CN102035774A - 一种单频载波相位定位的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种单频载波相位定位的方法，包括：对进行单频载波相位定位的数据进行预处理；对所述预处理后数据进行误差更正；采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计；所述单频载波相位定位的前后定位结果之差不大于预定误差时，输出单品载波相位定位的结果。提高了单频载波相位定位方法的定位结果的精度。

Description

一种单频载波相位定位的方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种单频载波相位定位的方法及装置。

背景技术

只有L1波段数据进行定位时，属于单频载波相位定位方法，该方法由使用模糊度参数和位置等其他参数一起估计进行定位。由于单频单点定位无法像双频、差分定位那样消除大部分误差，当数据没有进行预处理或数据存在误差时，对单频载波相位定位方法的定位结果的精度有着非常大的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种单频载波相位定位的方法及装置，以提高单频载波相位定位方法的定位结果的精度。

所述单频载波相位定位的方法，包括：

对进行单频载波相位定位的数据进行预处理；

对所述预处理后数据进行误差更正；

采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计；

所述单频载波相位定位的前后定位结果之差不大于预定误差时，输出单品载波相位定位的结果。

优选地，所述方法还包括：所述单频载波相位定位的前后定位结果之差大于预定误差时，采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计。

优选地，对进行单频载波相位定位的数据进行预处理包括：

对所述进行单频载波相位定位的数据进行周跳探测；

探测所述进行单频载波相位定位的数据没有周跳时，对所述进行周跳探测的数据进行粗差挑除。

优选地，对所述预处理后数据进行误差更正包括：

对所述预处理后的数据进行电离层延迟误差更正；

对进行电离层延迟误差更正后的数据进行对流层延迟误差更正。

所述单频载波相位定位的装置，包括：

数据预处理单元，用于对进行单频载波相位定位的数据进行预处理；

误差更改单元，用于对所述预处理后数据进行误差更正；

参数估计单元，用于采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计；

定位结果输出单元，用于在所述单频载波相位定位的前后定位结果之差不大于预定误差时，输出单品载波相位定位的结果。

优选地，所述数据预处理单元包括：

第一数据预处理单元，用于对所述进行单频载波相位定位的数据进行周跳探测；

第二数据预处理单元，用于当探测所述进行单频载波相位定位的数据没有周跳时，对所述进行周跳探测的数据进行粗差挑除。

优选地，所述误差更改单元包括：

第一误差更改单元，用于对所述预处理后的数据进行电离层延迟误差更正；

第二误差更改单元，用于对进行电离层延迟误差更正后的数据进行对流层延迟误差更正。

从上述的技术方案可以看出，本发明的单频载波相位定位的方法中对定位的数据进行预处理，并在预处理后的数据进行误差更正，并采用滤波法进行参数估计，最后再将定位结果输出，提高了单频载波相位定位方法的定位结果的精度。

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为本发明实施例公开的一种单频载波相位定位的方法的流程图。

具体实施方式

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

本发明实施例公开了一种单频载波相位定位的方法，以提高单频载波相位定位方法的定位结果的精度。

所述单频载波相位定位的方法，如图1所示，包括：

步骤S1、对进行单频载波相位定位的数据进行预处理；

步骤S2、对所述预处理后数据进行误差更正；

步骤S3、采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计；

步骤S4、所述单频载波相位定位的前后定位结果之差不大于预定误差时，输出单品载波相位定位的结果。

所述方法还包括：步骤S5、所述单频载波相位定位的前后定位结果之差大于预定误差时，采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计。

其中，步骤S1具体包括：

对所述进行单频载波相位定位的数据进行周跳探测；

探测所述进行单频载波相位定位的数据没有周跳时，对所述进行周跳探测的数据进行粗差挑除。

单频载波定位中，数据预处理的好坏直接影响定位精度，其关键就是要准确可靠的探测出相位观测值中的周跳与粗差。目前比较有效的周跳探测方法大都是基于双频观测值的，适用于单频相位观测值周跳的探测与修复方法目前主要有高次差法、多项式拟合法、多普勒法、小波变化法和卡尔曼滤波法等。本实施例综合使用多普勒法与多项式拟合法进行周跳探测。

多普勒法采用以下模型来探测周跳：

其中，在式(1)中，ΔN表示在时间间隔Δt内的周跳；

分别表示第k与第k+1个历元的载波相位观测值；D_k，D_k+1表示多普勒观测值。如果求得|ΔN|＞ξ(ξ为给定值)，认为当前历元观测值存在周跳，其周跳估值为ΔN，反之则认为无周跳发生。

多项式拟合法是使用最小二乘法将连续若干个无周跳的相位观测值按多项式进行拟合，根据拟合的多项式系数来外推下一个历元的载波相位观测值，并与i时刻的实际观测值相比较，两者之差若大于某一阈值(3倍的标准差)，就认为该历元可能发生周跳，用外推的整周计数去取代可能有周跳的实际观测值，但不足一周的部分仍然保持不变。反之则认为无周跳发生。去掉最早的那个观测值，加入第i时刻的“观测值”，继续上述过程进行多项式拟合，外推i+1时刻的观测值并与i+1时刻的实际观测值相比较，若两者之差仍大于这一阈值，则认为i历元上有周跳，若两者之差不超限，则认为i历元上的观测值为野值，将其剔除。

在探测到周跳后，用估计得到的ΔN进行修复，将修复后的值作为下一步滤波估计的初值重新估计。

为了提高伪距的定位精度，在没有周跳情况下，用载波相位平滑伪距以得到精度较高的平滑伪距。采用动态递推法，只要历元数大于1就可以递推地进行载波平滑伪距。

记(单位为米)，则同一颗卫星的伪距

和载波相位Ф_i(i为历元序号)，从历元1至历元n(n≥2)存在如下近似关系：

${\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_n-{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_i={\mathrm{\Φ}}_n-{\mathrm{\Φ}}_i,i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(2\right)$

于是，第n个历元的平滑伪距为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_n=({\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_1+{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_2+\·\·\·+{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_n)/n+{\mathrm{\Φ}}_n-({\mathrm{\Φ}}_1+{\mathrm{\Φ}}_2+\·\·\·+{\mathrm{\Φ}}_n)/n---\left(3\right)$

为了实时平滑方便，上式可重写为以下递归形式：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_n={\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_n/n+({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_{n-1}+{\mathrm{\Φ}}_n-{\mathrm{\Φ}}_{n-1})\·(n-1)/n---\left(4\right)$

从上式可知，如果载波相位没有发生周跳，那么平滑后的伪距将具有比原始观测伪距低的噪声和多径误差。且随着历元数的增加，平滑效果将会更好。

同所有的卫星导航定位方法一样，单频载波定位受到一系列误差的影响，要想提高定位精度，必须对误差进行改正。本发明实施例综合使用相位/伪距半和改正与Klobuchar模型来处理电离层延迟误差。

其中，电离层延迟误差改正的方法具体为：

由于单频载波定位无法通过双频组合观测值消除电离层延迟误差的影响，因此电离层延迟误差是单频载波相位定位的最主要的误差源之一。这里采用Klobuchar模型来削弱单频伪距观测值中的电离层影响，其计算步骤如表1所示。

表1Klobuchar模型计算步骤

表中的α_i，β_i由GPS卫星导航电文给出。上表中的角度单位为弧度，时间单位为秒。

对流层延迟误差改正具体为：

对流层影响变化较为平缓，先利用Saastamonien模型及Niell投影函数改正，再用随机游走的方法估计其残余影响。

对流层延迟可用天顶方向的干、湿分量延迟及其相应的投影函数表示：

ΔD_trop＝ΔD_z，dryM_dry(E)+ΔD_z，wetM_wet(E)

ΔD_z，dry、ΔD_，wet分别为天顶方向对流层干、湿分量延迟，表示如下：

$\mathrm{\Δ}{D}_{z,\mathrm{dry}}=\frac{0.002077P}{f(\mathrm{\φ},h)}$

$\mathrm{\Δ}{D}_{z,\mathrm{wet}}=\frac{e}{f(\mathrm{\φ},h)}(\frac{0.2789}{T}+0.05)$

其中，P，e，T分别为测站大气压力(毫巴)、水汽压(毫巴)和大气温度(开)，f(φ，h)是纬度和高程的函数，

f(φ，h)＝1-0.00266cos(2φ)-0.00028h

M_dry(E)，M_wet(E)分别为干、湿分量投影函数，其中E为卫星高度角(度)。这里采用Niell投影函数。

Niell干分量投影函数M_dry(E)：

$M_{\mathrm{dry}}\left(E\right)=\frac{1+\frac{a_{\mathrm{Hydro}}}{1+\frac{b_{\mathrm{Hydro}}}{1+c_{\mathrm{Hydro}}}}}{\sin E+\frac{a_{\mathrm{Hydro}}}{\sin E+\frac{b_{\mathrm{Hydro}}}{\sin E+c_{\mathrm{Hydro}}}}}+[\frac{1}{\sin E}-\frac{1+\frac{a_{\mathrm{ht}}}{1+\frac{b_{\mathrm{ht}}}{1+c_{\mathrm{ht}}}}}{\sin E+\frac{a_{\mathrm{ht}}}{\sin E+\frac{b_{\mathrm{ht}}}{\sin E+c_{\mathrm{ht}}}}}]\×\frac{h}{1000}$

式中，a_ht＝2.53×10^-5，b_ht＝5.49×10^-3，c_ht＝1.14×10^-3，

干分量投影系数a_Hydro，b_Hydro，c_Hydro，对于测站纬度φ，15°≤|φ|≤75°，是利用下式进行内插计算得到的，内插系数由表2给出，

$\begin{array}{c}p(\mathrm{\φ},t)=p_{\mathrm{avg}}\left({\mathrm{\φ}}_i\right)+[p_{\mathrm{avg}}\left({\mathrm{\φ}}_{i+1}\right)-p_{\mathrm{avg}}\left({\mathrm{\φ}}_i\right)]\×\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_i}{{\mathrm{\φ}}_{i+1}-{\mathrm{\φ}}_i}\\ +\{p_{\mathrm{amp}}\left({\mathrm{\φ}}_i\right)+[p_{\mathrm{amp}}\left({\mathrm{\φ}}_{i+1}\right)-p_{\mathrm{amp}}\left({\mathrm{\φ}}_i\right)]\×\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_i}{{\mathrm{\φ}}_{i+1}-{\mathrm{\φ}}_i}\}\×\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{t-T_0}{365.25}\right)\end{array}$

式中，φ_i表示表中与φ最接近的纬度，t是年积日，p表示要计算的系数a_Hydro、b_Hydro或c_Hydro，T₀为参考年积日，取T₀＝28，a_Hydro、b_Hydro、c_Hydro的平均值及其波动值如表2所示。

表2a_Hydro、b_Hydro、c_Hydro的平均值及其波动值

纬度	aHydro(average)	bHydro(average)	cHydro(average)
				15	1.2769934e-3	2.9153695e-3	62.610505e-3
30	1.2683230e-3	2.9152299e-3	62.837393e-3
				45	1.2465397e-3	2.9288445e-3	63.721774e-3
60	1.2196049e-3	2.9022565e-3	63.824265e-3
				75	1.2045996e-3	2.9024912e-3	64.258455e-3
纬度	aHydro(amp)	bHydro(amp)	cHydro(amp)
				15	0.0	0.0	0.0

30	1.2709626e-5	2.1414979e-5	9.0128400e-5
				45	2.6523662e-5	3.0160779e-5	4.3497037e-5
60	3.4000452e-5	7.2562722e-5	84.795348e-5
				75	4.1202191e-5	11.723375e-5	170.37206e-5

而对于纬度φ，|φ|≤15°，

和对于纬度φ，|φ|≥75°，

Niell湿分量投影函数M_wet(E)：

$M_{\mathrm{wet}}\left(E\right)=\frac{1+\frac{a_{\mathrm{wet}}}{1+\frac{b_{\mathrm{wet}}}{1+c_{\mathrm{wet}}}}}{\sin E+\frac{a_{\mathrm{wet}}}{\sin E+\frac{b_{\mathrm{wet}}}{\sin E+c_{\mathrm{wet}}}}}$

湿分量投影系数a_wet，b_wet，c_wet，对于15°≤|φ|≤75°，利用下式进行内插计算，内插系数由表3给出，

$p(\mathrm{\φ},t)=p_{\mathrm{avg}}\left({\mathrm{\φ}}_i\right)+[p_{\mathrm{avg}}\left({\mathrm{\φ}}_{i+1}\right)-p_{\mathrm{avg}}\left({\mathrm{\φ}}_i\right)]\×\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_i}{{\mathrm{\φ}}_{i+1}-{\mathrm{\φ}}_i}$

表3湿分量投影函数内插系数表

纬度	awet(average)	bwet(average)	cwet(average)
				15	5.8021879e-4	1.4275268e-3	4.3472961e-2
30	5.6794847e-4	1.5138625e-3	4.6729510e-2
				45	5.8118019e-4	1.4572572e-3	4.3908931e-2
60	5.9727542e-4	1.5007428e-3	4.4626982e-2
				75	6.1641693e-4	1.7599082e-3	5.4736039e-2

而对于纬度φ，|φ|≤15°，

p(φ，t)＝p_avg(15°)

和对于纬度φ，|φ|≥75°，

p(φ，t)＝p_avg(75°)

当然，在对所述预处理后数据进行误差更正中还包括对其他误差的更正，例如，卫星轨道误差及钟差在用导航电文计算卫星坐标过程中进行修正、地球自传、相对论效应、卫星天线相位中心偏差、引力延迟、固体潮、海洋潮、天线相位缠绕等一系列误差的更正。

本实施例采用Kalman滤波法对参数进行估计，具体为：单频载波相位定位中，待估参数主要包括5个测站参数(其中3个位置参数、2个钟差参数、模糊度参数N_amb个(N_amb≥4)、1个对流层延迟参数。总的待估参数个数S可用下式表述：

S＝5+N_amb+1

Kalman滤波状态方程：

X_Sk＝Ф_Sk，k-1X_Sk-1+W_Sk，k-1

X_Sk即为系统状态，X_Sk＝[xyz amb1 amb2…ambn δρ_tropdtdt]^T，其中x，y，z为接收机位置坐标，amb1，amb2，…，ambn为用来定位的n颗卫星的模糊度，δρ_trop为残留的天顶对流层延迟，dt，dt为接收机的钟差及钟漂。相应的系统状态转移矩阵为：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Sk},k-1}=\left[\begin{array}{cc}I& \\ & {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ck},k-1}\end{array}\right]$

其中，I＝(3+n+1)×(3+n+1)单位矩阵，

Δt为为系统采样间隔。

系统噪声协方差阵为：

$Q_{\mathrm{Sk},k-1}=E\left[W_{\mathrm{Sk},k-1}{W}_{\mathrm{Sk},k-1}^T\right]=\left[\begin{array}{cccc}\left(S_p\mathrm{\Δt}\right)\·I_p& & & \\ & \left(S_a\mathrm{\Δt}\right)\·I_a& & \\ & & S_t\mathrm{\Δt}& \\ & & & Q_{\mathrm{ck},k-1}\end{array}\right]$

其中，I_p＝(3×3)单位阵，I_a＝(n×n)单位阵，与接收机钟差对应的系统噪声协方差阵

$Q_{\mathrm{ck},k-1}=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δt}+S_{\stackrel{\·}{d}t}\frac{\mathrm{\Δ}{t}^3}{3}& S_{\stackrel{\·}{d}t}\frac{\mathrm{\Δ}{t}^2}{2}\\ S_{\stackrel{\·}{d}t}\frac{\mathrm{\Δ}{t}^2}{2}& S_{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δt}\end{array}\right]$

S_p理论上应取为零，但这样会对矩阵运算带来问题，这里可取一个较小的值，如取1；S_a的取值跟S_p一样，理论上也应该为零，这里适当取一值，可取10，以便使估计得到的模糊度参数能吸收一些未建模误差、残留的大气偏差及多路径效应等；S_t根据天顶对流层延迟误差残差量级选取，一般也比较小，可取0.1；S_dt，S_dt根据晶体振荡器参数选取，一般可分别取为1×10^-4，1×10^-6。

Kalman滤波观测方程：

Z_Sk＝H_SkX_Sk+V_Sk

其中， 为半和组合观测值减去计算值，

为伪距观测值减去计算值；观测矩阵H_Sk如下(记

)：

$H_{\mathrm{Sk}}=\left[\begin{array}{ccccccc}\frac{\∂f\left(L\right)}{\∂x}& \frac{\∂f\left(L\right)}{\∂y}& \frac{\∂f\left(L\right)}{\∂z}& \frac{\∂f\left(L\right)}{\∂{\mathrm{amb}}_{(j=1,n)}^j}& \frac{\∂f\left(L\right)}{\∂{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{trop}}}& \frac{\∂f\left(L\right)}{\∂\mathrm{dt}}& \frac{\∂f\left(L\right)}{\∂\stackrel{\·}{d}t}\\ \frac{\∂f\left(\widetilde{\mathrm{\ρ}}\right)}{\∂x}& \frac{\∂f\left(\widetilde{\mathrm{\ρ}}\right)}{\∂y}& \frac{\∂f\left(\widetilde{\mathrm{\ρ}}\right)}{\∂z}& \frac{\∂f\left(\widetilde{\mathrm{\ρ}}\right)}{\∂{\mathrm{amb}}_{(j=1,n)}^j}& \frac{\∂f\left(\widetilde{\mathrm{\ρ}}\right)}{\∂{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{trop}}}& \frac{\∂f\left(\widetilde{\mathrm{\ρ}}\right)}{\∂\mathrm{dt}}& \frac{\∂f\left(\widetilde{\mathrm{\ρ}}\right)}{\∂\stackrel{\·}{d}t}\end{array}\right]$

为测量误差，其协方差矩阵为R，取为对角阵。

其中，P_Sk，k-1，P_Sk分别为状态的一步预测误差方差阵和估计误差方差阵，K_Sk为滤波增益矩阵。只要给定初值

和P_S0，根据k时刻的观测值Z_Sk，就可以递推计算得到k时刻的状态估计

(k＝1，2，……)。初值可根据最小二乘的定位结果设定。

本发明实施例还公开了一种单频载波相位定位的装置，包括：

数据预处理单元，用于对进行单频载波相位定位的数据进行预处理；

误差更改单元，用于对所述预处理后数据进行误差更正；

参数估计单元，用于采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计；

定位结果输出单元，用于在所述单频载波相位定位的前后定位结果之差不大于预定误差时，输出单品载波相位定位的结果。

其中，所述数据预处理单元包括：

第一数据预处理单元，用于对所述进行单频载波相位定位的数据进行周跳探测；

第二数据预处理单元，用于当探测所述进行单频载波相位定位的数据没有周跳时，对所述进行周跳探测的数据进行粗差挑除。

所述误差更改单元包括：

第一误差更改单元，用于对所述预处理后的数据进行电离层延迟误差更正；

第二误差更改单元，用于对进行电离层延迟误差更正后的数据进行对流层延迟误差更正。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种单频载波相位定位的方法，其特征在于，包括：

对进行单频载波相位定位的数据进行预处理；

对所述预处理后数据进行误差更正；

采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计；

所述单频载波相位定位的前后定位结果之差不大于预定误差时，输出单品载波相位定位的结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：所述单频载波相位定位的前后定位结果之差大于预定误差时，采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对进行单频载波相位定位的数据进行预处理包括：

对所述进行单频载波相位定位的数据进行周跳探测；

探测所述进行单频载波相位定位的数据没有周跳时，对所述进行周跳探测的数据进行粗差挑除。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对所述预处理后数据进行误差更正包括：

对所述预处理后的数据进行电离层延迟误差更正；

对进行电离层延迟误差更正后的数据进行对流层延迟误差更正。

5.一种单频载波相位定位的装置，其特征在于，包括：

数据预处理单元，用于对进行单频载波相位定位的数据进行预处理；

误差更改单元，用于对所述预处理后数据进行误差更正；

参数估计单元，用于采用滤波法对所述进行误差改正后的数据进行参数估计；

定位结果输出单元，用于在所述单频载波相位定位的前后定位结果之差不大于预定误差时，输出单品载波相位定位的结果。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述数据预处理单元包括：

第一数据预处理单元，用于对所述进行单频载波相位定位的数据进行周跳探测；

第二数据预处理单元，用于当探测所述进行单频载波相位定位的数据没有周跳时，对所述进行周跳探测的数据进行粗差挑除。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述误差更改单元包括：

第一误差更改单元，用于对所述预处理后的数据进行电离层延迟误差更正；

第二误差更改单元，用于对进行电离层延迟误差更正后的数据进行对流层延迟误差更正。

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