專利名稱：衛(wèi)星導航定位中三頻碼波偽距和載波相位的組合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導航定位技術(shù)領(lǐng)域，是導航定位中的載波測量方法，尤其是衛(wèi)星導航中三頻碼波偽距和載波相位的組合方法。

背景技術(shù)：
在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)中，由于衛(wèi)星時鐘、接收機時鐘的誤差以及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層中的延遲，實際測出的距離與衛(wèi)星到接收機的幾何距離有一定差值，將實際測定的距離稱為偽距。用碼波測量可以高動態(tài)測距，但精度不高，接收終端只能實現(xiàn)1-10米量級的偽距測量精度。由于載波的波長比測距碼波長要短得多，因此，利用載波測量技術(shù)可以實現(xiàn)高精度的導航定位。載波相位觀測無法直接測定衛(wèi)星載波信號在傳播路徑上相位變化的整周數(shù)，存在整周不確定性問題，通常求解整周模糊度的時間很長(幾小時，幾天甚至更長)。在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上，實時動態(tài)測量(RTK)技術(shù)應(yīng)運而生。RTK定位技術(shù)的基本原理是基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GNSS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理。該定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到分米級精度。但該技術(shù)只能局限于在某個區(qū)域內(nèi)使用，一般應(yīng)用區(qū)域約為15-20公里左右。
載波測量中整周模糊度的快速求解一直是國內(nèi)外GNSS專家研究的難點和熱點，并出現(xiàn)了諸如雙頻偽距法、模糊度函數(shù)法、最小二乘搜索法、模糊度協(xié)方差陣法等求解整周模糊度的方法。雙頻偽距法是通過兩個載波頻率的物理組合實現(xiàn)模糊度求解，原理簡易，易于應(yīng)用。另幾種求整周模糊度的方法是一種算法，多是從數(shù)學算法加以改進的方法，求解速度很慢。
采用載波相位與碼波偽距組合來求解載波測量中的整周數(shù)，對雙頻系統(tǒng)而言，兩個載波頻率“加”“減”構(gòu)成的“窄巷”和“寬巷”組合雖然可以實現(xiàn)電離層的完全消除，但是確定“窄巷”的載波測量整周模糊度時，消耗的時間長達幾十分鐘，造成載波相位測量的實時性較差，不能滿足高動態(tài)定位的需要。在接收機跟蹤導航衛(wèi)星進行觀測過程中，對于可能產(chǎn)生的整周跳變現(xiàn)象，恢復(fù)也很慢。這都將使數(shù)據(jù)處理復(fù)雜化，該方法難以適應(yīng)高動態(tài)應(yīng)用。
Hatch(1996)和Harris(1997)初步探討了在三頻衛(wèi)星導航系統(tǒng)中利用碼波偽距和載波相位結(jié)合求解整周模糊度的方法。1999年，美國宣布在GPS新型工作衛(wèi)星上將增設(shè)第3個民用信號。近年來，三頻碼波偽距和載波相位組合的研究成為GNSS載波測量技術(shù)發(fā)展的新前沿。目前的三頻組合只局限于無一階電離層影響組合，可用的組合非常少。組合的最大弱點是噪聲在組合中被放大，要抑制噪聲，就只有依靠長時間積分才能實現(xiàn)，嚴重限制了系統(tǒng)的高動態(tài)應(yīng)用。因此，廣域內(nèi)高動態(tài)、高精度的載波測量方法是當今衛(wèi)星導航定位中亟待解決的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，公開一種衛(wèi)星導航中三頻碼波偽距和載波相位的組合方法，在衛(wèi)星導航中適用于三頻衛(wèi)星導航系統(tǒng)中三個載波頻率的選取，按照電離層影響比較接近、能夠快速求解整周模糊度、能夠快速降低電離層的延遲誤差等原則選擇組合系數(shù)構(gòu)造“正”組合、“負”組合和雙“正”組合載波，以實現(xiàn)廣域、高動態(tài)、高精度、無需差分支持的導航定位。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種衛(wèi)星導航定位中三頻碼波偽距和載波相位的組合方法，適用于廣域、高動態(tài)、高精度、無需差分支持的導航定位；其包括以下步驟 a.終端設(shè)備接收導航衛(wèi)星下行的三個碼波偽距和載波相位； b.在接收終端內(nèi)部按電離層影響接近、求解整周模糊度時間短的原則選擇組合系數(shù)，得到碼波組合偽距和載波組合相位；根據(jù)電離層影響的“正”、“負”來定義“正”組合和“負”組合； c.利用b)步中得到的“正”組合或“負”組合快速求解整周模糊度； d.在接收終端內(nèi)部，根據(jù)能快速降低電離層延遲誤差的原則選用組合系數(shù)構(gòu)建雙“正”組合載波，采用該雙“正”組合快速消除星地距離中的電離層影響； e.利用c)步和d)步得到的已經(jīng)消除電離層影響的四個(含)以上偽距觀測方程，解算接收終端的真實位置。
所述的方法，其所述a)步中，用于三頻衛(wèi)星導航系統(tǒng)中三個載波頻率的選取，該三個載波頻率需較均勻分布，可以快速降低電離層的延遲誤差。
所述的方法，其所述b)步中，“正”組合或“負”組合中組合碼波和組合載波的電離層影響比較接近、求解整周模糊度的時間短，提高系統(tǒng)的高動態(tài)性能。
所述的方法，其所述d)步中，雙“正”組合載波能夠快速消除星地距離中的電離層影響。
本發(fā)明的衛(wèi)星導航定位中三頻碼波偽距和載波相位的組合方法，是在廣域范圍內(nèi)實現(xiàn)高動態(tài)、高精度的衛(wèi)星導航定位。本發(fā)明方法無需各種差分技術(shù)支持，當三個載波頻率較均勻分布時，能夠大幅度的快速降低電離層延遲誤差，從而提高三頻衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高動態(tài)性能。



圖1為本發(fā)明方法的第3個載波頻率選取的示意圖；其中橫坐標為選用的第3個載波頻率，縱坐標為把電離層延遲誤差降低到1厘米所消耗的時間。

具體實施例方式 本發(fā)明的一種三頻碼波偽距和載波相位的組合方法，利用三頻碼波偽距和載波相位組成“正”組合或“負”組合，快速求解整周模糊度。同時，由于所發(fā)明的可用“正”、“負”組合數(shù)很多，可以選擇能夠快速求解整周模糊度的組合。本發(fā)明中的雙“正”組合載波能夠快速消除星地距離中的電離層影響，實現(xiàn)高動態(tài)、高精度的導航定位。在求星地距離時，為了大幅度減少消除電離層延遲誤差所需要的時間，本發(fā)明方法指出，當三個載波頻率均勻分布時，具有最短的處理時間，可大幅度的提高衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高動態(tài)性能。
本發(fā)明的具體實施方式
如下 1.快速求解組合載波的整周模糊度 衛(wèi)星導航的多頻載波可以組合得到虛擬組合波，多載波的組合相位和多碼波的組合偽距可表述為 Φc＝Φl，m，n＝l·Φ1+m·Φ2+n·Φ3+ ......(1) 其中，Φi、λi分別為第i個載波的相位和波長(i＝1，2，3，…)，Ri分別為第i個碼波的偽距(i＝1，2，3，…)，l、m、n為任意的整數(shù)，Φc和Rc分別為組合載波和組合碼波。組合載波的頻率fc和波長λc分別為 其中，c為真空中的光速，fi為載波Φi的頻率(i＝1，2，3，…)。為方便起見，規(guī)定f1＞f2＞f3＞…… 若載波Φi的整周模糊度記為Ni(i＝1，2，3，…)，則組合載波的整周模糊度Nc為 Nc＝l·N1+m·N2+n·N3+...... (4) 把載波Φ1和碼波R1的一階電離層影響分別記為dIΦ，1、dIR，1，則組合載波Φc、組合碼波Rc的電離層影響分別為(以米[m]為單位) 若以周數(shù)[cycle]為單位，有 需要注意的是，dIΦ，1[m](dIΦ，1[cycle])與dIR，1[m](dIR，1[cycle])的符號相反，大小相等。所以，dIΦ，c與dIR，c也有相反的符號。
設(shè)各個載波的相位測量誤差均為s，則組合載波的噪聲放大sc為 組合碼波的噪聲scode，c為 式中，scode，1、scode，2、scode，3、……分別為碼波R1、R2、R3、……的測量噪聲。
利用多個載波組合時，組合碼波和組合載波的電離層影響差異很大。以下描述本發(fā)明中的兩個定義 (1)“正”組合多頻組合系統(tǒng)中，無論載波組合，還是碼波組合，其電離層一階影響的符號為“正”，即處“滯后”狀態(tài)。
(2)“負”組合多頻組合系統(tǒng)中，無論載波組合，還是碼波組合，其電離層一階影響的符號為“負”，即處“超前”狀態(tài)。
如果電離層的一階影響為零，稱為“零”組合。通常的三頻無電離層組合就是一種“零”組合。
進一步改寫式(1)和(2)，“正”組合碼波R+的觀測值為 式中，ρ*為包括所有與頻率無關(guān)誤差的距離項。

為組合碼波R+的一階電離層影響。相應(yīng)地，“正”組合載波Φ+滿足 式中，N+、

和

分別為組合載波Φ+的整周模糊度、波長和一階電離層影響。
如果由式(11)和式(12)，有
從Rc中可以找到電離層影響的數(shù)值近似相等的“正”組合碼波R+，從而求解整周數(shù)N+. 求解N+需要的測量時元數(shù)，主要由

和Φ+兩部分的測量誤差決定。設(shè)組合碼波R+的組合噪聲為n+[m]，則第一部分

的噪聲為第二部分Φ+的測量噪聲為Δφ+[cycle]；則式(13)的合成誤差ΔΦ+為 為了求解整周模糊度，合成誤差的影響應(yīng)該小于半周，同時為了確保100％的成功率，對合成誤差的要求為此時，需要至少測量(6Φ+)2次。在式(13)中，電離層影響還保留了部分偏差，這是由電離層放大系數(shù)不相等造成的，在本方法中一般這個系數(shù)偏差小于0.0001，若取C波段電離層影響小于20米，則上述偏差僅僅有不到2毫米，把此偏差記為εI，因此，在求整周模糊度時考慮積分時間時，應(yīng)增加這個εI的影響，需要測量

次，才能成功求解整周數(shù)N+. 實際上，R+與Φ+的電離層影響數(shù)值近似相等的組合非常多，可以從中選取出若干組電離層影響基本相等的組合對，根據(jù)電離層影響接近、求解整周數(shù)時間短的原則，選擇組合系數(shù)，快速求解組合載波的整周模糊度。由上述推導過程可知，該方法也同樣適用于“負”組合。
2.快速消除星地距離中的電離層影響，實現(xiàn)高動態(tài)、高精度的衛(wèi)星導航定位 當只考慮電離層一階影響時，對組合載波Φc1和Φc2而言，有 式中，ρ*為包括所有與頻率無關(guān)誤差的距離項，Nc1、Nc2分別為組合載波Φc1、Φc2的整周數(shù)，dIΦ， 1為載波Φ1的一階電離層影響，(lc1、mc1、nc1、......)、(lc2、mc2、nc2、......)分別為Φc1、Φc2的組合系數(shù)，把分別記為Ic1、Ic2，則式(15)和式(16)可改寫為 ρ*＝(Nc1+Φc1)λc1+Ic1·dIΦ，1 (17) ρ*＝(Nc2+Φc2)λc2+Ic2·dIΦ，1 (18) 進一步，有
把上式代入(17)式，可以得到ρ*.
ρ*的測量誤差由組合載波Φc1和Φc2的測量誤差引起，因此，選擇兩個“正”組合載波時，應(yīng)選取Ic1和Ic2差距盡量大、Φc1和Φc2的誤差盡量小的組合，這樣，可以在較短的時間內(nèi)消除電離層延遲誤差的影響，提高星地距離的測量精度，并由四個(含)以上的偽距觀測方程求解接收終端的坐標。
式(20)右側(cè)第一項中，Φc1為載波的測量值直接組合得到；整周數(shù)Nc1可以在很短的時間內(nèi)獲得，靜態(tài)初始化求出Nc1后，如果沒有發(fā)生周跳，Nc1為常量；當發(fā)生周跳時，也可以在短時間內(nèi)解算出Nc1. 式(20)右側(cè)第二項為電離層影響部分，區(qū)域內(nèi)的電離層延遲誤差通常變化不快，可以采用平滑處理，靜態(tài)初始化時求解出電離層影響后，采用滑動處理的方法，可以獲得一秒幾十次以上的輸出，實現(xiàn)高動態(tài)的導航定位。當發(fā)生周跳時，剔除出現(xiàn)的異常值，采用原測量值結(jié)合正常的測量值作平滑處理，利用已經(jīng)消除電離層影響的四個(含)以上偽距觀測方程，解算接收終端的真實位置，實現(xiàn)高動態(tài)、高精度的導航定位。
3.三頻衛(wèi)星導航系統(tǒng)中三個載波頻率的選擇原則 一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)在組建初期，或者對于具有換頻、換星等特點的衛(wèi)星導航系統(tǒng)而言，可以在允許的范圍內(nèi)選擇載波頻率，本發(fā)明的一種衛(wèi)星導航定位中三頻碼波偽距和載波相位的組合方法，適用的三頻衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的三個導航頻率較均勻分布時，可以非?？焖俚慕档碗婋x層延遲誤差的影響，提高系統(tǒng)的高動態(tài)性能。
以中國區(qū)域定位系統(tǒng)CAPS為例。目前，CAPS采用的兩個載波頻率為405f0和374f0(基準頻率f0＝10.23MHz)，以它們?yōu)閿M構(gòu)建三頻系統(tǒng)的兩端頻率，針對第3個頻率的選取開展仿真試驗，并最終選取389f0為第3個載波頻率。圖1給出了歸納推導的原理示意圖。圖中405f0和374f0為三頻系統(tǒng)的最大頻率和最小頻率，第3個載波頻率在405f0和374f0之間選取，分別計算把星地距離中的電離層延遲誤差降低到允許范圍內(nèi)所消耗的時間(這里，設(shè)定的剩余誤差為1厘米)。當?shù)?個頻率為中間頻率389f0時，采用雙“正”組合載波消電離層影響時消耗的時間最短，在一分鐘以內(nèi)就可以降低電離層延遲誤差的影響(耗時約為35秒)，并快速求得星地距離。選用的載波組合為(409f0，387f0，366f0)時，在15秒內(nèi)可以求得無電離層影響的星地距離?？紤]附加導航頻段(5010-5030MHz)后，選用載波組合(491f0，405f0，374f0)可以把降低電離層延遲誤差的時間縮短到0.3秒以內(nèi)?？梢姡擃l率分布原則可以大幅度提高衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高動態(tài)性能。
上述耗時只是給出了靜態(tài)初始化期間，消除電離層延遲誤差的時間。如前所述，區(qū)域內(nèi)的電離層延遲誤差通常變化不快，可以采用平滑處理。靜態(tài)初始化過程結(jié)束后，在很短的時間內(nèi)就可以降低電離層延遲誤差的影響，求解消除電離層影響的星地距離，并實現(xiàn)高動態(tài)、高精度的導航定位。
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星導航定位中三頻碼波偽距和載波相位的組合方法，適用于廣域、高動態(tài)、高精度、無需差分支持的導航定位；其特征在于，包括以下步驟
a.終端設(shè)備接收導航衛(wèi)星下行的三個碼波偽距和載波相位；
b.在終端設(shè)備內(nèi)部組合碼波偽距和載波相位，并根據(jù)電離層影響的“正”、“負”來定義“正”組合和“負”組合；
c.利用b)步中得到的“正”組合或“負”組合快速求解整周模糊度；
d.在接收終端內(nèi)部構(gòu)建雙“正”組合載波，采用該雙“正”組合快速消除星地距離中的電離層影響；
e.利用c)步和d)步得到已經(jīng)消除電離層影響的四個(含)以上偽距觀測方程，解算接收終端的真實位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述a)步中，用于三頻衛(wèi)星導航系統(tǒng)中三個載波頻率的選取，該三個載波頻率需較均勻分布，可以快速降低電離層的延遲誤差。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述b)步中，“正”組合或“負”組合中組合碼波和組合載波的電離層影響比較接近、求解整周模糊度的時間大大地縮短，提高了系統(tǒng)的高動態(tài)性能。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述d)步中，雙“正”組合載波能夠快速消除星地距離中的電離層影響。
全文摘要
一種衛(wèi)星導航定位中三頻碼波偽距和載波相位的組合方法，涉及衛(wèi)星導航定位技術(shù)，包括步驟終端設(shè)備接收衛(wèi)星下行的三個碼波偽距和載波相位；按整系數(shù)組合得到碼波組合偽距和載波組合相位，根據(jù)電離層影響接近、求解整周模糊度時間短的原則選擇“正”、“負”組合系數(shù)，利用“正”、組合或“負”組合快速求解整周模糊度；根據(jù)能快速消除星地距離中電離層影響的原則選擇組合系數(shù)來構(gòu)建雙“正”組合載波，利用該雙“正”組合載波消除星地距離中的電離層影響，由四個(含)以上偽距觀測方程求解接收終端的真實位置。本發(fā)明方法可以構(gòu)建既能實現(xiàn)碼波的高動態(tài)，又兼有載波的高精度的新系統(tǒng)。
文檔編號G01S5/14GK101526608SQ200910131310
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者艾國祥, 馬利華, 施滸立, 際 郭, 李志剛, 吳海濤, 邊玉敬, 馬冠一, 孫希延, 李孝輝 申請人:中國科學院國家天文臺, 中國科學院國家授時中心