CN108363077A - 一种精密单点定位装置中的载波相位周跳修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种精密单点定位装置中的载波相位周跳修复方法，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。本发明能够实时获得高精度的位置信息，位置精度达到厘米级，能够有效地用于高精度的测量和工程。

Description

一种精密单点定位装置中的载波相位周跳修复方法

技术领域

本发明涉及一种载波相位周跳的修复方法，属于卫星导航高精度定位领域。

背景技术

精密单点定位是一种高精度的非差单点定位技术，只需全球少量测站确定的精密卫星轨道和卫星钟差产品，即可达到全球静态厘米级、动态分米级的定位服务。与采用差分观测量的精密单点定位相比，精密单点定位不需要建立参考站，在保证解算精度的同时，灵活机动，有效减少作业负担，降低作业成本。此外，采用非差观测模型，数据的利用率更高。

精密单点定位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精密单点定位中的双频载波相位周跳进行联合探测和修复方法，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大于1周的周跳和标记出野值，同时确定周跳发生的频率，实现高精度精密单点定位，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；

(2)使用伪距和载波组合法检测周跳，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；

(3)使用电离层残差法检测周跳，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；

(4)重复步骤(1)～(3)，直至检测和修复全部数据。

本发明的有益效果是：能够实时获得高精度的位置信息，位置精度达到厘米级。本发明提供的精密定位装置及其周跳修复方法能够有效地用于高精度的测量和工程。

附图说明

图1是精密单点定位装置组成框图；

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示意图；

图5是电离层残差法周跳检测结果示意图；

图6是无周跳时的周跳检测结果示意图。

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)精密单点定位装置

精密单点定位利用单台双频接收机的观测数据，结合精密的卫星轨道和钟差产品，对影响定位精度的误差进行模型改正，独立确定接收机的绝对精确坐标。

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。

数据处理单元：对解析出的观测数据进行粗差、整周模糊度解算、周跳检测和修复，保证观测数据的有效性和可靠性。

(二)周跳探测和修复方法

在利用精密星历获得高精度定位，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。

为了有效地提高定位精度，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精密定位处理的参考基准时间。本发明提供的精密单点定位装置按照步骤(1)至步骤(3)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、卫星星历等观测数据；

(2)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；

(3)然后使用电离层残差法检测和修复周跳。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；

两种方法联合探测和修复周跳。将两种方法联合起来，不仅可以检测出大周跳，同时还可以去除电离层残差法不敏感的周跳组合。

本发明的实施例介绍的是一种通用的卫星导航载波相位差分精密单点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。

(一)载波相位差分精密单点定位系统

按照图1的组成结构，该系统有卫星导航天线和单台双频卫星信号接收机组成，其中卫星导航接收设备只负责将接收机输出的原始数据发送给数据处理单元，检测和修复载波相位的周跳，解算整周模糊度，输出精密单点定位信息。该装置的实现流程如图2所示，各部分功能将简述如下：

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。其中移动站还需要输出精密单点定位信息。通过串口将信息传输到数据收发模块。

数据处理单元：对解析出的观测数据进行粗差、整周模糊度解算、周跳检测和修复，保证观测数据的有效性和可靠性。

显示单元：将最终的解算结果在显示设备上显示。

(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。

该装置中需要使用伪距、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、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精密单点定位中，接收机在某频点i的载波相位和伪距的观测方程分别为：

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：

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：

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。

2、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。

3、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。

Claims (1)

1.一种精密单点定位装置中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；

(2)使用伪距和载波组合法检测周跳，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；

(3)使用电离层残差法检测周跳，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；

(4)重复步骤(1)～(3)，直至检测和修复全部数据。