CN108957490A - 基于高度角的多路径误差改正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星高度角的多路径误差改正方法，包括如下步骤：1)在多系统组合伪距单点的定位过程中，利用各个系统的观测文件与星历文件计算得到每颗卫星观测时刻的卫星高度角；利用多路径误差与卫星高度角之间存在的相关性，采用高度角的三角函数构建多路径误差的计算模型；2)根据多路径误差与观测的地理环境有关，设置环境影响系数以满足不同条件下的应用；3)利用计算得到的多路径误差对伪距观测值进行修正。本发明具有运算简便，抗干扰能力强的优点；与现有的基于周跳探测的双频伪距‑载波组合多路径误差改正法相比，在定位精度方面最高能够提升30％以上。

Description

基于高度角的多路径误差改正方法

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS)卫星定位误差修正方法，尤其涉及一种基于卫星高度角的多路径误差改正方法。

背景技术

全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)具有精度高、全天候、不受地域限制等显著特点。为了提供高精度的定位服务，则必须对各类误差进行有效改正。多路径效应是GNSS卫星信号在传播过程中，受到观测站周围环境影响发生反射或折射的信号被接收机接收，使接收信号与直射信号产生的偏差，多路径效应不仅影响定位精度，而且也可以作为评定数据质量的一个标准。

目前对于多路径效应的处理主要集中接收机硬件设计、接收机软件设计、观测数据后处理三个方面。数据后处理的方法因为操作简单，成本低等特点成为研究的主要方向。多路径效应被公认为是数据噪声的主要组成部分，加大了误差改正模型的建模难度。现有的多路径误差后处理方法主要有移动平均法、周期建模法和伪距载波组合提取法等，其中伪距载波组合法是目前通用性最强的一种方法，被广泛应用于多路径误差改正与数据质量评定等方面，但是该方法在多路径改正方面对数据质量的要求比较高，数据噪声较大时，对多路径误差的提取会产生明显的干扰，并且需要对数据进行周跳探测及分段处理，计算量较大，其他方法则缺乏普适性。因此构建一个计算简单、抗干扰能力与普适性都较强的多路径误差改正模型在实际定位过程中具有一定的应用价值。

发明内容

发明目的：针对现有多路径误差改正方法存在通用性弱、计算结果受噪声影响大、运算复杂等技术难题，本发明的目的是提供一种能够显著提高普适性、稳定性以及定位精度的基于卫星高度角的多路径误差改正方法。

技术方案：一种基于卫星高度角的多路径误差改正方法，包括如下步骤：

1)在多系统组合伪距单点的定位过程中，利用各个系统的观测文件与星历文件计算得到每颗卫星观测时刻的卫星高度角；利用多路径误差与卫星高度角之间存在的相关性，采用高度角的三角函数构建多路径误差的计算模型；该模型具有计算简便，适用性强、效率高等特点。

2)根据多路径误差与观测的地理环境有关，设置环境影响系数以满足不同条件下的应用；

3)利用计算得到的多路径误差对伪距观测值进行修正，得到更加精确的伪距观测数据。

所述步骤2)中，设置了环境影响系数，利用卫星截止高度角对观测环境进行分类，得出不同环境下合适的影响系数，增强模型的改正强度。对于观测环境良好的情况，环境影响系数的取值在1-3之间具有较为理想的改正效果。

所述步骤3)具体包括如下内容：

3.1)建立考虑多路径误差的观测方程：

式(1)中，P、λ、N分别为观测伪距、载波观测值、载波波长、整周模糊度；Δatmosⁱ为大气延迟；ρ为站星距；为多路径误差；ε为观测噪声；与为伪距和载波的多路径影响量；

则多系统组合观测误差方程的矩阵表达式为：

V＝AX+L (2)

V为观测量残差序列；

A为组合系数；

其中s为卫星系统，为计算得到的卫星坐标，单位：米；X₀,Y₀,Z₀为给定的观测站近似坐标，单位：米；

X^s＝[Δx Δy Δz Δt_s]；

3.2)构建基于卫星高度角的多路径误差改正方法，具体公式为：

式(3)中，为第j颗卫星在频率i上的多路径误差补偿值；E为第j颗卫星在观测时刻的卫星高度角；k为环境影响系数；

3.3)对伪距观测量进行多路径误差改正，即将式(3)得到的结果带入到式(1)中，求得改正后的伪距；然后利用公式(2)进行定位解算得到定位结果。

有益效果：和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：增加了环境影响系数，可根据观测环境的复杂程度进行缩放系数的调整，增强了模型的普适性；运算简便，抗干扰能力强；该方法不受噪声等其他因素影响，稳定性较强；与现有的基于周跳探测的双频伪距-载波组合多路径误差改正法相比，在定位精度方面最高能够提升30％以上。

附图说明

图1(a)为三个IGS站点(JFNG站点、SIN1站点、PERT站点)的位置示意图；

图1(b)、1(c)、1(d)分别为JFNG站点、SIN1站点、PERT站点的具体信息；

图2为本发明的流程示意图；

图3(a)为JFNG站点采用周跳探测的双频伪距-载波组合法的定位结果；

图3(b)为JFNG站点基于卫星高度角的多路径误差改正方法的定位结果；

图4(a)为SIN1站点采用周跳探测的双频伪距-载波组合法的定位结果；

图4(b)为SIN1站点基于卫星高度角的多路径误差改正方法的定位结果；

图5(a)为PERT站点采用周跳探测的双频伪距-载波组合法的定位结果；

图5(b)为PERT站点基于卫星高度角的多路径误差改正方法的定位结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

在多系统组合伪距单点的定位过程中，首先利用各个系统的观测文件与星历文件计算得到每颗卫星观测时刻的卫星高度角，利用多路径误差与卫星高度角之间存在的相关性，采用高度角的三角函数构建多路径误差的计算模型；根据多路径误差与观测的地理环境有关，设置环境影响系数以满足不同条件下的应用；利用计算得到的多路径误差对伪距观测值进行修正，得到更加精确的伪距观测数据；利用现在较为通用的基于周跳探测的双频伪距-载波组合法对该方法进行检验。

本实施例采用三组IGS站点的观测数据(JFNG站点、SIN1站点、PERT站点)；时间：2017年4月20日；采样间隔：30s；图1(a)-图1(d)为具体站点信息。

图2所示为本发明的流程示意图；利用观测数据进行以下步骤：

步骤一、建立考虑多路径误差的观测方程；

式(1)中，P、λ、N分别为观测伪距、载波观测值、载波波长、整周模糊度；Δatmosⁱ为大气延迟；ρ为站星距；为多路径误差；ε为观测噪声；与为伪距和载波的多路径影响量；

则多系统组合观测误差方程的矩阵表达式为：

V＝AX+L (2)

式(2)中：

V为观测量残差序列；

A为多系统组合系数；

其中s为卫星系统，为计算得到的卫星坐标，单位：米；X₀,Y₀,Z₀为给定的观测站近似坐标，单位：米；

X^s＝[Δx Δy Δz Δt_s]；

利用最小二乘算法对误差方程进行求解得：

X＝(A^TA)^-1A^TL

步骤二、构建基于卫星高度角的多路径误差改正方法；

具体公式为：

公式(3)中，为第j颗卫星在频率i上的多路径误差补偿值；E为第j颗卫星在观测时刻的卫星高度角；k为环境影响系数，k的取值随观测环境的变化而变化，理论上观测环境越复杂，k的取值越大，观测环境越好，k也越小。公式中认为当卫星高度角大于70°时，多路径误差不再较小，保持一个较小的量级。

步骤三、对伪距观测量进行多路径误差改正；

将公式(3)得到的结果带入到公式(1)中求得改正后的伪距，然后利用公式(2)进行定位解算得到定位结果。

表1列举了部分卫星高度角在不同环境影响系数下的多路径误差估计量，在实际计算中，根据不同的观测环境选择合适的环境系数。

表1基于不同高度角多路径误差估计值列表

步骤四、利用现在较为通用的基于周跳探测的双频伪距-载波组合法与本发明的方法进行对比，以检验本发明的有益效果；

基于周跳探测的双频伪距-载波组合法的多路径误差提取公式为：

P、λ分别为观测伪距、载波观测值、载波波长；C₁、C₂为载波组合系数；M_pi为多路径误差；n为样本历元个数。

将公式(4)中得到的多路径误差带入公式(1)中求得改正后的伪距，然后利用公式2 进行定位解算得到定位结果。对比步骤三与步骤四的定位结果，对基于卫星高度角的多路径误差改正方法进行验证。

图3(a)、图3(b)分别为JFNG站点两种方法最终定位结果，图4(a)、图4(b) 分别为SIN1站点两种方法最终定位结果；图5(a)、图5(b)分别为PERT站点两种方法最终定位结果；将上述每组图片进行对比分析可以看出，采用基于高度角的多路径误差改正方式在定位精度方面由于现有的基于周跳探测的双频伪距-载波组合多路径误差改正法，定位精度最高能够提升30％以上；此外，多路径的计算方法与噪声无关，只与卫星高度角和观测环境有关，而伪距载波组合法的计算公式中包含了噪声误差，因此本发明抗干扰能力强，不受噪声等其他因素影响。

Claims (3)

1.一种基于卫星高度角的多路径误差改正方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在多系统组合伪距单点的定位过程中，利用各个系统的观测文件与星历文件计算得到每颗卫星观测时刻的卫星高度角；利用多路径误差与卫星高度角之间存在的相关性，采用高度角的三角函数构建多路径误差的计算模型；

2)根据多路径误差与观测的地理环境有关，设置环境影响系数以满足不同条件下的应用；

3)利用计算得到的多路径误差对伪距观测值进行修正。

2.根据权利要求1所述的基于卫星高度角的多路径误差改正方法，其特征在于：所述步骤2)中，环境影响系数的取值为1-3。

3.根据权利要求1所述的基于卫星高度角的多路径误差改正方法，其特征在于：所述步骤3)具体包括如下内容：

3.1)建立考虑多路径误差的观测方程：

式(1)中，P、λ、N分别为观测伪距、载波观测值、载波波长、整周模糊度；Δatmosⁱ为大气延迟；ρ为站星距；为多路径误差；ε为观测噪声；与为伪距和载波的多路径影响量；

则多系统组合观测误差方程的矩阵表达式为：

V＝AX+L (2)

V为观测量残差序列；

A为组合系数；

其中s为卫星系统，为计算得到的卫星坐标，单位：米；X₀,Y₀,Z₀

为给定的观测站近似坐标，单位：米；

X^s＝[Δx Δy Δz Δt_s]；

3.2)构建基于卫星高度角的多路径误差改正方法，具体公式为：

式(3)中，为第j颗卫星在频率i上的多路径误差补偿值；E为第j颗卫星在观测时刻的卫星高度角；k为环境影响系数；

3.3)对伪距观测量进行多路径误差改正，即将式(3)得到的结果带入到式(1)中，求得改正后的伪距；然后利用公式(2)进行定位解算得到定位结果。