一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法技术

本发明专利技术公开了一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，包括：在动态环境下，利用双差码伪距观测量进行差分kalman滤波解算，得到两个历元的GPS接收机坐标；利用两个历元的GPS接收机坐标和两个历元的双差载波相位观测量组建载波相位周跳探测方程，并解算该方程，计算残差RMS值；比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周跳发生，以五颗卫星为一组合，选择残差最小的卫星组合作为无周跳组合进行周跳的修复，并结束；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则比较周跳探测方程解算的结果δX与设定的门限，如结果δX小于设定的门限，则无周跳发生，退出周跳检测流程；如果大于设定的门限，则无法探测周跳，退出周跳检测流程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及全球卫星定位与导航
，例如GPS、GL0NASS、BD、GALILEO系统， 特别是利用载波相位进行高精度定位系统中，尤其是一种在动态环境下探测并修复GPS载 波相位周跳的方法。
技术介绍
在全球导航卫星系统(GPS)接收机中，可以得到伪距测量和测量分辨率为毫米级 的载波相位测量值。载波相位测量是对GPS精密定位最有用的观测量。GPS定位可以概括 为两类，即单点定位和相对定位。单点定位利用一点采集的观测数据和星历数据确定定点 的坐标，单点定位的精度受到星历误差、钟信息和伪距测量精度等限制。相对定位利用多点 采集的观测数据确定未知点相对已知点的坐标。相对定位由于抵消了星历误差、大气误差、 钟误差等多种误差而能够得到更好的定位精度。相对定位又称差分定位，差分定位根据使用的数据类型和方法不同可分为位置差 分、伪距差分、伪距相位综合差分和载波相位差分。由于载波相位的测量精度要比码相位的 测量精度高两至三个数量级，在已知整周模糊度的情况下，利用载波相位可以获得厘米级 的差分定位精度，称之为载波相位差分技术。载波相位测量只能测量相位中不足一个整周的小数部分和锁定载波相位后连续 的整周计数。在锁定载波相位时，只能测定相位小数部分，信号经过多少整周相位是未知 的，称为载波相位整周模糊度。所以利用载波相位测量值进行载波相位差分定位中，最关键 的部分就是正确确定载波相位整周模糊度。相对定位可分为相对静态定位和相对动态定位，相对静态定位方法特别是载波相 位整周模糊度确定方法经过几十年的发展，已近较为成熟。过去的几十年中，国内外学者针 对这一问题提出了很多解算整周模糊度的方法，如模糊度函数法、FARA方法和LAMBDA方法 等。各种方法的普遍目标都是实现高效和可靠的模糊度解算，特别是对于实时性要求比较 高的应用，希望能在比较短的观测时间内确定出整周模糊度，得到可靠的，高精度的导航定 位信息。随着GPS应用领域的不断扩大，快速静态、动态、高动态条件下的导航、定位、姿态 测定、目标跟踪等动态快速定位技术的研究成为了 GPS领域中的重要方向，快速而准确地 求解整周模糊度，甚至整周模糊度在航解算(On the fly ambiguity resolution)等问题 成为了更大的挑战。载波相位整周模糊度的正确求解，目前还很难在一个历元(一个数据测量时刻) 内可靠正确的求解，需一段时间多个历元的观测数据才能可靠的求解。这样在动态环境下， 整周模糊度的求解相比就显得更为困难，主要原因在于在动态环境下，载波相位周跳的探 测与修复相比静态测量更为困难。在进行载波相位测量时，每次观测的测量值是一周以内的小数部分，其整周部分 是通过多普勒积分由计数器累加得到的。由于仪器和外界的电子干扰，载波锁相环路的短3暂失锁会造成连续整周计数的错误，这一现象称为“周跳(Cycle Slip)”。当载波相位观测 量是连续的(没有周跳)，各历元观测值都含有一个共同的未知数，，即历元1的整周模糊度 NO,当发生周跳时，其后所有的载波相位观测值都会含有一偏差△，该偏差就是中断期间所 丢失的整周计数，即周跳后的载波相位观测值中含有未知数NO+Δ。所谓周跳的探测就是利用观测的信息来发现周跳。在探测出周跳后，利用观测信 息来估计丢失的周数△，从而修正周跳后的载波相位观测值，称为周跳的修复。在探测出周 跳之后，也可将Ν0+Δ视为周跳后的整周模糊度而利用平差的原理求解出这个未知参数， 这是一个整周模糊度的求解问题。静态定位中，由于接收机静止不动，周跳的探测与修复问题已得到了很好的解决， 在动态环境下，由于动态接收机在不断地运动中，周跳的探测与修复比静态定位要困难得^^ ο目前对周跳的探测和修复主要有两种方式，一种方式只利用观测信息即可探测修 复周跳，如多项式拟合法、伪距和载波相位组合法、电离层残差法等等；另一种方式则不断 利用了观测信息，还利用了位置的推估量，如kalman滤波方法等等。多项式拟合法、伪距和载波相位组合法不能完全修复周跳，特别是小周跳，无法探 测与修复；电离层残差法需要双频观测数据，而且对一些周跳组合不敏感；kalman滤波方 法存在发散问题，特别是在运动载体机动大且机动频繁的情况下，kalman滤波方法很容易 发散，而不能完全修复周跳。所以，在动态环境下，如何有效、准确、快速的探测和修复载波相位周跳是精密定 位的一个非常重要的研究方向。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位 周跳的方法。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳 的方法，该方法包括步骤1 在动态环境下，利用双差码伪距观测量进行差分kalman滤波解算，得到两 个历元的GPS接收机坐标；步骤2 利用两个历元的GPS接收机坐标和两个历元的双差载波相位观测量组建 载波相位周跳探测方程，并解算该方程，计算残差RMS值；步骤3 比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周 跳发生，执行步骤4 ；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则执行步骤5 ；步骤4:以五颗卫星为一组合，选择残差最小的卫星组合作为无周跳组合进行周 跳的修复，并结束；步骤5 比较周跳探测方程解算的结果δ X与设定的门限，如结果δ X小于设定的 门限，则无周跳发生，退出周跳检测流程；如果大于设定的门限，则无法探测周跳，退出周跳 检测流程。上述方案中，步骤2中所述载波相位周跳探测方程，是在近似静态环境下的三差 方程，在动态环境下，进行了近似处理，利用kalman滤波结果或CA码单点定位结果作为其 线性化初始值。上述方案中，步骤2中所述解算载波相位周跳探测方程，采用最小二乘法或者 kalman滤波方法。上述方案中，步骤2中所述两个历元之间的间隔是固定或不固定的，二者的位置 差通过单点定位结果或kalman滤波结果进行比较。上述方案中，步骤2中所述两个历元之间的间隔在动态环境下需要门限控制，门 限可设置为两个历元的位置相差小于1000m，即|X(t+n)-X(t) | < 1000。上述方案中，步骤3中所述设定门限值是1/3波长。上述方案中，步骤3中所述比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设 定门限值，则有周跳发生；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则可能无周跳发生，也 可能多种原因导致无法检测周跳。上述方案中，步骤4中所述进行周跳的修复包括通过方程残差挑选出一组残差 最小的卫星作为基础卫星，对这组基础卫星重新组建周跳探测方程，解算该方程，计算残差 RMS值，并检测计算结果，如果计算结果正确，则将该结果代入由全部卫星组建的周跳探测 方程中，计算各个卫星的周跳数值。上述方案中，步骤5中所述设定的门限为5m。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、利用本专利技术，由于利用了短时间内卫星几何图形因子变化很小的原理，所以可 以利用前后历元的数据组成近似的周跳探测方程，计算简单，计算量小。2、利用本专利技术，由于采用了一种的新的卫星组合选择方法，将残差排序，而后直接 对残差进行统计，找出残差的RMS值最小的一组卫星组合，所以比一般的遍历方法的计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种在动态环境下探测并修复ＧＰＳ载波相位周跳的方法，其特征在于，该方法包括：步骤１：在动态环境下，利用双差码伪距观测量进行差分ｋａｌｍａｎ滤波解算，得到两个历元的ＧＰＳ接收机坐标；步骤２：利用两个历元的ＧＰＳ接收机坐标和两个历元的双差载波相位观测量组建载波相位周跳探测方程，并解算该方程，计算残差ＲＭＳ值；步骤３：比较残差ＲＭＳ值与设定门限值，如果残差ＲＭＳ值大于设定门限值，则有周跳发生，执行步骤４；如果残差ＲＭＳ值小于或等于设定门限值，则执行步骤５；步骤４：以五颗卫星为一组合，选择残差最小的卫星组合作为无周跳组合进行周跳的修复，并结束；步骤５：比较周跳探测方程解算的结果δＸ与设定的门限，如结果δＸ小于设定的门限，则无周跳发生，退出周跳检测流程；如果大于设定的门限，则无法探测周跳，退出周跳检测流程。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙金海，李金海，汪峰，阎跃鹏，张建喜，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11