CN106772512B - 一种基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星精密导航与定位领域，具体涉及了基于载波相位的高精度定位的基于消电离层‑噪声约束的三频模糊度解算方法。本发明包括：(1)设三频信号满足如下条件：f1>f2>f3；f1‑f2>f2‑f3；(2)建立宽巷模糊度解算模型；(3)建立窄巷模糊度解算模型。相比于传统方法，该方法提供一种新的构造三频组合观测量的新思路，通过利用TCAR不同环节的模糊度约束关系，来扩展组合系数的搜索范围，为寻求更优的组合策略提供了理论基础。利用此不同环节的模糊度约束关系，该方法能够同时针对电离层延迟与组合噪声两种误差进行约束，在TCAR各级构建消电离层‑噪声约束组合，有效消除了电离层延迟与组合噪声对模糊度解算可靠性所带来的干扰。
Description
技术领域
本发明属于卫星精密导航与定位领域，具体涉及了基于载波相位的高精度定位的基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法。
背景技术
整周模糊度解算是卫星导航实现高精度定位的关键技术之一。随着全球卫星导航系统的现代化，三频信号的播发为提升整周模糊度解算效率提供了契机。为此，一种执行模糊度逐级解算的三频模糊度解算(TCAR)方法被提出，相应针对性的改进方法也开展了深入研究。大量研究表明，电离层误差与组合噪声是影响模糊度解算可靠性的两个主要因素。因此，必须同时针对电离层误差与组合噪声两种因素进行消除或者减弱处理，才能有效提升模糊度解算的可靠性。
考虑上述两种影响因素，在改进TCAR方法中一类是采用电离层估计算法，在观测模型中建立电离层模型用以吸收电离层延迟所带来的误差影响，算法无需通过组合方式减弱电离层干扰，从而避免了组合噪声被放大的弊端。但是，该算法的解算性能依赖于电离层建模精度，而且观测模型所增加的电离层参数还会减弱解算模型的强度。除了电离层估计算法，通过构造最优的三频组合策略用以同时压制电离层误差与组合噪声的算法研究也被广泛关注。该类算法会针对于不同误差处理准则进行组合系数的选取。通常采用的误差处理准则有：消电离层准则与弱电离层准则。消电离层准则能够保证算法不受电离层延迟的干扰，但组合噪声通常会被异常放大，这将严重影响模糊度解算的快速性与可靠性。为了能够获得正确的模糊度解算，多历元平滑的方法通常被采用来降低组合噪声的影响。为了折中电离层消除与组合噪声被严重放大的矛盾，弱电离层准则被提出。该准则通过在减弱电离层与减弱组合噪声两者间取得平衡，在电离层误差容许的范围内，搜索最优的组合系数以期最大程度的降低组合噪声。然而，该方法中所残余的电离层误差始终是影响模糊度解算可靠性的威胁。
由于电离层会受到昼夜、季节、太阳活动、时空变化等多重因素影响，使得电离层模型难以实时准确的建模与预测。这将会影响电离层估计算法的模糊度解算性能。同时，弱电离层组合算法也会受到残余电离层因素的影响，难以保证其解算的可靠性。相反，消电离层组合算法可以有效消除电离层延迟所带来的影响，但是当前的消电离层组合算法难以避免组合噪声被严重放大的缺陷。尽管一些改进方法通过利用上级模糊度解算提供的高精度去模糊度相位观测量，来减小组合噪声放大系数，但是始终未能将组合噪声减弱到令人满意的噪声水平。因此，如何充分利用三频信号优势，从而有效降低消电离组合的噪声水平，是提升三频模糊度解算可靠性的关键问题所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种充分利用三频信号优势，有效降低消电离层组合的噪声水平，提升模糊度解算的可靠性的基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)设三频信号满足如下条件：f1>f2>f3；f1-f2>f2-f3：
(1.1)利用频率f2与f3的载波相位与伪距观测量，构造消电离层-几何无关的EWL组合；
(1.2)通过就近取整算法实施EWL模糊度解算，为下级环节模糊度解算提供正确的EWL模糊度与精确的EWL去模糊度载波相位观测量；
(2)建立宽巷模糊度解算模型
(2.1)利用频率f1与f2及f1与f3的载波相位观测量构造两个WL组合；通过步骤(1)所提供的正确EWL模糊度值，统一化两个WL组合的模糊度值，进而依据消电离层准则，构造出新的消电离层-几何相关的WL组合；
(2.2)利用步骤(1)提供的具有高精度的EWL去模糊度载波相位观测量与伪距与已构造的WL组合相结合，构造一种新的消电离层-几何相关组合；在确定伪距组合系数时，以组合噪声最小为准则，进行系数搜索，满足具有低组合噪声水平的需求；
(2.3)利用步骤(2.1)与步骤(2.2)提供的具有相同模糊度信息的两个新的消电离层-几何相关的WL组合，构建线性观测方程；为下级环节模糊度解算提供正确的WL模糊度值；
(3)建立窄巷模糊度解算模型
(3.1)利用步骤(1)提供的EWL模糊度值与步骤(2)提供的WL模糊度值，统一化三频原始载波相位观测量的模糊度值，依据消电离层准则，利用f1与f2载波相位观测量构造一个消电离层-几何相关的NL组合及利用f1与f3载波相位观测量构造另外一个消电离层-几何相关的NL组合；
(3.2)利用步骤(3.1)提供的具有相同模糊度值的两个新的消电离层-几何相关的NL组合，构建线性观测方程；两个NL组合同时具有相同的模糊度值项，增加待求模糊度的冗余观测信息，并为下级环节模糊度解算提供正确的NL模糊度值；
(3.3)通过步骤(3.2)中正确解算的NL模糊度，利用贝叶斯后验算法修正步骤(3.2)中的位置状态浮点解，形成位置状态固定解，从而实现高精度导航的目的。
所述的步骤(1)中利用f2与f3构造了消电离层-几何无关的EWL组合，具有较小的噪声与波长比，为下级模糊度解算环节提供正确EWL模糊度解及具有高精度的EWL去模糊度载波相位观测量。
所述的步骤(2)在WL模糊度解算环节提出两种新的消电离层组合方法，利用EWL模糊度形成了两个WL组合的模糊度约束，统一化两个WL组合的模糊度值，并根据消电离层准则，构建消电离层组合观测量；利用的EWL去模糊度载波相位观测量，构造结合伪距观测量的消电离层组合策略。
步骤(2)利用两种具有相同模糊度值的新的消电层-噪声约束的组合观测量构造了WL的线性观测方程，方程增加了待求模糊度的冗余观测信息，能够有效提升WL模糊度的估计精度，进而提升LAMBDA算法模糊度解算的可靠性。
本发明的有益效果在于：
相比于传统方法，该方法提供一种新的构造三频组合观测量的新思路，通过利用TCAR不同环节的模糊度约束关系，来扩展组合系数的搜索范围，为寻求更优的组合策略提供了理论基础。利用此不同环节的模糊度约束关系，该方法能够同时针对电离层延迟与组合噪声两种误差进行约束，在TCAR各级构建消电离层-噪声约束组合，有效消除了电离层延迟与组合噪声对模糊度解算可靠性所带来的干扰。同时，该方法在WL与NL观测方程中，利用了具有相同模糊度值的两个观测量构造观测方程，这将会增强待求模糊度的冗余观测信息，有助于提升模糊度的浮点解及相应协方差的精度，进而有效提升LAMBDA算法解算模糊度的成功率。因此，这种新的方法具有更好的模糊度解算的性能是可以被预见的。
附图说明
图1为基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提出一种基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法。该方法不仅利用了上级模糊度解算提供的高精度去模糊度载波相位观测量来抑制组合噪声，还深入挖掘了不同模糊度解算环节中各级模糊度的约束关系，从而扩充了消电离层组合的系数集，为构造低噪声水平的消电离层组合策略提供了基础，实现了TCAR的各级环节均采用消电离层-噪声约束的组合观测量实施模糊度解算的目的。由于每级消电离层组合噪声均被有效约束，因此，这种新的方法具有更好的模糊度解算的性能是可以被预见的。
为了方便描述，假设三频信号满足如下条件：(1)f1>f2>f3；(2)f1-f2>f2-f3。该方法具体的解决方案如下：
步骤1：建立超宽巷(EWL)模糊度解算模型
步骤1.1：利用频率f2与f3的载波相位与伪距观测量，构造消电离层-几何无关的EWL组合。
步骤1.2：通过就近取整算法实施EWL模糊度解算，为下级环节模糊度解算提供正确的EWL模糊度与精确的EWL去模糊度载波相位观测量；
步骤2：建立宽巷(WL)模糊度解算模型
步骤2.1：利用频率f1与f2及f1与f3的载波相位观测量构造两个WL组合。通过步骤1所提供的正确EWL模糊度值，统一化两个WL组合的模糊度值，进而依据消电离层准则，构造出新的消电离层-几何相关的WL组合，保证较低的噪声水平；
步骤2.2：由于几何相关项的存在，需要考虑系统观测模型的迭亏问题。为了消除模型迭亏现象，需要构建另外一个消电离层-几何相关的WL组合，而且保证具有较低的噪声水平。利用步骤1提供的具有高精度的EWL去模糊度载波相位观测量与伪距与已构造的WL组合相结合，构造一种新的消电离层-几何相关组合。在确定伪距组合系数时，需要以组合噪声最小为准则，进行系数搜索，满足具有低组合噪声水平的需求；
步骤2.3：利用步骤2.1与步骤2.2提供的具有相同模糊度信息的两个新的消电离层-几何相关的WL组合，构建线性观测方程。由于两个WL组合均具有相同的模糊度值，这增加了待求模糊度的冗余观测信息，将会有效提升WL模糊度的浮点解及相应协方差矩阵的精度，提高了LAMBDA算法实施模糊度解算的成功率，并为下级环节模糊度解算提供正确的WL模糊度值。
步骤3：建立窄巷(NL)模糊度解算模型
步骤3.1：利用步骤1提供的EWL模糊度值与步骤2提供的WL模糊度值，统一化三频原始载波相位观测量的模糊度值，依据消电离层准则，利用f1与f2载波相位观测量构造一个消电离层-几何相关的NL组合及利用f1与f3载波相位观测量构造另外一个消电离层-几何相关的NL组合；
步骤3.2：利用步骤3.1提供的具有相同模糊度值的两个新的消电离层-几何相关的NL组合，构建线性观测方程。两个NL组合同时具有相同的模糊度值项，这将会增加待求模糊度的冗余观测信息，有效提升NL模糊度的浮点解及相应协方差矩阵的精度，提高了LAMBDA算法实施模糊度解算的成功率，并为下级环节模糊度解算提供正确的NL模糊度值。
步骤3.3：通过步骤3.2中正确解算的NL模糊度，利用贝叶斯后验算法修正步骤3.2中的位置状态浮点解，形成位置状态固定解，从而实现高精度导航的目的。
步骤1中利用f2与f3构造了消电离层-几何无关的EWL组合，具有较小的噪声与波长比，能够快速实现可靠的模糊度解算，并为下级模糊度解算环节提供正确EWL模糊度解及具有高精度的EWL去模糊度载波相位观测量。
步骤2在WL模糊度解算环节提出两种新的消电离层组合方法，其一是利用EWL模糊度形成了两个WL组合的模糊度约束，统一化两个WL组合的模糊度值，并根据消电离层准则，构建了一个具有较低噪声水平的消电离层组合观测量；其二是利用高精度的EWL去模糊度载波相位观测量，构造了一种结合伪距观测量的具有较低噪声水平的消电离层组合策略。
步骤2利用两种具有相同模糊度值的新的消电层-噪声约束的组合观测量构造了WL的线性观测方程，方程增加了待求模糊度的冗余观测信息，能够有效提升WL模糊度的估计精度，进而提升LAMBDA算法模糊度解算的可靠性。
步骤3在NL模糊度解算环节提出两种新的消电离层组合方法，两者均利用EWL模糊度与WL模糊度相结合形成了三个原始载波相位观测量的模糊度约束，统一化三个相位观测的模糊度值，并根据消电离层准则，构建了两个具有较低噪声水平的消电离层组合观测量。
步骤3利用具有相同模糊度值的两种新的消电层-噪声约束的组合观测量构造了NL的线性观测方程，方程增加了待求模糊度的冗余观测信息，能够有效提升NL模糊度的估计精度，进而提升LAMBDA算法模糊度解算的可靠性。
下面以北斗系统的三频信号即：B1＝1561.098MHZ，B2＝1207.14MHZ，B3＝1268.52MHZ作为实施例，并结合附图1，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
步骤1：建立超宽巷(EWL)模糊度解算模型
步骤1.1：利用频率B2与B3的载波相位与伪距观测量φ(0,-1,1)与p(0,1,1)，构造消电离层-几何无关(geometry-free and ionosphere-free,GF-IF)的φEWL组合。
步骤1.2：通过就近取整算法实施EWL模糊度解算，为下级环节模糊度解算提供正确的EWL模糊度与精确的EWL去模糊度载波相位观测量
步骤2：建立宽巷(WL)模糊度解算模型
步骤2.1：利用频率B1与B2及B2与B3的载波相位观测量构造两个WL组合φ(1,-1,0)与φ(1,0,-1)。通过步骤1所提供的正确EWL模糊度值统一化两个WL组合的模糊度值N(1,0,-1)，进而依据消电离层准则，构造出新的消电离层-几何相关(geometry-based andionosphere-free,GB-IF)的WL组合φWL1，保证较低的噪声水平；
步骤2.2：由于几何相关项的存在，需要考虑系统观测模型的迭亏问题。为了消除模型迭亏现象，需要构建另外一个GB-IF的WL组合φWL2，而且保证具有较低的噪声水平。利用步骤1提供的具有高精度的EWL去模糊度载波相位观测量与伪距p(i,j,k)与WL组合φ(1,0,-1)相结合，构造一种新的GB-IF组合φWL2。在搜索伪距组合系数(i,j,k)时，以组合噪声最小准则，进行系数搜索确定，满足具有低组合噪声水平的需求；
步骤2.3：利用步骤2.1与步骤2.2提供的两个新的GB-IF的WL组合φWL1与φWL2构建线性观测方程，由于两个组合观测量具有相同的模糊度值N(1,0,-1)，增强了N(1,0,-1)的冗余观测信息，因此，能够有效提升模糊度浮点解及相应协方差矩阵的精度，提高了LAMBDA算法实施模糊度解算的可靠性，为下级环节模糊度解算提供正确的WL模糊度值
步骤3：建立窄巷(NL)模糊度解算模型
步骤3.1：利用步骤1提供的EWL模糊度值与步骤2提供的WL模糊度值统一化三频原始载波相位观测量的模糊度值N(1,0,0)，依据消电离层准则，利用B1与B2载波相位观测量构造一个GB-IF的NL组合φNL1及利用B1与B3载波相位观测量构造另外一个GB-IF的NL组合φNL2；
步骤3.2：利用步骤3.1提供的两个新的GB-IF的NL组合φNL1与φNL2构建线性观测方程。由于两个组合观测量具有相同的模糊度值N(1,0,0)，增强了N(1,0,0)的冗余观测信息，因此，能够有效提升模糊度浮点解及相应协方差矩阵的精度，提高了LAMBDA算法实施模糊度解算的可靠性。
步骤3.3：通过步骤3.2中正确解算的NL模糊度利用贝叶斯后验算法修正步骤3.2中的位置状态浮点解，形成位置状态固定解，从而实现高精度导航的目的。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不偏离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的调整，但这些相应的调整都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设三频信号满足如下条件：f1>f2>f3；f1-f2>f2-f3：
(1.1)利用频率f2与f3的载波相位与伪距观测量，构造消电离层-几何无关的EWL组合；
(1.2)通过就近取整算法实施EWL模糊度解算，为下级环节模糊度解算提供正确的EWL模糊度与精确的EWL去模糊度载波相位观测量；
(2)建立宽巷模糊度解算模型
(2.1)利用频率f1与f2及f1与f3的载波相位观测量构造两个WL组合；通过步骤(1)所提供的正确EWL模糊度值，统一化两个WL组合的模糊度值，进而依据消电离层准则，构造出新的消电离层-几何相关的WL组合；
(2.2)利用步骤(1)提供的具有高精度的EWL去模糊度载波相位观测量与伪距与已构造的WL组合相结合，构造一种新的消电离层-几何相关组合；在确定伪距组合系数时，以组合噪声最小为准则，进行系数搜索，满足具有低组合噪声水平的需求；
(2.3)利用步骤(2.1)与步骤(2.2)提供的具有相同模糊度信息的两个新的消电离层-几何相关的WL组合，构建线性观测方程；为下级环节模糊度解算提供正确的WL模糊度值；
(3)建立窄巷模糊度解算模型
(3.1)利用步骤(1)提供的EWL模糊度值与步骤(2)提供的WL模糊度值，统一化三频原始载波相位观测量的模糊度值，依据消电离层准则，利用f1与f2载波相位观测量构造一个消电离层-几何相关的NL组合及利用f1与f3载波相位观测量构造另外一个消电离层-几何相关的NL组合；
(3.2)利用步骤(3.1)提供的具有相同模糊度值的两个新的消电离层-几何相关的NL组合，构建线性观测方程；两个NL组合同时具有相同的模糊度值项，增加待求模糊度的冗余观测信息，并为下级环节模糊度解算提供正确的NL模糊度值；
(3.3)通过步骤(3.2)中正确解算的NL模糊度，利用贝叶斯后验算法修正步骤(3.2)中的位置状态浮点解，形成位置状态固定解，从而实现高精度导航的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法，其特征在于：所述的步骤(1)中利用f2与f3构造了消电离层-几何无关的EWL组合，具有较小的噪声与波长比，为下级模糊度解算环节提供正确EWL模糊度解及具有高精度的EWL去模糊度载波相位观测量。
3.根据权利要求1所述的一种基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法，其特征在于：所述的步骤(2)在WL模糊度解算环节提出两种新的消电离层组合方法，利用EWL模糊度形成了两个WL组合的模糊度约束，统一化两个WL组合的模糊度值，并根据消电离层准则，构建消电离层组合观测量；利用的EWL去模糊度载波相位观测量，构造结合伪距观测量的消电离层组合策略。
4.根据权利要求1所述的一种基于消电离层-噪声约束的三频模糊度解算方法，其特征在于：所述步骤(2)利用两种具有相同模糊度值的新的消电层-噪声约束的组合观测量构造了WL的线性观测方程，方程增加了待求模糊度的冗余观测信息，能够有效提升WL模糊度的估计精度，进而提升LAMBDA算法模糊度解算的可靠性。
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