CN109799520A - 一种基于gnss三频的纯载波相位rtk定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星精密导航与定位领域，具体涉及一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，包括以下步骤：利用GNSS三频信号的观测量，构造2个具有较大波长与误差比值的超宽巷组合，保证最高的模糊度解算成功率；对连续历元间的超宽巷观测量执行时间差分；利用多普勒观测信息消除几何位置增量，获取残差的就近取整值，判定是否发生周跳？如果该值为0，则未发生周跳，如该值不等于0，则发生周跳，而该值则为周跳修复值；在消除周跳影响后，利用至少2个连续历元的超宽巷观测量构建几何相关的超宽巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到超宽巷模糊度的固定解；本发明解决了周跳问题对模糊度解算与定位精度的影响。
Description
技术领域
本发明属于卫星精密导航与定位领域，具体涉及一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK 定位方法。
背景技术
多径误差与接收机所处环境密切相关，通过模型、滤波、差分等技术难以有效消除，成为RTK定位的主要误差源之一。伪距多径误差在恶劣环境下可能达到10m以上，而载波相位观测量的多径仅有毫米或厘米级，所以说，在传统利用伪距与载波相位组合构造的RTK模型中，较大的伪距多径误差将会增大模糊度解算的搜索空间，使得模糊度解算可靠性受到影响。由于接收机在城市、峡谷等工作时，无法规避水面、高大建筑、稠密森林等易于产生多径的环境，为此，为了提升模糊度解算性能，有必要针对伪距多径误差进行有效处理。目前，针对伪距多径误差的处理方式，主要从以下三方面展开，分别为接收天线、基带处理以及导航算法部分。接收天线主要采用扼流圈技术以及风火轮技术，但是两者的抗多径抑制能力有限，尤其对天线上方的多径影响难以有效抑制，同时还增加了系统硬件的成本。基带处理常用的技术有窄相关技术、MEDLL技术，Strobe相关技术以及PAC技术用以抑制多径影响，但是其抑制能力仍然有限。由于上述的处理方式无法完全消除多径误差影响，所以，在导航解算环节中，有学者提出了不依赖于易受多径误差影响的伪距观测量，而仅利用纯载波相位的RTK模型。Lennard and Teunissen提出了一种基于纯载波相位观测量的RTK方法。由于仅使用纯载波相位观测量在单历元下存在模型秩亏问题，所以需要实施多历元累积消除模型秩亏，实现模糊度解算。Chu等人充分利用了多频技术优势，提出了基于三频信号的纯载波相位观测量的RTK方法，同样采用了多历元累积方式消除模型秩亏。上述方法均是采用了多历元累积方式消除模型秩亏，可是方法中却未提及如何解决周跳问题所带来的影响。如果多历元累积中一旦发生周跳，将会导致上述模型的模糊度解算失败，因此，有必要在纯载波相位 RTK模型中，考虑周跳探测与修复技术的研究。随着GNSS现代化建设，GPS、BDS、Galileo、 GLONASS均会播发三频甚至多频信号，充分发挥多频组合优势将会有益于提升周跳探测与修复的性能。
发明内容
本发明公开的一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，充分利用GNSS三频优势构造了超宽巷+窄巷序贯解算模型。超宽巷模型由多历元的超宽巷组合观测量构造，并集成了针对超宽巷模糊度的周跳探测与修复技术，解决了传统方法在多历元累积模式中未考虑周跳影响的缺陷。在超宽巷模糊度正确解解算后，将改正模糊度的超宽巷组合观测量作为伪距观测量使用，以单历元模式构建窄巷模型，最终解算窄巷模糊度值并获得精密定位定位结果。
一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，包括以下步骤：
(1)利用GNSS三频信号的观测量，构造2个具有较大波长与误差比值的超宽巷组合，保证最高的模糊度解算成功率；
(2)对连续历元间的超宽巷观测量执行时间差分；
(3)利用多普勒观测信息消除几何位置增量，获取残差的就近取整值，判定是否发生周跳？如果该值为0，则未发生周跳，如该值不等于0，则发生周跳，而该值则为周跳修复值；
(4)在消除周跳影响后，利用至少2个连续历元的超宽巷观测量构建几何相关的超宽巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到超宽巷模糊度的固定解；
(5)利用改正模糊度的超宽巷观测量作为高精度的伪距观测量使用，结合窄巷观测量构建窄巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到窄巷模糊度的固定解；
(6)利用贝叶斯后验算法，得到精密的定位结果。
所述利用GNSS三频信号的观测量，构造2个具有较大波长与误差比值的超宽巷组合，保证最高的模糊度解算成功率，包括：
双差载波相位观测方程为：
其中，表示双差载波相位观测值减计算值的残差量；b为基站接收机；r表示移动站接收机；s表示不同卫星号；j对应不同频点fj；xbr表示用户位置、对流层等非弥散项增量；表示对应xbr的线性化几何设计矩阵；对应频点f1的一阶电离层延迟误差， kj＝fj 2/f1 2表示电离层比例系数；λj表示载波相位波长；表示整周模糊度；表示载波相位观测噪声；
载波相位观测量的组合模型为：
其中是观测量组合系数，相应的电离层放大系数β(i,j,k)、组合波长λ(i,j,k)、组合模糊度N(i,j,k)组合、噪声放大系数γ(i,j,k)为：
其中c表示光速。
所述对连续历元间的超宽巷观测量执行时间差分，包括：
对2组最优超宽巷组合进行时间差分，得到：
φEWL,k-φEWL,k-1＝Δρ+λEWLδNEWL+εEWL
其中，EWL代表超宽巷组合系数；k为历元值；Δρ为几何增量信息；δNEWL为周跳值；ε为观测噪声。
所述利用多普勒观测信息消除几何位置增量，获取残差的就近取整值，判定是否发生周跳？如果该值为0，则未发生周跳，如该值不等于0，则发生周跳，而该值则为周跳修复值，包括：
利用多普勒观测信息来补偿接收机的几何增量信息为：
其中，Δρc为修正的几何增量信息；D为双差多普勒观测量；Δt为历元间的时间间隔；
利用上式，得到周跳解算值为：
如果值为0，则未发生周跳，如果不为0，则发生周跳，而其解算值则为周跳修复值。
所述在消除周跳影响后，利用至少2个连续历元的超宽巷观测量构建几何相关的超宽巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到超宽巷模糊度的固定解，包括：
利用卫星的φ(0,-1,1)与φ(1,4,-5)的2个连续历元的观测量建立几何相关的超宽巷解算模型为：
其中，H为几何矩阵；Λ为波长矩阵；b为基线长度；根据上述观测模型，利用加权最小二乘法解算超宽巷模糊度的浮点解及相应的协方差，通过LAMBDA算法固定模糊度，以Ratio 固定门限3作为正确性检验标准，如果通过，将最终确定超宽巷模糊度的固定解。
所述利用改正模糊度的超宽巷观测量作为高精度的伪距观测量使用，结合窄巷观测量构建窄巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到窄巷模糊度的固定解，包括：
利用超宽巷模糊度的固定解改正超宽观测量值，作为精度更高的伪距观测量：
利用卫星的窄巷观测量，构造窄巷解算模型为：
根据上述观测模型，利用加权最小二乘法解算窄巷模糊度的浮点解及相应的协方差，通过LAMBDA算法固定模糊度，以Ratio固定门限3作为正确性检验标准，如果通过，将最终确定窄巷模糊度的固定解。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了周跳问题对模糊度解算与定位精度的影响。
附图说明
图1为基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
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，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，利用北斗三频信号的观测量，构造2个具有较大波长与误差比值的超宽巷组合，保证最高的模糊度解算成功率。
双差载波相位观测方程可表示为，
其中表示双差载波相位观测值减计算值的残差量；b为基站接收机；r表示移动站接收机；s表示不同卫星号；j对应不同频点fj；xbr表示用户位置、对流层等非弥散项增量；表示对应xbr的线性化几何设计矩阵；对应频点f1的一阶电离层延迟误差， kj＝fj 2/f1 2表示电离层比例系数；λj表示载波相位波长；表示整周模糊度；表示载波相位观测噪声。
针对北斗三频的载波相位观测量的组合模型为：
为了表达清晰，上式忽略了接收机与卫星的相关标识；其中是观测量组合系数。相应的电离层放大系数β(i,j,k)、组合波长λ(i,j,k)、组合模糊度N(i,j,k)组合、噪声放大系数γ(i,j,k)可以表示为：
其中c表示光速。
根据上式的描述，本文在(i,j,k)∈(-10,10)的整数范围内搜索最优的超宽巷组合，尽可能的增大波长与误差比值。根据上述约束条件与搜索范围，确定了2组最优的多频组合策略，被统计在表1中。
表1超宽巷组合的结果
| 序号 | φ<sub>(i,j,k)</sub> | λ<sub>(i,j,k)</sub> | β<sub>(i,j,k)</sub> | γ<sub>(i,j,k)</sub> |
| 1 | φ<sub>(0,-1,1)</sub> | 4.884 | -1.592 | 28.529 |
| 2 | φ<sub>(1,-4,5)</sub> | 6.371 | 0.652 | 172.614 |
步骤2，对连续历元间的超宽巷观测量执行时间差分，利用多普勒观测信息消除几何位置增量，获取残差的就近取整值，判定是否发生周跳？如果该值为0，则未发生周跳，如该值不等于0，则发生周跳，而该值则为周跳修复值。
对表1确定的2组超宽巷组合进行时间差分，得到：
φEWL,k-φEWL,k-1＝Δρ+λEWLδNEWL+εEWL
其中EWL代表超宽巷组合系数；k为历元值；Δρ为几何增量信息；δNEWL为周跳值；ε为观测噪声；
利用多普勒观测信息来补偿接收机的几何增量信息为，
其中，Δρc为修正的几何增量信息；D为双差多普勒观测量；Δt为历元间的时间间隔；
利用上式，可以得到周跳解算值为：
如果值为0，则未发生周跳，如果不为0，则发生周跳，而其解算值则为周跳修复值。由于本发明选择的超宽巷组合具有较长的波长与误差比值，可以实现近100％的解算成功率。
步骤3，在消除周跳影响后，利用至少2个连续历元的超宽巷观测量构建几何相关的超宽巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到超宽巷模糊度的固定解。
利用北斗的φ(0,-1,1)与φ(1,4,-5)的2个连续历元的观测量建立几何相关的超宽巷解算模型为：
其中，H为几何矩阵；Λ为波长矩阵；b为基线长度；根据上述观测模型，利用加权最小二乘法解算超宽巷模糊度的浮点解及相应的协方差，通过LAMBDA算法固定模糊度，以Ratio 固定门限3作为正确性检验标准，如果通过，将最终确定超宽巷模糊度的固定解。
步骤4，利用北斗改正模糊度的超宽巷观测量作为高精度的伪距观测量使用，利用北斗的窄巷观测量构建几何相关的的窄巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到窄巷模糊度的固定解。
利用步骤3确定的超宽巷模糊度的固定解改正超宽观测量值，作为精度更高的伪距观测量：
利用北斗的窄巷观测量，构造窄巷解算模型为：
根据上述观测模型，利用加权最小二乘法解算窄巷模糊度的浮点解及相应的协方差，通过LAMBDA算法固定模糊度，以Ratio固定门限3作为正确性检验标准，如果通过，将最终确定窄巷模糊度的固定解。
步骤5，利用贝叶斯后验算法，得到精密的定位结果。
多径误差与接收机所处环境密切相关，通过模型、滤波、差分等技术难以有效消除，成为RTK定位的主要误差源之一。伪距多径误差在恶劣环境下可能达到10m以上，而载波相位观测量的多径仅有毫米或厘米级，所以说，在传统利用伪距与载波相位组合构造的RTK模型中，较大的伪距多径误差将会增大模糊度解算的搜索空间，使得模糊度解算可靠性受到影响。由于接收机在城市、峡谷等工作时，无法规避水面、高大建筑、稠密森林等易于产生多径的环境，为此，为了提升模糊度解算性能，有必要针对伪距多径误差进行有效处理。目前，针对伪距多径误差的处理方式，主要从以下三方面展开，分别为接收天线、基带处理以及导航算法部分。接收天线主要采用扼流圈技术以及风火轮技术，但是两者的抗多径抑制能力有限，尤其对天线上方的多径影响难以有效抑制，同时还增加了系统硬件的成本。基带处理常用的技术有窄相关技术、MEDLL技术，Strobe相关技术以及PAC技术用以抑制多径影响，但是其抑制能力仍然有限。由于上述的处理方式无法完全消除多径误差影响，所以，在导航解算环节中，有学者提出了不依赖于易受多径误差影响的伪距观测量，而仅利用纯载波相位的RTK模型。Lennard and Teunissen提出了一种基于纯载波相位观测量的RTK方法。由于仅使用纯载波相位观测量在单历元下存在模型秩亏问题，所以需要实施多历元累积消除模型秩亏，实现模糊度解算。Chu等人充分利用了多频技术优势，提出了基于三频信号的纯载波相位观测量的RTK方法，同样采用了多历元累积方式消除模型秩亏。上述方法均是采用了多历元累积方式消除模型秩亏，可是方法中却未提及如何解决周跳问题所带来的影响。如果多历元累积中一旦发生周跳，将会导致上述模型的模糊度解算失败，因此，有必要在纯载波相位RTK模型中，考虑周跳探测与修复技术的研究。随着GNSS现代化建设，GPS、BDS、Galileo、 GLONASS均会播发三频甚至多频信号，充分发挥多频组合优势将会有益于提升周跳探测与修复的性能。
本发明公开的一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，充分利用GNSS三频优势构造了超宽巷+窄巷序贯解算模型。超宽巷模型由多历元的超宽巷组合观测量构造，并集成了针对超宽巷模糊度的周跳探测与修复技术，解决了传统方法在多历元累积模式中未考虑周跳影响的缺陷。在超宽巷模糊度正确解解算后，将改正模糊度的超宽巷组合观测量作为伪距观测量使用，以单历元模式构建窄巷模型，最终解算窄巷模糊度值并获得精密定位定位结果。该方法具体执行步骤如下：
步骤1，利用GNSS三频信号的观测量，构造2个具有较大波长与误差比值的超宽巷组合，保证最高的模糊度解算成功率。
步骤2，对连续历元间的超宽巷观测量执行时间差分，利用多普勒观测信息消除几何位置增量，获取残差的就近取整值，判定是否发生周跳？如果该值为0，则未发生周跳，如该值不等于0，则发生周跳，而该值则为周跳修复值。
步骤3，在消除周跳影响后，利用至少2个连续历元的超宽巷观测量构建几何相关的超宽巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到超宽巷模糊度的固定解。
步骤4，利用改正模糊度的超宽巷观测量作为高精度的伪距观测量使用，结合窄巷观测量构建窄巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到窄巷模糊度的固定解。
步骤5，利用贝叶斯后验算法，得到精密的定位结果。
相比于传统的纯载波相位RTK方法，本发明公开的一种基于GNSS三频的纯载波相位 RTK定位方法解决了周跳问题对模糊度解算与定位精度的影响。因此，这种新的方法对于提升模糊度解算成功率与定位精度是十分有意义的。
当然，本发明还有其他多种实施例，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 (6)
1.一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用GNSS三频信号的观测量，构造2个具有较大波长与误差比值的超宽巷组合，保证最高的模糊度解算成功率；
(2)对连续历元间的超宽巷观测量执行时间差分；
(3)利用多普勒观测信息消除几何位置增量，获取残差的就近取整值，判定是否发生周跳？如果该值为0，则未发生周跳，如该值不等于0，则发生周跳，而该值则为周跳修复值；
(4)在消除周跳影响后，利用至少2个连续历元的超宽巷观测量构建几何相关的超宽巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到超宽巷模糊度的固定解；
(5)利用改正模糊度的超宽巷观测量作为高精度的伪距观测量使用，结合窄巷观测量构建窄巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到窄巷模糊度的固定解；
(6)利用贝叶斯后验算法，得到精密的定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，其特征在于，所述利用GNSS三频信号的观测量，构造2个具有较大波长与误差比值的超宽巷组合，保证最高的模糊度解算成功率，包括：
双差载波相位观测方程为：
其中，表示双差载波相位观测值减计算值的残差量；b为基站接收机；r表示移动站接收机；s表示不同卫星号；j对应不同频点fj；xbr表示用户位置、对流层等非弥散项增量；表示对应xbr的线性化几何设计矩阵；对应频点f1的一阶电离层延迟误差，表示电离层比例系数；λj表示载波相位波长；表示整周模糊度；表示载波相位观测噪声；
载波相位观测量的组合模型为：
其中是观测量组合系数，相应的电离层放大系数β(i,j,k)、组合波长λ(i,j,k)、组合模糊度N(i,j,k)组合、噪声放大系数γ(i,j,k)为：
其中c表示光速。
3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，其特征在于，所述对连续历元间的超宽巷观测量执行时间差分，包括：
对2组最优超宽巷组合进行时间差分，得到：
φEWL,k-φEWL,k-1＝Δρ+λEWLδNEWL+εEWL
其中，EWL代表超宽巷组合系数；k为历元值；Δρ为几何增量信息；δNEWL为周跳值；ε为观测噪声。
4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，其特征在于，所述利用多普勒观测信息消除几何位置增量，获取残差的就近取整值，判定是否发生周跳？如果该值为0，则未发生周跳，如该值不等于0，则发生周跳，而该值则为周跳修复值，包括：
利用多普勒观测信息来补偿接收机的几何增量信息为：
其中，Δρc为修正的几何增量信息；D为双差多普勒观测量；Δt为历元间的时间间隔；
利用上式，得到周跳解算值为：
如果值为0，则未发生周跳，如果不为0，则发生周跳，而其解算值则为周跳修复值。
5.根据权利要求1所述的一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，其特征在于，所述在消除周跳影响后，利用至少2个连续历元的超宽巷观测量构建几何相关的超宽巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到超宽巷模糊度的固定解，包括：
利用卫星的φ(0,-1,1)与φ(1,4,-5)的2个连续历元的观测量建立几何相关的超宽巷解算模型为：
其中，H为几何矩阵；Λ为波长矩阵；b为基线长度；根据上述观测模型，利用加权最小二乘法解算超宽巷模糊度的浮点解及相应的协方差，通过LAMBDA算法固定模糊度，以Ratio固定门限3作为正确性检验标准，如果通过，将最终确定超宽巷模糊度的固定解。
6.根据权利要求1所述的一种基于GNSS三频的纯载波相位RTK定位方法，其特征在于，所述利用改正模糊度的超宽巷观测量作为高精度的伪距观测量使用，结合窄巷观测量构建窄巷解算模型，通过LAMBDA算法与Ratio比率检验得到窄巷模糊度的固定解，包括：
利用超宽巷模糊度的固定解改正超宽观测量值，作为精度更高的伪距观测量：
利用卫星的窄巷观测量，构造窄巷解算模型为：
根据上述观测模型，利用加权最小二乘法解算窄巷模糊度的浮点解及相应的协方差，通过LAMBDA算法固定模糊度，以Ratio固定门限3作为正确性检验标准，如果通过，将最终确定窄巷模糊度的固定解。
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