CN115826006B - 一种bds双频周跳探测组合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种BDS双频周跳探测组合方法，包括：获取双频观测数据，基于所述双频观测数据进行计算，构建周跳检测模型，获取周跳检测量；基于所述周跳检测量构建双频周跳探测组合模型，进行双频周跳探测并获取单频周跳值；基于所述单频周跳值进行双频周跳修复，完成双频数据的周跳探测与修复。本发明提供的方法解决了多普勒积分用于双频周跳探测的问题，降低了伪距多路径等误差对周跳检测量的影响，一定程度上提高了多普勒积分法对较低采样率数据的周跳探测精度，对于BDS高精度定位具有重要的意义。

Description

一种BDS双频周跳探测组合方法

技术领域

本发明涉及卫星定位中的周跳探测技术领域，特别是涉及一种BDS双频周跳探测组合方法。

背景技术

北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System，BDS)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(Global Orbiting Navigation SatelliteSystem，GLONASS)之后第三个成熟的全球卫星导航系统。在我国政府的大力支持和助力下，北斗卫星导航系统进入持续稳定、快速发展的新阶段，其在社会生产建设的各个方面发挥着越来越重要的作用，这不仅有助于我国各领域逐渐摆脱对美国GPS系统依赖，更能够不断发挥北斗卫星导航定位系统的社会经济建设价值，随着北斗三号的全面建成，各领域学者对北斗系统的研究不断深入，推动着北斗系统的快速发展和应用。

随着北斗卫星导航系统在社会生产建设中的地位越来越重要，用户对卫星定位精度的要求越来越高，而高精度定位依赖于多频载波相位观测，由于载波相位观测之中存在周跳，一周的周跳可在传播路径上产生分米级的距离误差，因此在数据处理过程中，周跳的探测和修复是确保定位精度的关键之一。传统的双频周跳探测方法中墨尔本—维贝纳(Melbourne-Wbbena，MW)组合法将双频伪距和相位观测值分别进行宽巷和窄巷组合，再利用宽巷相位和窄巷伪距作差构造周跳检测量，大大减弱了单一频率观测值的各种误差。电离层残差法通过历元间作差减弱了电离层延迟的影响，周跳探测精度较好。电离层残差二次差(second-order time-difference phase ionospheric residual，STPIR)法通过对电离层残差周跳检测量在历元间进行二次作差，进一步减弱了电离层变化对周跳探测的影响。随着小波理论的不断发展和成熟，Collin采用小波变换法进行周跳的探测，为周跳探测的相关研究提供了新的思路。

上述这些方法都是基于伪距和载波相位观测值构造周跳检测量进行周跳探测，除此之外，多普勒积分法也被用于单频周跳探测，多普勒观测值的精度远大于伪距观测值，且其受多路径等误差影响较小，在较高采样率下，周跳探测精度良好，但由于其与载波频率有关，因此在进行多频周跳探测时，不能直接进行频间线性组合。另外，多普勒积分周跳探测精度取决于多普勒观测值的精度和积分精度，由于多普勒多普勒观测值对时间积分计算历元间载波相位变化量，当采样间隔较大时，多普勒积分误差增大，导致周跳探测精度降低，不能满足较小周跳的探测要求。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出了一种BDS双频周跳探测组合方法，利用双频多普勒和载波相位观测数据，解决了双频多普勒积分线性组合问题，以此获取波长较长的载波相位组合值，减弱多普勒积分误差对周跳探测精度的影响，提高多普勒观测值对低采样率观测数据的周跳探测能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种BDS双频周跳探测组合方法，包括：

获取双频观测数据，基于所述双频观测数据进行计算，构建周跳检测模型，获取周跳检测量；

基于所述周跳检测量构建双频周跳探测组合模型，进行双频周跳探测并获取单频周跳值；

基于所述单频周跳值进行双频周跳修复，完成双频数据的周跳探测与修复。

进一步地，获取所述双频观测数据包括：

获取接收机对卫星的观测文件，筛选所述双频观测数据，其中，所述双频观测数据包括BDS卫星双频多普勒观测值和载波相位观测值数据。

进一步地，基于所述双频观测数据进行计算包括：

对单一频率上的多普勒观测值在相邻历元间积分，计算历元间伪距变化量，同时利用载波相位观测值计算历元间载波相位变化量。

进一步地，所述周跳检测模型包括：

双频多普勒积分周跳检测模型和电离层残差周跳检测模型。

进一步地，构建所述双频多普勒积分周跳检测模型包括：

通过历元间伪距变化量构建窄巷伪距组合值，通过历元间载波相位变化量构建宽巷相位组合值，基于所述宽巷相位组合值和所述窄巷伪距组合值构建双频多普勒积分周跳周跳探测模型，获取所述双频多普勒积分周跳检测量，基于所述双频多普勒积分周跳检测量进行误差计算，设定所述周跳探测阈值。

进一步地，构建所述电离层残差周跳检测模型包括：

将双频载波相位观测值进行线性组合消除电离层残差项，构建所述电离层残差周跳检测模型，获取所述电离层残差周跳检测量，基于所述电离层残差周跳检测量进行误差计算，设定所述周跳探测阈值。

进一步地，构建所述双频周跳探测组合模型包括：

根据双频多普勒积分周跳检测量和电离层残差周跳检测量进行组合，建立所述双频周跳探测组合模型为：

其中,ΔN_D为双频多普勒积分周跳检测量，ΔN_PIR为电离层残差周跳检测量，ΔN₁和ΔN₂分别为在双频中各自频率上发生的周跳值，为线性系数。

进一步地，获取所述单频周跳值包括：

对所述双频周跳探测组合方程进行最小二乘法求解，获取所述单频周跳值。

进一步地，基于所述单频周跳值进行双频周跳修复包括：

在各自频率的载波相位数据中对应位置加入与所述单频周跳值相反的载波相位周数，完成双频数据的周跳探测与修复，周跳修复的方法为：

其中，和/>为各自频率上周跳修复后的载波相位值。

本发明的有益效果为：

(1)本发明只需要利用双频多普勒观测值辅助载波相位进行周跳探测，减弱了伪距多路径等误差对周跳检测量的影响，提高了周跳探测精度；

(2)本发明通过两种方法组合进行周跳探测和修复，弥补了单一方法的周跳探测盲点，对周跳的解算更加准确，为BDS双频载波相位周跳探测提供了一种新方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种BDS双频周跳探测组合方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供了一种BDS双频周跳探测组合方法，如图1所示，具体流程如下：

S1.获取双频观测数据。

通过计算获取接收机对卫星的观测文件，选择BDS卫星双频观测数据，两个频率分别为：f₁＝1575.42MHz，f₂＝1176.45MHz。

S2.基于双频观测数据计算历元间伪距和载波相位变化量。

S2.1.对多普勒观测值在相邻历元间积分，公式为：

其中，为利用多普勒积分计算的历元间载波相位变化量，t为观测时间，n为历元序号，D为多普勒值，Δt为采样间隔；

S2.2.利用多普勒积分值计算历元间伪距变化量，公式为：

其中，ΔP为历元间伪距变化量，λ为对应频率的波长，为相邻两个历元多普勒观测值的平均值；

S2.3.利用载波相位观测值计算历元间载波相位变化量，公式为：

其中，为利用载波相位观测值计算的历元间载波相位变化量，/>为对应频率的载波相位观测值。

S3.构建双频多普勒积分周跳检测模型，获取双频多普勒积分周跳检测量并设定周跳探测阈值。

S3.1.根据MW组合原理，构建伪距和载波相位观测方程，首先利用双频伪距变化量构建窄巷伪距组合值，公式为：

其中，ΔP_NL为多普勒积分计算的窄巷伪距组合值，f为载波频率；

S3.2.利用载波相位观测值构建宽巷相位组合值，公式为：

其中，为历元间载波相位变化量构建的宽巷相位组合值。

S3.3.利用宽巷相位减窄巷伪距组合值构造双频周跳探测方程，公式为：

其中，ΔL_MW为伪距相位组合量，λ_MW＝c/(f₁+f₂)为双频组合波长；

S3.4.将公式(6)两端同除以组合波长，得到当前历元的双频多普勒积分法周跳检测量，公式为：

其中，ΔN_D为双频多普勒积分法周跳检测量，ε为观测噪声；

S3.5.根据误差传播原理，双频多普勒积分法周跳检测量的中误差为：

其中，为双频多普勒积分法周跳检测量中误差，以三倍中误差作为周跳探测的阈值，由于中误差大小与采样间隔有关，因此不同采样率数据有不同大小的阈值，这也就意味着该方法对不同采样率数据的周跳探测精度有所不同。

取周，σ_D＝0.03m/s，通过计算可知，1s采样率下，双频多普勒积分法周跳检测量中误差为0.032周，因此设定周跳检测量阈值为0.1周。

S4.构建电离层残差周跳检测模型，获取电离层残差周跳检测量并设定周跳探测阈值。

S4.1.首先将双频载波相位观测值进行线性组合，对同一历元双频载波相位观测作差，公式为：

其中，Δφ₁₂为B1、B2频率的载波相位差值，N为整周模糊度，I为电离层延迟；

S4.2.将公式(9)两端同时除以λ₁，可得电离层残差周跳检测量，公式为：

其中，为电离层残差构造量；/>为电离层残差项；

S4.3.对公式(10)进行历元间作差，构造电离层残差周跳检测量，公式为：

其中，ΔN_PIR为电离层残差周跳检测量；Δ_ion＝ΔI₁₂(n+1)-ΔI₁₂(n)为历元间电离层残差；

当没有周跳时，ΔN_PIR＝Δ_ion+ε，在电离层稳定情况下，忽略微小观测误差影响，电离层变化量为0，即ΔN_PIR＝0。假设在B1和B2频率上分别发生ΔN₁和ΔN₂大小的周跳，则此时电离层残差周跳检验量约为：

S4.4.根据误差传播定律，电离层残差法的周跳检测量中误差为：

其中，σ_PIR为周跳检测量中误差，为载波相位观测精度。

取周，则/>周，取三倍中误差为极限误差，则理论上可探测出0.07周以上的周跳值，因此设定电离层残差法周跳检测量阈值为0.07周。

S5.构建双频周跳探测组合模型，进行双频周跳探测并获取单频周跳值。

根据双频多普勒积分法和电离层残差法的组合系数，建立周跳解算方程组，表达式为：

对该方程组利用最小二乘法求解N₁和N₂，即为单频周跳值。

S6.进行双频周跳修复。

根据步骤S5解算到的单频周跳值，在各自频率的载波相位数据中对应位置加入与周跳值相反的载波相位周数，完成双频数据的周跳探测与修复，周跳修复的公式为：

其中，和/>即为各自频率上周跳修复后的载波相位值。

本发明提出的一种BDS双频周跳探测组合方法，通过利用各自频率的多普勒积分计算伪距变化量，再对其进行频间组合辅助双频载波相位周跳探测，解决了多普勒观测值进行多频周跳探测的问题，并联合电离层残差法构建双频周跳解算方程，弥补了单一方法的周跳探测盲点，可以较好地完成对双频载波相位数据的周跳探测和修复。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种BDS双频周跳探测组合方法，其特征在于，包括：

获取双频观测数据，基于所述双频观测数据进行计算，构建周跳检测模型，获取周跳检测量；

获取所述双频观测数据包括：

获取接收机对卫星的观测文件，筛选所述双频观测数据，其中，所述双频观测数据包括BDS卫星双频多普勒观测值和载波相位观测值数据；

基于所述双频观测数据进行计算包括：

对单一频率上的多普勒观测值在相邻历元间积分，计算历元间伪距变化量，同时利用载波相位观测值计算历元间载波相位变化量；

所述周跳检测模型包括：

双频多普勒积分周跳检测模型和电离层残差周跳检测模型；

构建所述双频多普勒积分周跳检测模型包括：

通过所述历元间伪距变化量构建窄巷伪距组合值，通过所述历元间载波相位变化量构建宽巷相位组合值，基于所述宽巷相位组合值和所述窄巷伪距组合值构建所述双频多普勒积分周跳周跳探测模型，获取双频多普勒积分周跳检测量，基于所述双频多普勒积分周跳检测量进行误差计算，设定周跳探测阈值；

构建所述电离层残差周跳检测模型包括：

将双频载波相位观测值进行线性组合消除电离层残差项，构建所述电离层残差周跳检测模型，获取电离层残差周跳检测量，基于所述电离层残差周跳检测量进行误差计算，设定周跳探测阈值；

基于所述周跳检测量构建双频周跳探测组合模型，进行双频周跳探测并获取单频周跳值；

基于所述单频周跳值进行双频周跳修复，完成双频数据的周跳探测与修复。

2.根据权利要求1所述的BDS双频周跳探测组合方法，其特征在于，构建所述双频周跳探测组合模型包括：

根据所述双频多普勒积分周跳检测量和电离层残差周跳检测量进行组合，建立所述双频周跳探测组合模型为：

其中,ΔN_D为双频多普勒积分周跳检测量，ΔN_PIR为电离层残差周跳检测量，ΔN₁和ΔN₂分别为在双频中各自频率上发生的周跳值，为线性系数。

3.根据权利要求1所述的BDS双频周跳探测组合方法，其特征在于，获取所述单频周跳值包括：

对所述双频周跳探测组合模型进行最小二乘法求解，获取所述单频周跳值。

4.根据权利要求1所述的BDS双频周跳探测组合方法，其特征在于，基于所述单频周跳值进行双频周跳修复包括：

在各自频率的载波相位数据中对应位置加入与所述单频周跳值相反的载波相位周数，完成双频数据的周跳探测与修复，周跳修复的方法为：

其中，和/>为各自频率上周跳修复后的载波相位值。