CN105182387A - 一种北斗三频单历元动动模糊度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗三频单历元动动模糊度确定方法，本发明主要解决现有动动定位技术中双频动态确定模糊度基线距离较短、实时性差且可靠性无法得到保证的问题；利用北斗三频信号提供了一种实时可靠地确定短距离动动定位模糊度的单历元方法。该方法基于几何相关模型，并结合M-W无几何模型进行一定的观测值质量控制，忽略短基线的电离层残差，分步确定模糊度。主要包括三个步骤：(1)利用原始伪距及超宽巷相位观测值确定超宽巷模糊度<i>N</i>_(0,-1,1)；(2)利用超宽巷观测值确定两个宽巷模糊度<i>N</i>_(1,0,-1)和<i>？N</i>_(1,-1,0)；(3)利用宽巷观测值，确定三个原始频率的模糊度<i>N</i>₁、<i>N</i>₂和<i>N</i>₃。本发明能够实时可靠地固定短基线动动定位的模糊度。

Description

一种北斗三频单历元动动模糊度确定方法

技术领域

本发明属于北斗三频模糊度实时动态确定技术领域，涉及一种载波相位模糊度解算方法，特别是涉及一种基于北斗卫星导航系统三频信号的动动模糊度单历元确定算法。

背景技术

动态对动态相对定位技术是为了解决两个动态载体之间高精度相对定位问题而产生的技术，基准站无需固定，模糊度正确固定后可以实时精确地确定基准站与流动站之间的相对位置，因此该种定位方式可广泛应用于载体定姿、相对高差测定、航天器空中交会对接、飞机空中加油或舰载飞机着舰等场景中。因此，研究动动定位技术对提高和改进现有动态目标之间定位的精度和可靠性具有重要作用，对航天和国防等技术的发展意义深远。动动定位的核心技术是在双动态条件下快速固定整周模糊度。

目前，我国北斗卫星导航系统全星座卫星播发三个频率的载波信号，其中心频率分别为B1(1561.098MHz)，B2(1207.140MHz)和B3(1268.520MHz)。多位学者的研究表明(Feng，2008；Li，2010；Tang，2013)，相对于单、双频观测值，三频观测能组成更多具有特殊优势的线性组合观测值，如超宽巷/宽巷组合、弱噪声组合、弱电离层组合等，利用这些优秀观测组合通过几何模型、无几何模型等求解模糊度和定位，可显著提高模糊度解算速度和可靠性，突破RTK服务的距离限制，增强定位结果的可用性和可靠性。早在1997年，Forssell等(1997)就开始对三频信号的模糊度解算进行了相关研究，提出了基于三频模糊度的TCAR(ThreeCarrierAmbiguityResolution)方法。Jung(1999)提出了一种利用多频信号解算实时无几何的载波相位模糊度方法，称为CIR(CascadingIntegerResolution)，并通过进一步改善提高了该方法的性能。Teunissen等(2002)将以上两种方法(TCAR,CIR)与LAMBDA方法进行了对比，根据各方法进行估计时采用的原理，指出前两种方法因采用基于无几何关系的整数Bootstrapping导致模糊度解算仅适用于无几何关系模型，而采用整数最小二乘的LAMBDA方法还可用于基于几何关系的模型。后来的学者在此基础上对三频信号的模糊度解算问题做了大量研究，Feng(2008)选择三个最优虚拟信号来削弱电离层的影响，并通过三个步骤逐步从超宽巷到宽巷最后固定窄巷模糊度；此外，Feng等(2008,2009)通过联合基于几何关系的模型和几何约束条件来提高TCAR方法的定位性能，并对大范围观测网络实时数据处理中三频模糊度解算问题进行了研究和总结，给出了几何无关模型和基于几何关系模型的TCAR方法。李博峰等(2008)利用采集的GPS双频观测数据，通过半仿真方法生成第三频率观测值，并用实验来验证了TCAR的性能。

目前研究三频模糊度确定(TCAR,ThreeCarrierAmbiguityResolution)的方法，一类是以直接取整的无几何关系模型为基础的TCAR，它易受各类残余误差影响，可靠性受到限制；另一类是同时包含无几何关系模型和几何相关模型的弱电离层组合的TCAR方法，在第三步利用宽巷模糊度固定窄巷模糊度时，需要花费数分钟进行噪声平滑，无法快速实时确定模糊度。

从以上讨论可以看出，众多学者对三频信号的整周模糊度问题进行了详细分析与讨论，并给出了仿真结果和部分实测结果，但对于动动定位这种采样率较高的定位技术而言，实时可靠的模糊度固定策略尤为关键，而经典的基于无几何模型的TCAR方法可靠性较低，Feng等提出的弱电离层组合的TCAR方法无法实现快速实时定位。

发明内容

本发明主要是解决现有动动定位技术中双频动态确定模糊度基线距离较短、实时性差且可靠性无法得到保证的问题；利用三频信号提供了一种实时可靠地确定短距离动动定位模糊度的单历元方法。

本发明所采用的技术方案是：一种北斗三频单历元动动模糊度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定超宽巷模糊度N_(0,-1,1)；

步骤2：确定两个宽巷模糊度N_(1,0,-1)和N_(1,-1,0)；

步骤3：确定三个原始频率的模糊度N₁、N₂和N₃。

作为优选，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：采集新的历元，计算出超宽巷观测值φ(0,-1,1)、宽巷观测值φ(1,-1,0)及φ(1,0,-1)；

步骤1.2：利用B2、B3频率组成超宽巷M-W组合求得浮点超宽巷模糊度，利用其进行粗略的观测值质量控制；

步骤1.3：利用B1、B2、B3的伪距观测值与超宽巷观测值组成联合方程，方程未知参数仅为基线坐标及超宽巷模糊度；

步骤1.4：通过最小二乘平差计算出超宽巷模糊度的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出超宽巷模糊度N_(0,-1,1)。

作为优选，步骤1.2中所述的进行粗略的观测值质量控制，其实现过程为：设浮点超宽巷模糊度与最近整周的差为△，如果|△|>α，其中α为一个适当的小于0.5的正数，则认为该观测值质量较差，剔除。

作为优选，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：利用步骤1中确定的超宽巷模糊度N(0,-1,1)，恢复出无模糊度的超宽巷观测值；

步骤2.2：利用步骤2.1中恢复后的超宽巷观测值与步骤1.1中的宽巷观测值φ(1,0,-1)组成联合方程，方程未知参数为基线坐标及宽巷模糊度N(1,0,-1)；

步骤2.3：通过最小二乘平差计算出宽巷模糊度N(1,0,-1)的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出宽巷模糊度N(1,0,-1)；

步骤2.4：根据超宽巷模糊度N(0,-1,1)与宽巷模糊度N(1,0,-1)、N(1,-1,0)的线性关系，利用步骤1得到的超宽巷模糊度N(0,-1,1)及步骤2.3中确定的宽巷模糊度N(1,0,-1)，直接确定另一宽巷模糊度N(1,-1,0)。

作为优选，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：利用步骤2中确定的宽巷模糊度N(1,-1,0)和N(1,0,-1)，恢复出对应的完整宽巷观测值；

步骤3.2：利用步骤3.1中恢复后的两组宽巷观测值φ(1,-1,0)及φ(1,0,-1)，与B1的相位观测值φ1组成联合方程，方程未知参数为基线坐标、B1的模糊度N1；

步骤3.3：通过最小二乘平差计算出原始模糊度N1的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出B1频率模糊度N1；

步骤3.4：根据宽巷模糊度N(1,-1,0)、N(1,0,-1)与各原始频率模糊度的线性关系，利用步骤2得到的宽巷模糊度N(1,-1,0)、N(1,0,-1)及步骤3.3中确定的B1频率模糊度N1，直接确定另两组原始频率的模糊度N2及N3。

本发明具有如下优点：1.整个模糊度确定过程分成三个步骤，每个步骤均采用几何相关模型(geometry-basedmode)，并用LAMBDA方法对每个步骤的浮点模糊度进行搜索，增加了模糊度确定的可靠性；2.第一步中，针对动动定位中多路径严重等特点，利用超宽巷M-W组合进行粗略的观测值质量控制，可以很有效的剔除掉个别观测质量很差的卫星，增加了第二、第三步模糊度固定的成功率；3.第二、三步均利用了上一步得到的解算结果恢复出的高精度相位观测值，增加了观测值的数量和质量，进一步保证了模糊度确定的可靠性；4.在确定原始频率模糊度的数学模型中，针对动动定位应用一般基线距离较短的特点，不顾及电离层残差，求解简单而不失可靠性。

附图说明

图1：本发明实施例的动动定位整体流程图

图2：本发明实施例的模糊度固定流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，是本发明实施例的动动定位整体流程图，其中北斗基准站通过单点定位获得本历元的基准站坐标。

请见图2，本发明提供的一种北斗三频单历元动动模糊度确定方法，包括以下步骤：

步骤1：确定超宽巷模糊度N_(0,-1,1)；其具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：采集新的历元，计算出超宽巷观测值φ(0,-1,1)、宽巷观测值φ(1,-1,0)及φ(1,0,-1)；

步骤1.2：利用B2、B3频率组成超宽巷M-W组合求得浮点超宽巷模糊度，利用其进行粗略的观测值质量控制；

M-W组合求浮点超宽巷模糊度公式如(1)所示：

设浮点超宽巷模糊度与最近整周的差为△，如果

|△|>α(2)；

其中α为一个适当的小于0.5的正数，则认为该观测值质量较差，可以剔除。

步骤1.3：利用B1、B2、B3的伪距观测值与超宽巷观测值组成联合方程，方程未知参数仅为基线坐标及超宽巷模糊度；

联合观测方程的形式如(3)所示：

$\left[\begin{array}{c}{l}_{P_1}\\ l_{P_2}\\ l_{P_3}\\ l_{EWL}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}B& 0\\ B& 0\\ B& 0\\ B& I\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_{EWL}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{P_1}\\ v_{P_2}\\ v_{P_3}\\ v_{RWL}\end{array}\right]---\left(3\right);$

其中，l_P1、l_P2、l_P3和l_EWL分别为载波B1、B2和B3上的伪距、以米为单位的超宽巷观测值与几何距离之差。B为北斗观测值的系数矩阵，I为单位阵，λ_EWL为超宽巷观测值的波长，a为基线向量，b为模糊度向量，υ_P1,υ_P2,υ_P3和υ_EWL分别为载波B1、B2、B3上的伪距、超宽巷观测值改正数。

步骤1.4：通过最小二乘平差计算出超宽巷模糊度的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出超宽巷模糊度N_(0,-1,1)。

将利用LAMBDA方法搜索得到的模糊度组代入超宽巷观测值的观测方程，计算出残差的平方和V^TPV。超宽巷模糊度确定成功的判断标准是：

$\left\{\begin{array}{c}ratio>M\\ V^{T}PV==min\end{array}\right.---\left(4\right);$

其中，M为一个定义的正数，一般大于2.0，V为残差，min为最小值。

步骤2：确定两个宽巷模糊度N_(1,0,-1)和N_(1,-1,0)；其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：利用步骤1中确定的超宽巷模糊度N(0,-1,1)，恢复出无模糊度的超宽巷观测值；

步骤2.2：利用步骤2.1中恢复后的超宽巷观测值与步骤1.1中的宽巷观测值φ(1,0,-1)组成联合方程，方程未知参数为基线坐标及宽巷模糊度N(1,0,-1)；

联合观测方程的形式如(5)所示：

$\left[\begin{array}{c}{l}_{EWL}\\ l_{WL13}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}B& 0\\ B& I\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_{WL13}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{EWL}\\ v_{WL13}\end{array}\right]---\left(5\right);$

其中，l_EWL和l_WL13分别为以米为单位的超宽巷观测值及宽巷观测值与几何距离之差。B为北斗观测值的系数矩阵，I为单位阵，λ_WL13为宽巷观测值的波长，a为基线向量，b为模糊度向量，υ_EWL和υ_WL13分别为超宽巷观测值及宽巷观测值的改正数。

步骤2.3：通过最小二乘平差计算出宽巷模糊度N(1,0,-1)的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出宽巷模糊度N(1,0,-1)；

其中宽巷模糊度确定的方法同第一步，见公式(4)。

步骤2.4：根据超宽巷模糊度N(0,-1,1)与宽巷模糊度N(1,0,-1)、N(1,-1,0)的线性关系，利用步骤1得到的超宽巷模糊度N(0,-1,1)及步骤2.3中确定的宽巷模糊度N(1,0,-1)，直接确定另一宽巷模糊度N(1,-1,0)；具体计算公式如下：

N_(1,-1,0)＝N_(0,-1,1)+N_(1,0,-1)(6)；

步骤3：确定三个原始频率的模糊度N₁、N₂和N₃。其具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：利用步骤2中确定的宽巷模糊度N(1,-1,0)和N(1,0,-1)，恢复出对应的完整宽巷观测值；

步骤3.2：利用步骤3.1中恢复后的两组宽巷观测值φ(1,-1,0)及φ(1,0,-1)，与B1的相位观测值φ1组成联合方程，方程未知参数为基线坐标、B1的模糊度N1；

联合观测方程的形式如(7)所示：

$\left[\begin{array}{c}{l}_{WL12}\\ l_{WL13}\\ l_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}B& 0\\ B& 0\\ B& I\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{v}_{WL12}\\ v_{WL13}\\ v_1\end{array}\right]---\left(7\right);$

其中，l_WL12、l_WL13和l₁分别为以米为单位的宽巷观测值及原始观测值与几何距离之差。B为北斗观测值的系数矩阵，I为单位阵，λ₁为B1信号的波长，a为基线向量，b为模糊度向量；υ_WL12、υ_WL13和υ₁分别为宽巷观测值及原始观测值的改正数。

步骤3.3：通过最小二乘平差计算出原始模糊度N1的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出B1频率模糊度N1；

步骤3.4：根据宽巷模糊度N(1,-1,0)、N(1,0,-1)与各原始频率模糊度的线性关系，利用步骤2得到的宽巷模糊度N(1,-1,0)、N(1,0,-1)及步骤3.3中确定的B1频率模糊度N1，直接确定另两组原始频率的模糊度N2及N3；具体计算公式如下：

$\{\begin{array}{c}{N}_2=N_1-N_{(1,-1,0)}\\ N_3=N_1-N_{(1,0,-1)}\end{array}---\left(8\right);$

最后利用N₁和N₂、N₃的线性约束关系，同时结合1.4中的方法，验证模糊度解算的正确性。具体标准如下：

$\left\{\begin{array}{c}ratio>M\\ V^{T}PV=min\\ ({\mathrm{kN}}_i+b)-N_1<\mathrm{\&delta;}(i=2,3)\end{array}\right.---\left(9\right);$

其中，(9)式中第三个不等式左边为N₂、N₃与N₁之间的线性关系；δ为一个给定的正数限差，范围是0.1～0.5，k和b为常数。

本发明基于几何相关模型，同时采用无几何模型对超宽巷模糊度进行质量控制与检核，提出一种适于动动定位的三频模糊度解算方法，该方法能单历元可靠地固定短基线模糊度。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种北斗三频单历元动动模糊度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定超宽巷模糊度N_(0,-1,1)；

步骤2：确定两个宽巷模糊度N_(1,0,-1)和N_(1,-1,0)；

步骤3：确定三个原始频率的模糊度N₁、N₂和N₃。

2.根据权利要求1所述的北斗三频单历元动动模糊度确定方法，其特征在于：步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：采集新的历元，计算出超宽巷观测值φ(0,-1,1)、宽巷观测值φ(1,-1,0)及φ(1,0,-1)；

步骤1.2：利用B2、B3频率组成超宽巷M-W组合求得浮点超宽巷模糊度，利用其进行粗略的观测值质量控制；

步骤1.3：利用B1、B2、B3的伪距观测值与超宽巷观测值组成联合方程，方程未知参数仅为基线坐标及超宽巷模糊度；

步骤1.4：通过最小二乘平差计算出超宽巷模糊度的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出超宽巷模糊度N_(0,-1,1)。

3.根据权利要求2所述的北斗三频单历元动动模糊度确定方法，其特征在于：步骤1.2中所述的进行粗略的观测值质量控制，其实现过程为：设浮点超宽巷模糊度与最近整周的差为Δ，如果|Δ|>α，其中α为一个适当的小于0.5的正数，则认为该观测值质量较差，剔除。

4.根据权利要求2所述的北斗三频单历元动动模糊度确定方法，其特征在于：步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：利用步骤1中确定的超宽巷模糊度N(0,-1,1)，恢复出无模糊度的超宽巷观测值；

步骤2.2：利用步骤2.1中恢复后的超宽巷观测值与步骤1.1中的宽巷观测值φ(1,0,-1)组成联合方程，方程未知参数为基线坐标及宽巷模糊度N(1,0,-1)；步骤2.3：通过最小二乘平差计算出宽巷模糊度N(1,0,-1)的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出宽巷模糊度N(1,0,-1)；

步骤2.4：根据超宽巷模糊度N(0,-1,1)与宽巷模糊度N(1,0,-1)、N(1,-1,0)的线性关系，利用步骤1得到的超宽巷模糊度N(0,-1,1)及步骤2.3中确定的宽巷模糊度N(1,0,-1)，直接确定另一宽巷模糊度N(1,-1,0)。

5.根据权利要求3所述的北斗三频单历元动动模糊度确定方法，其特征在于：步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：利用步骤2中确定的宽巷模糊度N(1,-1,0)和N(1,0,-1)，恢复出对应的完整宽巷观测值；

步骤3.2：利用步骤3.1中恢复后的两组宽巷观测值φ(1,-1,0)及φ(1,0,-1)，与B1的相位观测值φ1组成联合方程，方程未知参数为基线坐标、B1的模糊度N1；

步骤3.3：通过最小二乘平差计算出原始模糊度N1的浮点解，利用LAMBDA方法进行搜索，得到模糊度组及相应的ratio值，确定出B1频率模糊度N1；

步骤3.4：根据宽巷模糊度N(1,-1,0)、N(1,0,-1)与各原始频率模糊度的线性关系，利用步骤2得到的宽巷模糊度N(1,-1,0)、N(1,0,-1)及步骤3.3中确定的B1频率模糊度N1，直接确定另两组原始频率的模糊度N2及N3。