本發明屬于衛星導航定位技術領域，尤其涉及一種基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法。

背景技術：

衛星導航定位系統(gnss)能夠提供全球范圍內實時的定位服務，已經深刻的改變了我們的生活方式，并且在世界各國的許多行業中得到了廣泛的應用。目前主流的全球定位系統有美國的gps，俄羅斯的glonass，中國的beidou系統以及歐洲的galileo系統，印度也在積極發展區域導航系統irnss。目前標準的gnss定位技術精度大約是5-10米。對于精度要求更高的應用，通常需要使用精密定位的方法。目前精密定定位的方法有差分定位方法和精密單點定位方法。其中差分定位方法又包括局域差分方法和廣域差分方法。廣域差分方法和精密單點定位都需要通過地面監測網的數據計算出各種精密的信號偏差產品，精密軌道產品等，然后在用戶端使用這些精密產品進行改正來提高定位精度。局域差分方法主要是將參考站的觀測數據和坐標直接播發給用戶，在用戶端通過觀測值差分的方式消除各種誤差的影響，實現高精度相對定位。

綜上所述，現有技術存在的問題是：

廣域差分能夠提供大范圍的精密定位服務，但是由于目前缺乏精密電離層模型支持，通常需要20-30分鐘收斂才能獲得厘米級定位結果。另外廣域差分使用的參數化方法各不相同，不同的方法之間互不兼容。目前沒有統一的數據播發格式和計算流程，導致不同廣域差分產品之間不能兼容互操作。另外，由于目前對新的gnss系統信號理解不夠深入，導致大部分廣域差分系統只適用于gps信號。局域差分方法模型簡單，收斂快，實時性好，定位精度高，目前基于載波相位的實時動態定位(rtk)和基于偽距差分的差分gnss技術(dgnss)長期以來都是使用最為廣泛的精密定位技術。但是差分技術也有其自身的局限，即用戶接收機(也稱為流動站)與參考站之間的距離受限制。用戶接收機與參考站之間的距離變遠導致兩個接收機之間的電離層和對流層延遲相關性變弱，這影響定位精度和收斂時間。另外基線變長也會導致用戶接收機與參考站之間的公共可見衛星變少，因而長基線數據處理通常用在靜態數據處理中。另外長距離相對定位需要構建實時通信鏈路，使用地面實時通信鏈路需要大功率無線電發射設備或者復雜的路由轉發網絡，成本昂貴，通信質量難以保證。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法。

本發明是這樣實現的，一種基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法，所述基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法利用低軌衛星作為參考站，與地面或近地空間的接收機進行差分定位；所述低軌衛星利用地面上注的預報導航衛星星歷和鐘差進行地面增強的星上精密自主定軌或者只利用自身接收到的觀測值進行自主精密定軌；所述低軌衛星以一定的時間間隔向地面播發星上接收機的觀測值和對應時刻的衛星軌道信息；地面接收機將接收到低軌衛星播發的差分信息與本機接收的導航衛星測距信號組成雙差觀測值，進行移動基站的rtk或者dgnss定位。作為參考站的低軌衛星明顯高于地面用戶站，保證距離較遠時有足夠的共視衛星。使用星地間通信鏈路解決遠距離實時通信問題，簡化用戶操作。低軌衛星可以全球移動，突破了局域差分對作業距離的限制。

進一步，所述差分定位的模式包括：

(1)通過建立實時數據鏈，將leo軌道和觀測數據播發給用戶接收機，進行實時差分定位計算；

(2)建立星地實時數據連接，分別記錄leo觀測數據以及地面接收機觀測數據，進行事后處理精密leo定軌和差分定位計算；

(3)不建立星地實時數據連接，通過數傳或測控鏈路定期地將leo觀測數據下傳，在地面進行leo精密定軌，再使用leo觀測值，leo定軌結果和地面接收機觀測數據進行差分精密定位。

進一步，所述觀測值的應用模式包括：僅使用偽距觀測值的定位模式、使用相位平滑偽距觀測值的定位模式、同時使用偽距和載波相位觀測值的定位模式。

進一步，所述leo自主定軌的方式包括:

(1)不使用地面增強信息，僅使用星上觀測值進行完全自主精密定軌；

(2)通過星地間上行通信鏈路，將地面的增強信息上傳至低軌衛星，進行地基增強的星上精密自主定軌，地面增強信息包括但不限于導航衛星預報軌道、預報鐘差的信息；

(3)通過數據中繼衛星或者星間鏈路向低軌衛星播發改正數信息，進行星基增強的實時精密定軌，中繼衛星增強信息包括但不限于導航衛星預報軌道、預報鐘差的信息。

進一步，差分精密定位的方法基于單個衛星導航系統的觀測數據，或基于多系統觀測值聯合定位。

差分精密定位的地面用戶坐標參考框架包括全球參考框架或使用自定義坐標參考框架或經過加密處理的全球參考框架。

進一步，所述基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法具體包括：

1)接收機讀取當前歷元的觀測時間、偽距、載波相位、多普勒、載噪比c/n0、鎖定時間的觀測值信息以及當前歷元對應的導航電文數據；所述觀測時間、偽距、載波相位、多普勒、載噪比c/n0、鎖定時間的觀測值信息以及當前歷元對應的導航電文數據均由接收機內部pvt算法模塊輸出；其中直接用于定位的觀測量為偽距和載波相位觀測值，觀測模型表示為：

pi＝ρ+δorb+c(δt^s-δt^r)+ii+δtrop+εpi

φi＝ρ+δorb+c(δt^s-δt^r)-ii+δtrop+λini+εφi

式中：pi和φi表示第i個頻點的偽距和載波相位觀測值(以米為單位)；

ρ表示衛星和接收機間的幾何距離，表示為其中x^s,y^s,z^s表示衛星三維坐標，x^r,y^r,z^r表示接收機天線相位中心三維坐標；δt^s和δt^r衛星和接收機的時鐘偏差，單位為秒；

ii和δtrop表示電離層和對流層延遲的影響；

ni表示第i個頻點的整周模糊度；

εpi和εφi表示偽距和載波相位的接收機觀測噪聲；

c表示真空中的光速；

λi表示第i個頻點的載波波長，單位為米；

2)計算信號發射時刻各個導航衛星的軌道和鐘差；信號發射時刻推算方式包括兩種：(1)通過標準單點定位過程迭代求解各個導航衛星的精確信號發射時刻以及對應的衛星軌道和鐘差，多次迭代后計算出各衛星的軌道鐘差以及地面測站的近似坐標，(2)利用偽距觀測值近似推算信號發射時刻，推算原理表達為：

式中ts,tr分別表示信號發射和信號接收時刻；

3)根據單點定位計算得到的近似測站坐標和各個導航衛星的軌道鐘差的信息，計算測站到各個衛星之間的幾何距離ρ，衛星高度角等信息；進一步根據經驗電離層模型，計算電離層對載波相位和偽距的影響ii，根據經驗對流層模型，計算對流層對gnss信號的影響δtrop,修正之后的觀測值中還剩軌道誤差δorb，接收機鐘差δt^r和整周模糊度參數ni的影響；

4)在非差觀測值層面檢測載波相位的周跳；

5)處理接收到的低軌衛星播發的差分觀測數據；低軌衛星播發的差分觀測數據包含信號接收時間，leo收到的觀測值和接受時刻對應的低軌衛星軌道，及速度信息；首先需要對差分信息進行解碼，獲取到必要的信息；

6)計算leo衛星觀測時刻對應的導航衛星信號發射時刻軌道和鐘差；

7)根據leo衛星的軌道和導航衛星的軌道及鐘差對leo星載接收機觀測值進行誤差源改正；

8)非差觀測值層面對leo星載接收機的載波相位觀測值進行數據探測，周跳檢測；對檢測到發生周跳的觀測值進行標記；

9)分別對地面接收機和leo星載接收機的數據進行預處理后，開始形成雙差觀測值；首先篩選出地面接收機和leo星載接收機的共視衛星，然后每個導航系統選一顆參考星，用于形成星間差分觀測值；

10)形成雙差觀測值；根據步驟9)確定的共視衛星和各系統的參考衛星，組成雙差觀測值，星地差分的雙差觀測值表達為：

式中表示雙差運算符，執行雙差操作后，在非差觀測值預處理階段沒有處理掉的部分誤差源理論上通過雙差的方式完全消除，這些誤差源包括軌道誤差δorb，衛星鐘差δt^s，接收機鐘差δt^r；雙差觀測值中還剩站星間的雙差幾何距離，雙差電離層殘余影響，星間差分的對流層影響,載波相位模糊度影響和觀測噪聲影響；對于形成雙差觀測值后殘余的誤差項，通過參數估計的形式消除這些誤差的影響；

11)雙差觀測值層面的周跳檢測；采用三差法周跳檢測；如果對非差觀測值的周跳檢測有足夠的信心，可跳過本步驟，直接進行下一步；

12)濾波器時間更新；對于實時坐標估計，包括：a)使用序貫最小二乘法和卡爾曼濾波法；卡爾曼濾波模型與觀測值選取有關，對于雙頻觀測數據，有兩種觀測模型：基于無電離層組合觀測值的模型和基于非組合觀測值的模型；

a)基于無電離層組合觀測值的模型通過雙頻觀測值線性組合消除電離層影響的一階項，但是無電離層組合觀測值的觀測值數量減半，觀測值噪聲是組合前觀測值的3倍；

b)直接使用非組合觀測值進行處理，需要每顆衛星估計一個電離層參數；站星差分能削弱電離層的影響，按照非組合模型推導；對于非組合模型，濾波器狀態向量選取為：

x＝[δr，δtrop,z，i，n]^t；

其中δr為3×1坐標增量向量，δtrop,z為天頂方向對流層延遲，每個測站估計一個參數；i為各衛星視線方向電離層延遲，每顆可見衛星估計一個，n為載波相位雙差模糊度參數，每個信號通道估計一個；對于無電離層組合觀測值的情況，濾波器狀態向量可忽略電離層延遲參數i；對于靜態用戶定位，坐標增量δr當做隨機常數估計；對于動態定位，使用隨機游走過程模擬，或附加外部的運動方程對坐標增量參數進行約束；δtrop,z使用隨機游走模型模擬，實現方向電離層延遲i或使用先驗信息初始化，然后使用隨機游走過程模擬；載波相位雙差模糊度在連續跟蹤時使用隨機常數模型估計，在發生周跳時需要參數重置；在發生參考星換星時，對所有模糊度參數做特殊處理；

濾波器時間更新方程表示為：

式中pt^-分別為t時刻時間更新后的狀態量及其方差協方差矩陣，也稱為預報解；為t-1時刻用戶位置狀態濾波解及其方差協方差矩陣；φ(t,t-1)為t-1到t時刻的狀態轉移矩陣；q(t)為過程噪聲矩陣；對于隨機游走參數和隨機常量參數，狀態轉移矩陣設為單位陣；對于n個獨立的隨機游走過程q(t)設為對角陣，對于隨機常數參數q(t)可設置為零矩陣；

13)濾波器測量更新；根據步驟10)的分析，用于雙差定位的偽距和載波相位觀測值線性化表示為：

e(y)＝(j,m,θ,λ)(δr,δtrop,z,i,n)^t；

式中e(·)為數學期望運算符，對f個頻點，s顆可見雙差衛星的觀測值，對于使用非組合觀測值的數學模型而言，j為(2*s*f)×3的jacobbian矩陣，m為(2*s*f)×1的列向量，每個元素對應相應衛星的對流層投影函數值；θ為(2*s*f)×s的矩陣；λ為(2*s*f)×(f*s)的矩陣；對于使用無電離層組合的觀測模型，除了忽略電離層參數對應的設計矩陣θ外，所有觀測值線性組合也造成觀測值個數比非組合的模型減少一半；線性化后，該非組合觀測方程的設計矩陣定義為：

a＝(j,m,θ,λ)；

則卡爾曼濾波的測量更新方程表示為：

kt＝pt^-a(apt^-a^t+rt)^-1，

式中kt為t時刻濾波增益矩陣，rt為幾何觀測值方差協方差矩陣；

14)驗后殘差檢驗；濾波方程的驗后殘差估值表示為：

根據驗后殘差估值構造χ²檢驗量服從χ²(n-t)分布，其中n-t表示自由度；若則認為驗后殘差通過檢驗，否則認為驗后殘差檢驗拒絕；式中是顯著性水平為α的閾值；

15)輸出預報解；如果驗后殘差檢驗未通過，則表示觀測值可能存在粗差；使用數據探測法對粗差進行檢驗剔除或放棄使用濾波解，改用預報解作為最終定位結果進行輸出；

16)模糊度固定；如果濾波解通過驗后殘差檢驗，則利用載波相位模糊度的整數特性獲得厘米級精度的模糊度固定解；模糊度固定的方法使用最小二乘降相關算法lambda或者將無電離層組合分解為寬窄巷模糊度的方式進行逐級模糊度固定；

將步驟13)中的狀態向量按照實數參數和整數參數兩類合并，則觀測方程簡化表示為e(y)＝(b,λ)(b,n)^t，相應的濾波狀態量兩類參數對應的濾波解方差協方差矩陣表示為：

模糊度參數的濾波解記做通常也稱作模糊度實數解，將模糊度參數的實數解及其方差協方差矩陣qnn作為輸入，使用lambda方法進行搜索，得到模糊度的最優整數固定解和次優的整數固定解

17)模糊度檢驗；由于錯誤的模糊度固定導致定位結果產生飛點，定位誤差比浮點解還大，對模糊度固定結果進行檢驗；使用ratio檢驗；

18)輸出浮點解；如果ratio檢驗未通過，則認為模糊度固定解不可靠，需要使用濾波解作為最終定位結果進行輸出；

19)輸出固定解；如果ratio檢驗通過，則使用模糊度固定解作為定位結果輸出；模糊度固定為整數后，對應的實數參數可更新為整周模糊度的條件解，表示為：

相應的方差協方差矩陣可表示為：

如果模糊度檢驗通過，則使用作為最后定位結果使用。

本發明的另一目的在于提供一種基于低軌衛星的星地差分實時精密定位系統。

本發明的另一目的在于提供一種利用上述基于低軌衛星的星地差分實時精密定位系統的遠洋區域定位系統。

本發明的另一目的在于提供一種利用上述基于低軌衛星的星地差分實時精密定位系統的偏遠地區定位系統

本發明的另一目的在于提供一種利用上述基于低軌衛星的星地差分實時精密定位系統的自然災害災區定位系統。

本發明的優點及積極效果為：

本發明提供的利用低軌衛星作為參考站，與地面或近地空間的接收機實現差分定位的方法。低軌衛星以一定的時間間隔向地面播發星上接收機的觀測值和對應時刻的衛星軌道信息，地面接收機將接收到低軌衛星播發的差分信息與本機接收的導航衛星測距信號組成雙差觀測值，實現移動基站的rtk或者dgnss定位。該方法使用低軌衛星作為參考站，實現了全球范圍的差分定位服務，特別是對遠洋區域，偏遠地區以及自然災害災區實現快速精密定位有重要意義。

本發明使用局域差分的方法，但是通過移動的參考站平臺提高了參考站的利用率，使得參考站服務范圍不局限于周圍幾十公里，而是提供全球范圍的差分服務。如果使用多顆leo衛星組成的星座作為參考基站，則可以提供全球范圍不間斷的站星差分定位服務

本發明能夠為受自然條件和經濟條件影響導致沒有架設或者無法架設地面站的區域，如遠洋地區，偏遠地區，地震災區等區域提供實時差分定位服務。

本發明星地差分定位算法模型比精密單點定位(ppp)簡單，通過雙差的方法可以自行消去衛星端和接收機端的鐘差和硬件偏差，無需使用外部信號偏差產品進行修正。本發明利用低軌衛星平臺，將地面的固定的參考站用移動的低軌衛星平臺取代。星地之間構成的雙差觀測值對電離層延遲也具有一定的削弱作用。

本發明涉及的用戶端僅需要一臺能夠接收leo差分信息的接收機即可實現全球范圍內的精密定位，星地差分的方法幫助用戶擺脫了對參考站的依賴。無需自行架設參考站，無需架設實時通信鏈路。使用方法與ppp完全一樣，但是卻能提供精度和收斂時間都更好的實時差分精密定位服務。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法流程圖。

圖2是本發明實施例提供的低軌衛星實現星地差分精密定位的原理圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細描述。

本發明實施例提供的基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法，所述基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法利用低軌衛星作為參考站，與地面或近地空間的接收機進行差分定位；所述低軌衛星利用地面上注的預報導航衛星星歷和鐘差進行地面增強的星上精密自主定軌或者只利用自身接收到的觀測值進行自主精密定軌；所述低軌衛星以一定的時間間隔向地面播發星上接收機的觀測值和對應時刻的衛星軌道信息；地面接收機將接收到低軌衛星播發的差分信息與本機接收的導航衛星測距信號組成雙差觀測值，進行移動基站的rtk或者dgnss定位。

所述差分定位包括：

(1)通過建立實時數據鏈，將leo軌道和觀測數據播發給用戶接收機，進行實時差分定位計算；

(2)建立星地實時數據連接，分別記錄leo觀測數據以及地面接收機觀測數據，進行事后處理leo精密定軌和差分定位計算；

(3)不建立星地實時數據連接，通過數傳或測控鏈路定期地將leo觀測數據下傳，在地面進行leo精密定軌，再使用leo觀測值，leo定軌結果和地面接收機觀測數據進行差分精密定位。

所述觀測值的應用模式包括：僅使用偽距觀測值的定位模式、使用相位平滑偽距觀測值的定位模式、同時使用偽距和載波相位觀測值的定位模式。

所述leo自主定軌的方式包括:

(1)不使用地面增強信息，僅使用星上觀測值進行完全自主精密定軌；

(2)通過星地間上行通信鏈路，將地面的增強信息上傳至低軌衛星，進行地基增強的星上精密自主定軌，地面增強信息包括但不限于導航衛星預報軌道、預報鐘差的信息；

(3)通過數據中繼衛星或者星間鏈路向低軌衛星播發改正數信息，進行星基增強的實時精密定軌，中繼衛星增強信息包括但不限于導航衛星預報軌道、預報鐘差的信息。

差分精密定位的方法基于單個衛星導航系統的觀測數據，或基于多系統觀測值聯合定位。

差分精密定位的地面用戶坐標參考框架包括全球參考框架或使用自定義坐標參考框架或經過加密處理的全球參考框架。如itrf2008,cgcs2000參考框架。

星地差分精密定位方法涉及導航衛星星座包括，但不限于現有的全球/區域衛星導航系統，如gps,glonass，beidou,galileo,irnss,qzss等。

下面結合具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。

本發明實施例提供的基于低軌衛星的星地差分實時精密定位方法如圖1所示，該算法是一個基于擴展的卡爾曼濾波(ekf)的實時定位算法，可以用于靜態和動態的數據處理。該算法可以在gnss接收機的內部的固件算法中實現，也可以實現為后處理算法。為了滿足實時定位的需求，以下描述均以接收機內部固件算法為參照。具體的實施步驟如下：

1)接收機讀取當前歷元的觀測時間，偽距，載波相位，多普勒，載噪比(c/n0)，鎖定時間等觀測值信息，以及當前歷元對應的導航電文數據，這些信息均可以由接收機內部pvt算法模塊輸出。其中直接用于定位的觀測量為偽距和載波相位觀測值，其觀測模型可以表示為：

pi＝ρ+δorb+c(δt^s-δt^r)+ii+δtrop+εpi

φi＝ρ+δorb+c(δt^s-δt^r)-ii+δtrop+λini+εφi

式中：pi和φi表示第i個頻點的偽距和載波相位觀測值(以米為單位)；

ρ表示衛星和接收機間的幾何距離，可表示為其中x^s,y^s,z^s表示衛星三維坐標，x^r,y^r,z^r表示接收機天線相位中心三維坐標；δt^s和δt^r衛星和接收機的時鐘偏差(以秒為單位)；

ii和δtrop表示電離層和對流層延遲的影響；

ni表示第i個頻點的整周模糊度；

εpi和εφi表示偽距和載波相位的接收機觀測噪聲；

c表示真空中的光速；

λi表示第i個頻點的載波波長(以米為單位)；

2)計算信號發射時刻各個導航衛星的軌道和鐘差。考慮到低軌衛星的改正數播發時有一定的數據處理和信號傳播的延遲，需要對信號發射時刻進行準確推算。考慮到中高軌衛星的衛星速度，要求信號發射時刻推算誤差至少小于1μs，才能保證計算軌道誤差小于1cm。信號發射時刻推算方式有兩種：(1)通過標準單點定位過程迭代求解各個導航衛星的精確信號發射時刻以及對應的衛星軌道和鐘差，該方法需要多次迭代計算各衛星的軌道鐘差以及地面測站的近似坐標，但是收斂后信號發射時刻可推算至100ns以內；(2)利用偽距觀測值近似推算信號發射時刻，推算原理可表達為：

式中ts,tr分別表示信號發射和信號接收時刻。對比偽距碼p1的觀測模型可知，該式沒有考慮電離層，對流層和接收機鐘差的影響。其中電離層和對流層對測距的影響在幾十米量級，對信號發射時刻推算的影響在百納秒量級。接收機鐘差的影響能否忽略取決于接收機鐘差的模型。接收機鐘差的模型有實時修正和毫秒修正兩種模型，實時修正模型接收機鐘差穩定在幾納秒至幾百納秒的量級，可以滿足推算需求，毫秒修正模型中，接收機鐘差累計達到1ms或-1ms就會發生鐘跳，如果接收機鐘使用毫秒修正模型，則必須使用單點定位方法迭代求解導航衛星信號發射時刻。目前大部分接收機使用或者可配置為鐘差實時修正模型。求解出信號發射時刻后，即可利用廣播星歷計算各個衛星的軌道和鐘差。

3)根據單點定位計算得到的近似測站坐標和各個導航衛星的軌道鐘差等信息，計算測站到各個衛星之間的幾何距離ρ，衛星高度角等信息。進一步根據經驗電離層模型，如klobuchar模型，計算電離層對載波相位和偽距的影響ii，根據經驗對流層模型，如hopfield模型計算對流層對gnss信號的影響δtrop,修正之后的觀測值中還剩軌道誤差δorb，接收機鐘差δt^r和整周模糊度參數ni的影響。另外，由于幾何距離計算使用的是近似坐標，修正后的觀測值中還含有幾何距離殘余量的影響，電離層對流層經驗模型也只能改正一部分影響，導航衛星鐘差的殘余影響也可達納秒量級，這些誤差殘余量也會保留在修正后的觀測值中。

4)在非差觀測值層面檢測載波相位的周跳，常見的方法有根據載波鎖定環路(pll)輸出的鎖定時間來判斷環路是否失鎖。一旦環路失鎖，載波相位就會被重置，此時輸出的載波相位會產生階躍信號，需要進行標記。另外一種情況就是信號干擾，信號遮擋，或者多路徑的影響導致載波環路抖動，這種情況一般不會導致環路失鎖，但是會導致小的周跳，如半周跳或整周跳。半周跳的情況會影響pvt的比特同步和幀同步，但是做極性判斷通常需要一定的時間，因此發生半周跳后會有幾秒鐘載波環路和pvt無法判斷是否發生了半周跳，這種情況數據處理中通常都當做周跳來處理。對于小的整周跳，需要使用其他方法判斷，但是一般情況出現的概率比較小。判斷小的整周跳常用的方法有無幾何距離法，如果接收機偽距跟蹤噪聲很小，也可以使用mw組合的方法檢測周跳。

5)接下來處理接收到的低軌衛星播發的差分觀測數據。低軌衛星播發的差分觀測數據包含信號接收時間，leo收到的觀測值和接受時刻對應的低軌衛星軌道，及速度信息。首先需要對差分信息進行解碼，獲取到必要的信息。

6)計算leo衛星觀測時刻對應的導航衛星信號發射時刻軌道和鐘差。計算方法和步驟102中論述的相同，不同的是leo衛星的坐標是已知的，如果使用單點定位計算信號發射時刻是只需要迭代更新衛星坐標，leo衛星的坐標可以認為是真值。考慮到低軌衛星的運動速度約為7.6km/s(以500km軌道高度為例)，leo觀測值的鐘面時和實際信號接收時刻之差應小于1μs。如果leo星載接收機的鐘差使用實時修正模型，則鐘面時與實際信號接收時刻之差量級小于百納秒量級，對leo軌道的影響小于1cm，可忽略不計。leo向地面播發的軌道信息應經過適當的內插或外推處理來保證leo觀測值的鐘面時和實際信號接收時刻之差量級小于1μs。

7)根據leo衛星的軌道和導航衛星的軌道及鐘差對leo星載接收機觀測值進行誤差源改正。該步驟執行過程與步驟3)類似，不同的是由于leo屬于空間飛行器，不是地面接收機，其受到的電離層和對流層的影響特性與地面接收機有不同。對流層影響通常指地面至30km高度的近地大氣層，因此一般認為對流層對leo星載接收機觀測值的影響可忽略，處理時不對對流層延遲進行改正。另外電離層對leo星載接收機的觀測值比地面小，根據chapman理論，低軌衛星星載接收機觀測值受到的電離層影響約為地面的30％-50％。對星載接收機觀測值的電離層改正模型也通常使用地面經驗模型乘以某一比例因子作為星載接收機觀測值的電離層改正經驗模型。由于大氣密度剖面曲線和溫度剖面曲線無法精確測定，chapman模型也只是近似的經驗模型，不能完全消除電離層對觀測值的影響。

8)非差觀測值層面對leo星載接收機的載波相位觀測值進行數據探測，周跳檢測。處理方法與步驟104相同，不同的是leo衛星的運動速度高于地面接收機，采用一些與幾何距離相關的方法檢測周跳時，需要特殊考慮閾值的選取。對檢測到發生周跳的觀測值進行標記。

9)分別對地面接收機和leo星載接收機的數據進行預處理后，開始形成雙差觀測值。雙差觀測值通常是先進行測站間差分，再進行衛星間差分。對于星地基線的情況，首先篩選出地面接收機和leo星載接收機的共視衛星，然后每個導航系統選一顆參考星，用于形成星間差分觀測值。參考星的觀測值質量直接影響所有雙差觀測值的質量，因此需要盡量選取觀測值質量較好的衛星作為參考星，通常情況使用高度角最高的衛星或者信號載噪比最好的衛星作為參考衛星。另一方面，參考星發生變化會導致所有雙差模糊度參數不連續。在換參考星時模糊度參數需要特殊處理來避免模糊度參數頻繁地重置，因此選擇參考星時還會盡量保持參考星不變，來保證模糊度參數的連續性。對于多系統聯合定位的情況，需要每個衛星系統分別選擇參考星,由于不同導航系統的信號之間硬件延遲有一定差異，而這個差異使用不同系統的衛星間差分無法消除。這個系統間偏差可以通過參數估計的方法消除，更通用的做法是各個導航系統分別選取參考衛星來消除接收機鐘差(含系統間偏差)的影響。

10)形成雙差觀測值；根據步驟9)確定的共視衛星和各系統的參考衛星，組成雙差觀測值，星地差分的雙差觀測值可表達為：

式中表示雙差運算符，執行雙差操作后，在非差觀測值預處理階段沒有處理掉的部分誤差源理論上可以通過雙差的方式完全消除，這些誤差源包括導航衛星軌道誤差δorb，導航衛星鐘差δt^s，接收機鐘差δt^r。雙差觀測值中還剩站星間的雙差幾何距離，雙差電離層殘余影響，星間差分的對流層影響(假設leo觀測值不受對流層延遲影響),載波相位模糊度影響和觀測噪聲影響。對于形成雙差觀測值后殘余的誤差項，需要在函數模型中予以考慮，通過參數估計的形式消除這些誤差的影響。考慮到站星差分信號傳播延遲導致站間單差時leo觀測時刻與地面站觀測時刻無法嚴格對齊，這會給雙差觀測值引入時間不同步誤差。考慮到站星通信帶寬限制，星上數據處理的延遲等，站星差分通信延遲可達數秒的量級。時間不同步誤差主要導致雙差觀測值中導航衛星的軌道誤差，鐘差和電離層誤差的殘余誤差影響變大。處理策略是在非差數據處理階段根據leo和地面接收機觀測時刻分別計算導航衛星軌道和鐘差，然后予以改正。

11)雙差觀測值層面的周跳檢測。作為非差層面周跳檢測的補充，形成雙差觀測值后還可以在雙差觀測值層面進行周跳檢測，典型的方法有三差法周跳檢測。雙差層面的周跳檢測不是必須的步驟，如果對非差觀測值的周跳檢測有足夠的信心，可跳過本步驟，直接進行下一步。

12)濾波器時間更新。完成了雙差觀測值的數據處理，即可開始參數估計的過程。對于實時坐標估計，可以使用序貫最小二乘法和卡爾曼濾波法。卡爾曼濾波法適合靜態和動態的數據處理，序貫最小二乘法通過引入參數消去過程和先驗信息約束也可以實現與卡爾曼濾波等價的效果。本步驟以卡爾曼濾波求解坐標參數為例，闡述站星間差分定位參數估計的方法。卡爾曼濾波模型與觀測值選取有關，對于雙頻觀測數據，有兩種典型觀測模型：基于無電離層組合觀測值的模型和基于非組合觀測值的模型。基于無電離層組合觀測值的模型可以通過雙頻觀測值線性組合消除電離層影響的一階項，但是無電離層組合觀測值的觀測值數量減半，觀測值噪聲是組合前觀測值的約3倍。另外一種方法是直接使用非組合觀測值進行處理，但是需要每顆衛星估計一個電離層參數。考慮到站星差分可以削弱電離層的影響，以下部分按照非組合模型推導。對于非組合模型，濾波器狀態向量選取為：

x＝[δr，δtrop,z，i，n]^t；

其中δr為3×1坐標增量向量，δtrop,z為天頂方向對流層延遲，每個測站估計一個參數。i為各衛星視線方向電離層延遲，每顆可見衛星估計一個(除了參考衛星)，n為載波相位雙差模糊度參數，每個信號通道估計一個。對于無電離層組合觀測值的情況，濾波器狀態向量可忽略電離層延遲參數i。對于靜態用戶定位，坐標增量δr可以當做隨機常數估計，對于動態定位，可以使用隨機游走過程模擬，也可以附加外部的運動方程對坐標增量參數進行約束。δtrop,z通常使用隨機游走模型模擬，實現方向電離層延遲i可以使用先驗信息初始化，然后使用隨機游走過程模擬。載波相位雙差模糊度在連續跟蹤時使用隨機常數模型估計，在發生周跳時需要參數重置。在發生參考星換星時，需要對所有模糊度參數做特殊處理，避免模糊度參數重置。濾波器時間更新方程可表示為：

式中pt^-分別為t時刻時間更新后的狀態量及其方差協方差矩陣，通常也稱為預報解。為t-1時刻用戶位置狀態濾波解及其方差協方差矩陣。φ(t,t-1)為t-1到t時刻的狀態轉移矩陣。q(t)為過程噪聲矩陣。對于隨機游走參數和隨機常量參數，狀態轉移矩陣可設為單位陣。對于n個獨立的隨機游走過程q(t)可設為對角陣，對于隨機常數參數q(t)可設置為零矩陣。

13)濾波器測量更新；根據步驟10)的分析，用于雙差定位的偽距和載波相位觀測值可以線性化表示為：

e(y)＝(j,m,θ,λ)(δr,δtrop,z,i,n)^t；

式中e(·)為數學期望運算符，對f個頻點，s顆可見雙差衛星的觀測值(總可見星個數減去參考星個數)，對于使用非組合觀測值的數學模型而言，j為(2*s*f)×3的jacobbian矩陣，m為(2*s*f)×1的列向量，每個元素對應相應衛星的對流層投影函數值。θ為(2*s*f)×s的矩陣。λ為(2*s*f)×(f*s)的矩陣。對于使用無電離層組合的觀測模型，除了可忽略電離層參數對應的設計矩陣θ外，所有觀測值線性組合也造成觀測值個數比非組合的模型減少一半。線性化后，非組合模型觀測方程的設計矩陣定義為：

a＝(j,m,θ,λ)；

則卡爾曼濾波的測量更新方程可表示為：

kt＝pt^-a(apt^-a^t+rt)^-1，

pt⁺＝(i-kta)pt^-，

式中kt為t時刻濾波增益矩陣，rt為幾何觀測值方差協方差矩陣。

14)驗后殘差檢驗；濾波方程的驗后殘差估值可表示為：

根據驗后殘差估值可構造χ²檢驗量服從χ²(n-t)分布，其中n-t表示自由度。若則認為驗后殘差通過檢驗，否則認為驗后殘差檢驗拒絕。式中是顯著性水平為α的閾值。

15)輸出預報解；如果驗后殘差檢驗未通過，則表示觀測值可能存在粗差。可使用數據探測法對粗差進行檢驗剔除，也可以放棄使用濾波解，改用預報解作為最終定位結果進行輸出。

16)模糊度固定；如果濾波解通過驗后殘差檢驗，則可嘗試利用載波相位模糊度的整數特性獲得厘米級精度的模糊度固定解。由于星地差分基線組成雙差觀測值，其定位過程等價于長基線相對定位。模糊度固定的方法可以使用最小二乘降相關算法(lambda)或者將無電離層組合分解為寬窄巷模糊度的方式進行逐級模糊度固定。將步驟13)中的狀態向量按照實數參數和整數參數兩類合并，則觀測方程可以簡化表示為e(y)＝(b,λ)(b,n)^t，相應的濾波狀態量兩類參數對應的濾波解方差協方差矩陣可表示為：

模糊度參數的濾波解記做通常也稱作模糊度實數解，將模糊度參數的實數解及其方差協方差矩陣qnn作為輸入，使用lambda方法進行搜索，可以得到模糊度的最優整數固定解和次優的整數固定解

17)模糊度檢驗；由于錯誤的模糊度固定可能導致定位結果產生飛點，定位誤差比浮點解還大，因此要對模糊度固定結果進行檢驗。通常使用ratio檢驗。ratio檢驗定義為：

式中為整周模糊度的次優解。為歐幾里得二范數。μ是ratio檢驗閾值，通常取2-5。若上式成立則認為通過檢驗，否則認為檢驗拒絕。

18)輸出浮點解；如果ratio檢驗未通過，則認為模糊度固定解不可靠，需要使用濾波解作為最終定位結果進行輸出。

19)輸出固定解；如果ratio檢驗通過，則使用模糊度固定解作為定位結果輸出。模糊度固定為整數后，對應的實數參數可更新為整周模糊度的條件解，表示為：

相應的方差協方差矩陣可表示為：

如果模糊度檢驗通過，則使用作為最后定位結果使用。

上述步驟可實現地面接收機與低軌衛星之間的差分實時精密定位。

本發明實施例提供的低軌衛星實現星地差分精密定位的原理如圖2所示。圖中geo/igso/meo指現有的全球或區域衛星導航系統衛星，包括但不限于gps、glonass、beidou、galileo、irnss及qzss導航衛星系統。leo是指搭載了雙頻gnss信號接收機，具有高精度自主定軌能力，并具有向地面播發信息能力的低軌衛星。地面參考站是指布設在地球表面的連續運行參考站，如國際gnss服務的監測網(igs)，多gnss試驗網(mgex)等。地面分析中心是指能夠通過網絡獲取各個地面參考站的觀測數據，能夠實時計算或者預報導航衛星的軌道和鐘差，并且能夠將預報的導航衛星軌道和鐘差上注到低軌衛星的地面中心數據處理中心。用戶是指具有gnss信號接收功能，并且能夠接收，解析低軌衛星播發的差分信息，通過差分定位的方式確定自身精密坐標的接收設備。如圖2所示，圖中geo/igso/meo導航衛星持續的向地面和低軌衛星播發導航信號，導航信號被低軌衛星，用戶和地面參考站接收。地面參考站將接收到的觀測值發送至地面分析中心，地面分析中心通過綜合計算各個地面站的觀測數據，確定實時和預報的精密geo/igso/meo軌道和鐘差信息。考慮到低軌衛星測控窗口長度有限，通常需要預報數小時的軌道和鐘差，然后將預報軌道和鐘差信息進行數據壓縮，在測控窗口內，將壓縮后的數據上傳至低軌衛星。低軌衛星使用星載接收機的觀測數據和接收到的地面增強信息進行實時精密軌道確定。然后將自身的軌道和同一時刻對應的觀測數據進行編碼，播發到地面。地面用戶使用收到的geo/igso/meo衛星的觀測值，和低軌衛星播發的差分信息，形成星地差分基線，完成雙差定位。雖然星地基線距離較長，通常有數百至上千公里，但是形成的雙差觀測值仍然能夠有效地消除接收機鐘差，衛星鐘差，削弱電離層影響，有效地簡化精密定位的復雜度，提高定位效率和精度。另外，本文論述的星地差分系統也可以在自主模式運行，即沒有地面分析中心支持的模式。沒有地面參考站和和地面分析中心支持，星上自主定軌也可以達到0.5m左右的結果。直接使用自主定軌的結果進行星地差分，仍然可獲得優于1米的實時定位精度。地面分析中心與低軌衛星之間的直接通信鏈路也可以通過數據中繼衛星或者星間鏈路等方式間接的建立。

本發明能夠提高地面參考站的利用率，將差分定位服務范圍擴展至全球。

本發明能夠提供全球范圍的差分定位服務，特別是在遠洋地區，偏遠地區，地震災區等沒有條件架設地面參考站的區域。

本發明星地差分定位算法模型比精密單點定位(ppp)簡單，通過雙差的方法可以自行消去衛星端和接收機端的鐘差和硬件偏差，因而無需使用外部信號偏差產品進行修正。基于星地差分定位系統的定位收斂時間和定位精度方面優于精密單點定位。

本發明能夠提供面向實時用戶的高精度定位服務，精密單點定位技術要依賴多種外部精密數據產品對觀測數據進行改正，部分產品具有一定的延遲，這導致精密單點定位技術更多地應用在后處理和實時性不高的場景。本發明的方法適合實時高精度定位應用。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。