CN106443729B - 一种gnss自适应伪距-相位权比确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种GNSS自适应伪距‑相位权比确定方法，属于卫星导航定位技术领域。该方法在GNSS定位数据处理过程中基于Melbourne‑Wubbena组合观测值和历元间三次差分的相位观测值之差ΔL”'4的离散程度，采用滑动窗口和衰减记忆法实时估计伪距和相位的噪声，计算伪距和相位的噪声比作为定位随机模型中伪距‑相位权比指标，实现GNSS自适应伪距‑相位权比的确定。本发明所提供的自适应伪距‑相位权比确定方法能有效提高定位精度和收敛时间，尤其是在观测值伪距噪声较大时，采用自适应伪距‑相位权比的GNSS定位结果精度和收敛速度提高更明显。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，涉及一种GNSS自适应伪距-相位权比确定方法。
背景技术
全球卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)是利用卫星发射无线电信号进行精确测距和测时，为全球接收机用户提供三维、全天候、高精度的定位、导航和授时服务(Positioning,Navigation andTiming，PNT)的系统，已成为重要的军民两用的空间基础设施。
在进行GNSS精密定位过程中，需要利用GNSS伪距观测值和相位观测值联合解算。单独利用伪距观测值由于噪声水平较大，定位精度较低不能满足精密定位需求。相位观测值噪声虽远小于为观测值噪声，但离开伪距无法实时估计整周模糊度。由于伪距和相位观测值噪声和精度的差别，在随机模型中需要确定伪距和相位的权比。
传统的随机先验函数中伪距和相位比为一个常数，这个常数项通常为经验值。目前，国际上一些知名的GNSS数据精密处理软件普遍采用的伪距-相位噪声比值为102-103。在卫星高度角或信噪比强度较大时，直接通过固定伪距和相位观测值的方差比值实现随机模型的赋值。这种方法有其合理性，经大量试验适用于一般情况，且通常取得了很好的效果。
然而，实际测量中，接收机及天线的型号差异会造成伪距和相位的噪声值存在不同。观测值的随机噪声不用一个固定的经验模型适用于所有接收机。当伪距噪声较大或者较小时，简单地固定伪距-相位噪声比，势必会造成部分伪距或相位观测值在定位中权比虚高或虚低的假象，从而偏离定位随机性的真实分布。因此，在定位解算过程中确定与实际观测值相符合的伪距-相位权比至关重要，对提高定位精度和模糊度收敛速度均具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于解决现有伪距-相位权比的固定值确定方法具有局限性而导致部分伪距或相位观测值在定位中权比虚高或虚低的问题，提出一种GNSS自适应伪距-相位权比确定方法。该方法在GNSS定位数据处理过程中基于MW组合观测值和历元间三次差分的相位观测值之差ΔL”’4的离散程度，采用滑动窗口和衰减记忆法实时估计伪距和相位的噪声，计算伪距和相位的噪声比作为定位随机模型中伪距-相位权比指标，实现GNSS自适应伪距-相位权比的确定。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种GNSS自适应伪距-相位权比确定方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：对原始载波相位观测值进行周跳探测、修复及粗差观测值剔除，获得“干净”的载波相位观测值；
步骤二：基于双频伪距和步骤一得到的相位观测值，通过以下公式逐历元逐卫星计算MW组合观测值和历元间三次差分的ΔL”’4观测值，
(1)GNSS原始的伪距和载波相位观测方程为：
其中，r为接收机号，s为卫星号，下标j(j＝1，2)为信号频率序号，为卫星至接收机之间真实几何距离，c是真空中光的传播速度，dtr和dts分别为r号接收机和s号卫星端的钟误差，Ts为斜路径对流层延迟，为第j频率倾斜路径上的电离层延迟，是相位观测值的整周模糊度，λj是第j频率载波波长，表示伪距测量噪声，表示载波测量噪声；
(2)基于双频伪距和相位观测值逐历元逐卫星计算MW组合观测值：
其中，P1、P2分别为相应频率上的P码观测值，分别为相应频率上的载波相位观测值，f1、f2分别为P1、P2的频率；宽巷模糊度NWL＝N2-N1，其中N1、N2为双频观测值整周模糊度，而λWL为MW观测值即宽巷观测值的波长，计算公式为λWL＝c/(f1-f2)。当未发生周跳，且忽略相位观测值噪声影响时，N1、N2为常数，由此得到的MW组合观测值也将围绕某常数附近波动；
(3)双频相位距离观测值相减，得到L4观测值表达式为：
其中A＝-40.3Ne，Ne为卫星传播路径上的总电子含量；
当相位观测值没有周跳和粗差影响时，对L4观测值进行相隔历元间求差，通过一次差消除整周模糊度项，通过二次差消除电离层变化的趋势项，通过三次差获得相位观测值噪声，三次差进行整理后得到如下公式：
其中等式右边分别为相邻各历元时刻的L4观测值，所以，ΔL”’4中包含电离层延迟的高阶项、多路径效应和相位观测值噪声，在定位函数模型中这些项无法分离，可整体当做相位观测值噪声用于加权；
步骤三：步骤二计算得到的MW组合观测值和ΔL”’4观测值都包含了多路径效应，为了尽量削弱多路径影响，同时又能灵敏地跟踪伪距和相位噪声的时变特性，本发明采用的折中且有效的方法是将滑动窗口的长度固定为5～10分钟，有n个历元的观测值，对MW观测值和ΔL”’4观测值序列进行去均值化处理：
MWi'＝MWi-＜MW＞
Δ'i＝Δi-＜Δ＞
式中，＜MW＞和＜Δ＞分别为MW和ΔL”’4观测值滑动窗口连续弧段内的平均值，MWi'、Δ'i分别为去均值后历元时刻i的MW观测值和ΔL”’4观测值，MWi、Δi分别为去均值前历元时刻i的MW观测值和ΔL”’4观测值；
步骤四：为达到了动态跟踪伪距和相位时变噪声的目的，引入衰减因子削弱与当前历元i时间间隔较长的历元信息对瞬时方差计算的贡献，计算历元时刻i的MW组合观测值和ΔL”’4观测值的方差：
式中，β(0<β≤1)为衰减因子，采用以下方法计算：
步骤五：认为不同频率上的观测值噪声相同，根据误差传播定律可以还原历元时刻i的伪距和相位噪声标准差：
其中，和分别为伪距和相位观测值噪声，计算得到各个历元自适应的伪距-相位权比。需要说明的是：MW组合观测值和ΔL”’4都包含了多路径效应，而多路径效应具有一定的周期性。当滑动窗口的长度n较小时，利用上述方法计算的伪距方差浮动较大，难以反映出多路径效应的周期性影响，当滑动窗口长度n较大时，又会降低伪距精度跟踪的灵敏度。经大量实验分析和验证，本方法中采用折中且有效的方法是将滑动窗口的长度固定为5～10分钟。
本发明的优点和有益效果：
该方法基于MW组合观测值不仅能消除电离层延迟、对流层延迟，也能消除卫星钟差、接受机钟差和卫星至接收机之间的几何距离等误差，具有仅受模糊度、测量噪声和多路径误差影响的特性，根据MW组合观测值离散程度，采用滑动窗口和衰减记忆法实时估计伪距噪声；基于历元间三次差分的ΔL”’4观测值消除对流层延迟、卫星钟差、接受机钟差、整周模糊度等误差，仅受呈现白噪声特性的电离层残差、测量噪声和多路径误差影响的特性实时估计相位噪声，从而得到自适应的伪距-相位权比。本发明所提供的自适应伪距-相位权比确定方法能有效提高定位精度和收敛时间，尤其是在观测值伪距噪声较大时，采用自适应伪距-相位权比的GNSS定位结果精度和收敛速度提高更明显。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
图2 MW组合观测值序列
图3ΔL”’4观测值序列
图4静态PPP固定比与自适应伪距-相位权比精度比较，其中，a图表示东方向(East)精度，b图表示北方向(North)精度，c图表示上方向(Up)精度。
图5动态PPP固定比与自适应伪距-相位权比精度比较，其中，a图表示东方向(East)精度，b图表示北方向(North)精度，c图表示上方向(Up)精度。
具体实施方式
一种GNSS自适应伪距-相位权比确定方法
本发明方法基于MW组合观测值和历元间三次差分的无几何距离观测值ΔL”’4的离散程度实时估计伪距观测值的噪声，计算相位和伪距的噪声比作为定位随机模型中伪距-相位权比指标，确定伪距-相位权比的流程如图1所示。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，分别在静态、静态模拟动态的GPS精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)中使用本方法，从定位精度、收敛性方面来对比分析固定比和自适应伪距-相位权比方法的定位性能。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
(1)数据选取：实验选取了10组采样间隔为10秒的实测数据进行解算，实验数据具体信息如表1所示。
表1实测GPS数据信息
采用的上述实测数据，特点为普遍伪距噪声较大，且个别测站观测时长较短，但这不影响本文对比分析固定比和自适应伪距-相位权比两种方法；
(2)对原始载波相位观测值进行周跳探测、修复及粗差观测值剔除，获得“干净”的载波相位观测值，具体方法如下：
联合采用GF(Geometry-Free)和MW组合的TurboEdit方法进行粗差和周跳探测，宽巷模糊度计算公式为：
如果L1、L2上都没有发生周跳，则NWL为一常量；如果任何一个频率上发生周跳，或者同时发生不同大小的周跳，则NWL会发生突变，因此可以构造周跳检验量DMW：
DMW＝|NMW,i-＜NMW＞i-1|≥4σi
其中，＜NMW＞和σ一般采用以下的递推公式进行计算得到：
GF组合观测值可表示为：
LGF＝L1-L2＝(γ-1)I+(λ1N1-λ2N2)
其中，是L1和L2信号的频率平方的比值。传统周跳检验量为：
DifGF＝LGF,i-LGF,i-1
该检验量是基于历元间电离层变化较为平稳的前提上得到的，考虑到低高度角卫星的DifGF序列仍具有较大的趋势项，因此本发明同时采用DifGF的差分序列，也即GF二次差作为周跳检验量：
Dif’GF＝DifGF,i-DifGF,i-1
(3)基于双频伪距和相位观测值逐历元逐卫星计算MW组合观测值和历元间三次差分的ΔL”’4观测值，通过以下公式计算：
a)GNSS原始的伪距和载波相位观测方程为：
其中，r为接收机号，s为卫星号，下标j(j＝1，2)为信号频率序号，为卫星至接收机之间真实几何距离，c是真空中光的传播速度，dtr和dts分别为r号接收机和s号卫星端的钟误差，Ts为斜路径对流层延迟，为第j频率倾斜路径上的电离层延迟，是相位观测值的整周模糊度，λj是第j频率载波波长，表示伪距测量噪声，表示载波测量噪声；
b)基于双频伪距和相位观测值逐历元逐卫星计算MW组合观测值：
其中，P1、P2分别为相应频率上的P码观测值，为分别为相应频率上的载波相位观测值，f1、f2分别为P1、P2的频率，宽巷模糊度NWL＝N2-N1，其中N1、N2为双频观测值整周模糊度模糊度，而λWL为MW观测值即宽巷观测值的波长，计算公式为λWL＝c/(f1-f2)，以GPS为例，载波的频率f1＝1575.42MHz、f2＝1227.60MHz，λWL大小约为86.19厘米。当未发生周跳，且忽略相位观测值噪声影响时，N1、N2为常数，由此得到的MW组合观测值也将围绕某常数附近波动，以K5081站观测值中GPS G01号卫星观测数据为例，计算得到的MW组合观测值序列如图2所示；
c)双频相位距离观测值相减，得到L4观测值表达式为：
其中A＝-40.3Ne，Ne为卫星传播路径上的总电子含量；
当相位观测值没有周跳和粗差影响时，对L4观测值进行相隔历元间求差，通过一次差消除整周模糊度项，通过二次差消除电离层变化的趋势项，通过三次差获得相位观测值噪声，三次差进行整理后得到如下公式：
其中等式右边分别为相邻各历元时刻的L4观测值，所以，ΔL”’4中包含电离层延迟的高阶项、多路径效应和相位观测值噪声，在定位函数模型中这些项无法分离，可整体当做相位观测值噪声用于加权，依然以K5081站观测值中GPS G01号卫星观测数据为例，计算得到的ΔL”’4观测值序列如图3所示；
(4)计算得到的MW组合观测值和ΔL”’4观测值都包含了多路径效应，为了尽量削弱多路径影响，同时又能灵敏地跟踪伪距和相位噪声的时变特性，此实验采用的折中且有效的方法是将滑动窗口的长度固定为10分钟，有n个历元的观测值，对MW观测值和ΔL”’4观测值序列进行去均值化处理：
MWi'＝MWi-＜MW＞
Δ'i＝Δi-＜Δ＞
式中，＜MW＞和＜Δ＞分别为MW和ΔL”’4观测值滑动窗口连续弧段内的平均值，MWi'、Δ'i分别为去均值后历元时刻i的MW观测值和ΔL”’4观测值，MWi、Δi分别为去均值前历元时刻i的MW观测值和ΔL”’4观测值；
(5)为达到了动态跟踪伪距和相位时变噪声的目的，引入衰减因子削弱相对较“旧”的信息对瞬时方差计算的贡献，计算历元时刻i的MW组合观测值和ΔL”’4观测值的方差：
式中，β(0<β≤1)为衰减因子，采用以下方法计算：
(6)认为不同频率上的观测值噪声相同，根据误差传播定律可以还原历元时刻i的伪距和相位噪声标准差：
其中，和分别为伪距和相位观测值噪声，计算得到各个历元自适应的伪距-相位权比，以2014年7月1日K5081站观测值中GPS G01号卫星部分观测数据为例，计算得到的和以及自适应的伪距-相位权比如表2所示：
表2伪距、相位噪声以及自适应的伪距-相位权比
| 历元时刻 | 伪距噪声(米) | 相位噪声(毫米) | 伪距-相位权比 |
| 6：24：0.0 | 0.485 | 2.471 | 1：196 |
| 6：24：10.0 | 0.493 | 2.476 | 1：199 |
| 6：24：20.0 | 0.491 | 2.453 | 1：200 |
| 6：24：30.0 | 0.488 | 2.411 | 1：202 |
| 6：24：40.0 | 0.482 | 2.374 | 1：203 |
| 6：24：50.0 | 0.478 | 2.353 | 1：203 |
| 6：25：0.0 | 0.474 | 2.336 | 1：203 |
| 6：25：10.0 | 0.473 | 2.328 | 1：203 |
| 6：25：20.0 | 0.472 | 2.323 | 1：203 |
| 6：25：30.0 | 0.473 | 2.320 | 1：204 |
| 6：25：40.0 | 0.469 | 2.320 | 1：202 |
| 6：25：50.0 | 0.464 | 2.322 | 1：200 |
| 6：26：0.0 | 0.462 | 2.331 | 1：198 |
| 6：26：10.0 | 0.458 | 2.335 | 1：196 |
| 6：26：20.0 | 0.454 | 2.323 | 1：196 |
| 6：26：30.0 | 0.453 | 2.318 | 1：195 |
| 6：26：40.0 | 0.450 | 2.318 | 1：194 |
| 6：26：50.0 | 0.446 | 2.320 | 1：192 |
| 6：27：0.0 | 0.441 | 2.313 | 1：190 |
| 6：27：10.0 | 0.439 | 2.302 | 1：191 |
(7)将上述自适应伪距-相位权比和固定为1:100的传统伪距-相位权比分别代入Kalman滤波随机过程中，实时估计位置坐标、接收机钟差、对流层延迟湿分量等参数。对二者定位结果的精度进行比较，如图4和图5所示。
图4和图5给出了各测站静态和动态PPP固定比与自适应伪距-相位权比结果精度比较，其中，a、b和c图分别表示东方向(East)、北方向(North)和上方向(Up)精度。从中可以看出，自适应伪距-相位权比的结果较固定伪距-相位权比为1:100的结果精度都有一定提高，伪距噪声越大，精度提高越明显，例如K5081、K5082、SN21、SN22和SN32站，伪距噪声都超过0.6米，而固定伪距-相位权比的缺省伪距噪声为0.3米，所以在自适应方法中相位权比升高了1倍以上，对应的测站定位精度提高非常明显。统计结果显示，使用自适应伪距-相位权比的结果位置偏差均方差在E方向上平均提高23.4％，N方向上平均提高13.8％，U方向上平均提高17.7％。实验结果表明，与传统的固定伪距-相位比相比，采用自适应伪距-相位比在伪距噪声较大的情况下可以有效缩短收敛时间，并能在一定程度上提高定位精度。当数据质量越差，本方法的优势越明显。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (3)
1.一种GNSS自适应伪距-相位权比确定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：对原始载波相位观测值进行周跳探测、修复及粗差观测值剔除，获得“干净”的载波相位观测值；
步骤二：基于双频伪距和步骤一得到的相位观测值逐历元逐卫星计算MW组合观测值和相位观测值历元间三次差分后得到的观测值，表示为ΔL″′4；
步骤三：设置滑动窗口的长度固定为5～10分钟，有n个历元的观测值，对步骤二得到的MW观测值和ΔL″′4观测值序列进行去均值化处理：
MW′i＝MWi-＜MW＞
Δ′i＝Δi-＜Δ＞
式中，＜MW＞和＜Δ＞分别为MW和ΔL″′4观测值滑动窗口连续弧段内的平均值，MW′i、Δ′i分别为去均值后历元时刻i的MW观测值和ΔL″′4观测值，MWi、Δi分别为去均值前历元时刻i的MW观测值和ΔL″′4观测值；
步骤四：引入衰减因子削弱与当前历元i时间间隔较长的历元信息对瞬时方差计算的贡献，计算历元时刻i的MW组合观测值和ΔL″′4观测值的方差：
式中，β(0<β≤1)为衰减因子，采用以下方法计算：
0≤k≤n-1；
步骤五：根据误差传播定律能够还原历元时刻i的伪距和相位噪声标准差，计算得到各个历元自适应的伪距-相位权比。
2.根据权利要求1所述的GNSS自适应伪距-相位权比确定方法，其特征在于所述步骤二通过以下公式计算MW组合观测值和历元间三次差分的ΔL″′4观测值，
(1)GNSS原始的伪距和载波相位观测方程为：
其中，r为接收机号，s为卫星号，下标j(j＝1，2)为信号频率序号，为卫星至接收机之间真实几何距离，c是真空中光的传播速度，dtr和dts分别为r号接收机和s号卫星端的钟误差，Ts为斜路径对流层延迟，为第j频率倾斜路径上的电离层延迟，是相位观测值的整周模糊度，λj是第j频率载波波长，表示伪距测量噪声，表示载波测量噪声；
(2)基于(1)中所列双频伪距和相位观测值逐历元逐卫星计算MW组合观测值：
其中，P1、P2分别为相应频率上的P码观测值，分别为相应频率上的载波相位观测值，f1、f2分别为P1、P2的频率；宽巷模糊度NWL＝N2-N1，其中N1、N2为双频观测值整周模糊度，而λWL为MW观测值即宽巷观测值的波长，计算公式为λWL＝c/(f1-f2)；当未发生周跳，且忽略相位观测值噪声影响时，N1、N2为常数，由此得到的MW组合观测值也将围绕某常数附近波动；
(3)基于(1)中所列双频相位距离观测值相减，得到L4观测值表达式为：
其中A＝-40.3Ne，Ne为卫星传播路径上的总电子含量；
当相位观测值没有周跳和粗差影响时，对L4观测值进行相隔历元间求差，通过一次差消除整周模糊度项，通过二次差消除电离层变化的趋势项，通过三次差获得相位观测值噪声，三次差进行整理后得到如下公式：
其中等式右边分别为相邻各历元时刻的L4观测值，所以，ΔL″′4中包含电离层延迟的高阶项、多路径效应和相位观测值噪声，在定位函数模型中这些项无法分离，可整体当做相位观测值噪声用于加权。
3.根据权利要求1所述的GNSS自适应伪距-相位权比确定方法，其特征在于所述步骤五中：根据误差传播定律能够还原历元时刻i的伪距和相位噪声标准差为：
其中，和分别为伪距和相位观测值噪声。
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