CN114355416A - 一种北斗四频基准站间模糊度快速解算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种北斗四频基准站间模糊度快速解算方法及装置。首先,基于组合观测值理论,综合考虑组合观测值波长和噪声放大因子,选取一个超宽项观测值和三个相互独立的宽巷观测值;然后,在平滑固定超宽项模糊度的基础上,通过超宽项电离层延迟改正,实现三个宽巷模糊度的逐级固定;再利用模糊度固定的宽巷观测值计算出宽巷电离层延迟,并利用最小二乘估计出基础频率电离层改正;最后,将估计出的电离层改正当作先验信息,构建电离层加权模型,实现基础模糊度的固定。本发明利用北斗四频观测数据,针对传统双频无电离层组合模型噪声较大的缺点,提出四频电离层加权模型,提升了参考站间模糊度固定的成功率及效率,具有一定的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于北斗卫星导航系统领域,特别涉及了北斗连续运行参考站(CORS)基准站间模糊度固定技术。
背景技术
对于CORS中的长基线,通常采用传统的无电离层(IF)+宽巷(WL)组合策略,但残余大气延迟、多径延迟以及较大的模型噪声影响了基础模糊度固定。随着北斗全球导航卫星系统(BDS-3)的建立完成,并且BDS-3卫星提供四频信号,可以构建更多有利于模糊度固定的组合和模型。
三频观测值对于加快模糊度固定,消除电离层等多种误差影响都有显著效果,并且能够有效改善RTK定位的可用性及可靠性。常用的多频模糊度解算方法主要包括TCAR(Three Carrier Ambiguity Resolution)和CIR(Cascading integer resolution),其主要思想为按照模糊度固定的难易程度逐级实现模糊度固定。而四频观测值与三频相比,新的频率点可以增加冗余观测值的数量,增加定位模型的强度,从理论上提高定位精度和鲁棒性。
发明内容
为了解决针对传统双频、三频无电离层组合模型噪声较大的问题,本发明提出了一种北斗四频基准站间模糊度快速解算方法及装置,实现参考站间模糊度快速准确地固定。
为了实现上述技术目的,本发明的技术方案为:
一种北斗四频基准站间模糊度快速解算方法,包括以下步骤:
(1)对于北斗三代卫星的B1I、B3I、B1C和B2a四个频点,组成一个超宽巷观测值和三个相互独立的宽巷观测值;
(2)在平滑固定超宽巷模糊度的基础上,计算电离层延迟,并作为先验信息回带到宽巷组合观测方程中,实现三个宽巷模糊度的逐级固定;
(3)通过三个模糊度固定的宽巷观测值计算出宽巷电离层延迟改正,并利用最小二乘算法估计出基础频率B1I的电离层改正数;
(4)将步骤(3)估计出的电离层改正数当作先验信息,构建电离层加权模型,实现基础模糊度的固定。
进一步地,在步骤(1)中,所述超宽巷观测值和宽巷观测值通过下式计算:
其中:
上式中:Δ表示双差操作算子;Pcomb和φcomb分别表示组合伪距观测值和组合载波观测值;ρ表示站星距;c表示光速;ηcomb表示组合观测值电离层因子;I表示基础载波电离层延迟;T表示对流层延迟;λcomb表示组合观测值波长;Ncomb表示组合观测值模糊度;ecomb表示组合观测值噪声;MP,comb和Mφ,comb分别表示组合观测值的伪距多路径延迟和载波多路径延迟;Pn和φn分别表示n频点的伪距观测值和载波观测值;Nn表示n频点的模糊度;in表示n频点的组合系数;fn表示n频点的频率;σφ表示基础载波观测值噪声;σφcomb表示组合载波观测值噪声;μcomb表示组合观测值噪声放大因子;
根据上式计算出各组合观测值,超宽巷观测值记作EWL,三个宽巷观测值分别记作WL13,WL15和WL45。
进一步地,在步骤(2)中,所述在平滑固定超宽巷模糊度的基础上,计算电离层延迟的具体方法如下:
对式(1)中的双差模糊度ΔNcomb进行均值滤波,即实现直接取整固定,模糊度固定后利用下式计算出电离层延迟:
进一步地,在步骤(2)中,所述作为先验信息回带到宽巷组合观测方程中,实现三个宽巷模糊度的逐级固定的具体方法如下:
上式中,ΔNWL13表示宽巷观测值WL13双差模糊度,φWL13表示宽巷观测值WL13载波观测值,ηWL13表示宽巷观测值WL13电离层因子,ηEWL表示超宽巷观测值电离层因子,Mφ,WL13表示宽巷观测值WL13的载波多路径延迟,eWL13表示宽巷观测值WL13噪声,λWL13表示宽巷观测值WL13波长;
按照上述方法,依次固定WL15和WL45宽巷模糊度。
则基础频率电离层延迟其方差其中 分别表示宽巷观测值WL13、WL15、WL45基础载波电离层延迟,ηWL13、ηWL15、ηWL45分别表示宽巷观测值WL13、WL15、WL45电离层因子,σWL13、σWL15、σWL45分别表示宽巷观测值WL13、WL15、WL45载波观测值噪声标准差。
上式中:和分别表示四频双差伪距和载波观测值,表示双差电离层延迟向量,A表示坐标参数的设计矩阵,η表示电离层延迟系数,Λ表示四频观测值波长,z表示四频双差模糊度,是基线的已知坐标向量,是s颗卫星的基础频率电离层延迟,e4是一个4行的单位向量,Is是一个s维的单位矩阵;表示克罗内克积。
上述观测方程的方差协方差阵如下:
进一步地,在步骤(4)中,在建立观测方程及方差协方差阵后,利用Kalman滤波算法估计出模糊度浮点解,此后利用LAMBDA算法或四舍五入取整实现基础模糊度的固定。
本发明还包括一种北斗四频基准站间模糊度快速解算装置,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序,所述计算机程序被加载至处理器时实现上述北斗四频基准站间模糊度快速解算方法。
采用上述技术方案带来的有益效果:
本发明利用北斗四频观测数据,针对传统双频无电离层组合模型噪声较大的缺点,提出四频电离层加权模型,以实现参考站间模糊度快速准确的固定。经电离层改正后的宽巷模糊度固定成功率有较明显提升,即使在设置0.3周固定阈值的情况下,几乎能实现100%成功率,相较于双频宽巷组合提升了5%左右;对于基础模糊度,利用本发明提出的方法,相较于传统模型固定成功率提升了3.6%左右。
附图说明
图1为本发明方法流程图;
图2为宽巷模糊度浮点解偏差对比图;
图3为基础模糊度固定成功率对比图。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提出了一种北斗四频基准站间模糊度快速解算方法,如图1所示。首先基于组合观测值理论,综合考虑组合观测值波长和噪声放大因子,选取一个超宽巷观测值,和三个相互独立的宽巷观测值。然后,在平滑固定超宽项模糊度的基础上,通过电离层延迟改正,实现三个宽巷模糊度的逐级固定;通过宽巷观测值计算出双差电离层延迟,并利用最小二乘估计出电离层改正数。此外,将估计出的电离层改正数当作先验信息,构建电离层加权模型,利用kalman滤波和四舍五入取整实现基础模糊度的固定。
以下为实现本发明的一种具体实施例:
步骤1)对于北斗三代卫星的B1I、B3I、B1C和B2a四个频点,组成一个超宽项观测值,和三个相互独立的宽巷观测值。
所述超宽巷观测值和宽巷观测值通过下式计算:
其中:
上式中:Δ表示双差操作算子;Pcomb和φcomb分别表示组合伪距观测值和组合载波观测值;ρ表示站星距;c表示光速;ηcomb表示组合观测值电离层因子;I表示基础载波电离层延迟;T表示对流层延迟;λcomb表示组合观测值波长;Ncomb表示组合观测值模糊度;ecomb表示组合观测值噪声;MP,comb和Mφ,comb分别表示组合观测值的伪距多路径延迟和载波多路径延迟;Pn和φn分别表示n频点的伪距观测值和载波观测值;Nn表示n频点的模糊度;in表示n频点的组合系数(整数);fn表示n频点的频率;σφ表示基础载波观测值噪声;σφcomb表示组合载波观测值噪声;μcomb表示组合观测值噪声放大因子;
根据上式计算出各组合观测值,超宽巷观测值记作EWL,三个宽巷观测值分别记作WL13,WL15和WL45。
步骤2)在平滑固定超宽巷模糊度的基础上,计算电离层延迟,并作为先验信息回带到宽巷组合观测方程中,实现三个宽巷模糊度的逐级固定。具体包括如下步骤:
a)在平滑固定超宽巷模糊度的基础上,计算电离层延迟,可具体描述为:
利用式(1)可计算出组合观测值双差模糊度浮点解,由于超宽巷观测值由于其波长较长,观测误差对双差模糊度的影响基本小于0.5周,对双差模糊度进行均值滤波即可直接取整固定。模糊度固定后即可利用下式计算出电离层延迟:
b)作为先验信息回带到宽巷组合观测方程中,实现三个宽巷模糊度的逐级固定,可具体描述为:
上式中,ΔNWL13表示宽巷观测值WL13双差模糊度,φWL13表示宽巷观测值WL13载波观测值,ηWL13表示宽巷观测值WL13电离层因子,ηEWL表示超宽巷观测值电离层因子,Mφ,WL13表示宽巷观测值WL13的载波多路径延迟,eWL13表示宽巷观测值WL13噪声,λWL13表示宽巷观测值WL13波长。
按照上述方法,依次固定WL15和WL45宽巷模糊度。
步骤3)通过三个模糊度固定的宽巷观测值计算出宽巷电离层延迟改正,并利用最小二乘算法估计出基础频率电离层改正信息,具体描述为:宽巷模糊度固定后,根据式(3)计算出对应的电离层延迟和结合式(2)中电离层延迟系数和最小二乘估计,即可计算出基础频率电离层延迟,表示如下:
基础频率电离层延迟其方差其中 分别表示宽巷观测值WL13、WL15、WL45基础载波电离层延迟,ηWL13、ηWL15、ηWL45分别表示宽巷观测值WL13、WL15、WL45电离层因子,σWL13、σWL15、σWL45分别表示宽巷观测值WL13、WL15、WL45载波观测值噪声标准差。
步骤4)将估计出的电离层改正数当作先验信息,构建电离层加权模型,利用Kalman滤波和LAMBDA算法或四舍五入取整实现基础模糊度的固定。
a)将估计出的电离层改正数当作先验信息,构建电离层加权模型,可具体描述为:
上式中:和分别表示四频双差伪距和载波观测值,表示双差电离层延迟向量,A表示坐标参数的设计矩阵,η表示电离层延迟系数,Λ表示四频观测值波长,z表示四频双差模糊度,是基线的已知坐标向量,是s颗卫星的基础频率电离层延迟,e4是一个4行的单位向量,Is是一个s维的单位矩阵;表示克罗内克积。
上述观测方程的方差协方差阵如下:
b)建立观测方程及方差协方差阵后,即可利用Kalman滤波算法估计出模糊度浮点解,此后利用LAMBDA算法或四舍五入取整即可实现基础模糊度的固定。
为了验证本发明,以2021年6月18日-6月24日连续7天的CORS(由三个站组成)数据为例,采用算机程序对本方法进行验证。
图2为宽巷模糊度浮点解偏差对比结果,其中上方图为本发明中的基于电离层改正的宽巷模糊度逐级固定的结果,下方图为未经电离层改正的宽巷模糊度固定结果。可以看出,利用本发明提出的方法,宽巷模糊度浮点解偏差更接近于零;以0.3周作为取整固定阈值,本发明方法宽巷模糊度固定成功率可达100%,一般方法固定成功率为93.7%-97.7%。
图3为基础模糊度固定成功率对比结果,QFIW表示本发明提出的四频电离层加权模型,DFIF表示双频无电离层模型。可以看出,对于所有7天3条基线,QFIW模型的固定成功率均高于DFIF模型;统计后发现,QFIW模型平均固定成功率为94.4%,DFIF模型平均固定成功率为98.0%。
实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种北斗四频基准站间模糊度快速解算方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)对于北斗三代卫星的B1I、B3I、B1C和B2a四个频点,组成一个超宽巷观测值和三个相互独立的宽巷观测值;
(2)在平滑固定超宽巷模糊度的基础上,计算电离层延迟,并作为先验信息回带到宽巷组合观测方程中,实现三个宽巷模糊度的逐级固定;
(3)通过三个模糊度固定的宽巷观测值计算出宽巷电离层延迟改正,并利用最小二乘算法估计出基础频率B1I的电离层改正数;
(4)将步骤(3)估计出的电离层改正数当作先验信息,构建电离层加权模型,实现基础模糊度的固定。
2.根据权利要求1所述北斗四频基准站间模糊度快速解算方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述超宽巷观测值和宽巷观测值通过下式计算:
其中:
上式中:Δ表示双差操作算子;Pcomb和φcomb分别表示组合伪距观测值和组合载波观测值;ρ表示站星距;c表示光速;ηcomb表示组合观测值电离层因子;I表示基础载波电离层延迟;T表示对流层延迟;λcomb表示组合观测值波长;Ncomb表示组合观测值模糊度;ecomb表示组合观测值噪声;MP,comb和Mφ,comb分别表示组合观测值的伪距多路径延迟和载波多路径延迟;Pn和φn分别表示n频点的伪距观测值和载波观测值;Nn表示n频点的模糊度;in表示n频点的组合系数;fn表示n频点的频率;σφ表示基础载波观测值噪声;σφcomb表示组合载波观测值噪声;μcomb表示组合观测值噪声放大因子;
根据上式计算出各组合观测值,超宽巷观测值记作EWL,三个宽巷观测值分别记作WL13,WL15和WL45。
4.根据权利要求3所述北斗四频基准站间模糊度快速解算方法,其特征在于,在步骤(2)中,所述作为先验信息回带到宽巷组合观测方程中,实现三个宽巷模糊度的逐级固定的具体方法如下:
上式中,ΔNWL13表示宽巷观测值WL13双差模糊度,φWL13表示宽巷观测值WL13载波观测值,ηWL13表示宽巷观测值WL13电离层因子,ηEWL表示超宽巷观测值电离层因子,Mφ,WL13表示宽巷观测值WL13的载波多路径延迟,eWL13表示宽巷观测值WL13噪声,λWL13表示宽巷观测值WL13波长;
按照上述方法,依次固定WL15和WL45宽巷模糊度。
上式中:和分别表示四频双差伪距和载波观测值,表示双差电离层延迟向量,A表示坐标参数的设计矩阵,η表示电离层延迟系数,Λ表示四频观测值波长,z表示四频双差模糊度,是基线的已知坐标向量,是s颗卫星的基础频率电离层延迟,e4是一个4行的单位向量,Is是一个s维的单位矩阵;表示克罗内克积。
上述观测方程的方差协方差阵如下:
7.根据权利要求6所述北斗四频基准站间模糊度快速解算方法,其特征在于,在步骤(4)中,在建立观测方程及方差协方差阵后,利用Kalman滤波算法估计出模糊度浮点解,此后利用LAMBDA算法或四舍五入取整实现基础模糊度的固定。
8.一种北斗四频基准站间模糊度快速解算装置,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被加载至处理器时实现如权利要求1-7中任一项所述的北斗四频基准站间模糊度快速解算方法。
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CN202111399025.XA CN114355416A (zh) | 2021-11-19 | 2021-11-19 | 一种北斗四频基准站间模糊度快速解算方法及装置 |
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Cited By (1)
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CN117148403A (zh) * | 2023-11-01 | 2023-12-01 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 基于bds-3五频双差非组合模型的双天线定向方法 |
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2021
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Cited By (2)
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CN117148403A (zh) * | 2023-11-01 | 2023-12-01 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 基于bds-3五频双差非组合模型的双天线定向方法 |
CN117148403B (zh) * | 2023-11-01 | 2024-01-26 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 基于bds-3五频双差非组合模型的双天线定向方法 |
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