CN109212562A - 一种生成载波伪距观测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生成载波伪距观测量的方法。首先计算包括消电离层组合非差模糊度参数在内的所有未知参数的实数解，再计算消电离层组合非差模糊度参数的固定解，最后采用消电离层组合非差模糊度参数的固定解和相位缠绕效应改正值对消电离层组合非差载波相位观测量进行修正得到载波伪距观测量。本发明可用于单GNSS接收机也可用于多GNSS接收机，得到的载波伪距观测量可用于解算卫星轨道、站坐标、地球自转参数、对流层天顶延迟、接收机和卫星钟差等原始载波相位观测量的应用领域，其优点是计算效率远远高于直接采用原始载波相位数据，所得到的卫星钟差为整数卫星钟差，联合相应的卫星端宽巷FCB改正数，可以支持精密单点定位的模糊度固定。

Description

一种生成载波伪距观测量的方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位领域，具体涉及一种生成载波伪距观测量的方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的用户接收机通过对GNSS卫星广播的导航信号进行跟踪和测量可以获得码伪距观测量和载波相位观测量。其中载波相位观测量的测量精度为mm量级，远高于码伪距观测量的精度，是进行GNSS精密定轨、精密定位、地壳形变监测等应用的主要观测量。原始载波相位观测量中包含有未知的整数模糊度，需要和其他未知参数一起解算。每个测站对每颗卫星的每个连续无周跳的数据段都需要解算一个模糊度参数，因此模糊度参数数量巨大，利用GNSS观测网(包含多个观测站)的原始载波相位观测量进行精密定轨或精密定位时，计算复杂度与卫星和测站数量乘积的3次方成正比。特别是利用原始载波相位观测量进行大规模GNSS网的数据处理时，计算效率非常低。为了解决这一问题，文献[Blewitt G,Bertiger W,Weiss JP.Ambizap3and GPS Carrier Range:A New Data Type with IGS Applications[C].IGSWorkshop 2010,2010.]提出了载波伪距(Carrier Range)概念，既利用模糊度参数的固定解对原始载波相位观测量进行修正得到不包含模糊度的观测量——载波伪距观测量。由于不含模糊度参数，利用载波伪距观测量进行精密定轨和定位应用可以显著提高计算效率。已知的将原始载波相位观测量转化为载波伪距观测量的方法有两种，它们的基本过程是：第一步，对单个测站的GNSS观测数据进行双频精密单点定位解算，得到非差消电离层组合模糊度参数的实数解；第二步，进行双差模糊度固定或非差模糊度固定得到非差模糊度参数的固定解；第三步，利用非差模糊度参数的固定解对原始载波相位观测量进行改正即可得到不含模糊度参数的载波伪距观测量。以上两种方法的区别在于第二步的模糊度固定方法，其中第一种方法进行双差模糊度固定，需要至少两个测站才能实现载波伪距观测量的转化。第二种方法进行非差模糊度固定，只能用于单GNSS系统相位数据的转化。

通过双差模糊度固定生成载波伪距的引用文献为[Blewitt G,Bertiger W,WeissJ P.Ambizap3and GPS Carrier Range:A New Data Type with IGS Applications[C].IGS Workshop 2010,2010.]

通过非差模糊度固定生成载波伪距的引用文献为[Chen H.An enhancedstrategy for GNSS data processing of massive networks[J].Journa of geodesy,2014,88:857-867.]。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种生成载波伪距观测量的方法，解决现有方法需要多个测站或只能用于单GNSS接收机的问题。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，以双频消电离层组合非差码伪距和载波相位作为观测量，进行双频精密单点定位解算，得到包括消电离层组合非差模糊度参数在内的所有未知参数的实数解；

步骤二，进行星间单差模糊度固定，得到消电离层组合非差模糊度参数的固定解；

步骤三，对消电离层组合非差载波相位观测量进行修正计算得到载波伪距观测量。

步骤一中，进行双频精密单点定位时所用的卫星钟差为整数卫星钟差。

步骤二中，星间单差模糊度固定对属于不同GNSS系统的模糊度分别进行，对任一GNSS系统的星间单差模糊度进行固定的具体方法如下：

第一步，进行宽巷星间单差模糊度固定；采用整数卫星钟差相匹配的卫星端宽巷FCB改正数对非差宽巷模糊度进改正。

第二步，进行消电离层组合宽巷星间单差模糊度固定；仅对一组独立的消电离层组合星间单差模糊度进行固定，其中采用图论中构造最小生成树的算法——Kruskal算法进行独立星间单差模糊度选取。

步骤三中，载波伪距观测量的计算公式如下：

其中，为原始的消电离层组合非差相位观测量，为实施了步骤二之后得到的消电离层组合非差模糊度的估值，为相位缠绕效应改正，为载波伪距观测量。

与现有技术相比，本发明可对单个测站的载波相位数据进行载波伪距转化，可用于单GNSS接收机相位数据也可用于多GNSS接收机相位数据，得到的载波伪距观测量可用于解算卫星轨道、站坐标、地球自转参数、对流层天顶延迟、接收机和卫星钟差等原始载波相位观测量的应用领域，其优点是计算效率远远高于直接采用原始载波相位数据，所得到的卫星钟差为整数卫星钟差，联合相应的卫星端宽巷FCB改正数，可以支持精密单点定位的模糊度固定。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2为本发明实施例中的观测站分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤一，进行双频精密单点定位解算；

以双频消电离层组合非差码伪距和载波相位作为观测量。设接收机r观测到导航卫星系统g(g＝1,2,…)的卫星s(s＝1,2,…)在频点i和j的码伪距和载波相位，则对应的双频消电离层组合非差码伪距观测量和非差载波相位观测量可表示如下：

其中，和(*＝i,j)分别为接收机r对系统g的卫星s对应频率f_i和f_j的载波相位和码伪距观测量；为信号传播时延等效距离，包含测站坐标、卫星轨道、对流层延迟，相位中心偏差、广义相对论延迟等信息，对不同信号和频率完全一致；θ_r和θ^s,g分别为接收机和卫星钟差；为消电离层组合非差模糊度，为相位缠绕效应，只存在于载波相位观测方程中。为接收机的系统间偏差参数，整个数据处理弧段视为恒定不变量，通常以其中一个系统为参考，对应的系统间偏差参数设为0，如令上式省略了随机误差项。

利用精密卫星轨道和钟差产品、精确的卫星和接收机天线PCO和PCV改正数据，同时顾及对流层延迟、广义相对论引力延迟，静态测站的固体潮汐、海潮负荷、极潮等潮汐现象引起的测站位移，卫星的姿态模型，相位缠绕效应等物理模型对载波相位和码伪距观测量进行精确建模，对观测方程进行线性化之后，采用线性最优估计方法，如最小二乘方法，进行参数估计，得到包括消电离层组合非差模糊度在内的所有未知参数的实数解。

为了在步骤二中能够进行星间单差模糊度固定，在精密单点定位解算时所用的精密卫星钟差为整数卫星钟差，整数卫星钟差是指在钟差解算时进行非差或星间单差模糊度固定后得到的卫星钟差，包括利用非差模糊度固定或本发明的星间单差模糊度固定获得的相位距离作为观测量解算得到卫星钟差。

步骤二，进行星间单差模糊度固定。其中星间单差模糊度是指两个非差模糊度参数之差，这两个非差模糊度参数对应同一导航卫星系统的两颗卫星且这两个非差模糊度参数至少有1个共同观测历元。星间单差模糊度固定对属于不同导航卫星系统的模糊度分别进行，对任意一导航卫星系统g的星间单差模糊度进行固定可为以下两个步骤：

1)进行宽巷星间单差模糊度固定；

(a).MW组合计算宽巷非差模糊度；

利用MW组合计算与每个消电离层组合非差模糊度参数对应的宽巷非差模糊度及其标准差的估值：和公式如下：

其中为测站r对卫星s的某一连续无周跳数据段中第k个历元的MW组合观测量；n为该数据段的历元总数。

(b).进行宽巷FCB改正；

利用与整数卫星钟差相匹配的卫星端宽巷FCB改正数(在解算整数卫星钟差时，也用于宽巷非差或星间单差模糊度固定)对(a)得到的宽巷非差模糊度的估值进行修正；

其中为对应系统g卫星s的宽巷FCB改正数，为估计精度。

(c).进行宽巷星间单差模糊度固定；

利用(b)得到的宽巷非差模糊度构造出所有符合定义的宽巷星间单差模糊度，以卫星s和l的为例，星间单差宽巷模糊度表示如下：

采用下式计算宽巷星间单差模糊度的固定成功概率：

其中为对应于的标准差；[·]表示取最近的整数。

将满足固定条件(例如且)的宽巷单差模糊度固定到最近的整数该单差模糊度作为候选单差模糊度；对于不满足固定条件的宽巷单差模糊度，在后续步骤中不再考虑。

2)进行消电离层组合星间单差模糊度固定，包括以下三个步骤：

(A).构造窄巷星间单差模糊度；

对于所有候选宽巷星间单差模糊度，利用步骤一得到的消电离层组合非差模糊度的估值向量及其协方差阵按照下式计算对应的消电离层组合星间单差模糊度的估值及其标准差

式中为对应于单差模糊度的映射向量，其中有两个元素的值分别为1和-1，其余元素为0。

然后，利用下式计算对应的窄巷单差模糊度的估值及其标准差

其中，c为真空中的光速。

(B).选取独立的星间单差模糊度集合并逐个进行固定；

对所有候选单差模糊度，利用下式计算其窄巷单差模糊度的固定成功概率p_n，

并将它们按成功概率的降序进行排列，选出一组独立的包含最大固定成功概率的星间单差模糊度集合。采用序贯固定的方法对这些待固定的独立单差模糊度进行固定。

其中独立星间单差模糊度集合的选取，采用图论中构造最小生成树的算法——Kruskal算法实现，具体方法为：将每个非差模糊度视为图的顶点，如果两个非差模糊度构成一个星间单差模糊度，则该星间单差模糊度视为两个顶点的边，该星间单差模糊度的固定成功概率即为该边的长度。

所谓序贯固定的方法就是重复下列步骤1)和2)直到没有符合固定条件的独立单差模糊度为止：

1)固定独立单差模糊度集合中成功概率最大的一个单差模糊度：将窄巷单差模糊度固定到最近的整数，进而对消电离层组合单差模糊度进行固定；

2)重新计算剩余的独立单差模糊度的固定成功概率，并将它们按照成功概率的逆序重新排列。

固定条件可以是以下三种之一：

a.窄巷单差模糊度的固定成功概率大于某一限值，如99.9％；

b.窄巷和宽巷单差模糊度的固定成功概率之积大于某一限值，如99.9％；

c.满足条件1)或2)，且窄巷单差模糊度小数部分绝对值小于某一限值，如0.2；

其中在(B)中，对消电离层组合星间单差模糊度进行“固定”是指按照下式利用固定了的宽巷和窄巷单差模糊度计算消电离层组合单差模糊度的固定解

然后，以作为虚拟观测量按照以下原理公式对非差模糊度参数的解向量进行更新：

p_b为设定的模糊度固定解的约束权，其值要远大于载波相位的权，如为相位观测值权的1000000倍；和分别表示固定了第m个星间单差模糊度之后的非差模糊度解向量及其协方差矩阵，且有

步骤三，对原始的消电离层组合非差载波相位观测量进行修正；

用消电离层组合非差模糊度的固定解和用模型计算得到的相位缠绕效应对原始的消电离层组合载波相位观测量进行改正，就得到载波伪距观测量

实施例：

参见图2，利用本发明得到的载波伪距作为观测量对中国大陆构造环境观测网络(陆态网)252个测站采用整网解的方式进行精密定位解算，所需要的时间约为11分钟，而采用原始数据进行整网解算所需的时间约为11小时。且在得到的站坐标的精度上，采用载波伪距得到的结果要略优于原始相位数据得到的结果。

表1为采用载波伪距和原始相位数据获得的陆态网观测站的坐标精度的比较

Claims (4)

1.一种生成载波伪距观测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，以双频消电离层组合非差码伪距和载波相位作为观测量，进行双频精密单点定位解算，得到包括消电离层组合非差模糊度参数在内的所有未知参数的实数解；

步骤二，进行星间单差模糊度固定，得到消电离层组合非差模糊度参数的固定解；

步骤三，对消电离层组合非差载波相位观测量进行修正计算得到载波伪距观测量。

2.根据权利要求1所述的一种生成载波伪距观测量的方法，其特征在于，步骤一中，进行双频精密单点定位时所用的卫星钟差为整数卫星钟差。

3.根据权利要求2所述的一种生成载波伪距观测量的方法，其特征在于，步骤二中，星间单差模糊度固定对属于不同GNSS系统的模糊度分别进行，对任一GNSS系统的星间单差模糊度进行固定的具体方法如下：

第一步，进行宽巷星间单差模糊度固定；采用整数卫星钟差相匹配的卫星端宽巷FCB改正数对非差宽巷模糊度进改正；

第二步，进行消电离层组合星间单差模糊度固定；仅对一组独立的消电离层组合星间单差模糊度进行固定，其中采用Kruskal算法进行独立星间单差模糊度选取。

4.根据权利要求1所述的一种生成载波伪距观测量的方法，其特征在于，步骤三中，载波伪距观测量的计算公式如下：

其中，为原始的消电离层组合非差相位观测量，为实施了步骤二之后得到的消电离层组合非差模糊度的估值即固定解，为相位缠绕效应改正，为载波伪距观测量。