CN111239779A - 一种无盲点的gnss三频组合周跳探测与修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，首先构造一个三频无几何相位组合和一个三频STPIR组合；利用这两个组合构建出公共盲点模型，进而得到三频伪距相位组合的系数约束条件；以此条件为基础，构造出可以探测出前两种组合盲点的三频伪距相位组合。将三频无几何相位组合、三频STPIR组合和特别构造的三频伪距相位组合联立，实现对各频点观测值周跳的无盲点探测与修复。该发明是一种适用于多系统的周跳探测与修复方法。与其他常用三频组合探测法相比，具有良好的无盲点探测与修复效果，更适合实际应用。

Description

一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法
技术领域
本发明涉及属于卫星导航定位领域，特别是一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)发展至今，精密定位技术已较为成熟。高精度定位技术可以 提供高质量的定位服务，其应用范围已经扩展到导航定位、水利、国土城市规划、国家重大 工程建设等各个领域。载波相位是GNSS精密定位中最主要的观测值。在对载波相位的观测过 程中，由于外界干扰或者硬件故障等原因，造成接收机整周计数器发生中断，从而导致载波 相位观测值发生整周跳变，这个整周跳变被称作周跳。周跳的存在会给后续的模糊度固定以 及定位结果产生严重的影响，即使只有一颗卫星发生一周的周跳，也会对定位结果造成几厘 米的偏差。因此在用载波相位观测值进行解算之前，必须要对周跳进行处理。
自载波定位技术出现以来，已有多种周跳的探测与修复方法被提出。早期的方法有高次 差法，多项式拟合法，HMW组合法以及TurboEdit法等。随着GNSS的现代化建设及新系统的 建立，越来越多的卫星开始发送三频信号，研究与三频信号相关的周跳探测方法也越来越有 意义。针对目前三频组合法对特殊周跳组合容易出现探测盲点的问题，本发明提供了一种无 盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，克服了现有三频组合方法存在探测盲点的局限 性，具有更高的准确性、稳定性及探测精度。
发明内容
为了解决以上问题。本发明提供一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法， 这种方法适用于多系统的三频数据，能实现对周跳的无盲点探测与修复。为达此目的：
本发明提供一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，具体包括以下步骤：
步骤一、提取不同频点上的载波相位观测值及伪距观测值，并在历元间进行一次差分， 得到差分观测值；
步骤二、选取三频无几何相位组合系数以及三频STPIR组合系数，进而计算出三频伪距 相位组合中的相位系数；
步骤三、构造三个三频组合观测值并计算组合中误差；
步骤四、联合利用三个组合观测值进行周跳的无盲点探测，当判定有周跳发生时，执行 步骤五，否则执行步骤三进行下一历元的探测；
步骤五、周跳修复。
作为本发明进一步改进，步骤一中所述的差分观测值的获取包括以下步骤：
步骤1.1、分别获取同一卫星系统不同频段信号的载波相位观测值和伪距观测值；
步骤1.2、对t和t+1时刻的载波相位观测值和伪距观测值进行历元间差分，得到差分观 测值；
Figure BDA0002398175960000021
δPi(t,t+1)＝Pi(t)-Pi(t+1) (2)
式中：i代表频率编号；
Figure BDA0002398175960000022
代表载波相位观测值；P代表伪距观测值；δ代表历元间差分 算子。
作为本发明进一步改进，步骤二中所述的步骤二、选取三频无几何相位组合系数以及三 频STPIR组合系数，进而计算出三频伪距相位组合中的相位系数的过程包括以下步骤：
步骤2.1、在[-4,4]的范围内选取一组线性无关的且满足l1+m1+n1＝0的整数(l1,m1,n1)， 作为三频无几何相位组合系数；
步骤2.2、在[-4,4]的范围内选取一组与(l1,m1,n1)线性无关且满足l2+m2+n2＝0的整数 (l2,m2,n2)，作为三频STPIR组合系数；
步骤2.3、将步骤2.1和2.2中选取的组合观测值系数(l1,m1,n1)和(l2,m2,n2)代入到式(3) 中，计算出三频伪距相位组合相位系数(a,b,d)。
Figure BDA0002398175960000023
式中：λ1，λ2，λ3代表三个载波相位观测值的波长；f1,f2,f3代表三个载波相位观测值的频 率；c为光速。
作为本发明进一步改进，步骤三中所述的构造三个组合观测值并计算组合中误差的过程 包括以下步骤：
步骤3.1、利用三频历元间差分观测值，按照式(4)的矩阵形式构造三频组合观测值 δL1(k)，
Figure BDA0002398175960000024
及δL3(k)；
Figure BDA0002398175960000025
式中：k代表(t,t+1)。
式(4)可简写为
L＝Bl (5)
步骤3.2、计算三个组合观测值δL1(k)、δПL2(k)、δL3(k)的组合中误差；
Figure BDA0002398175960000031
式中:
Figure BDA0002398175960000032
为原始载波观测噪声，大小为0.002m；
Figure BDA0002398175960000033
Figure BDA0002398175960000034
式中：σP为原始伪距观测噪声，大小为0.3m。
作为本发明进一步改进，步骤四中联合利用三个组合观测值进行周跳的无盲点探测与修 复的具体步骤为：
步骤4.1、判断
Figure BDA0002398175960000035
和
Figure BDA0002398175960000036
是否同时成立，如果成立，则执行步骤 4.2；否则执行步骤4.3。
步骤4.2、判断
Figure BDA0002398175960000037
是否成立，如果成立，判定为无周跳发生；否则判定为有周 跳发生。
步骤4.3、判断
Figure BDA0002398175960000038
和
Figure BDA0002398175960000039
是否同时成立，如果成立，则判定为有 周跳发生；否则判定为无周跳发生。
作为本发明进一步改进，步骤五中周跳修复的具体步骤为：
步骤5.1、当步骤4.2和步骤4.3判定有周跳发生时，由构造的三个组合观测值，联立方 程组；
Figure BDA00023981759600000310
式(9)可简写为：
L＝AX (10)
式中：L为组合观测矩阵；A为相位系数矩阵；X为周跳参数矩阵；
步骤5.2、对式(9)进行最小二乘估计可得周跳实数解；
Figure BDA00023981759600000311
式中：DLL＝BDllBT，其中
Figure BDA00023981759600000312
Figure BDA00023981759600000313
为周跳实数解矩 阵；
步骤5.3、利用步骤5.2得到的周跳实数解，通过LAMBDA方法得到周跳整数解，将原始 载波观测数据在后续历元中减去该周跳整数解，实现对观测值的修复。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)该方法充分利用了三频组合观测值能有效地消除接收机钟差等各种系统误差的特 性，实现对各频率载波相位观测值上发生的周跳进行有效探测与修复；
(2)该方法通过分析三频无几何相位组合以及三频STPIR组合的公共盲点模型，得到系 数约束条件，进而构造一个可以探测公共盲点的三频伪距相位组合，因此该方法不存在公共 的探测盲点，与其他常用三频组合探测方法相比具有更好的探测效果；
(3)当有周跳发生时，该方法能获得各个频点上的周跳值，故可直接对原始观测值进行 修复，从而达到良好的修复效果。
附图说明
图1是本发明无盲点的GNSS三频组合周跳探测流程图；
图2是本发明修复前的三个组合观测值大小随历元变化情况示意图；
图3是本发明修复后的三个组合观测值大小随历元变化情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，这种方法适用于多系统的三频数据，能实现对周跳的无盲点探测与修复。
如图1所示，本发明实施例提供一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法
(1)获得观测数据：获取2016年6月24日某一测站C01卫星的三频伪距与载波相 位观测数据，在第10个历元处人为加入大小为(1，1，0)的周跳；
(2)获得差分观测值：将观测值在历元间进行一次差分，得到第9和第10个历元 的差分观测值为；
Figure BDA0002398175960000041
Figure BDA0002398175960000042
(3)选取三频无几何相位组合系数及三频STPIR组合系数：参照公式(3)、(4)、 (5)构造三频无几何相位组合及三频STPIR组合观测值。本实施例的组合系数情况及探 测阈值情况列入表1；
表1
组合观测量 相位系数 伪距系数
三频无几何相位组合 (0，1，-1) 无
三频STPIR组合 (1，-4，3) 无
(4)将表1中的系数代入公式(6)中，求解得到三频伪距相位组合中的相位系数为：
Figure BDA0002398175960000051
(5)参照公式(4)构造三个三频组合观测值，可得：
Figure BDA0002398175960000052
参照公式(6)、(7)、(8)，计算三个组合的组合中误差
Figure BDA0002398175960000053
(6)通过比较三个组合观测值与4倍组合中误差绝对值的大小关系，判断为有周跳发生，需修复周跳，结合公式(11)联立方程组：
Figure RE-GDA0002467161900000054
(7)得到周跳实数解及方差阵：参照公式(12)，可得到周跳实数解为：
Figure BDA0002398175960000055
(8)利用直接LAMBDA方法，得到周跳整数解为；
Figure BDA0002398175960000056
(9)对周跳进行修复：利用得到的周跳整数解对原始观测值进行修复；
(10)至此，完成了一个历元的周跳探测与修复；
(11)重复上述步骤进行下一历元周跳探测与修复，直至遍历全部历元。三个组合观测值大小随历元变化情况如图2所示，修复后的三个组合观测值大小随历元变化情况 如图3所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制， 而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，具体包括以下步骤，其特征在于：
步骤一、提取不同频点上的载波相位观测值及伪距观测值，并在历元间进行一次差分，得到差分观测值；
步骤二、选取三频无几何相位组合系数以及三频STPIR组合系数，进而计算出三频伪距相位组合中的相位系数；
步骤三、构造三个三频组合观测值并计算组合中误差；
步骤四、联合利用三个组合观测值进行周跳的无盲点探测，当判定有周跳发生时，执行步骤五，否则执行步骤三进行下一历元的探测；
步骤五、周跳修复。
2.根据权利要求1所述的一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，其特征在于：步骤一中所述的差分观测值的获取包括以下步骤：
步骤1.1、分别获取同一卫星系统不同频段信号的载波相位观测值和伪距观测值；
步骤1.2、对t和t+1时刻的载波相位观测值和伪距观测值进行历元间差分，得到差分观测值；
Figure FDA0002398175950000011
δPi(t,t+1)＝Pi(t)-Pi(t+1) (2)
式中：i代表频率编号；
Figure FDA0002398175950000012
代表载波相位观测值；P代表伪距观测值；δ代表历元间差分算子。
3.根据权利要求1所述的一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，其特征在于：步骤二中所述的步骤二、选取三频无几何相位组合系数以及三频STPIR组合系数，进而计算出三频伪距相位组合中的相位系数的过程包括以下步骤：
步骤2.1、在[-4,4]的范围内选取一组线性无关的且满足l1+m1+n1＝0的整数(l1,m1,n1)，作为三频无几何相位组合系数；
步骤2.2、在[-4,4]的范围内选取一组与(l1,m1,n1)线性无关且满足l2+m2+n2＝0的整数(l2,m2,n2)，作为三频STPIR组合系数；
步骤2.3、将步骤2.1和2.2中选取的组合观测值系数(l1,m1,n1)和(l2,m2,n2)代入到式(3)中，计算出三频伪距相位组合相位系数(a,b,d)。
Figure FDA0002398175950000013
式中：λ1，λ2，λ3代表三个载波相位观测值的波长；f1,f2,f3代表三个载波相位观测值的频率；c为光速。
4.根据权利要求1所述的一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，其特征在于：步骤三中所述的构造三个组合观测值并计算组合中误差的过程包括以下步骤：
步骤3.1、利用三频历元间差分观测值，按照式(4)的矩阵形式构造三频组合观测值δL1(k)，
Figure FDA0002398175950000021
及δL3(k)；
Figure FDA0002398175950000022
式中：k代表(t,t+1)。
式(4)可简写为
L＝Bl (5)
步骤3.2、计算三个组合观测值δL1(k)、δПL2(k)、δL3(k)的组合中误差；
Figure FDA0002398175950000023
式中:
Figure FDA0002398175950000024
为原始载波观测噪声，大小为0.002m；
Figure FDA0002398175950000025
Figure FDA0002398175950000026
式中：σP为原始伪距观测噪声，大小为0.3m。
5.根据权利要求1所述的一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，其特征在于：步骤四中联合利用三个组合观测值进行周跳的无盲点探测与修复的具体步骤为：
步骤4.1、判断
Figure FDA0002398175950000027
和
Figure FDA0002398175950000028
是否同时成立，如果成立，则执行步骤4.2；否则执行步骤4.3。
步骤4.2、判断
Figure FDA0002398175950000029
是否成立，如果成立，判定为无周跳发生；否则判定为有周跳发生。
步骤4.3、判断
Figure FDA00023981759500000210
和
Figure FDA00023981759500000211
是否同时成立，如果成立，则判定为有周跳发生；否则判定为无周跳发生。
6.根据权利要求1所述的一种无盲点的GNSS三频组合周跳探测与修复方法，其特征在于：步骤五中周跳修复的具体步骤为：
步骤5.1、当步骤4.2和步骤4.3判定有周跳发生时，由构造的三个组合观测值，联立方程组；
Figure FDA0002398175950000031
式(9)可简写为：
L＝AX (10)
式中：L为组合观测矩阵；A为相位系数矩阵；X为周跳参数矩阵；
步骤5.2、对式(9)进行最小二乘估计可得周跳实数解；
Figure FDA0002398175950000032
式中：DLL＝BDllBT，其中
Figure FDA0002398175950000033
Figure FDA0002398175950000034
为周跳实数解矩阵；
步骤5.3、利用步骤5.2得到的周跳实数解，通过LAMBDA方法得到周跳整数解，将原始载波观测数据在后续历元中减去该周跳整数解，实现对观测值的修复。
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