精度。参考站到移动用户的整数波长数为定位的整数模糊度。整数模糊度可以利用最优的统计方法快速计算出来，达到厘米甚至毫米级的定位精度。由于实时动态方法依赖于载波相位的测量，它的定位精度更加抗多径影响，适合环境比较复杂的环境。实时动态方法已经广泛地用于测绘、建筑、国防等应用。美国的天宝、日本的拓普康、德国的莱卡和我国的华测都推出厘米和毫米级的参考站、移动站和通信设备，取得良好的商业化结果。但高精度的实时动态系统有两个主要缺点：1、由于计算整数模糊度需要载波相位的测量和传输，载波相位是每一时刻快速变化的量，系统数据传输量比基于码相位的差分系统要高很多。2、确定整数模糊度需要比较长的时间，通常在静态的用户需要几分钟甚至几十分钟的时间。因此实时动态系统在高动态下确定整数模糊度就更加困难。

发明内容