CN115932922B - 一种基于bds四频数据的周跳探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于BDS四频数据的周跳探测方法，包括以下步骤：首先对各频率的伪距和载波相位构建四频伪距减相位组合，然后根据组合波长、电离层延迟系数及周跳检测量中误差的综合影响，选择最优的四频组合系数构造超宽巷相位和窄巷伪距组合周跳检测量，通过载波宽巷和伪距窄巷差分构建墨尔本—维贝纳(Melbourne‑Wübbena,MW)组合观测方程，并联合无几何相位组合在历元间差分进行BDS四频周跳探测。本发明弥补了单一方法的周跳探测盲点，提高了周跳探测精度，为BDS四频数据探测周跳提供方了一种方法，对于BDS高精度定位具有重要的意义。

Description

一种基于BDS四频数据的周跳探测方法

技术领域

本申请属于卫星定位中的周跳探测技术领域，尤其涉及一种基于BDS四频数据的周跳探测方法。

背景技术

随着北斗三号的全面建成，北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellitesystem，BDS)在社会生产建设中的地位越来越重要，用户可以利用多频BDS卫星观测数据进行高精度定位，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，传统的周跳探测方法中高次差法在作差的同时也放大了观测噪声的影响，不能探测较小的周跳。多项式拟合法的周跳探测精度取决于拟合系数，且对低采样率数据的周跳探测精度逐渐降低。墨尔本—维贝纳(Melbourne-Wbbena，MW)组合法和电离层残差法均有各自的周跳探测盲点。伪距相位组合法适用于多频周跳探测，但周跳探测精度受伪距观测噪声影响较大。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。

上述这些方法中由于伪距减相位法受伪距观测值精度的影响，无法探测出小周跳，而MW组合具有对同一历元多个频率发生相同周跳时不敏感的特性，并且无法进行频率间周跳的分离。把两种多频数据周跳探测方法结合起来进行周跳的探测，对于不同方法能够探测到的同一历元的周跳取其中一个即可，而两种探测方法的不敏感部分可以相互补充，所以能完全地探测出周跳。由于伪距减相位法能够识别周跳发生的频点，可用来与MW组合进行互补。同时，对于四频数据对比于双频和三频观测值具有更丰富的观测量信息，理论上可以为周跳探测与修复提供波长更长、噪声更小、电离层影响更弱的线性组合观测值，但目前对于GNSS四频数据探测与修复的特性及方法的研究较少。

针对上述技术问题，本发明基于四频伪距和载波相位观测数据，提出了一种基于BDS四频数据的周跳探测方法，来对四频观测数据进行周跳探测工作。

发明内容

本申请提出一种基于BDS四频数据的周跳探测方法，弥补了单一方法的周跳探测盲点，提高了周跳探测精度，为BDS四频数据探测周跳提供了一种方法，对于BDS高精度定位具有重要的意义。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种基于BDS四频数据的周跳探测方法，包括以下步骤：

S1：获取BDS卫星四频观测数据；

S2：基于所述BDS卫星四频观测数据，构建四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值；

S3：基于所述四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值，搜索最优的伪距减相位组合系数；

S4：基于所述BDS卫星四频观测数据，构建四频MW法周跳检测量及阈值；

S5：构建四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值；

S6：基于所述四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值、所述四频MW法周跳检测量及阈值、所述四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值，构建四频伪距-MW-无几何组合法，设定条件限值和搜索区间进行系数搜索，选择一组最优的组合系数，完成对BDS四频数据的周跳探测。

优选的，所述S1中，获取BDS卫星四频观测数据的方法包括：

利用卫星接收机观测值文件，选择BDS卫星四个频率伪距观测值和载波相位观测值数据。

优选的，所述S2中，构建四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值的方法包括：

根据伪距和载波相位观测方程，利用计算的四频伪距和载波相位变化量构造宽巷相位和窄巷伪距减组合周跳检测量，并设定四频的伪距减相位组合周跳检测量的阈值。

优选的，所述S3中，搜索最优的伪距减相位组合系数的方法包括：

计算组合波长、电离层系数及四频的伪距减相位组合周跳检测量的误差；

基于所述组合波长的误差、所述电离层系数的误差和所述四频的伪距减相位组合周跳检测量的误差，设定条件限值和搜索区间进行系数搜索，选择两组最优的伪距减相位组合系数。

优选的，所述S4中，构建四频MW法周跳检测量及阈值的方法包括：

将四频载波相位观测值和伪距观测值分别进行宽巷和窄巷组合计算，对组合值作差并进行线性组合获得四频MW组合周跳检测量及阈值。

优选的，所述S5中，构建四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值的方法包括：

将优化后的无几何相位组合在历元间进行差分得到四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值。

优选的，所述S6中，构建四频伪距-MW-无几何组合法的方法包括：

根据伪距减相位组合、MW四频组合系数和无几何相位组合系数构建解算方程组，进行周跳探测，并对解算方程组求解，得到单一频率上的周跳值。

优选的，所述解算方程组的表达式为：

其中，i₁、j₁、k₁、l₁、i₂、j₂、k₂、l₂分别为两组载波相位组合系数，E、F、G、H为四频无几何相位组合系数，ΔN₁、ΔN₂、ΔN₃、ΔN₄为f₁、f₂、f₃、f₄两个频段载波上的周跳值，n_MW为MW组合的周跳探测量，为伪距相位组合的周跳检测量，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄为f₁、f₂、f₃、f₄对应频率的波长，/>为无几何相位组合的周跳检测量。

本申请的有益效果为：

(1)本发明利用四频伪距和载波相位观测数据进行周跳探测，解决了超宽巷组合不能对周跳进行分离的问题，提高了周跳探测的准确性；

(2)本发明弥补了单一方法的周跳探测盲点，可以有效探测四频组合的大小周跳和不敏感周跳，为BDS四频数据提供了一种良好的周跳探测方法，弥补了BDS四频周跳探测研究领域的欠缺。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面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是本申请的一些实施例，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为本发明一种基于BDS四频数据的周跳探测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、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申请作进一步详细的说明。

实施例一：

按图1所示步骤，本发明提供了一种基于BDS四频数据的周跳探测方法，包括如下步骤：

S1：获取BDS卫星四频观测数据：利用卫星接收机观测值文件，选择BDS卫星四个频率伪距观测值和载波相位观测值数据；

S2：构建四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值：根据伪距和载波相位观测方程，利用计算的四频伪距和载波相位变化量构造宽巷相位和窄巷伪距减组合周跳检测量，并设定周跳检测量的阈值；

S3：搜索最优的伪距减相位组合系数：计算组合波长、电离层系数及周跳检测量中误差，综合考虑三种因素的影响，设定条件限值和搜索区间进行系数搜索，选择两组最优的伪距减相位组合系数；

S4：构建四频MW法周跳检测量及阈值：将四频载波相位观测值和伪距观测值分别进行宽巷和窄巷组合计算，对组合值作差并进行线性组合获得四频MW组合周跳检测量及阈值；

S5：构建四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值：无几何相位组合在历元间进行差分得到周跳检测量及阈值，并对设置条件内的组合系数进行优化选取；

S6：构建四频伪距-MW-无几何组合法，设定条件限值和搜索区间进行系数搜索，选择一组最优的组合系数。

具体的，S6中，构建四频伪距-MW-无几何组合法的方法包括：

根据伪距减相位组合、MW四频组合系数和无几何相位组合系数构建解算方程组，进行周跳探测，并对解算方程组求解，得到单一频率上的周跳值。

解算方程组的表达式为：

其中，i₁、j₁、k₁、l₁、i₂、j₂、k₂、l₂分别为两组载波相位组合系数，E、F、G、H为四频无几何相位组合系数，ΔN₁、ΔN₂、ΔN₃、ΔN₄为f₁、f₂、f₃、f₄两个频段载波上的周跳值，n_MW为MW组合的周跳探测量，为伪距相位组合的周跳检测量，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄为f₁、f₂、f₃、f₄对应频率的波长，/>为无几何相位组合的周跳检测量。

对本发明一种基于BDS四频数据的周跳探测方法进行详细说明。

S1，获取BDS卫星四频观测数据，包括以下具体步骤：

获取接收机观测值文件，选择BDS卫星四频观测数据，四个频率分别为：f₁＝1575.42MHz，f₂＝1176.45MHz，f₃＝1268.52MHz，f₄＝1207.14MHz。

S2，构建四频伪减距相位组合周跳检测量及阈值，包括以下具体步骤：

S2-1，构建伪距减载波相位观测方程，其计算公式分别为：

P_abcd＝ρ+β_abcdI₁+d_abcd+m_abcd+ε_abcd (1)

式中：P_abcd＝aP₁+bP₂+cP₃+dP₄为四频伪距组合观测量，为载波相位组合观测量，P₁、P₂、P₃、P₄分别为f₁、f₂、f₃、f₄频率的伪距观测值，a、b、c、d∈R为四频伪距组合系数，且a+b+c+d＝1，i、j、k、l∈Z为四频载波相位组合系数。ρ为包含钟差和对流层延迟等影响的站星间几何距离，/>为四频伪距组合的电离层残差系数，/>为载波相位组合的电离层残差系数，I₁为f₁频率的电离层延迟项，d_abcd、d_ijkl分别为伪距和相位组合观测量的硬件延迟项，m_abcd、m_ijkl分别为伪距和相位组合观测量的多路径误差，ε_abcd、ε_ijkl分别为伪距和载波相位组合观测量的观测噪声，/>为相位组合观测波长，N_ijkl＝iN₁+jN₂+kN₃+lN₄为相位组合观测量的整周模糊度，N₁、N₂、N₃、N₄分别为对应频率的整周模糊度；

S2-2，计算四频伪距相位组合观测量的整周模糊度，计算公式为：

S2-3，构建四频伪距减相位组合周跳检测量，对式(3)在历元间作差，并将对应频率的ΔP和对应频率的为分别作为历元间伪距和载波相位变化量代入式(3)进行计算，并忽略接收机硬件延迟和多路径效应，得到周跳检测量为：

式中：ΔN_ijkl为历元间作差的伪距减相位组合周跳检测量，为历元间相位组合观测量的差值，ΔP_abcd＝aΔP₁+bΔP₂+cΔP₃+dΔP₄为历元间伪距组合观测量的差值，ΔI₁为历元间f₁频率的电离层延迟变化量，Δε_ijkl、Δε_abcd分别为历元间相位和伪距组合观测噪声变化量，考虑电离层变化不大时，式(4)中的电离层延迟变化量ΔI₁和观测噪声变化量Δε可以忽略不计，则最终周跳检测量为：

式中：为历元间作差消除观测噪声和电离层残差的四频伪距减相位组合周跳检测量；

S2-4，根据伪距减相位组合系数计算周跳检测量中误差，计算公式为：

式中：为伪距减相位组合周跳检测量的中误差，/>为载波相位观测噪声标准差，σ_p为伪距观测噪声标准差，本发明取/>个周期，σ_p＝0.03m，以四倍中误差值作为伪距减相位组合的周跳探测阈值。

S3，搜索四频伪距减相位组合系数，包括以下具体步骤：

S3-1，计算伪距相位组合周跳检测量的电离层延迟系数，计算公式为：

式中：α为伪距相位组合电离层延迟系数；

S3-2，确定组合系数选取条件，考虑组合波长、电离层系数及周跳检测量中误差的综合影响，相位组合系数选择应满足以下条件：

(1)组合波长λ_ijkl较长；

(2)电离层延迟影响较小；

(3)周跳检测量中误差较小。

S3-3，搜索最优的伪距减相位组合系数，四频伪距组合采用等权模型，即a＝b＝c＝d＝1/4，则组合伪距的电离层残差系数β_abcd＝1.510，电离层延迟系数可表示为α＝13.18×(i+0.983j+0.979k+0.981l)，综合三个条件对组合系数的要求，设定[-4，4]为四频载波相位组合系数的搜索区间，以i+j+k+l＝0为搜索条件进行组合系数搜索，搜索出两组同时满足三个条件的组合系数，最终选定两组最优的组合系数为(0，-3，-1，4)、(1，4，-3，-2)，并根据两组系数计算各自的周跳检测量阈值，组合系数为(0，-3，-1，4)的周跳检测量阈值为0.301个周期，组合系数为(1，4，-3，-2)的周跳检测量阈值为0.355个周期。

S4，构建MW组合法周跳检测量，包括以下具体步骤：

S4-1，首先对载波相位进行宽巷组合计算，其次对伪距进行窄巷组合计算，二者作差构建MW组合观测模型，计算模型表达式为：

式中：P₁、P₂为B₁、B₂两个频点的伪距观测值；

S4-2，将等式(8)两端同时除以宽巷波长，得到周跳探测量表达式为：

式中：N_MW为MW组合周跳检测量。

S4-3，将式(9)进行历元间作差，消除多路径效应和观测噪声的影响，得到MW的周跳检测量为：

n_MW＝ΔN₁-ΔN₂ (10)

式中：ΔN₁、ΔN₂为f₁、f₂两个频段载波上的周跳值；n_MW为MW组合的周跳探测量；

S5，构建四频无几何相位观测方程主要包括以下步骤：

S5-1，首先四频载波相位组合观测方程为：

其中，令E+F+G+H＝0,则可以得到无几何相位组合观测方程：

式中：

λN＝Eλ₁N₁+Fλ₂N₂+Gλ₃N₃+Hλ₄N₄ (13)

将方程(13)中的无几何相位组合在相邻历元间求差后，可以得到四频无几何相位组合法的周跳检测量：

Z＝Eλ₁ΔN₁+Fλ₂ΔN₂+Gλ₃ΔN₃+Hλ₄ΔN₄ (16)

S5-2，为了能够达到较高的探测灵敏度，组合系数应该满足以下条件：

(1)组合的系数和为0；

(2)电离层延迟系数较小；

(3)周跳检验量的标准差较小；

可以得到四频无几何相位组合法周跳探测量的标准差为：

四频无几何相位组合法探测周跳的标准为：

|Eλ₁ΔN₁+Fλ₂ΔN₂+Gλ₃ΔN₃|+Hλ₄ΔN₄|≥nσ_D (18)

其中n为常数，nσ_D为探测阈值，设置[-4,4]为无几何相位组合系数的搜索区间，结合上述约束条件，最终选取(-2，0，1，1)作为四频无几何相位组合的系数。

S6，构建四频周跳解算方程组，包括以下具体步骤：

根据四频伪距减相位联合MW组合法组合系数及其周跳检测量构建解算方程组，选取(0，-3，-1，4)、(1，4，-3，-2)两个四频伪距减相位组合，一个MW组合和(-2，0，1，1)一个四频无几何相位组合进行周跳探测，并对方程组求解，即可得到各个频率上发生的周跳值，通过直接取整的方法获取周跳整数值。四频周跳解算方程组为：

本发明一种基于伪距减相位-MW-无几何组合四频周跳探测方法，无几何相位组合不能有效探测满足Eλ₁ΔN₁+Fλ₂ΔN₂+Gλ₃ΔN₃+Hλ₄ΔN₄＝0的特殊周跳，而MW组合对不同频率出现相同周跳时不敏感以及伪距减相位组合法探测特殊周跳不敏感，基于BDS四频数据，提出了伪距减相位-MW-无几何相位组合四频周跳探测方法，该组合方法可以提高周跳探测的准确性，弥补单一方法的周跳探测盲点，并提出一种基于BDS四频数据周跳探测的方法，为BDS高精度定位提供了基础。

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

Claims (3)

1.一种基于BDS四频数据的周跳探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取BDS卫星四频观测数据；

S2：基于所述BDS卫星四频观测数据，构建四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值；

S3：基于所述四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值，搜索最优的伪距减相位组合系数；

S4：基于所述BDS卫星四频观测数据，构建四频MW法周跳检测量及阈值；

S5：构建四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值；

S6：基于所述四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值、所述四频MW法周跳检测量及阈值、所述四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值，构建四频伪距-MW-无几何组合法，设定条件限值和搜索区间进行系数搜索，选择一组最优的组合系数，完成对BDS四频数据的周跳探测；

所述S1中，获取BDS卫星四频观测数据的方法包括：

利用卫星接收机观测值文件，选择BDS卫星四个频率伪距观测值和载波相位观测值数据；

所述S2中，构建四频的伪距减相位组合周跳检测量及阈值的方法包括：

根据伪距和载波相位观测方程，利用计算的四频伪距和载波相位变化量构造宽巷相位和窄巷伪距减组合周跳检测量，并设定四频的伪距减相位组合周跳检测量的阈值；

所述S3中，搜索最优的伪距减相位组合系数的方法包括：

计算组合波长、电离层系数及四频的伪距减相位组合周跳检测量的误差；

基于所述组合波长的误差、所述电离层系数的误差和所述四频的伪距减相位组合周跳检测量的误差，设定条件限值和搜索区间进行系数搜索，选择两组最优的伪距减相位组合系数；

搜索四频伪距减相位组合系数，包括以下具体步骤：

S3-1，计算伪距相位组合周跳检测量的电离层延迟系数，计算公式为：

式中：α为电离层延迟系数；

S3-2，确定组合系数选取条件，考虑组合波长、电离层系数及周跳检测量中误差的综合影响，相位组合系数选择应满足以下条件：

(1)组合波长λ_ijkl较长；

(2)电离层延迟影响较小；

(3)周跳检测量中误差较小；

S3-3，搜索最优的伪距减相位组合系数，四频伪距组合采用等权模型，即a＝b＝c＝d＝1/4，则组合伪距的电离层残差系数β_abcd＝1.510，电离层延迟系数可表示为α＝13.18×(i+0.983j+0.979k+0.981l)，综合三个条件对组合系数的要求，设定[-4，4]为四频载波相位组合系数的搜索区间，以i+j+k+l＝0为搜索条件进行组合系数搜索，搜索出两组同时满足三个条件的组合系数，最终选定两组最优的组合系数为(0，-3，-1，4)、(1，4，-3，-2)，并根据两组系数计算各自的周跳检测量阈值，组合系数为(0，-3，-1，4)的周跳检测量阈值为0.301个周期，组合系数为(1，4，-3，-2)的周跳检测量阈值为0.355个周期；

所述S5中，构建四频无几何相位观测方程主要包括以下步骤：

S5-1，首先四频载波相位组合观测方程为：

其中，令E+F+G+H＝0,则可以得到无几何相位组合观测方程：

式中：

λN＝Eλ₁N₁+Fλ₂N₂+Gλ₃N₃+Hλ₄N₄

将方程λN＝Eλ₁N₁+Fλ₂N₂+Gλ₃N₃+Hλ₄N₄中的无几何相位组合在相邻历元间求差后，可以得到四频无几何相位组合法的周跳检测量：

Z＝Eλ₁ΔN₁+Fλ₂ΔN₂+Gλ₃ΔN₃+Hλ₄ΔN₄

S5-2，为了能够达到较高的探测灵敏度，组合系数应该满足以下条件：

(1)组合的系数和为0；

(2)电离层延迟系数较小；

(3)周跳检验量的标准差较小；

可以得到四频无几何相位组合法周跳探测量的标准差为：

四频无几何相位组合法探测周跳的标准为：

|Eλ₁ΔN₁+Fλ₂ΔN₂+Gλ₃ΔN₃|+Hλ₄ΔN₄|≥nσ_D

其中n为常数，nσ_D为探测阈值，设置[-4,4]为无几何相位组合系数的搜索区间，结合约束条件，最终选取(-2，0，1，1)作为四频无几何相位组合的系数；

所述S6中，构建四频伪距-MW-无几何组合法的方法包括：

根据伪距减相位组合、MW四频组合系数和无几何相位组合系数构建解算方程组，进行周跳探测，并对解算方程组求解，得到单一频率上的周跳值；

所述解算方程组的表达式为：

其中，i₁、j₁、k₁、l₁、i₂、j₂、k₂、l₂分别为两组载波相位组合系数，E、F、G、H为四频无几何相位组合系数，ΔN₁、ΔN₂、ΔN₃、ΔN₄为f₁、f₂、f₃、f₄两个频段载波上的周跳值，n_MW为MW组合的周跳探测量， 为伪距相位组合的周跳检测量，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄为f₁、f₂、f₃、f₄对应频率的波长，/>为无几何相位组合的周跳检测量；

构建四频周跳解算方程组，包括以下具体步骤：

根据四频伪距减相位联合MW组合法组合系数及其周跳检测量构建解算方程组，选取(0，-3，-1，4)、(1，4，-3，-2)两个四频伪距减相位组合，一个MW组合和(-2，0，1，1)一个四频无几何相位组合进行周跳探测，并对方程组求解，得到各个频率上发生的周跳值，通过直接取整的方法获取周跳整数值；四频周跳解算方程组为：

2.根据权利要求1所述的基于BDS四频数据的周跳探测方法，其特征在于，所述S4中，构建四频MW法周跳检测量及阈值的方法包括：

将四频载波相位观测值和伪距观测值分别进行宽巷和窄巷组合计算，对组合值作差并进行线性组合获得四频MW组合周跳检测量及阈值。

3.根据权利要求1所述的基于BDS四频数据的周跳探测方法，其特征在于，所述S5中，构建四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值的方法包括：

将优化后的无几何相位组合在历元间进行差分得到四频无几何相位观测方程周跳检测量及阈值。