CN111856512B - 基于便携式终端的双频电离层误差估计方法及系统 - Google Patents

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CN111856512B CN202010640566.6A CN202010640566A CN111856512B CN 111856512 B CN111856512 B CN 111856512B CN 202010640566 A CN202010640566 A CN 202010640566A CN 111856512 B CN111856512 B CN 111856512B
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
    • G01S19/07—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing data for correcting measured positioning data, e.g. DGPS [differential GPS] or ionosphere corrections
    • G01S19/072—Ionosphere corrections

Abstract

本发明提供了一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法及系统，包括：获取便携式终端的原始L1和L5双频观测数据，并对其中的伪距观测量进行预处理，主要是载波平滑；对预处理后的L1和L5双频观测数据进行一系列的处理，获得中间输出，即L1和L5的模糊度估计；对L1和L5的模糊度进行滤波，减轻其中的噪声和误差；最后利用滤波后的L1和L5模糊度估计以及L1和L5载波观测量，获得最终的无模糊度且更加准确的L1和L5电离层误差估计。本发明相比于传统方法提高了电离层误差估计精度，可用于高精度定位和电离层监测等应用。

Description

基于便携式终端的双频电离层误差估计方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，具体地，涉及基于便携式终端的双频电离层误差估计方法及系统。尤其地，涉及一种基于便携式终端的GPS L1/L5双频电离层误差估计方法。
背景技术
伴随着集成电路和射频工艺的发展，现代全球导航卫星系统(GNSS)接收机的集成化程度越来越高，表现为模块和天线的小型化和低功耗。未来社会对位置服务的需求将无处不在，如自动驾驶、送货无人机、物联网等，而小型化、低功耗的GNSS模块则具有突出优势，如无人机对其搭载的GNSS模块和天线的重量和功耗都有严格控制。目前，在众多便携式终端(如智能手机、平板电脑、智能手环、四旋翼航拍无人机等)中内嵌有GNSS芯片，这类GNSS芯片具有极低成本和极低功耗的优点，但是在性能上相比于传统车载应用模块(如u-blox等)还是存在很大差距。
便携式终端中超低成本GNSS芯片的主流定位技术是基于伪距的单点定位，在最优情况下可达3～5m的定位精度，尚未达到厘米级的要求。为了在超低成本芯片上实现厘米级，需要采用基于载波观测量的RTK或PPP技术。而且现在大多数便携式终端上的GNSS芯片已经可以同时跟踪GPS L1和L5两个频率上的信号，因此可以利用双频信号去实现更准确地测量，例如使用双频观测消除电离层误差和估计整周模糊度。
利用双频观测量可以消除电离层误差，从而提高便携式终端的定位精度。然而传统的双频消除电离层误差方法是基于双频伪距观测量的，因为伪距观测量包含更多噪声和多路径误差，因此估计出来的电离层误差也同样含有很多误差。而载波观测量则具有噪声小的优点，但是由于载波观测量中存在整周模糊度，因此它无法直接用来估计电离层误差。因此，本发明试图结合载波观测量和伪距观测量各自的优点，设计了一种更加准确的电离层误差估计方法，而更加准确的电离层误差估计可以用于便携式终端的高精度定位、电离层监测等众多应用之中。
综上所述，发明一种基于便携式终端的GPS L1/L5双频电离层误差估计方法具有实用价值。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法及系统。
根据本发明提供的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：双频观测量预处理单元(111)负责从便携式终端的GNSS芯片中获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测量数据，并利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理；
步骤S2：将步骤S1获得的平滑后的L1伪距观测量数据和平滑后的L5伪距观测量数据送入伪距估计模糊度单元(112)，得到初步的L1和L5的电离层误差估计；
步骤S3：将步骤S1获得的L1载波观测量和L5载波观测量，以及步骤S2获得的初步L1和L5的电离层误差估计组成中巷观测量；
步骤S4：对步骤S3获得的中巷观测量以及L5平滑伪距、L5电离层误差估计进行处理，得到中巷模糊度估计；
步骤S5：将步骤S4获得的中巷模糊度估计以及L1载波观测量、L5载波观测量、L1电离层误差估计、L5电离层误差估计作为输入并进行处理，得到L1和L5单频模糊度估计；
步骤S6：将S5输出的L1和L5单频模糊度送入模糊度滤波单元(113)，利用卡尔曼滤波器进行滤波，得到滤波后的L1和L5单频模糊度；
步骤S7：将S6获得的滤波后的L1和L5单频模糊度，以及L1和L5载波观测量作为输入，送入载波估计电离层单元(114)，得到最终输出物，即无模糊度且更准确的L1和L5电离层误差估计；
优选地，所述步骤S1：
通过调用便携式终端操作系统的API获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测数据。
优选地，所述步骤S1：
所述利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理指：
将L1伪距观测量数据和L5伪距观测量数据送入载波平滑伪距模块，利用载波观测量噪声小的优点来平滑伪距观测量的大噪声，对原始伪距观测量进行预处理来提高伪距观测量的质量，方法如下：
Figure BDA0002571328990000031
其中，
上标为历元k为大于等于2的正整数；
下标L1表示这是L1信号的观测量；
ρ表示伪距观测量；
φ表示载波观测量；
λ表示对应的波长；
波浪线～表示平滑结果；
M表示平滑系数，通常取20～100；
这是一个迭代公式，迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000032
对于L5信号的平滑迭代公式如下：
Figure BDA0002571328990000033
这是一个迭代公式，且迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000034
获得平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure BDA0002571328990000035
和
Figure BDA0002571328990000036
优选地，所述步骤S2：
根据获得的平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure BDA0002571328990000037
和
Figure BDA0002571328990000038
利用如下方法得到L1和L5电离层误差：
Figure BDA0002571328990000039
Figure BDA00025713289900000310
其中，
fL1和fL5分别是L1和L5信号的频率；
IL1和IL5分别是L1和L5的电离层误差。
优选地，所述步骤S3：
将IL1和IL5以及双频观测量预处理单元(111)的载波观测量送入中巷观测量生成模块，得到中巷观测量
Figure BDA0002571328990000041
如下：
Figure BDA0002571328990000042
其中，
λL1和λL5分别表示信号L1和L5的波长。
优选地，所述步骤S5：
将中巷观测量以及L5平滑伪距和L5电离层误差送入中巷模糊度估计模块，得到如下的中巷模糊度
Figure BDA0002571328990000043
Figure BDA0002571328990000044
其中符号[·]roundoff表示四舍五入，而λL15是等效中巷波长，这里
Figure BDA0002571328990000045
上式中c表示真空中光速，即299792458m/s；
之后，双频模糊度估计模块的输入包括上一步的中巷模糊度，还有L1和L5的载波观测量和电离层估计，而该模块的输出包含L1和L5的单频模糊度估计，方法如下：
Figure BDA0002571328990000046
Figure BDA0002571328990000047
优选地，所述步骤S6：
滤波采用的是卡尔曼滤波器，其中状态向量是[NL1 NL5]T，观测向量是
Figure BDA0002571328990000048
观测矩阵和预测矩阵皆为二阶单位矩阵，观测噪声协方差矩阵和预测噪声协方差矩阵需要根据实际噪声功率的大小通过调参设置最优值，模糊度滤波单元(113)的输出是滤波后的L1模糊度
Figure BDA0002571328990000049
和滤波后的L5模糊度
Figure BDA00025713289900000410
优选地，所述步骤S7：
载波估计电离层单元(114)进行如下处理从而得到新的电离层误差估计：
Figure BDA00025713289900000411
Figure BDA0002571328990000051
载波估计电离层单元(114)得到了更加准确的电离层误差估计
Figure BDA0002571328990000052
和
Figure BDA0002571328990000053
根据本发明提供的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计系统，包括：
模块S1：双频观测量预处理单元(111)负责从便携式终端的GNSS芯片中获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测量数据，并利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理；
模块S2：将模块S1获得的平滑后的L1伪距观测量数据和平滑后的L5伪距观测量数据送入伪距估计模糊度单元(112)，得到初步的L1和L5的电离层误差估计；
模块S3：将模块S1获得的L1载波观测量和L5载波观测量，以及模块S2获得的初步L1和L5的电离层误差估计组成中巷观测量；
模块S4：对模块S3获得的中巷观测量以及L5平滑伪距、L5电离层误差估计进行处理，得到中巷模糊度估计；
模块S5：将模块S4获得的中巷模糊度估计以及L1载波观测量、L5载波观测量、L1电离层误差估计、L5电离层误差估计作为输入并进行处理，得到L1和L5单频模糊度估计；
模块S6：将S5输出的L1和L5单频模糊度送入模糊度滤波单元(113)，利用卡尔曼滤波器进行滤波，得到滤波后的L1和L5单频模糊度；
模块S7：将S6获得的滤波后的L1和L5单频模糊度，以及L1和L5载波观测量作为输入，送入载波估计电离层单元(114)，得到最终输出物，即无模糊度且更准确的L1和L5电离层误差估计；
优选地，所述模块S1：
通过调用便携式终端操作系统的API获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测数据；
所述利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理指：
将L1伪距观测量数据和L5伪距观测量数据送入载波平滑伪距模块，利用载波观测量噪声小的优点来平滑伪距观测量的大噪声，对原始伪距观测量进行预处理来提高伪距观测量的质量，方法如下：
Figure BDA0002571328990000054
其中，
上标为历元k为大于等于2的正整数；
下标L1表示这是L1信号的观测量；
ρ表示伪距观测量；
φ表示载波观测量；
λ表示对应的波长；
波浪线～表示平滑结果；
M表示平滑系数，通常取20～100；
这是一个迭代公式，迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000061
对于L5信号的平滑迭代公式如下：
Figure BDA0002571328990000062
这是一个迭代公式，且迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000063
获得平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure BDA0002571328990000064
和
Figure BDA0002571328990000065
优选地，所述模块S2：
根据获得的平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure BDA0002571328990000066
和
Figure BDA0002571328990000067
利用如下方法得到L1和L5电离层误差：
Figure BDA0002571328990000068
Figure BDA0002571328990000069
其中，
fL1和fL5分别是L1和L5信号的频率；
IL1和IL5分别是L1和L5的电离层误差；
所述模块S3：
将IL1和IL5以及双频观测量预处理单元(111)的载波观测量送入中巷观测量生成模块，得到中巷观测量
Figure BDA00025713289900000610
如下：
Figure BDA00025713289900000611
其中，
λL1和λL5分别表示信号L1和L5的波长；
所述模块S5：
将中巷观测量以及L5平滑伪距和L5电离层误差送入中巷模糊度估计模块，得到如下的中巷模糊度
Figure BDA0002571328990000071
Figure BDA0002571328990000072
其中符号[·]roundoff表示四舍五入，而λL15是等效中巷波长，这里
Figure BDA0002571328990000073
上式中c表示真空中光速，即299792458m/s；
之后，双频模糊度估计模块的输入包括上一步的中巷模糊度，还有L1和L5的载波观测量和电离层估计，而该模块的输出包含L1和L5的单频模糊度估计，方法如下：
Figure BDA0002571328990000074
Figure BDA0002571328990000075
所述模块S6：
滤波采用的是卡尔曼滤波器，其中状态向量是[NL1 NL5]T，观测向量是
Figure BDA0002571328990000076
观测矩阵和预测矩阵皆为二阶单位矩阵，观测噪声协方差矩阵和预测噪声协方差矩阵需要根据实际噪声功率的大小通过调参设置最优值，模糊度滤波单元(113)的输出是滤波后的L1模糊度
Figure BDA0002571328990000077
和滤波后的L5模糊度
Figure BDA0002571328990000078
所述模块S7：
载波估计电离层单元(114)进行如下处理从而得到新的电离层误差估计：
Figure BDA0002571328990000079
Figure BDA00025713289900000710
载波估计电离层单元(114)得到了更加准确的电离层误差估计
Figure BDA00025713289900000711
和
Figure BDA00025713289900000712
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明结合了伪距观测量和载波观测量各自的特点，设计了一种无模糊度且更加准确的L1和L5电离层误差估计方法，相比于传统方法提高了电离层误差估计精度，可用于高精度定位和电离层监测等应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是可选实施例中一种基于便携式终端的GPS L1/L5双频电离层误差估计方法的系统框图；
图2是可选实施例中双频观测量预处理单元的工作原理框图；
图3是可选实施例中伪距估计模糊度单元的工作原理框图；
图4是可选实施例中模糊度滤波单元的工作原理框图；
图5是可选实施例中载波估计电离层单元的工作原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：双频观测量预处理单元(111)负责从便携式终端的GNSS芯片中获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测量数据，并利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理；
步骤S2：将步骤S1获得的平滑后的L1伪距观测量数据和平滑后的L5伪距观测量数据送入伪距估计模糊度单元(112)，得到初步的L1和L5的电离层误差估计；
步骤S3：将步骤S1获得的L1载波观测量和L5载波观测量，以及步骤S2获得的初步L1和L5的电离层误差估计组成中巷观测量；
步骤S4：对步骤S3获得的中巷观测量以及L5平滑伪距、L5电离层误差估计进行处理，得到中巷模糊度估计；
步骤S5：将步骤S4获得的中巷模糊度估计以及L1载波观测量、L5载波观测量、L1电离层误差估计、L5电离层误差估计作为输入并进行处理，得到L1和L5单频模糊度估计；
步骤S6：将S5输出的L1和L5单频模糊度送入模糊度滤波单元(113)，利用卡尔曼滤波器进行滤波，得到滤波后的L1和L5单频模糊度；
步骤S7：将S6获得的滤波后的L1和L5单频模糊度，以及L1和L5载波观测量作为输入，送入载波估计电离层单元(114)，得到最终输出物，即无模糊度且更准确的L1和L5电离层误差估计；
具体地，所述步骤S1：
通过调用便携式终端操作系统的API获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测数据。
具体地，所述步骤S1：
所述利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理指：
将L1伪距观测量数据和L5伪距观测量数据送入载波平滑伪距模块，利用载波观测量噪声小的优点来平滑伪距观测量的大噪声，对原始伪距观测量进行预处理来提高伪距观测量的质量，方法如下：
Figure BDA0002571328990000091
其中，
上标为历元k为大于等于2的正整数；
下标L1表示这是L1信号的观测量；
ρ表示伪距观测量；
φ表示载波观测量；
λ表示对应的波长；
波浪线～表示平滑结果；
M表示平滑系数，通常取20～100；
这是一个迭代公式，迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000092
对于L5信号的平滑迭代公式如下：
Figure BDA0002571328990000093
这是一个迭代公式，且迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000094
获得平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure BDA0002571328990000095
和
Figure BDA0002571328990000096
具体地，所述步骤S2：
根据获得的平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure BDA0002571328990000101
和
Figure BDA0002571328990000102
利用如下方法得到L1和L5电离层误差：
Figure BDA0002571328990000103
Figure BDA0002571328990000104
其中，
fL1和fL5分别是L1和L5信号的频率；
IL1和IL5分别是L1和L5的电离层误差。
具体地，所述步骤S3：
将IL1和IL5以及双频观测量预处理单元(111)的载波观测量送入中巷观测量生成模块，得到中巷观测量
Figure BDA0002571328990000105
如下：
Figure BDA0002571328990000106
其中，
λL1和λL5分别表示信号L1和L5的波长。
具体地，所述步骤S5：
将中巷观测量以及L5平滑伪距和L5电离层误差送入中巷模糊度估计模块，得到如下的中巷模糊度
Figure BDA0002571328990000107
Figure BDA0002571328990000108
其中符号[·]roundoff表示四舍五入，而λL15是等效中巷波长，这里
Figure BDA0002571328990000109
上式中c表示真空中光速，即299792458m/s；
之后，双频模糊度估计模块的输入包括上一步的中巷模糊度，还有L1和L5的载波观测量和电离层估计，而该模块的输出包含L1和L5的单频模糊度估计，方法如下：
Figure BDA00025713289900001010
Figure BDA00025713289900001011
具体地，所述步骤S6：
滤波采用的是卡尔曼滤波器，其中状态向量是[NL1 NL5]T，观测向量是
Figure BDA0002571328990000111
观测矩阵和预测矩阵皆为二阶单位矩阵，观测噪声协方差矩阵和预测噪声协方差矩阵需要根据实际噪声功率的大小通过调参设置最优值，模糊度滤波单元(113)的输出是滤波后的L1模糊度
Figure BDA0002571328990000112
和滤波后的L5模糊度
Figure BDA0002571328990000113
具体地，所述步骤S7：
载波估计电离层单元(114)进行如下处理从而得到新的电离层误差估计：
Figure BDA0002571328990000114
Figure BDA0002571328990000115
载波估计电离层单元(114)得到了更加准确的电离层误差估计
Figure BDA0002571328990000116
和
Figure BDA0002571328990000117
根据本发明提供的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计系统，包括：
模块S1：双频观测量预处理单元(111)负责从便携式终端的GNSS芯片中获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测量数据，并利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理；
模块S2：将模块S1获得的平滑后的L1伪距观测量数据和平滑后的L5伪距观测量数据送入伪距估计模糊度单元(112)，得到初步的L1和L5的电离层误差估计；
模块S3：将模块S1获得的L1载波观测量和L5载波观测量，以及模块S2获得的初步L1和L5的电离层误差估计组成中巷观测量；
模块S4：对模块S3获得的中巷观测量以及L5平滑伪距、L5电离层误差估计进行处理，得到中巷模糊度估计；
模块S5：将模块S4获得的中巷模糊度估计以及L1载波观测量、L5载波观测量、L1电离层误差估计、L5电离层误差估计作为输入并进行处理，得到L1和L5单频模糊度估计；
模块S6：将S5输出的L1和L5单频模糊度送入模糊度滤波单元(113)，利用卡尔曼滤波器进行滤波，得到滤波后的L1和L5单频模糊度；
模块S7：将S6获得的滤波后的L1和L5单频模糊度，以及L1和L5载波观测量作为输入，送入载波估计电离层单元(114)，得到最终输出物，即无模糊度且更准确的L1和L5电离层误差估计；
具体地，所述模块S1：
通过调用便携式终端操作系统的API获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测数据；
所述利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理指：
将L1伪距观测量数据和L5伪距观测量数据送入载波平滑伪距模块，利用载波观测量噪声小的优点来平滑伪距观测量的大噪声，对原始伪距观测量进行预处理来提高伪距观测量的质量，方法如下：
Figure BDA0002571328990000121
其中，
上标为历元k为大于等于2的正整数；
下标L1表示这是L1信号的观测量；
ρ表示伪距观测量；
φ表示载波观测量；
λ表示对应的波长；
波浪线～表示平滑结果；
M表示平滑系数，通常取20～100；
这是一个迭代公式，迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000122
对于L5信号的平滑迭代公式如下：
Figure BDA0002571328990000123
这是一个迭代公式，且迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000124
获得平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure BDA0002571328990000125
和
Figure BDA0002571328990000126
具体地，所述模块S2：
根据获得的平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure BDA0002571328990000127
和
Figure BDA0002571328990000128
利用如下方法得到L1和L5电离层误差：
Figure BDA0002571328990000129
Figure BDA00025713289900001210
其中，
fL1和fL5分别是L1和L5信号的频率；
IL1和IL5分别是L1和L5的电离层误差；
所述模块S3：
将IL1和IL5以及双频观测量预处理单元(111)的载波观测量送入中巷观测量生成模块，得到中巷观测量
Figure BDA0002571328990000131
如下：
Figure BDA0002571328990000132
其中，
λL1和λL5分别表示信号L1和L5的波长；
所述模块S5：
将中巷观测量以及L5平滑伪距和L5电离层误差送入中巷模糊度估计模块，得到如下的中巷模糊度
Figure BDA0002571328990000133
Figure BDA0002571328990000134
其中符号[·]roundoff表示四舍五入，而λL15是等效中巷波长，这里
Figure BDA0002571328990000135
上式中c表示真空中光速，即299792458m/s；
之后，双频模糊度估计模块的输入包括上一步的中巷模糊度，还有L1和L5的载波观测量和电离层估计，而该模块的输出包含L1和L5的单频模糊度估计，方法如下：
Figure BDA0002571328990000136
Figure BDA0002571328990000137
所述模块S6：
滤波采用的是卡尔曼滤波器，其中状态向量是[NL1 NL5]T，观测向量是
Figure BDA0002571328990000138
观测矩阵和预测矩阵皆为二阶单位矩阵，观测噪声协方差矩阵和预测噪声协方差矩阵需要根据实际噪声功率的大小通过调参设置最优值，模糊度滤波单元(113)的输出是滤波后的L1模糊度
Figure BDA0002571328990000139
和滤波后的L5模糊度
Figure BDA00025713289900001310
所述模块S7：
载波估计电离层单元(114)进行如下处理从而得到新的电离层误差估计：
Figure BDA0002571328990000141
Figure BDA0002571328990000142
载波估计电离层单元(114)得到了更加准确的电离层误差估计
Figure BDA0002571328990000143
和
Figure BDA0002571328990000144
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
本发明的目的是提供一种基于便携式终端的GPS L1/L5双频电离层误差估计方法。所述方法针对便携式终端GNSS芯片使用传统伪距观测量估计电离层误差导致的估计不准确问题，提出了一种改进方法，通过结合伪距电离层误差估计的无模糊度优点和利用L1/L5双频载波电离层估计精度高的优点，设计的一种既无模糊度且更加准确的方法。
根据本发明提供的基于便携式终端的GPS L1/L5双频电离层误差估计方法，其特征在于，包括：
S1：双频观测量预处理单元(111)负责从便携式终端的GNSS芯片中获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距和载波观测数据，并利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量进行平滑处理。
S2：将S1获得的平滑后的L1伪距观测量和平滑后的L5伪距观测量送入伪距估计模糊度单元(112)，得到初步的L1和L5的电离层误差估计。
S3：将S1获得的L1载波观测量和L5载波观测量，以及S2获得的初步L1和L5的电离层误差估计组成中巷观测量。
S4：对S3获得的中巷观测量以及L5平滑伪距、L5电离层误差估计进行处理，得到中巷模糊度估计。
S5：将S4获得的中巷模糊度估计以及L1载波观测量、L5载波观测量、L1电离层误差估计、L5电离层误差估计作为输入并进行处理，得到L1和L5单频模糊度估计。
S6：将S5输出的L1和L5单频模糊度送入模糊度滤波单元(113)，利用卡尔曼滤波器进行滤波，得到滤波后的L1和L5单频模糊度。
S7：将S6获得的滤波后的L1和L5单频模糊度，以及L1和L5载波观测量作为输入，送入载波估计电离层单元(114)，得到最终输出物，即无模糊度且更准确的L1和L5电离层误差估计。
图1给出了本发明的整体框图，主要包含四个部分：双频观测量预处理单元(111)、伪距估计模糊度单元(112)、模糊度滤波单元(113)和载波估计电离层单元(114)。数据输入来自(111)单元，各单元对于数据都进行一定的处理，(114)单元包含了最终的数据输出。
图2给出了双频观测量预处理单元(111)的具体实施细节及输出。其中双频观测量获取模块从便携式终端内的GNSS芯片中获取GPS L1和L5的伪距和载波观测量，然后将L1伪距观测量和L5伪距观测量送入载波平滑伪距模块，利用载波观测量噪声小的优点来平滑伪距观测量的大噪声，对原始伪距观测量进行预处理来提高伪距观测量的质量，方法如下：
Figure BDA0002571328990000151
其中上标为历元k＝2,3…，下标L1表示这是L1信号的观测量，ρ表示伪距观测量，φ表示载波观测量，λ表示对应的波长，波浪线～表示平滑结果，M是平滑系数，通常取20～100。这是一个迭代公式，迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000152
同理，对于L5信号的平滑迭代公式如下：
Figure BDA0002571328990000153
其中各符号含义与上式同，且迭代初始条件为
Figure BDA0002571328990000154
图3给出了伪距估计模糊度单元(112)的具体实施细节及输出。其中伪距估计电离层模块的输入是L1和L5的平滑伪距观测量，利用如下方法得到L1和L5电离层误差：
Figure BDA0002571328990000155
Figure BDA0002571328990000156
其中，
Figure BDA0002571328990000157
和
Figure BDA0002571328990000158
分别表示上一步平滑过后的L5和L1伪距观测量。因为上一步是迭代处理，所以给它们加了上标k，这一步是利用上一步的结果，为了简化表达，所以没有标出k。(k代表每个处理历元)。
fL1和fL5分别是L1和L5信号的频率，而IL1和IL5分别是L1和L5的电离层误差，这个电离层误差是用伪距观测量估计的，因此包含很大的噪声和误差，因此在后续会进行处理得到更加准确的电离层误差估计。
将IL1和IL5以及双频观测量预处理单元(111)的载波观测量送入中巷观测量生成模块，得到中巷观测量
Figure BDA0002571328990000161
如下：
Figure BDA0002571328990000162
将中巷观测量以及L5平滑伪距和L5电离层误差送入中巷模糊度估计模块，得到如下的中巷模糊度
Figure BDA0002571328990000163
Figure BDA0002571328990000164
其中符号[·］roundoff表示四舍五入，而λL15是等效中巷波长，这里
Figure BDA0002571328990000165
上式中c表示真空中光速，即299792458m/s。
之后，双频模糊度估计模块的输入包括上一步的中巷模糊度，还有L1和L5的载波观测量和电离层估计，而该模块的输出包含L1和L5的单频模糊度估计，方法如下：
Figure BDA0002571328990000166
Figure BDA0002571328990000167
图4给出了模糊度滤波单元(113)的具体实施细节及输出。因为前面两个单元(111)和(112)是利用噪声大的伪距观测量获得的L1和L5的模糊度的，因此这个估计是非常不准确的。因此，为了获得更加准确的单频模糊度，需要对估计出来的L1和L5的模糊度历元进行滤波。滤波采用的是卡尔曼滤波器，其中状态向量是[NL1 NL5]T，观测向量是
Figure BDA0002571328990000168
观测矩阵和预测矩阵皆为二阶单位矩阵，观测噪声协方差矩阵和预测噪声协方差矩阵需要根据实际噪声功率的大小通过调参设置最优值。(113)单元的输出是滤波后的L1模糊度
Figure BDA0002571328990000169
和滤波后的L5模糊度
Figure BDA00025713289900001610
图5给出了载波估计电离层单元(114)的具体实施细节及输出。这一单元的输入包括(113)单元输出的滤波后的L1和L5模糊度和(111)单元的L1和L5载波观测量，该单元对输入进行如下处理从而得到新的电离层误差估计：
Figure BDA00025713289900001611
Figure BDA0002571328990000171
最终，(114)单元得到了更加准确的电离层误差估计
Figure BDA0002571328990000172
和
Figure BDA0002571328990000173
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：双频观测量预处理单元(111)负责从便携式终端的GNSS芯片中获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测量数据，并利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理；
步骤S2：将步骤S1获得的平滑后的L1伪距观测量数据和平滑后的L5伪距观测量数据送入伪距估计模糊度单元(112)，得到初步的L1和L5的电离层误差估计；
步骤S3：将步骤S1获得的L1载波观测量和L5载波观测量，以及步骤S2获得的初步L1和L5的电离层误差估计组成中巷观测量；
步骤S4：对步骤S3获得的中巷观测量以及L5平滑伪距、L5电离层误差估计进行处理，得到中巷模糊度估计；
步骤S5：将步骤S4获得的中巷模糊度估计以及L1载波观测量、L5载波观测量、L1电离层误差估计、L5电离层误差估计作为输入并进行处理，得到L1和L5单频模糊度估计；
步骤S6：将S5输出的L1和L5单频模糊度送入模糊度滤波单元(113)，利用卡尔曼滤波器进行滤波，得到滤波后的L1和L5单频模糊度；
步骤S7：将S6获得的滤波后的L1和L5单频模糊度，以及L1和L5载波观测量作为输入，送入载波估计电离层单元(114)，得到最终输出物，即无模糊度且更准确的L1和L5电离层误差估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，所述步骤S1：
通过调用便携式终端操作系统的API获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测数据；
所述利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理指：
将L1伪距观测量数据和L5伪距观测量数据送入载波平滑伪距模块，利用载波观测量噪声小的优点来平滑伪距观测量的大噪声，对原始伪距观测量进行预处理来提高伪距观测量的质量，方法如下：
Figure FDA0002571328980000021
其中，
上标为历元k为大于等于2的正整数；
下标L1表示这是L1信号的观测量；
ρ表示伪距观测量；
φ表示载波观测量；
λ表示对应的波长；
波浪线～表示平滑结果；
M表示平滑系数，通常取20～100；
这是一个迭代公式，迭代初始条件为
Figure FDA0002571328980000022
对于L5信号的平滑迭代公式如下：
Figure FDA0002571328980000023
这是一个迭代公式，且迭代初始条件为
Figure FDA0002571328980000024
获得平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure FDA0002571328980000025
和
Figure FDA0002571328980000026
3.根据权利要求2所述的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，所述步骤S2：
根据获得的平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure FDA0002571328980000027
和
Figure FDA0002571328980000028
利用如下方法得到L1和L5电离层误差：
Figure FDA0002571328980000029
Figure FDA00025713289800000210
其中，
fL1和fL5分别是L1和L5信号的频率；
IL1和IL5分别是L1和L5的电离层误差。
4.根据权利要求3所述的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，所述步骤S3：
将IL1和IL5以及双频观测量预处理单元(111)的载波观测量送入中巷观测量生成模块，得到中巷观测量
Figure FDA00025713289800000211
如下：
Figure FDA0002571328980000031
其中，
λL1和λL5分别表示信号L1和L5的波长。
5.根据权利要求4所述的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，所述步骤S5：
将中巷观测量以及L5平滑伪距和L5电离层误差送入中巷模糊度估计模块，得到如下的中巷模糊度
Figure FDA0002571328980000032
Figure FDA0002571328980000033
其中符号[·]roundoff表示四舍五入，而λL15是等效中巷波长，这里
Figure FDA0002571328980000034
上式中c表示真空中光速，即299792458m/s；
之后，双频模糊度估计模块的输入包括上一步的中巷模糊度，还有L1和L5的载波观测量和电离层估计，而该模块的输出包含L1和L5的单频模糊度估计，方法如下：
Figure FDA0002571328980000035
Figure FDA0002571328980000036
。
6.根据权利要求5所述的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，所述步骤S6：
滤波采用的是卡尔曼滤波器，其中状态向量是[NL1 NL5]T，观测向量是
Figure FDA0002571328980000037
观测矩阵和预测矩阵皆为二阶单位矩阵，观测噪声协方差矩阵和预测噪声协方差矩阵需要根据实际噪声功率的大小通过调参设置最优值，模糊度滤波单元(113)的输出是滤波后的L1模糊度
Figure FDA0002571328980000038
和滤波后的L5模糊度
Figure FDA0002571328980000039
7.根据权利要求6所述的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计方法，其特征在于，所述步骤S7：
载波估计电离层单元(114)进行如下处理从而得到新的电离层误差估计：
Figure FDA00025713289800000310
Figure FDA0002571328980000041
载波估计电离层单元(114)得到了更加准确的电离层误差估计
Figure FDA0002571328980000042
和
Figure FDA0002571328980000043
8.一种基于便携式终端的双频电离层误差估计系统，其特征在于，包括：
模块S1：双频观测量预处理单元(111)负责从便携式终端的GNSS芯片中获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测量数据，并利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理；
模块S2：将模块S1获得的平滑后的L1伪距观测量数据和平滑后的L5伪距观测量数据送入伪距估计模糊度单元(112)，得到初步的L1和L5的电离层误差估计；
模块S3：将模块S1获得的L1载波观测量和L5载波观测量，以及模块S2获得的初步L1和L5的电离层误差估计组成中巷观测量；
模块S4：对模块S3获得的中巷观测量以及L5平滑伪距、L5电离层误差估计进行处理，得到中巷模糊度估计；
模块S5：将模块S4获得的中巷模糊度估计以及L1载波观测量、L5载波观测量、L1电离层误差估计、L5电离层误差估计作为输入并进行处理，得到L1和L5单频模糊度估计；
模块S6：将S5输出的L1和L5单频模糊度送入模糊度滤波单元(113)，利用卡尔曼滤波器进行滤波，得到滤波后的L1和L5单频模糊度；
模块S7：将S6获得的滤波后的L1和L5单频模糊度，以及L1和L5载波观测量作为输入，送入载波估计电离层单元(114)，得到最终输出物，即无模糊度且更准确的L1和L5电离层误差估计。
9.根据权利要求8所述的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计系统，其特征在于，所述模块S1：
通过调用便携式终端操作系统的API获取GPS卫星的L1和L5信号的伪距观测量数据和载波观测数据；
所述利用L1的载波观测量和L5的载波观测量分别给L1和L5的伪距观测量数据进行平滑处理指：
将L1伪距观测量数据和L5伪距观测量数据送入载波平滑伪距模块，利用载波观测量噪声小的优点来平滑伪距观测量的大噪声，对原始伪距观测量进行预处理来提高伪距观测量的质量，方法如下：
Figure FDA0002571328980000051
其中，
上标为历元k为大于等于2的正整数；
下标L1表示这是L1信号的观测量；
ρ表示伪距观测量；
φ表示载波观测量；
λ表示对应的波长；
波浪线～表示平滑结果；
M表示平滑系数，通常取20～100；
这是一个迭代公式，迭代初始条件为
Figure FDA0002571328980000052
对于L5信号的平滑迭代公式如下：
Figure FDA0002571328980000053
这是一个迭代公式，且迭代初始条件为
Figure FDA0002571328980000054
获得平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure FDA0002571328980000055
和
Figure FDA0002571328980000056
10.根据权利要求9所述的一种基于便携式终端的双频电离层误差估计系统，其特征在于，所述模块S2：
根据获得的平滑处理后L5和L1伪距观测量
Figure FDA0002571328980000057
和
Figure FDA0002571328980000058
利用如下方法得到L1和L5电离层误差：
Figure FDA0002571328980000059
Figure FDA00025713289800000510
其中，
fL1和fL5分别是L1和L5信号的频率；
IL1和IL5分别是L1和L5的电离层误差；
所述模块S3：
将IL1和IL5以及双频观测量预处理单元(111)的载波观测量送入中巷观测量生成模块，得到中巷观测量
Figure FDA00025713289800000511
如下：
Figure FDA0002571328980000061
其中，
λL1和λL5分别表示信号L1和L5的波长；
所述模块S5：
将中巷观测量以及L5平滑伪距和L5电离层误差送入中巷模糊度估计模块，得到如下的中巷模糊度
Figure FDA0002571328980000062
Figure FDA0002571328980000063
其中符号[·]roundoff表示四舍五入，而λL15是等效中巷波长，这里
Figure FDA0002571328980000064
上式中c表示真空中光速，即299792458m/s；
之后，双频模糊度估计模块的输入包括上一步的中巷模糊度，还有L1和L5的载波观测量和电离层估计，而该模块的输出包含L1和L5的单频模糊度估计，方法如下：
Figure FDA0002571328980000065
Figure FDA0002571328980000066
所述模块S6：
滤波采用的是卡尔曼滤波器，其中状态向量是[NL1 NL5]T，观测向量是
Figure FDA0002571328980000067
观测矩阵和预测矩阵皆为二阶单位矩阵，观测噪声协方差矩阵和预测噪声协方差矩阵需要根据实际噪声功率的大小通过调参设置最优值，模糊度滤波单元(113)的输出是滤波后的L1模糊度
Figure FDA0002571328980000068
和滤波后的L5模糊度
Figure FDA0002571328980000069
所述模块S7：
载波估计电离层单元(114)进行如下处理从而得到新的电离层误差估计：
Figure FDA00025713289800000610
Figure FDA00025713289800000611
载波估计电离层单元(114)得到了更加准确的电离层误差估计
Figure FDA00025713289800000612
和
Figure FDA00025713289800000613
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