CN110531390A - 多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳 - Google Patents

多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，包括以下步骤：a、由接收机分别获取导航系统中两个频点的载波相位和多普勒观测值；b、利用多普勒积分法算出检测量进行初步的周跳探测，判断是否发生周跳；c、发生周跳则将原始周跳检测量修正到±4周以内；d、用电离层残差法对周跳进行探测，用载波相位的线性组合求得周跳检测量，并将检测量与门限值进行比较；若电离层残差法检测量的绝对值大于门限值，判断发生周跳，则进行步骤e；若检测量的绝对值小于门限值，判断未发生周跳；e、对周跳值进行修复。本发明的方法，能有效地利用电离层残差法的周跳探测能力强的优点，也能避免对特殊比值的周跳组合探测不出的缺陷。

Description

多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳
技术领域
本发明涉及卫星导航定位技术领域，具体为一种多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳。
背景技术
随着精密定位水平的发展，定位产品所要求的精度越来越高。在接收机进行连续的载波相位测量过程中，由于失锁会导致整周计数发生错误，会使相位观测值比之前对比，出现一个跳跃，称为周跳。精密定位用的观测值是载波相位，因此要准确得到载波相位值，周跳探测与修复是关键的一步。卫星在空间的运行轨迹是一条平滑的曲线，因而卫星至接收机的距离观测值的变化也是平滑而有规律的。周跳将破环这种规律性，使观测产生一种系统性的误差。正确地探测并修复周跳，是载波相位定位中非常重要且必须解决的问题之一。目前，电离层、对流层、噪声及多路径效应等误差对周跳探测会产生很大的影响，而传统探测周跳的方法精度不高，无法探测出较小的周跳，周跳探测的方法有很多，但是通常单独使用某种方法都会存在探测盲点。例如：
(1)对于双频周跳的处理多用双频相位和伪距联合的MW(Melborne-Wnbbena，简称，MW)组合法，该组合消除站星几何距离及对流层所造成的影响，并且适合动态情形的周跳，因此在高采样率时，可以有效探测小至1周的周跳，但是，MW组合法虽能探测到一周的周跳，但不能分辨出这个周跳发生在哪个载波上，而且当两个频段信号的载波相位发生同样大小的周跳时，它将无法探测到这样的周跳组合，即MW方法无法探测出两个频点发生相同大小周跳的情况。
(2)无几何距离组合(GF)对两个频点上的周跳比值接近频率比的倒数时，也无法探测出来。
(3)(TurboEdit)方法就是联合MW组合和GF组合的一种方法，弥补各自方法的不足，但是在伪距噪声较大时会对1周周跳探测不出。多普勒观测量是载波相位的一阶导数，表示载波相位的变化率，它是一种非常稳定，并且独立于载波相位的观测值，并不会因为载波相位发生周跳而发生变化，多普勒积分法探测周跳的能力取决于多普勒观测精度以及数据采样率，观测精度越高，采样率越高，探测小周跳能力越强，且不受接收机运动状态的影响。但是目前的多普勒积分探测周跳，因为受到多普勒观测精度以及数据采样率的限制，其探测精度不高。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，能有效地利用电离层残差法的周跳探测能力强的优点，也能避免对特殊比值的周跳组合探测不出的缺陷。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，包括以下步骤：
a、由接收机分别获取导航系统中两个频点的载波相位和多普勒观测值；
b、利用多普勒积分法算出检测量进行初步的周跳探测，判断检测量是否超出阈值，若超出阈值，判断发生周跳，则进行步骤c；若未超出阈值，则进行步骤d；
c、将原始周跳检测量修正到±4周以内，进行步骤d；
d、用电离层残差法对周跳进行探测，用载波相位的线性组合求得周跳检测量，并将检测量与门限值进行比较；若电离层残差法检测量的绝对值大于门限值，判断发生周跳，则进行步骤e；若检测量的绝对值小于门限值，判断未发生周跳；
e、对周跳值进行修复。
上述方法中，优选地，所述导航系统为北斗导航系统。
本发明的多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，先利用多普勒法将原始周跳值修正到电离层残差法可分离的周跳值范围内，以消除多值性问题。即对于特殊周跳组合而言，多普勒法在修复载波相位的同时，破坏了特殊周跳组合的原有比例，因此能被电离层残差法检测出来。
优选地，上述方法中具体步骤为：
(I)由接收机分别获取导航系统中两个频点B1I和B2I频点的载波相位和多普勒观测值；
(II)多普勒积分法检测和修复周跳：设第i历元的观测时刻为ti，则前一历元的观测时刻为ti-1，则ti时刻的多普勒观测值D与载波相位立该满足如下关系式(1)：
式中N表示整周模糊度，若在ti至ti-1期间未发生周跳，则N(ti)＝N(ti-1)；发生周跳，则N(ti)≠N(ti-1)；
建立多普勒积分观测模型：
N(ti)-N(ti-1)＝ΔNd (1.1)
式中，ΔNd表示残差，即周跳检测量；对ΔNd进行四舍五入取整若为0，则没有发生周跳；若不为0，则发生周跳；
若发生周跳，则对周跳值进行修复；
(III)双频电离层残差法检测和修复小周跳：对经过多普勒法修复后的载波相位，采用电离层残差法进行再次检测和修复；构建B1I和B2I频点的载波相位观测方程为：
式(2)、(3)中，表示以周为单位的载波相位观测值，r表示实际的站星距，δu表示接收机钟差，δs表示卫星钟差；A是电离层延迟改正数，λ表示载波的波长，N是整周模糊度，T是对流层误差，ε是其他误差(主要是观测误差)；
通过无几何关系的载波相位组合观测值，得到：
理论值为ΔN1和ΔN2分别表示B1I和B2I频段上发生的周跳。
式中，表示电离层残差在历元间的变化值；
用载波相位的线性组合求得周跳检测量，并与门限值进行比较；若电离层残差法检测量的绝对值大于门限值，则有一个或两个载波相位观测量发生周跳；查出周跳值，并进行修复。
上述多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，优选地，当电离层残差跳变量的分辨率为0.07周时，选取[-4，4]内周跳变量的组合进行理论计算得到所对应的构成对比数值库；所述步骤(III)中判断发生周跳后，将变化值与对比数值库进行比较，得出两个频点发生的周跳值，再进行修复，原始观测值的周跳应该等于两次周跳之和。
与现有技术相比，本发明的多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳具有以下优点：
(1)本发明的方法，先读取载波相位、多普勒观测值；利用多普勒进行内插与梯形积分；载波相位差值与多普勒积分做差，差值即为检测量；搜索检测量是否超出阈值，若超出阈值，进行修复；用载波相位的线性组合求得周跳检测量，并与门限值进行比较；若电离层残差法的检测量大于门限值，查表得出两个频点发生的周跳值，并进行修复。
(2)本发明的方法，由于没用到伪距观测值，因此可以避免伪距噪声较大时，不能探测小周跳的缺陷。并且无需滤波，实时性强。
(3)本发明方法简单，易于实现，且可以在高采样率时(采样间隔小于5s)探测出最小的1周周跳
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是B1I频点多普勒探测结果；
图3是B2I频点多普勒探测结果；
图4是电离层残差法再次周跳探测结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细、完整地说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1示出了本发明多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳的流程，下面进行详细说明。
(I)分别取北斗导航系统中B1I和B2I频点，获取采样率为1s的载波相位和多普勒观测数据。
(II)多普勒积分法检测和修复周跳
原理：利用多普勒进行内插与梯形积分；载波相位差值与多普勒积分做差，差值即为检测量；搜索检测量是否超出阈值，若超出阈值，进行修复。
(i)获得观测方程：
设第i历元的观测时刻为ti，则前一历元的观测时刻为ti-1，如果不考虑噪声，理想情况下ti时刻的多普勒观测值D与载波相位应该满足如下关系式(1)：
式中N表示整周模糊度，若在ti至ti-1期间未发生周跳，则N(ti)＝N(ti-1)；发生周跳，则N(ti)≠N(ti-1)。
而实际上，由于观测噪声的影响，N(ti)和N(ti-1)不可能完全相等。
(ii)获得多普勒积分观测模型：
N(ti)-N(ti-1)＝ΔNd (1.1)
式中，ΔNd表示残差，即周跳检测量。对周跳检测量ΔNd进行四舍五入取整，得到周跳值。高采样率时，多普勒法的误差较小，当发生周跳时变化比较明显，即使是存在1-2周的误差也不会影响最终的周跳探测与修复，因为会进行电离层残差法的再次探测与修复。
(iii)判断周跳发生：
若检测量ΔNd为0，则没有发生周跳；若检测量ΔNd不为0，则发生周跳。
(iv)发生周跳的修复方法：
该历元观测时刻ti的载波相位及其后面的载波相位都减去ΔNd。虽然经过多普勒法对周跳值进行修复，但是可能存在误判的情况，或者存在有小周跳未修复的情况，所以需要采用电离层残差法再次探测与修复。
(III)双频电离层残差法检测和修复小周跳。
用载波相位的线性组合求得周跳检测量，并与门限值进行比较；若电离层残差法的检测量大于门限值，查表得出两个频点发生的周跳值，并进行修复。
(i)获得观测方程：
北斗系统中B1I和B2I频点的载波相位观测方程为：
式(2)、(3)中，表示以周为单位的载波相位观测值，r表示实际的站星距，δu表示接收机钟差，δs表示卫星钟差；A是电离层延迟改正数，λ表示载波的波长，N是整周模糊度，ε是其他误差(主要是观测误差)，下标1、2用于区分两个频点的数据。
(ii)获得电离层残差观测模型：
当接收机相同时，ε1与ε2基本相同，则无几何关系的载波相位组合观测值为：
将式(4)两边同时除以λ1，则有
式中，Δion表示电离层残差，表示电离层残差一次时间差。
进行历元差分得到
式中，表示电离层残差法的周跳检测量。
虽然卫星速度很快，相邻历元的电离层折射延迟也会有差异，但是在采样间隔较小时，电离层延迟变化很小，因此，间隔越小时Δion(ti)-Δion(ti-1)的值越趋近零。
(iii)判断周跳发生：
根据北斗导航系统的特性，行业内一直将B1I和B2I两个频点的载波相位观测量的观测误差设为σ＝0.01周，则电离层残差的周跳检测量的中误差那么(6)式中对进行微分，得到
和可认为是观测误差σ，中误差与观测值中误差之间的关系
根据误差传播理论，取中误差的3倍为门限值，设检测门限为3倍中误差的标准，即当时，可以判断其中必有一个频点或两个频点上的载波相位观测量发生周跳。
(iv)发生周跳的修复方法：
该历元i的B1I和B2I频点的载波相位和及其后面历元的载波相位都分别减去ΔN1和ΔN2。
为了说明本发明的准确性，下面验证本发明判断周跳的正确性：
取B1I和B2I频点的频率分别为f1＝1561.098MHz，f2＝1207.14MHz，由式(6)的分析可知当Δion(ti)-Δion(ti-1)≈0时，得到
取一些使接近的组合，经过计算得到表1。对比表1左右两边的组合，可以发现，对于同一个可能解得不同ΔN1和ΔN2，因为实际观测中还存在着0.07周的误差。
表1接近的周跳组合
当电离层残差跳变量的分辨率为0.07周时，选取[-4，4]的跳变量作为搜索窗口，根据双频电离层残差法的特性，是可以唯一找出ΔN1和ΔN2对应组合的。
表2选取了[-4，4]内周跳变量的组合进行举例，可以发现，即使是绝对值最接近的组合，也相差0.17周左右，因此0.07周的分辨率足以区分是否有周跳。
表2[-4，4]内不同周跳组合得到的
除了多值性这一缺陷外，从式(8)还可以看出，电离层残差法还有另外一个不足，那就是当对，就跟无周跳时一样，即对此类周跳探测不出。
算出接收机在历元i的与表2中的数值逐个进行对比，若与表2中某个数值的差值绝对值在0.07以内，那么则认为该值所对应的ΔN1和ΔN2就是双频电离层残差法探测出来的周跳。
以下通过实验数据进行说明。
分别在两个频点的载波相位观测量中的第59历元、第390历元和第477历元处模拟加入值为(20，20)的相同大周跳组合、值为(9，7)的特殊周跳组合和(-1，0)的小周跳组合。
如图2所示，多普勒法在B1频点的第59历元处的周跳检测值为20.622周，取整后为21周；在第390历元处的周跳检测值为8.913周，取整后为9周；在第477历元处的周跳检测值为-0.124周，取整后为0周。
如图3所示，多普勒法在B2频点的第59历元处的周跳检测值为20.296周，取整后为20周；在第390历元处的周跳检测值为6.468周，取整后为6周；在第477历元的周跳检测值为0.007周，取整后为0周。
所以经多普勒法初步探测周跳后，在第59历元、390历元和477历元处的周跳组合分别为：(21，20)、(9，6)和(0，0)。用多普勒法初步得到的周跳值对B1I频点和B2I频点的载波相位观测量进行修复，与实验加入的周跳值相比，有些情况下会残留1周的周跳误差。接下来使用电离层残差法对载波相位观测量进行再次周跳探测。周跳探测结果如图4所示。
由图4可见，电离层残差法在第59历元处的周跳检测量为-0.99周，在第390历元处的周跳检测量为-1.29周，在第390历元处的周跳检测量为-0.99周。由于经过多普勒法对周跳的初步修复，已经将周跳值约束在(-1，1)范围以内，因此必定是[-4，4]范围内的一组解，通过电离层残差的周跳观测量公式(8)计算，可以分别求得在三个历元处两个频点的周跳组合分别为：(0，1)和(-1，0)。最后将电离层残差法与多普勒法得到的周跳值相加，得到第59、390和477历元处B1频点和B2频点的周跳组合分别为(20，20)、(9，7)和(-1，0)，结果与试验加入的周跳值相同。
最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，其特征在于，包括以下步骤：
a、由接收机分别获取导航系统中两个频点的载波相位和多普勒观测值；
b、利用多普勒积分法算出检测量进行初步的周跳探测，判断检测量是否超出阈值，若超出阈值，判断发生周跳，则进行步骤c；若未超出阈值，则进行步骤d；
c、将原始周跳检测量修正到±4周以内，进行步骤d；
d、用电离层残差法对周跳进行探测，用载波相位的线性组合求得周跳检测量，并将检测量与门限值进行比较；若电离层残差法检测量的绝对值大于门限值，判断发生周跳，则进行步骤e；若检测量的绝对值小于门限值，判断未发生周跳；
e、对周跳值进行修复。
2.根据权利要求1所述的多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，其特征在于，所述导航系统为北斗导航系统。
3.根据权利要求1所述的多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，其特征在于，具体步骤为：
(I)由接收机分别获取导航系统中两个频点B1I和B2I频点的载波相位和多普勒观测值；
(II)多普勒积分法检测和修复周跳：设第i历元的观测时刻为ti，则前一历元的观测时刻为ti-1，则ti时刻的多普勒观测值D与载波相位应该满足如下关系式：
式中N表示整周模糊度，若在ti至ti-1期间未发生周跳，则N(ti)＝N(ti-1)；发生周跳，则N(ti)≠N(ti-1)；
建立多普勒积分观测模型：
N(ti)-N(ti-1)＝ΔNd
式中，ΔNd表示残差，即周跳检测量；对ΔNd进行四舍五入取整若为0，则没有发生周跳；若不为0，则发生周跳；
若发生周跳，则对周跳值进行修复；
(III)双频电离层残差法检测和修复小周跳：对经过多普勒法修复后的载波相位，采用电离层残差法进行再次检测和修复；构建B1I和B2I频点的载波相位观测方程为：
式中，表示以周为单位的载波相位观测值，r表示实际的站星距，δu表示接收机钟差，δs表示卫星钟差；A是电离层延迟改正数，λ表示载波的波长，N是整周模糊度，T是对流层误差，ε是其他误差；
通过无几何关系的载波相位组合观测值，得到：
式中，表示电离层残差在历元间的变化值；
用载波相位的线性组合求得周跳检测量，并与门限值进行比较；若电离层残差法检测量的绝对值大于门限值，则有一个频点或两个频点上的载波相位观测量发生周跳；查出周跳值，并进行修复。
4.根据权利要求3所述的多普勒积分法联合电离层残差法检测与修复周跳，其特征在于，当电离层残差跳变量的分辨率为0.07周时，选取多组[-4，4]内周跳变量的组合进行计算得到所组合对应的理论变化值构成对比数值库；所述步骤(III)中判断发生周跳后，将变化值与对比数值库进行比较，得出两个频点发生的周跳值，再进行修复，原始观测值的周跳应该等于两次周跳之和。
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