消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法及多路徑半天球模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法，包括：建立多路徑半天球模型：根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中衛(wèi)星與接收機之間的相對位置建立多路徑半天球模型，用于描述多路徑誤差；估計多路徑半天球模型值：基于多路徑半天球模型估計接收機的多路徑誤差，估計載體參考系中不同方位角和高度角所對應(yīng)的格點的多路徑半天球模型值；消除多路徑誤差：實時獲取接收機的觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)接收機的方位角與高度角獲取對應(yīng)的多路徑半天球模型值，利用多路徑半天球模型值修正觀測數(shù)據(jù)，消除全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差。本發(fā)明適用于靜態(tài)環(huán)境下的GNSS高精度應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明還公開了一種多路徑半天球模型。
【專利說明】消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法及多路徑半天球模型

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差 的方法及多路徑半天球模型。

【背景技術(shù)】
[0002] 多路徑效應(yīng)一直是困擾高精度 GNSS (Global Navigation Satellite System，全 球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）測量領(lǐng)域的主要尚未解決的誤差源。地面接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)不但包含接收 機位置等有用信息，還包含隨機觀測誤差和各種系統(tǒng)誤差。其中電離層誤差、對流層誤差、 軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的系統(tǒng)誤差可以通過雙頻觀測、雙差觀測以及精確的模 型修正得到消除或大大削弱。但是與站點環(huán)境相關(guān)的多路徑效應(yīng)通過和觀測量的波形干涉 造成非線性觀測相位畸變，這種誤差不具有空間相關(guān)性，無法采用差分模式消除，也無法通 過線性模型估計來分離。目前國際上提出的各種多路徑修正模型和算法尚存在缺陷，尤其 是它們主要用于后處理分析，難以實現(xiàn)實時多路徑修正。理論研究表明多路徑誤差最大值 為信號波長的1/4。GPS的L1和L2頻段對應(yīng)的信號波長分別為19. 04cm和24. 44cm，則對 應(yīng)最大非差相位多路徑誤差分別為4. 76cm和6. 11cm。對基線觀測，載波相位誤差最大可達 9. 52cm和12. 22cm。偽距碼觀測的多路徑效應(yīng)更復(fù)雜些也更強烈些，一般說來P碼的多路 徑誤差可達15米，C/A碼的多路徑誤差可達150米。隨著GNSS應(yīng)用的普及和深化，對定位 和測姿的精度尤其是實時精度的要求進一步提高。因此在高精度GNSS定位、測姿和形變監(jiān) 測等工程應(yīng)用和研究中，能否有效地消除多路徑誤差成為當(dāng)前提高精度的關(guān)鍵。
[0003] 在削弱多路徑誤差影響的方法中除選擇合適站址外（避免GNSS測站位于強反射 和強輻射環(huán)境中，但它經(jīng)常受到客觀條件限制），主要從提高接收機抗干擾質(zhì)量和改進數(shù) 據(jù)后處理軟件算法兩個方向展開。在接收機硬件改進方面主要有特殊天線法、窄相關(guān)技 術(shù)、多路徑削減技術(shù)MET (Multipath Elimination Technology)和多徑信號延遲鎖相環(huán) MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等技術(shù)，基于接收機硬件和信號處理的改 進對抑制多路徑誤差已展現(xiàn)出一定的效益，但是目前還只能削弱部分多路徑效應(yīng)，尤其對 高度角較大的多路徑誤差敏感性較差。同時，硬件和天線的改進抬高了接收機的成本，限制 了它的實際應(yīng)用。
[0004] 目前，數(shù)據(jù)后處理技術(shù)仍是削弱多路徑效應(yīng)的一個主要途徑，如信噪比法、小波分 析法、經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥盎谛l(wèi)星星座周日重復(fù)性的恒星日濾波等。信噪比值的變化受多 方面因素的影響，不全是多路徑效應(yīng)，使最終求得的雙差觀測值權(quán)陣發(fā)生偏差。小波分析、 經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夂秃阈侨諡V波都是基于衛(wèi)星星座近恒星日重復(fù)性發(fā)展的方法（GPS衛(wèi)星運行 2周的周期約為23小時56分鐘），只是隨機觀測誤差和多路徑誤差的分離手段不同。他 們存在共同的不足，比如計算復(fù)雜、需要對時間序列進行分析來削弱多路徑誤差因此主要 適用于資料后處理等，不便實現(xiàn)多路徑效應(yīng)的實時在線解算和修正；其次，在隨機觀測誤差 和多路徑誤差的分離手段上，各自存在一些不足；更主要的，它們都不能擺脫對具體衛(wèi)星的 依賴性，因而消除的量中還可能包含了多路徑以外衛(wèi)星本身具有近周日重復(fù)性的系統(tǒng)誤差 (比如once per rev系統(tǒng)誤差）。
[0005] 因此，為了克服上述缺陷，本發(fā)明提出了消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法及 多路徑半天球模型


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法，包括如下步驟：
[0007] 建立多路徑半天球模型：根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中衛(wèi)星與接收機之間的相對位置 建立多路徑半天球模型，用于描述多路徑誤差；
[0008] 估計多路徑半天球模型值：基于所述多路徑半天球模型估計接收機的多路徑誤 差，估計載體參考系中不同方位角和高度角所對應(yīng)的格點的多路徑半天球模型值；
[0009] 消除多路徑誤差：實時獲取接收機的觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)所述接收機的方位角與高度 角獲取對應(yīng)的多路徑半天球模型值，利用所述多路徑半天球模型值修正所述觀測數(shù)據(jù)，消 除全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差。
[0010] 本發(fā)明提出的所述消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法中，所述多路徑半天球模 型如以下公式表示：

【權(quán)利要求】
1. 一種消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法，其特征在于，包括如下步驟： 建立多路徑半天球模型：根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中衛(wèi)星與接收機之間的相對位置建立 多路徑半天球模型，用于描述多路徑誤差； 估計多路徑半天球模型值：基于所述多路徑半天球模型估計接收機的多路徑誤差，估 計載體參考系中不同方位角和高度角所對應(yīng)的格點的多路徑半天球模型值； 消除多路徑誤差：實時獲取接收機的觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)所述接收機的方位角與高度角獲 取對應(yīng)的多路徑半天球模型值，利用所述多路徑半天球模型值修正所述觀測數(shù)據(jù)，消除全 球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差。
3. 如權(quán)利要求1所述的消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法，其特征在于，所述估計 多路徑半天球模型值的步驟包括： 獲得實際接收機的觀測數(shù)據(jù)；所述觀測數(shù)據(jù)為載波相位或偽距觀測； 設(shè)立估計參數(shù)和約束條件：所述估計參數(shù)包括幾何延遲相位與浮點載波相位模糊度， 并根據(jù)所述浮點載波相位模糊度設(shè)立約束條件； 檢測估計周跳并剔除野值； 擬合觀測值殘差，估計多路徑半天球模型； 建立載體參考系； 估計載體參考系中不同方位角與高度角對應(yīng)格點的多路徑半天球模型值。
4. 如權(quán)利要求3所述的消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法，其特征在于，擬合觀測 值殘差并估計多路徑半天球模型的步驟包括： 估計每個擬合后的觀測值殘差對應(yīng)的衛(wèi)星在天球上的位置，所述位置包括高度角和方 位角； 確定多路徑半天球模型的天球的分辨率，從而確定所述多路徑半天球模型的格點位置 及數(shù)量； 用相同的衛(wèi)星天球位置對應(yīng)的擬合后的觀測值殘差通過最小二乘估計相應(yīng)天球格點 對應(yīng)的多路徑值，所有估計的格點對應(yīng)的多路徑值構(gòu)建了所述多路徑半天球模型。
5. 如權(quán)利要求3所述的消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法，其特征在于，接收機靜 態(tài)地設(shè)置在地面上時，所述載體參考系取東向為X軸，北向為y軸；所述接收機設(shè)置在動態(tài) 載體時，所述載體參考系通常取所述動態(tài)載體的橫軸為X軸，所述動態(tài)載體的縱軸為y軸。
8. 如權(quán)利要求1所述的消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法，其特征在于，所述消除 多路徑誤差的步驟包括： 實時獲取接收機的觀測數(shù)據(jù)； 獲得所述多路徑半天球模型值； 獲得所述接收機連線矢量，將所述連線矢量轉(zhuǎn)換至所述載體參考系； 計算所述連線矢量獲得衛(wèi)星的方位角和高度角，確定所述衛(wèi)星所在的格點； 讀取所述格點的多路徑半天球模型值，修正所述觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差。
9. 如權(quán)利要求8所述的消除導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多路徑誤差的方法，其特征在于，所述連接 矢量轉(zhuǎn)換到所述載體參考系的步驟包括： 從地心直角系轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系，所述地理坐標(biāo)系的分量如下式表示：

式中，Φ8為幾何延遲對應(yīng)的相位，為除多路徑誤差之外的延遲，Λ (^為多路徑 誤差造成的載波相位畸變量。為天線測定的載波相位，Π 為多路徑的額外光程差造成 的相位量，α為多路徑信號的衰減因子，β為表示振幅畸變因子，Α表示畸變前載波信號的 振幅。
【文檔編號】G01S19/22GK104122566SQ201410310467
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】董大南, 鄭正奇, 匡磊, 陳雯, 王遠飛, 曾志, 宋樂, 周鋒, 蔡苗苗, 張千千, 夏俊晨 申請人:華東師范大學(xué)