CN104407359B

CN104407359B - 一种北斗接收机非差观测值噪声评估方法

Info

Publication number: CN104407359B
Application number: CN201410751673.0A
Authority: CN
Inventors: 蔡昌盛; 何畅
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: CN104407359A

Abstract

本发明公开了一种北斗接收机非差观测值噪声评估方法。读取观测值文件中的北斗观测数据；分别获取B1、B2、B3共三个频率的北斗载波相位和伪距观测值；根据理论分析分别计算出三频载波相位组合和三频伪距组合的系数，并利用相应系数形成组合观测值；利用三频载波相位组合系数对载波相位观测值进行周跳探测与标记；计算北斗接收机B1、B2、B3各频率上的载波相位和伪距观测值噪声情况。与现有的方法相比，本发明只需要单个接收机观测数据进行简单线性组合就能独立评价单颗卫星载波相位和伪距观测值噪声，因此，本发明可以更加简便的客观的评价北斗接收机的原始观测值噪声。

Description

一种北斗接收机非差观测值噪声评估方法

技术领域

本发明涉及一种北斗接收机非差观测值噪声评估方法。

背景技术

我国自主研发的北斗区域卫星导航系统已正式建成并开始向亚太地区提供定位、导航、授时等服务，而北斗区域导航系统的各项应用都基于接收机产生的观测值，故观测值的质量将决定上述各项应用的精度。一般使用零基线实验通过载波相位、伪距观测值构成测站间单差或者测站间卫星间双差对北斗接收机观测值噪声进行评估。使用零基线进行北斗接收机观测值噪声分析需要两台接收机共用一个天线进行观测，而同一型号的接收机观测值质量也可能存在一定差异，两台接收机的载波相位、伪距观测值构成单双差的方法，不是直接的评价单一接收机的观测值噪声水平，仅是从侧面反映接收机的观测值噪声。除此之外，零基线单差或双差法完全消除了天线端的噪声，不能准确的反映实际观测值的噪声水平。对于单接收机观测数据噪声的评价，有学者基于单接收机的双频载波相位观测值进行无几何组合，通过滤波进行载波相位的观测值噪声分析，但该组合未完全消除电离层误差的影响，且滤波过程较为复杂。对于接收机伪距观测噪声的评价，一般利用载波相位和伪距组合计算伪距观测值多路径效应，该方法除了会引入了载波相位观测值，增添周跳探测与修复的麻烦，另外部分多路径误差会融入到噪声中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种简单易行，且能客观的对北斗单个接收机载波相位和伪距观测值的噪声情况进行评价的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种北斗接收机非差观测值噪声评估方法，包括以下步骤：

1)读取观测值文件的北斗卫星导航系统观测数据，获取B1、B2、B3三个频率的原始载波相位观测值和伪距观测值；

2)通过理论分析，利用步骤1)中的B1、B2、B3三个频率的载波相位观测值获得组合序列；利用步骤1)中B1、B2、B3三个频率的伪距观测值获得组合序列；

3)根据2)中的三频载波相位组合系数对载波相位观测值进行周跳探测与标记；

4)利用所述载波相位观测值组合序列和伪距观测值组合序列分别获得B1、B2、B3各个频率上的载波相位和伪距观测值噪声。

本发明的具体实现步骤如下：

1)读取RINEX观测值文件的北斗卫星导航系统观测数据，获取B1、B2、B3三个频率的载波相位和伪距观测值。根据电离层散射特性，在仅顾及一阶电离层误差的情况下，北斗卫星导航系统的载波相位和伪距观测方程可以表示为如下形式：

其中，下标i代表频率标识，对应取值为1、2、3，分别代表B1、B2、B3；L_i为第i频率上的载波相位观测值，以米为单位；λ_i为第i频率的载波波长；为第i频率的载波相位观测值，单位为周；ρ为卫星至接收机距离，单位为米；c为真空光速；dt为接收机钟差；dT为卫星钟差；d_orb为卫星轨道误差；d_trop为对流层误差；μ_i为第i频率电离层误差系数且μ_i＝f₁ ²/f_i ²；f₁为B1载波频率；f_i为第i频率上的载波频率；d_ion为B1频率电离层延迟误差；N_i为第i频率载波相位模糊度，以周为单位；为第i频率载波相位硬件延迟偏差；为第i频率载波相位观测多路径误差；为第i频率载波相位观测值噪声；P_i为第i频率伪距观测值，单位为米；为第i频率伪距观测多路径误差；为第i频率伪距硬件延迟偏差；为第i频率伪距观测值噪声。由于载波相位硬件延迟偏差与模糊度参数无法分离，因此该偏差项在下面的论述过程中未单独列出。

2)根据理论分析的系数，使用1)中的载波相位观测值进行北斗三频组合。理论上载波相位观测值噪声为波长的1/100，因此不同频率的载波相位观测值噪声与其波长存在一定的比例关系。通过以下关系式获取北斗三频载波相位组合系数：

上式中，L_c为组合载波相位观测值；对应为B1、B2、B3频率载波相位观测值组合系数；L₁、L₂、L₃对应为B1、B2、B3载波相位观测值，单位为米；λ₁、λ₂、λ₃对应为B1、B2、B3频率载波波长。上式中的第二式为“无几何距离”约束条件，第三式为“消电离层误差”约束条件，第四式为使组合观测值的噪声等于B1频率上观测值的噪声所施加的约束条件，第五式为使组合系数具有唯一性所施加的约束条件。根据上面四个约束条件，解线性方程组得＝(0.1471，0.4793，-0.6264)，则北斗三频载波相位观测值组合具体形式为：

上式中，N_c为三频组合观测值模糊度，以米为单位；为三频载波相位组合观测值多路径误差；为三频载波相位组合观测值噪声。

3)根据理论分析的系数，使用1)中的伪距观测值序列进行北斗三频伪距观测值组合。伪距观测值的噪声水平一般为分米级，不同频率伪距观测值噪声水平相当，故通过以下式子求得三频伪距观测值组合系数：

上式中，P_c为北斗三频伪距组合观测值；P₁、P₂、P₃对应为B1、B2、B3伪距观测值，单位为米；α_P、β_P、γ_P对应为B1、B2、B3频率伪距观测值组合系数。上式中的第二式为“无几何距离”约束条件，第三式为“消电离层误差”约束条件，第四式为使组合观测值的噪声等于B1频率上观测值的噪声所施加的约束条件，第五式为使组合系数具有唯一性所施加的约束条件。根据上面四个约束条件，解线性方程组得(α_P，β_P，γ_P)＝(0.1834，0.5973，-0.7807)，则北斗三频伪距观测值组合具体形式为：

上式中，为组合伪距观测硬件延迟偏差；为三频伪距组合观测值多路径误差；为三频伪距组合观测值噪声。

4)根据2)中理论分析得到的系数对1)的北斗三频载波相位观测值进行载波相位周跳探测与标记。具体周跳探测公式表示为：

△N_c(k)＝L_c(k)-L_c(k-1)

上式中，△N_c(k)为周跳检测量；k表示观测历元(时刻)；L_c(k)、L_c(k-1)为第k历元与k-1两相邻历元利用2)中系数获取的三频载波相位观测值；为周跳判断阈值；为B1频率上的载波相位观测值精度，设为2毫米；若第k历元△N_c大于则认为该历元出现周跳，并对该历元进行标记。

5)基于2)和3)中求解的系数获取北斗三频载波相位组合和伪距观测值组合序列。组合载波观测值序列中包含组合模糊度值，在未发生周跳情况下，模糊度项为常数，使用各历元的L_c值减去L_c均值即可剔除组合模糊度值；若发生周跳，需要从4)标记的周跳发生时刻开始重新计算平均值。组合伪距观测值序列中包含组合硬件延迟偏差项，短时间内硬件延迟偏差值保持稳定，使用各历元的P_c值减去P_c均值即可去除硬件延迟偏差影响。通过统计剔除模糊度参数或硬件延迟偏差影响的载波相位和伪距观测值残差序列，即可得接收机各频率观测值噪声。具体公式如下：

式中，为B1频率载波相位观测值噪声；n为组合观测值统计个数；为剔除组合模糊度值的载波相位观测值残差；分别为B2、B3频率原始载波相位观测值噪声；σ_B1/P、σ_B2/P、σ_B3/P分别为B1、B2、B3频率原始伪距观测值噪声；为去除组合硬件延迟偏差的伪距观测值残差。由于载波相位观测值组合序列L_c和伪距观测值组合序列P_c中还包含有部分多路径误差，根据多路径误差的时间变化特征，经验表明，在计算平均值过程中，3-15分钟取一个平均值，可以很好的消除掉多路径误差的影响，同时也剔除了载波相位组合观测值中的模糊度项和伪距组合观测值中的硬件延迟偏差项，剩余的残差值正好反映接收机的观测值噪声，也符合噪声的随机特性。例如：设北斗接收机观测时间为1小时，北斗接收机观测值采样间隔为30秒，则组合观测值统计个数n＝120，将组合观测值序列分成5分钟一段时，即每段有10个组合观测值L_c，利用每段的10个L_c分别计算一个平均值，然后每段的L_c都减去该段的L_c平均值得到残差值一共可以得到120个残差值，用这120个残差值即可进行北斗接收机载波相位观测值精度统计；用类似的方法也可以进行北斗接收机伪距观测值精度统计。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明只需要单个接收机观测数据进行简单线性组合就能独立评价载波相位和伪距观测值噪声，可以有效、客观地对北斗单接收机载波相位和伪距原始观测值的噪声情况进行评价，且本发明的方法简单易行。

具体实施方式

本发明的具体实现步骤如下：

其中，下标i代表频率标识，分别代表B1、B2、B3，对应取值为1、2、3；L_i为第i频率上的载波相位观测值，以米为单位；λ_i为第i频率的载波波长；为第i频率的载波相位观测值，单位为周；ρ为卫星至接收机距离，单位为米；c为真空光速；dt为接收机钟差；dT为卫星钟差；d_orb为卫星轨道误差；d_trop为对流层误差；μ_i为第i频率电离层延迟误差系数且μ_i＝f₁ ²/f_i ²；f₁为B1载波频率；f_i为第i频率载波频率；d_ion为B1频率电离层延迟误差；N_i为第i频率载波相位模糊度；为第i频率载波相位硬件延迟偏差；为第i频率载波相位观测多路径误差；为第i频率载波相位观测值噪声；P_i为i频率伪距观测值，单位为米；为第i频率伪距观测多路径误差；为第i频率伪距硬件延迟偏差；为第i频率伪距观测值噪声。由于载波相位硬件延迟偏差与模糊度参数无法分离，因此该偏差项在下面的论述过程中未单独列出。

2)根据理论分析的系数，使用1)的载波相位观测值进行北斗三频载波相位组合。理论上载波相位观测值噪声为波长的1/100，因此不同频率的载波相位观测值噪声与其波长存在一定的比例关系。通过以下关系式获取北斗三频载波相位组合系数：

上式中，N_c对应为三频组合载波相位观测值模糊度，以米为单位；为三频载波相位组合观测值多路径误差；为三频载波相位组合观测值噪声。

3)根据理论分析的系数，使用1)中的伪距观测值序列进行北斗三频伪距观测值组合。伪距观测值的噪声水平一般为分米级，不同频率伪距观测值噪声水平相当，通过以下式子求得三频伪距观测值组合系数：

4)根据2)中理论分析得到的系数对1)的北斗三频载波相位观测值进行载波相位周跳探测与标记，而伪距观测值不受周跳影响。具体周跳探测公式表示为：

△N_c(k)＝L_c(k)-L_c(k-1)

5)基于2)和3)中求解的系数获取北斗三频载波相位组合和伪距观测值组合序列，求取原始载波相位和伪距观测噪声。组合载波观测值序列中包含组合模糊度值，在未发生周跳情况下，模糊度项为常数，使用各历元的L_c值减去L_c均值即可剔除组合模糊度值；若发生周跳，则需要从4)标记的周跳发生时刻重新计算L_c均值。组合伪距观测值序列中包含组合硬件延迟偏差项，短时间内硬件延迟偏差基本保持稳定，使用各历元的P_c值减去P_c均值即可去除硬件延迟偏差影响。通过统计剔除模糊度参数之后的载波相位观测值残差序列和剔除硬件延迟偏差影响之后的伪距观测值残差序列，即可得接收机各频率观测值载波相位和伪距观测值噪声。具体公式如下：

式中，为B1频率载波相位观测值噪声；n为组合观测值统计个数；为剔除模糊度值的载波相位观测值残差；分别为B2、B3频率原始载波相位观测值噪声；σ_B1/P、σ_B2/P、σ_B3/P分别为B1、B2、B3频率原始伪距观测值噪声；为去除硬件延迟偏差值的伪距观测值残差。由于载波相位观测值组合序列L_c和伪距观测值组合序列P_c中还包含有部分多路径误差，根据多路径效应误差的趋势性，经验表明，在计算过程中，3-15分钟取一个平均值，可以很好的消除多路径误差的影响，同时也剔除了载波相位观测值中的模糊度项(N_c)和伪距观测值的硬件延迟偏差项剩余的残差值正好反映接收机的观测值噪声，也符合噪声的随机特性。设北斗接收机的统计时长为t小时：的计算过程为：北斗接收机的采样间隔为s秒，将所述统计时长分成每m分钟一段，则对每个L_c计算一个平均值，然后用所述个L_c减去所述平均值，得到m分钟的个依此类推，一共得到个的计算过程具体为：设北斗接收机的统计时长为t小时，北斗接收机的采样间隔为s秒，将所述统计时长分成每m分钟一段，则对每个P_c计算一个平均值，然后用所述个P_c减去所述平均值，得到m分钟的个依此类推，一共得到个用和分别表示个和个的顺序，其中k为观测历元(时刻)。例如统计时间段为1小时，接收机采样间隔30秒，则n＝120，将组合观测值序列分成5分钟一段时，即每10个组合值L_c计算一个平均值，然后用这10个L_c均减去该平均值得到这5分钟的10个残差值依次类推一共得120个残差值即可进行北斗接收机载波相位观测值精度统计；在每5分钟计算平均值的过程中，如果该段数据发生了周跳，就将该段数据从周跳标记处分为两段，分别融入到上段和下段数据序列中。例如：如果在第3分钟发生了周跳，则该5分钟数据序列分为2部分，前半部分为3分钟，后半部分为2分钟。将前半部分数据序列与上段数据序列合并共8分钟数据一起计算平均值，将后半部分数据序列与下段数据序列合并共7分钟数据一起计算平均值，从而避免周跳对平均值的计算产生影响。的获取方法与获取方法类似，但不需要考虑周跳问题。

通过Trimble NetR9接收机及TRM55971.00天线进行数据采集，该接收机可以接收北斗三个频率的数据，采样率设置为30秒，采集时长为5小时。表1为采用5小时数据，基于本发明方法统计的北斗GEO、IGSO、MEO三种卫星类型各两颗卫星的载波相位和伪距观测值噪声，此处求均值的时间段选取为5分钟。从表1中可以看出，本发明可以针对单颗卫星、单台接收机对观测值噪声进行评价，该结果与GPS载波相位和伪距观测值噪声水平相当，符合其他学者的研究结果。

基于本发明提出的方法简单易行，且能客观的对北斗单接收机载波相位和伪距原始观测值的噪声情况进行评价。

表1 本发明提出的三频组合非差法获得的观测值噪声

Claims

1.一种北斗接收机非差观测值噪声评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)读取观测值文件的北斗卫星导航系统观测数据，获取B1、B2、B3三个频率的载波相位观测值和伪距观测值；B1、B2、B3三个频率的载波相位观测值和伪距观测值P的观测方程表示为如下形式：

其中，下标i代表频率标识，i＝1、2、3，分别对应B1、B2、B3频率；L_i为第i频率上的载波相位观测值，以米为单位；λ_i为第i频率的载波波长；为原始观测值文件中第i频率的载波相位观测值，单位为周；ρ为卫星至北斗接收机距离，单位为米；c为真空光速；dt为北斗接收机钟差；dT为卫星钟差；d_orb为卫星轨道误差；d_trop为对流层误差；μ_i为第i频率的电离层误差系数且μ_i＝f₁ ²/f_i ²；f₁为B1载波频率；f_i为第i频率上的载波频率；d_ion为B1频率的电离层延迟误差；N_i为第i频率载波相位模糊度，以周为单位；为第i频率载波相位硬件延迟偏差；为第i频率载波相位观测多路径误差；为第i频率载波相位观测值噪声；P_i为原始观测值文件中第i频率伪距观测值，单位为米；为第i频率伪距硬件延迟偏差；为第i频率伪距观测多路径误差；为第i频率伪距观测值噪声；

2)通过理论分析，利用步骤1)中的载波相位观测值求取B1、B2、B3三个频率的载波相位观测值组合序列；利用步骤1)中的伪距观测值，求取B1、B2、B3三个频率的伪距观测值组合序列；

B1、B2、B3三个频率的载波相位观测值组合序列为：

其中，N_c为B1、B2、B3三个频率组合观测值模糊度，以米为单位；为B1、B2、B3三个频率载波相位组合观测值多路径误差；为B1、B2、B3三个频率载波相位组合观测值噪声；B1、B2、B3三个频率伪距观测值组合序列为：

\begin{matrix} P_{c} = 0.1834 P_{1} + 0.5973 P_{2} - 0.7807 P_{3} \\ = d_{B / P_{c}} + d_{m u l t / P_{c}} + ϵ_{P_{c}} \end{matrix};

其中，为组合伪距观测硬件延迟偏差；为三频伪距组合观测值多路径误差；为B1、B2、B3伪距组合观测值噪声；

3)对步骤2)中的载波相位观测值组合序列进行周跳探测与标记；

2.根据权利要求1所述的北斗接收机非差观测值噪声评估方法，其特征在于，通过以下关系式进行载波相位观测值周跳探测：

其中，ΔN_c(k)为周跳检测量；k表示观测历元，即时刻；L_c(k)、L_c(k-1)为第k历元与k-1两相邻历元三频载波相位组合观测值；为周跳判断阈值；为B1频率上的载波相位观测值精度，设为2毫米；若第k历元ΔN_c大于则认为该历元出现周跳，并对该历元进行标记。

3.根据权利要求2所述的北斗接收机非差观测值噪声评估方法，其特征在于，通过以下关系式计算B1、B2、B3三个频率的载波相位观测值噪声和伪距观测值噪声：

其中，为B1频率载波相位观测值噪声；n为载波相位观测量或伪距观测量统计个数；为剔除模糊度值的载波相位观测值残差；分别为B2、B3频率上的载波相位观测值噪声；σ_B1/P、σ_B2/P、σ_B3/P分别为B1、B2、B3频率上的伪距观测值噪声；为剔除硬件延迟偏差值的伪距观测值残差。

4.根据权利要求3所述的北斗接收机非差观测值噪声评估方法，其特征在于，的计算过程为：设北斗接收机的载波相位观测值统计时长为t小时，北斗接收机的采样间隔为s秒，将所述统计时长分成每m分钟一段，则对每个L_c计算一个平均值，然后用所述个L_c减去所述平均值，得到m分钟的个依此类推，一共得到个序列，记为的计算与上面的过程类似：设北斗接收机的伪距观测值统计时长为t小时，北斗接收机的采样间隔为s秒，将所述统计时长分成每m分钟一段，则对每个P_c计算一个平均值，然后用所述个P_c减去所述平均值，得到m分钟的个依此类推，一共得到个序列，记为此处的即为上面公式中的载波相位观测量或伪距观测量统计个数n。

5.根据权利要求4所述的北斗接收机非差观测值噪声评估方法，其特征在于，m＝3～15。