CN104570011A - 一种卫星导航相对定位装置及其载波相位周跳修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星导航相对定位装置及其载波相位周跳修复方法，基准站上卫导天线接收导航信号，通过卫星导航接收机输出各卫星的星历和观测量，发送给移动站；移动站接收基准站的发送数据，输出至综合信息处理模块，移动站上的卫导天线接收导航信号，通过卫星导航接收机输出各卫星的星历和观测量，综合信息处理模块将基准站和移动站的输出数据进行粗差处理，完成载波相位的周跳检测和修复，通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息。本发明能够实时地检测和修复周跳和标记出野值，同时确定周跳发生的频率，实现高精度相对定位，保证了系统的可用性。

Description

一种卫星导航相对定位装置及其载波相位周跳修复方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航相对定位装置及其载波相位周跳的修复方法，属于卫星导航载波相位高精度相对定位领域。

背景技术

卫星导航的发展趋势表明，动态定位将比静态定位具有更加广阔的应用天地。高精度卫星导航动态相对定位采用载波相位测量技术，在进行连续的载波相位测量过程中，由于接收机发生失锁或信号被遮挡而使载波相位观测值的整周数突然发生跳跃，该载波周跳必将破坏载波连续性的规律，使观测值产生一种系统性的粗差，使得定位精度降低。周跳的探测与修复从本质上讲就是如何从载波相位观测值的时间序列中寻找可能存在的这种系统性的粗差并加以改正。

国内外学者提出了许多针对不同情况和不同精度的周跳探测和修复方法。目前常用的方法主要有高次差法、多项式拟合法、相位减伪距法、电离层残差法、宽巷相位减窄巷伪距法、小波变换法、卡尔曼滤波法等，但每个方法都存在不同的缺陷。例如，高次差法主要用于较大周跳的探测和修复；而多项式拟合法随着时间序列的递增，误差累积将使拟合值与实际观测值之差越来越大，导致无法进行周跳探测和修复等。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对相对定位中的双频载波相位周跳进行联合探测和修复的方法，在卫星信号失锁或被遮挡而使载波相位发生周跳的情况下，能够实时地检测和修复周跳和标记出野值，同时确定周跳发生的频率，实现高精度相对定位，保证了系统的可用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种载波相位差分相对定位装置，包括基准站和移动站，基准站上的卫导天线接收导航信号，通过卫星导航接收机进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量，通过数据收发设备发送给移动站；移动站通过数据收发设备接收基准站的发送数据，输出至综合信息处理模块，移动站上的卫导天线接收导航信号，通过卫星导航接收机进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量，综合信息处理模块将基准站和移动站的输出数据进行粗差处理，完成载波相位的周跳检测和修复，通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息。

本发明还提供上述载波相位差分相对定位装置的周跳探测和修复方法，包括以下步骤：

(1)卫导接收机接收卫星导航数据，包括时间、卫星号、伪距信息、载波相位信息和卫星星历；基准站将卫星导航数据送入数据收发设备，移动站将卫星导航数据直接送入综合信息处理模块；

(2)基准站的数据收发设备将卫星导航数据按照RTCM格式发送给移动站，移动站的数据收发设备将卫星导航数据接收后送入综合信息处理模块；

(3)使用伪距和载波组合法检测基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数据，判断每个频点上是否有周跳，如果存在周跳，采用前后历元的伪距变化率和载波变化量进行周跳修复，然后进入步骤(4)；若不存在周跳，直接进入步骤(4)；

(4)使用电离层残差法检测基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数据，判断每个频点上是否有周跳，如果存在周跳，采用前后历元的伪距变化率和载波变化量进行周跳修复，进入步骤(5)；若不存在周跳，直接进入步骤(5)；

(5)将基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数据做双差，组成双差方程；采用最小二乘法，对双差方程进行求解，解算出模糊度的浮点解；

(6)利用LAMBDA方法搜索模糊度的固定解，判断模糊度固定解的解算是否成功。

本发明的有益效果是：能够实时高精度地测量分别装有基准站和移动站的两个载体间的相对位置和速度信息，位置精度达到厘米级。由于发送数据采用RTCM格式，对数据链路的资源需求小，可以有效提高数据发送的频率。本发明提供的相对定位装置及其周跳修复方法能够有效地由于飞机着陆、着舰和编队飞行，提供可靠有效地保障。

附图说明

图1是相对定位装置组成框图；

图2是装置的实现流程图；

图3是周跳检测和修复实现框图；

图4是伪距、载波法周跳检测结果；

图5是电离层残差法周跳检测结果；

图6是无周跳时的周跳检测结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明主要包括以下几方面的内容：

(一)载波相位差分相对定位装置

高精度卫星导航相对定位采用载波相位测量技术，相对定位装置由基准站和移动站组成。基准站将卫星导航原始观测数据实时传送到移动站，由一个卫导天线、一台卫星导航接收机以及一台数据收发设备组成；移动站接收基准站的发送数据并进行数据的粗差处理、周跳检测和修复、载波相位双差和整周模糊度的求解等运算，由一个卫导天线、一台卫星导航接收机、一台数据收发设备以及综合信息处理模块组成。基准站和移动站的卫星导航原始观测数据采用相同时间的历元的原始观测量做双差，构建载波相位双差观测方程，实现整周模糊度的求解。通过载波相位双差可削弱甚至消除轨道误差、钟差、大气误差等误差影响，进行实时数据处理，从而实时确定基准站和移动站的相对位置和速度。

卫导天线：接收导航信号。采用抗干扰天线，提高抗干扰能力，增大信噪比。

卫星导航接收机：对接收到的信号进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量。

综合信息处理模块：将基准站和移动站解析出的原始观测数据进行粗差处理、完成载波相位的周跳检测和修复，保证观测数据的有效性和可靠性；通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息，。

数据收发设备：基准站的数据收发设备将基准站接收机的输出观测量按照载波相位双差的数据格式(RTCM)，通过数据收发设备发送给移动站，移动站的数据收发设备接收基准站的原始观测信息并与本站的卫导原始观测量做双差，削弱甚至消除电离层误差、对流层误差、接收机钟差和卫星钟差等误差影响。

相对位置显示单元：移动站中的综合信息处理模块将解算出基准站和移动站的相对位置信息，并送到显示单元进行显示。

(二)周跳探测和修复方法

在利用卫星信号载波相位进行相对定位时，为了获得高精度，必须对原始观测数据的载波相位进行处理，消除数据中的周跳，因此，探测和修复周跳是卫星导航数据处理环节中的一个关键问题。

卫星信号载波相位的周跳分为大周跳和小周跳，必须检测出所有的周跳并加以修复，才能有效地保证高精度定位的精度。

伪距和载波相位信息的组合方法是利用在不同频点中，相同时间历元的的载波相位观测值对流层误差、多径影响、接收机和卫星钟差对其影响是一致的，因此不同频点载波相位观测值与伪距的组合观测量间相减不仅消除了电离层延迟，还消除了电离层、对流层以及卫星钟差与接收机钟差。这种方法适合检测较大的周跳。

电离层残差是利用在同一历元的双频载波相位观测值中，观测量受到对流层误差、接收机和卫星钟差的影响基本一致。当采样间隔较短时，电离层残差的相关性较大，相邻的载波相位观测值间作差，可以有效地减弱以上误差的影响。这种方法适合检测较小的周跳。

为了有效地提高相对定位的精度，必须消除全部周跳。因此，将以上两种方法联合起来能够消除所有周跳。首先利用伪距和载波相位信息的组合方法，检测出在哪个频点出现周跳，并使用前后历元的伪距变化率和周跳的变化量得到周跳的具体值，并将该值的负值与以后所有历元的周跳值相加。消除大周跳后，利用电离层残差再次检测周跳，判断出周跳的频点和具体的值，并加以修复。

本发明中选择卫星导航数据中的时间作为相对定位处理的参考基准时间。本发明提供的相对定位装置按照步骤(1)至步骤(6)的顺序循环运行，具体步骤如下：

(1)卫导接收机对卫星导航数据的接收，包括时间、卫星号、伪距信息、载波相位信息、卫星星历；基准站将数据送入发射链路，移动站将数据直接送入综合信息处理模块；

(2)基准站数据发送设备将以上数据按照RTCM格式发送给移动站，移动站数据接收设备将数据接收后送入综合信息处理模块；

(3)基准站的数据和移动站的数据在综合信息处理模块中首先进行周跳的探测和修复；首先使用伪距和载波组合法检测和修复周跳。判断每个频点上是否有周跳，如果存在周跳，采用前后历元的伪距变化率和载波变化量进行周跳修复，然后进入步骤(4)；若不存在，直接进入步骤(4)；

(4)使用电离层残差法检测和和修复周跳。判断每个频点上是否有周跳，如果存在周跳，采用前后历元的伪距变化率和载波变化量进行周跳修复，进入步骤(5)；若不存在，直接进入步骤(5)；

(5)将周跳修复后的数据做双差，组成双差方程。采用最小二乘法，对双差方程进行求解，解算出模糊度的浮点解；

(6)利用LAMBDA方法搜索模糊度的固定解，判断模糊度固定解的解算是否成功。

本发明的介绍的是一种通用的卫星导航载波相位差分相对定位系统及其周跳的修复方法。由于基准站只是将原始观测数据记录并发送给移动站，并没有对原始数据进行处理，因而没有综合信息处理模块。整个系统如图1所示：

(一)载波相位差分相对定位系统

按照图1的组成结构，该系统由基准站和移动站组成，其中基准站只负责将接收机输出的原始数据发送给移动站进行载波相位差分处理，检测和修复载波相位的周跳，解算整周模糊度，输出相对定位信息。该装置的实现流程图如图2所示，各部分的功能将简述如下：

卫导天线：接收导航信号。采用抗干扰天线，提高抗干扰能力，增大信噪比。

卫星导航接收机：对接收到的信号进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量。

综合信息处理模块：将基准站和移动站解析出的原始观测数据进行粗差处理、完成载波相位的周跳检测和修复，保证观测数据的有效性和可靠性；通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息，。

数据收发设备：基准站的数据收发设备将基准站接收机的输出观测量按照载波相位双差的数据格式(RTCM)，通过数据收发设备发送给移动站，移动站的数据收发设备接收基准站的原始观测信息并与本站的卫导原始观测量做双差，削弱甚至消除电离层误差、对流层误差、接收机钟差和卫星钟差等误差影响。

相对位置显示单元：移动站中的综合信息处理模块将解算出基准站和移动站的相对位置信息，并送到显示单元进行显示。

(二)载波相位检测和修复的步骤

本发明中涉及到的卫星系统包括GPS系统和我国的BD系统。GPS系统中使用L1、L2频点的信息，BD系统中使用民用信号的B1、B2频点的信息。两种卫星导航系统既可以单独使用，也可以联合使用。其周跳检测和修复的实现框图如图3所示：

该装置中包括基准站和移动站，需要使用基准站和移动站的卫星导航信息，其中包括伪距、载波相位观测量以及多普勒和信噪比等信息。记录的数据中包括：数据生成时间、卫星数量N、卫星号n(针对GPS和BD而言，n＝1,2……32，根据校验码验证是GPS系统还是BD系统)、卫星n的伪距、卫星n的伪距测量精度、卫星n的载波相位、卫星n的载波相位测量精度、多普勒、载噪比以及校验码(包含频率信息)。

1、基准站发送信息及其格式

基准站将数据信息通过数据收发链路实时地发送给移动站，数据发送格式按照国际上广泛采用的差分相对定位的数据格式RTCM。数据按帧发送，其帧机构如下表所示，其中包括帧同步码、数据长度、数据段和奇偶校验(CRC)等信息。

表1：基准站发送数据的帧结构

数据报头包含参考站信息，单频还是双频信息等，具体信息见表2。

表2：数据报头信息

数据域名	位数(bits)
		信息编号(如“1001”＝0011 1110 1001)	12
参考站的ID	12
		星历时间	30
同步标志	1
		处理的卫星信号数量	5
平滑因子	1
		平滑间隔	3
总位数	64

卫星信息：包含卫星号、伪据、载波相位等信息，具体见表3。

表3：待发送的卫星信息(GPS为例)

数据域名	位数(bits)
		卫星ID	6
L1码指示位	1
		L1伪距	24
L1的相位减伪距	30
		L1的锁定时间	7
L1的整周模糊度	8
		L1载噪比	8
L2码指示位	2
		L2与L1的伪距差	14
L2的相位减伪距	20
		L2的锁定时间	7
L2载噪比	8
		总位数	125

根据表2和3，可以计算出数据段的长度为：8+15.625*N bytes，N代表总共接收的卫星数量，其中每一bytes占8bits；根据同时收12颗卫星计算，数据段长度为195.5bytes，共占200bytes，合为1600bits。加上每一帧中的同步位和校验位，共1648bits

GPS和BD双系统需要发送的数据量。为了保证卫星导航数据的可靠性和安全性，目前大多采用GPS和BDS双系统工作，因而双系统的数据容量为：1648*2＝3296bits。

2、使用载波、伪距信息探测大周跳

在GPS和BD两种卫星导航系统的相对定位中，接收机在某频点i的载波相位和伪距的观测方程分别为：

${\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_i\left(t\right)=\mathrm{\ρ}\left(t\right)+{\mathrm{\δ\ρ}}_{\mathrm{ion},i}+{\mathrm{\δ\ρ}}_{\mathrm{trop}}+{\mathrm{cdt}}_r-{\mathrm{cdt}}_T$

式中：λ_i为波长，为载波相位观测量，ρ(t)为接收机和卫星间的几何距离，δρ_ion,i为电离层影响的误差，δρ_trop为对流层误差，cdt_r为接收机钟差，cdt_T为卫星钟差，N_i为整周模糊度，为伪距观测量。

载波与伪距的组合法是利用多个频率点的载波相位与伪距构成的组合观测量来实现。

对于同一历元的L1、L2或者B1、B2频点的载波相位观测值，对流层误差、多径影响、接收机和卫星钟差对其影响是一致的，因此不同频点载波相位观测值与伪距的组合观测量间相减可得：

Φ_w-R_n＝λ_w(N₂-N₁)

经整理得，组合观测量Z_w为：

$Z_w=\frac{{\mathrm{\Φ}}_w-R_n}{{\mathrm{\λ}}_w}=N_2-N_1$

其中，Φ_w为载波相位宽巷组合，R_n为伪距窄巷组合量，λ_w为宽巷组合的波长，N₂，N₁分别为频点L2或B2和频点L1或B1的整周模糊度。可以看出，按照上面的载波与伪距的组合方式不仅消除了电离层延迟，还消除了电离层、对流层以及卫星钟差与接收机钟差。该周跳检测量受观测噪声影响，但可以通过多个历元的数据平滑来减弱或者消除。在没有周跳发生的情况下，载波与伪距的组合在连续多个历元出现微小的不规则运动，主要是由伪距的多路径误差和观测噪声引起。

假定从第1个历元至第i个历元所求得的i个观测量的均值及其方差可用下列递推公式计算：

$\stackrel{\‾}{Z_w^i}=\stackrel{\‾}{Z_w^{i-1}}+(Z_w^i+\stackrel{\‾}{Z_w^{i-1}})/i$

${\mathrm{\δ}}_i^2={\mathrm{\δ}}_{i-1}^2+{(Z_w^i-\stackrel{\‾}{Z_w^{i-1}})}^2-{\mathrm{\δ}}_{i-1}^2]/i$

其中为第i个历元的方差。判定：若则表明该历元无周跳或者载频组合的频点有相同的周跳；若并且满足则具有周跳，其周跳值为若并且满足则为野值。

使用载波相位宽巷减伪距窄巷组成新的组合观测量来检测和修复周跳。如果检测出周跳，判断出周跳发生在那个频率点上或者两个频率点上均有周跳发生。具体判断方法如下：

在某一频点上，使用后一历元的载波相位信息减去前一历元的载波相位信息作为判断该频点是否发生周跳的观测量，若该观测量发生突变，则有周跳发生，其周跳即为突变的差量。另一频点的周跳修复类似。

该方法适合检测比较大的周跳，难以检测两个频率上同时发生相同周数的周跳。

3、使用电离层残差探测小周跳

在同一历元的双频载波相位观测值中，观测量受到对流层误差、接收机和卫星钟差的影响基本一致，因此双频载波相位观测值中观测方程的伪距做差可以大大减弱电离层延迟的影响。

当采样间隔较短时，电离层残差的相关性较大，相邻的载波相位观测值间作差，可以有效地减弱以上误差的影响。如果没有发生周跳，该组合观测值仅为载波相位的观测噪声。但电离层残差法只能够检测小周跳。

在某一频点上，使用后一历元的载波相位信息减去前一历元的载波相位信息作为判断该频点是否发生周跳的观测量，若该观测量发生突变，则有周跳发生，其周跳即为突变的差量。另一频点的周跳修复类似。

经伪距载波法检测后输出的载波相位观测量不含大周跳，但可能包含部分小周跳，因而需要进一步对小周跳进行检测。

4、联合探测和修复周跳

比较上述两种方法，将它们联合起来进行周跳的检测，可以克服彼此的缺点。在载波、伪距周跳检测法中，一旦检测出周跳，还需要进一步判别式发生在某一单一频率之上还是同时发生在两个频率之上；如果周跳仅仅发生在单个频率之上，周跳值即为取整数；如果周跳同时发生在两个频率之上，使用载波减去伪距进行修复。经过载波、伪距法能够检测出大周跳，并能够部分修复，同时可以去除电离层残差法不敏感的周跳组合。

如果载波、伪距法没有检测出周跳，则可能有两种情况发生：没有周跳发生或两个载频上发生了相同的周跳，因此也需要使用电离层残差法联合检测，并求出周跳数。

经过上述两种方法对周跳进行检测和修复后，再对其进行检测，图6为检测结果，表示无周跳。

该相对定位装置中，通过上述方法对周跳进行检测和修复后，保证了数据质量，为整周模糊度的解算提供了良好的基础，有利于整周模糊度的解算和成功率的提高，对提高该相对定位装置的相对定位精度提供了保障。

Claims (2)

1.一种卫星导航相对定位装置，包括基准站和移动站，其特征在于：基准站上的卫导天线接收导航信号，通过卫星导航接收机进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量，通过数据收发设备发送给移动站；移动站通过数据收发设备接收基准站的发送数据，输出至综合信息处理模块，移动站上的卫导天线接收导航信号，通过卫星导航接收机进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量，综合信息处理模块将基准站和移动站的输出数据进行粗差处理，完成载波相位的周跳检测和修复，通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息。

2.一种权利要求1所述卫星导航相对定位装置的载波相位周跳修复方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)卫导接收机接收卫星导航数据，包括时间、卫星号、伪距信息、载波相位信息和卫星星历；基准站将卫星导航数据送入数据收发设备，移动站将卫星导航数据直接送入综合信息处理模块；

(2)基准站的数据收发设备将卫星导航数据按照RTCM格式发送给移动站，移动站的数据收发设备将卫星导航数据接收后送入综合信息处理模块；

(3)使用伪距和载波组合法检测基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数据，判断每个频点上是否有周跳，如果存在周跳，采用前后历元的伪距变化率和载波变化量进行周跳修复，然后进入步骤(4)；若不存在周跳，直接进入步骤(4)；

(4)使用电离层残差法检测基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数据，判断每个频点上是否有周跳，如果存在周跳，采用前后历元的伪距变化率和载波变化量进行周跳修复，进入步骤(5)；若不存在周跳，直接进入步骤(5)；

(5)将基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数据做双差，组成双差方程；采用最小二乘法，对双差方程进行求解，解算出模糊度的浮点解；

(6)利用LAMBDA方法搜索模糊度的固定解，判断模糊度固定解的解算是否成功。