CN114675310A - 载波半周修复方法及其rtk整周模糊度固定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种载波半周修复方法，包括获取BOC信号的调制方式；获取补偿前的观测量；换算得到副载波观测量的值；计算得到半周补偿值；对补偿前的观测量进行半周补偿并完成载波半周的修复。本发明还公开了一种包括所述载波半周修复方法的RTK整周模糊度固定方法。本发明提供的这种载波半周修复方法及其RTK整周模糊度固定方法，通过创新性的算法设计，不仅实现了由于副载波跟踪的180度（半周）模糊度而导致的载波存在180度（半周）模糊度的问题，而且适用于通用型的RTK整周模糊度固定算法，可靠性高、实施方便且相对简单。

Description

载波半周修复方法及其RTK整周模糊度固定方法
技术领域
本发明属于导航技术领域，具体涉及一种载波半周修复方法及其RTK整周模糊度固定方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，导航技术已经广泛应用于人们的生产生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保证导航的精确、稳定可靠运行，就成为了导航系统最重要的任务之一。
而随着导航技术的发展，定位应用要求产品向着小型化、低功耗、高精度方向发展。而全球卫星导航系统(GNSS，Global Navigation satellite System)的发展，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗和欧盟的Galileo四大系统都支持播发三频乃至更多频的卫星频点信号。多频信号的冗余，显著提高了导航定位的精度和可靠性，而且有利于高精度定位的需求。GNSS RTK(Real-Time Kinematic)定位技术是目前高精度定位最常用的手段，而RTK定位技术的关键点在于整周模糊度的固定。现有常用的模糊度固定方法有两种：一种是先利用最小二乘或者卡尔曼滤波估计得到浮点解，再以加权最小二乘残差平方和最小为准则，通过搜索整周模糊度组来得到模糊度的固定解；另一种则是利用多频的特点，根据不同组合观测量的波长和误差特性，逐级的取舍求得各个组合的模糊度的固定解。
现有的载波相位模糊度固定解方法，基本都是基于模糊度是整数的特性求解的；如果模糊度不是整数，则无法求得整周模糊度，而且还会造成假固定或者浮点解的问题，从而无法得到高精度的固定解。而通常卫星导航接收机载波环跟踪采用对180度相位（半周）跳变不敏感的Costas环来进行高精度的相位跟踪。这种环路需要在帧同步后，通过电文极性来修正半周模糊度。一般半周模糊度在载波相位观测量生成阶段解决，整周模糊度在随后的RTK定位中解决。
一般而言，BOC信号采用DET的跟踪方式；由于副载波跟踪存在模糊度，也会给载波相位带来半周模糊度，也需要在载波观测量生成阶段解决。BOC调试方式如图1所示；图中f c 是伪码产生的速率，R d 是数据产生速率，f s 为载波产生速率，XI和XQ分别为I和Q支路调制的伪随机码，τ为接收信号传播延迟，调制后信号表达式为：
Figure 808724DEST_PATH_IMAGE002
式中p为信号幅值；d(t)为电文电平；
Figure 297474DEST_PATH_IMAGE004
为初始相位；
Figure 768906DEST_PATH_IMAGE006
为副载波，且表达式为
Figure 885767DEST_PATH_IMAGE008
，sign()为符号函数，f z 为副载波调试速率，j为虚数单位。
如图2所示为BOC信号调制的两种方式的示意图。图2中（a）显示的是副载波和伪码是同相关系：当副载波速率与伪码速率的比值是整数倍关系，则导航信号调制过程中的副载波和伪码只存在一种严格的同步关系，即相邻的两个码片之间副载波相位不存在180度反转的情况。图2中（b）显示的是副载波和伪码是反相关系：当副载波速率与伪码速率的比值不是整数倍的关系，则导航信号调制过程中的副载波和伪码存在两种严格同步关系，即相邻的两个码片之间副载波相位存在180度反转的情况。
而副载波为方波，其自相关函数如图3所示。其中副载波维的1个码片指半个副载波周期宽度，即
Figure 50032DEST_PATH_IMAGE010
秒。在副载波DLL（Delay Loop Lock）环路跟踪时，由于副载波方波周期性的关系，副载波环的相关峰值很容易锁定在±1两个位置，而给副载波相位带来180度（半周）模糊度。因为载波环采用对180度（半周）相位跳变不敏感的Costas环来进行跟踪，所以副载波环路的180度反相对载波环路的跟踪不会产生影响，但是会给载波相位也带来了180度（半周）模糊度。因此，必须通过接收信号的码相位和副载波相位的严格同步关系来修复载波相位的半周模糊度。
但是，目前针对载波相位的半周模糊度的修复方法，不仅可靠性不高，而且相对较为复杂，实施非常麻烦。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、实施方便且相对简单的载波半周修复方法。
本发明的目的之二在于提供一种包括所述载波半周修复方法的RTK整周模糊度固定方法。
本发明提高的这种载波半周修复方法，包括如下步骤：
S1. 获取BOC信号的调制方式；
S2. 获取补偿前的观测量；
S3. 根据步骤S2获取的补偿前的观测量，换算得到副载波观测量的值；
S4. 根据步骤S1获取的BOC信号的调制方式和步骤S3得到的副载波观测量的值，计算得到半周补偿值；
S5. 根据步骤S4得到的半周补偿值，对步骤S2得到的补偿前的观测量进行半周补偿，从而完成载波半周的修复。
步骤S2所述的获取补偿前的观测量，具体为在观测量生成阶段，从基带提取观测量。
所述的观测量包括载波观测量、副载波观测量、伪码观测量；其中载波观测量包括载波观测量的整周计数CarrCnt和载波观测量的小数相位CarrPhs；副载波观测量包括副载波观测量的整周计数SCCnt和副载波观测量的小数相位ScPhs；伪码观测量包括伪码观测量的码片计数CodeCnt和伪码观测量的小数码片相位CodePhs。
步骤S3所述的根据步骤S2获取的补偿前的观测量，换算得到副载波观测量的值，具体为根据伪码观测量的码片计数CodeCnt、伪码观测量的小数码片相位CodePhs、副载波调试速率f z 、伪码产生的速率f c 、载波产生速率f s 和载波多普勒值f doppler ，依据多普勒原理，换算得到副载波观测量的值
Figure 26078DEST_PATH_IMAGE012
。
所述的根据步骤S2获取的补偿前的观测量，换算得到副载波观测量的值，具体为采用如下算式计算得到码观测量换算后的副载波观测量的值
Figure 645410DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 23301DEST_PATH_IMAGE014
式中CodeCnt为伪码观测量的码片计数；CodePhs为伪码观测量的小数码片相位；f z 为副载波调试速率；f c 为伪码产生的速率；f s 为载波产生速率；f doppler 为载波多普勒值；
Figure 92888DEST_PATH_IMAGE016
为去小数操作。
步骤S4所述的根据步骤S1获取的BOC信号的调制方式和步骤S3得到的副载波观测量的值，计算得到半周补偿值，具体为根据步骤S3得到的副载波观测量和步骤S2得到的副载波观测量的小数相位之间的大小，以及步骤S1获取的BOC信号的调制方式，依据BOC调制的同相或者反相关系对比，计算得到半周补偿值。
所述的根据步骤S1获取的BOC信号的调制方式，计算得到半周补偿值，具体为采用如下算式计算得到半周补偿值R：
若BOC信号的调制方式为严格同相关系的调制方式，则：
Figure 556231DEST_PATH_IMAGE018
若BOC信号的调制方式为严格反相关系的调制方式，则：
Figure 494100DEST_PATH_IMAGE020
式中
Figure 726498DEST_PATH_IMAGE021
为步骤S3得到的副载波观测量；ScPhs为步骤S2得到的副载波观测量的小数相位；CodeCnt为伪码观测量的码片计数。
步骤S5所述的根据步骤S4得到的半周补偿值，对步骤S2得到的补偿前的观测量进行半周补偿，具体为根据步骤S4得到的半周补偿值，依据载波和副载波具有一致的半周关系，对步骤S2得到的补偿前的载波观测量进行半周补偿。
所述的根据步骤S4得到的半周补偿值，对步骤S2得到的补偿前的观测量进行半周补偿，具体为采用如下算式对补偿前的观测量进行半周补偿：
Figure 966987DEST_PATH_IMAGE023
式中
Figure 25947DEST_PATH_IMAGE025
为半周补偿后的载波观测量的小数相位；CarrPhs为补偿前的载波观测量的小数相位；R为步骤S4得到的半周补偿值。
本发明还提供了一种RTK整周模糊度固定方法，具体包括如下步骤：
A. 采用所述的载波半周修复方法，完成载波半周的修复；
B. 根据步骤A的载波半周修复结果，完成对应的RTK整周模糊度固定。
本发明提供的这种载波半周修复方法及其RTK整周模糊度固定方法，通过创新性的算法设计，不仅实现了由于副载波跟踪的180度（半周）模糊度而导致的载波存在180度（半周）模糊度的问题，而且适用于通用型的RTK整周模糊度固定算法，可靠性高、实施方便且相对简单。
附图说明
图1为现有的BOC调试方式示意图。
图2为现有的BOC信号的两种调制方式的波形示意图。
图3为现有的副载波的副载波维的归一化自相关函数示意图。
图4为本发明的载波半周修复方法的方法流程示意图。
图5为本发明的RTK整周模糊度固定方法的方法流程示意图。
具体实施方式
如图4所示为本发明的载波半周修复方法的方法流程示意图：本发明提高的这种载波半周修复方法，包括如下步骤：
S1. 获取BOC信号的调制方式；BOC信号的调制方式具体包括严格同相关系的调制方式和严格反相关系的调制方式；
S2. 获取补偿前的观测量；具体为在观测量生成阶段，从基带提取观测量；其中，观测量包括载波观测量、副载波观测量、伪码观测量；其中载波观测量包括载波观测量的整周计数CarrCnt和载波观测量的小数相位CarrPhs；副载波观测量包括副载波观测量的整周计数SCCnt和副载波观测量的小数相位ScPhs；伪码观测量包括伪码观测量的码片计数CodeCnt和伪码观测量的小数码片相位CodePhs；
S3. 根据步骤S2获取的补偿前的观测量，换算得到副载波观测量的值；具体为根据伪码观测量的码片计数CodeCnt、伪码观测量的小数码片相位CodePhs、副载波调试速率f z 、伪码产生的速率f c 、载波产生速率f s 和载波多普勒值f doppler ，依据多普勒原理，换算得到副载波观测量的值
Figure 642873DEST_PATH_IMAGE012
；
具体实施时，采用如下算式计算得到副载波观测量的值
Figure 729778DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 672326DEST_PATH_IMAGE014
式中CodeCnt为伪码观测量的码片计数；CodePhs为伪码观测量的小数码片相位；f z 为副载波调制速率；f c 为伪码产生的速率；f s 为载波产生速率；f doppler 为载波多普勒值；
Figure 844682DEST_PATH_IMAGE027
为去小数操作；
S4. 根据步骤S1获取的BOC信号的调制方式和步骤S3得到的副载波观测量的值，计算得到半周补偿值；具体为根据步骤S3得到的副载波观测量和步骤S2得到的副载波观测量的小数相位之间的大小，以及步骤S1获取的BOC信号的调制方式，依据BOC调制的同相或者反相关系对比，计算得到半周补偿值；
具体实施时，采用如下算式计算得到半周补偿值R：
若BOC信号的调制方式为严格同相关系的调制方式，则：
Figure 858774DEST_PATH_IMAGE018
若BOC信号的调制方式为严格反相关系的调制方式，则：
Figure 65764DEST_PATH_IMAGE028
式中
Figure 913635DEST_PATH_IMAGE021
为步骤S3得到的副载波观测量；ScPhs为步骤S2得到的副载波观测量的小数相位；CodeCnt为伪码观测量的码片计数
S5. 根据步骤S4得到的半周补偿值，对步骤S2得到的补偿前的观测量进行半周补偿，从而完成载波半周的修复；具体为根据步骤S4得到的半周补偿值，依据载波和副载波具有一致的半周关系，对步骤S2得到的补偿前的观测量进行半周补偿；
具体实施时，采用如下算式对补偿前的观测量进行半周补偿：
Figure 183073DEST_PATH_IMAGE029
式中
Figure 876223DEST_PATH_IMAGE025
为半周补偿后的载波观测量的小数相位；CarrPhs为补偿前的载波观测量的小数相位；R为步骤S4得到的半周补偿值。
以下结合一个具体实施例，对本发明方法进行进一步说明：
以调制方式为严格反相关系的BOC(14,2)为例，说明本发明的半周修复方法。
码观测量换算得到副载波观测量的值
Figure 531195DEST_PATH_IMAGE030
表示如下：
Figure 284387DEST_PATH_IMAGE014
伪码观测量的小数码片相位CodePhs=29487，单位2-16码片；伪码观测量的码片计数CodeCnt=325，单位码片；副载波调试速率f z =14.322MHz；伪码产生的速率f c =2.046MHz；载波产生速率f s =1575.42MHz；载波多普勒值f doppler =-1258.071MHz；计算得到
Figure 557235DEST_PATH_IMAGE032
；
进一步可得半周补偿值R表示如下：
Figure 319655DEST_PATH_IMAGE034
副载波观测量的小数相位ScPhs=25861，单位2-16副载波周期，可得到R=0.7554。所以当原始载波相位为46.913周时，经过补偿后的原始载波相位为47.413周。此例即是以下表1中通道7的值为例。
因为副载波和载波具有一致的半周关系。可以通过接收信号的码相位和副载波相位的严格同步关系来确定副载波的半周模糊度，进一步来修复载波的半周模糊度。如下表1所示，通过15个通道同时跟踪同一颗卫星来验证载波半周模糊度修复的有效性。
表1 15个通道同时跟踪同一颗卫星的载波半周模糊度修复值示意表
Figure 235658DEST_PATH_IMAGE036
如上表1所示，说明无半周修复的载波相位会存在一个半周模糊度，有半周修复的载波相位的小数周都是一致的，说明本发明所提出的半周修复方法是有效且可靠的，而且实施方便相对简单。
如图5所示为本发明的RTK整周模糊度固定方法的方法流程示意图：本发明还提供了一种RTK整周模糊度固定方法，具体包括如下步骤：
A. 采用所述的载波半周修复方法，完成载波半周的修复；
B. 根据步骤A的载波半周修复结果，完成对应的RTK整周模糊度固定。

Claims (9)

1.一种载波半周修复方法，其特征在于包括如下步骤：
S1. 获取BOC信号的调制方式；
S2. 获取补偿前的观测量；
S3. 根据步骤S2获取的补偿前的观测量，换算得到副载波观测量的值；
S4. 根据步骤S1获取的BOC信号的调制方式和步骤S3得到的副载波观测量的值，计算得到半周补偿值；
S5. 根据步骤S4得到的半周补偿值，对步骤S2得到的补偿前的观测量进行半周补偿，从而完成载波半周的修复。
2.根据权利要求1所述的载波半周修复方法，其特征在于步骤S2所述的获取补偿前的观测量，具体为在观测量生成阶段，从基带提取观测量；观测量包括载波观测量、副载波观测量、伪码观测量；其中载波观测量包括载波观测量的整周计数CarrCnt和载波观测量的小数相位CarrPhs；副载波观测量包括副载波观测量的整周计数SCCnt和副载波观测量的小数相位ScPhs；伪码观测量包括伪码观测量的码片计数CodeCnt和伪码观测量的小数码片相位CodePhs。
3.根据权利要求1所述的载波半周修复方法，其特征在于步骤S3所述的根据步骤S2获取的补偿前的观测量，换算得到副载波观测量的值，具体为根据伪码观测量的码片计数CodeCnt、伪码观测量的小数码片相位CodePhs、副载波调试速率f z 、伪码产生的速率f c 、载波产生速率f s 和载波多普勒值f doppler ，依据多普勒原理，换算得到副载波观测量的值
Figure 86621DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求3所述的载波半周修复方法，其特征在于所述的根据步骤S2获取的补偿前的观测量，换算得到副载波观测量的值，具体为采用如下算式计算得到副载波观测量的值
Figure 738182DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 252340DEST_PATH_IMAGE004
式中CodeCnt为伪码观测量的码片计数；CodePhs为伪码观测量的小数码片相位；f z 为副载波调制速率；f c 为伪码产生的速率；f s 为载波产生速率；f doppler 为载波多普勒值；
Figure 647549DEST_PATH_IMAGE006
为去小数操作。
5.根据权利要求3所述的载波半周修复方法，其特征在于步骤S4所述的根据步骤S1获取的BOC信号的调制方式和步骤S3得到的副载波观测量的值，计算得到半周补偿值，具体为根据步骤S3得到的副载波观测量和步骤S2得到的副载波观测量的小数相位之间的大小，以及步骤S1获取的BOC信号的调制方式，依据BOC调制的同相或者反相关系对比，计算得到半周补偿值。
6.根据权利要求5所述的载波半周修复方法，其特征在于所述的根据步骤S1获取的BOC信号的调制方式，计算得到半周补偿值，具体为采用如下算式计算得到半周补偿值R：
若BOC信号的调制方式为严格同相关系的调制方式，则：
Figure 570243DEST_PATH_IMAGE008
若BOC信号的调制方式为严格反相关系的调制方式，则：
Figure 127127DEST_PATH_IMAGE010
式中
Figure 394160DEST_PATH_IMAGE011
为步骤S3得到的副载波观测量；ScPhs为步骤S2得到的副载波观测量的小数相位；CodeCnt为伪码观测量的码片计数。
7.根据权利要求5所述的载波半周修复方法，其特征在于步骤S5所述的根据步骤S4得到的半周补偿值，对步骤S2得到的补偿前的观测量进行半周补偿，具体为根据步骤S4得到的半周补偿值，依据载波和副载波具有一致的半周关系，对步骤S2得到的补偿前的载波观测量进行半周补偿。
8.根据权利要求7所述的载波半周修复方法，其特征在于所述的根据步骤S4得到的半周补偿值，对步骤S2得到的补偿前的观测量进行半周补偿，具体为采用如下算式对补偿前的观测量进行半周补偿：
Figure 327481DEST_PATH_IMAGE013
式中
Figure 730780DEST_PATH_IMAGE015
为半周补偿后的载波观测量的小数相位；CarrPhs为补偿前的载波观测量的小数相位；R为步骤S4得到的半周补偿值。
9.一种包括了权利要求1~8之一所述的载波半周修复方法的RTK整周模糊度固定方法，其特征在于具体包括如下步骤：
A. 采用权利要求1~8之一所述的载波半周修复方法，完成载波半周的修复；
B. 根据步骤A的载波半周修复结果，完成对应的RTK整周模糊度固定。
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