一种基于GNSS三频载波相位的周跳检测与修复方法与流程

本发明属于全球卫星导航系统(gnss)高精度定位领域。在高精度定位中，载波周数的正确计数是定位精度的保证。然而由于信号遮挡、低信噪比或接收机故障等原因，载波整周计数会出现跳变，称为周跳。周跳会导致厘米甚至分米级的定位误差，严重影响高精度定位结果。因此在数据预处理阶段需要检测并修复载波相位观测量中的周跳。

背景技术：

随着社会的发展，许多应用，例如远洋编队航行、舰载飞机着舰(或登陆海上作业平台)、编队飞行、空中加油等，对定位精度的要求越来越高，有时可达分米甚至厘米级。在如此高精度的定位中，测量精度可达毫米级的载波相位测量值成为必要前提，而传统的精度只有1m左右的码相位观测量则不再适用。

载波相位测量中连续的整周部分由接收机内部计数器得到。当信号发生遮挡、信噪比低或接收机故障时，都有可能引起整周记数部分的突变，称为周跳。对于波长十几到几十厘米的载波，即使是一周的跳变对厘米级定位的结果也会造成严重影响。因此，在数据预处理阶段必须对载波相位观测量进行周跳检测，并将其修复。

传统的周跳检测方法，例如高次差法的周跳探测能力随采样率的减小而下降，不能将1-2周的周跳与误差有效的区分；电离层残差法由双频载波相位观测量进行线性组合，当电离层延迟较大时，双频组合的周跳难以与误差区分，且无法分离两个频率上的周跳。

近年来，越来越多的定位系统开始发射三频信号，三频载波相位观测量可以提供更多组合观测值和更长的组合波长，更有利于周跳的检测与修复。因此，有必要提出一种基于gnss三频载波相位的周跳探测与修复方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种快速准确简便的检测和修复周跳的方法。利用gnss三频载波相位的线性组合先检测出组合周跳，再利用线性方程组求出原始载波上的周跳，在基本保证正确率的前提下，极大减少了运算量，成功实现快速准确的探测和修复周跳。

本发明提出的基于gnss三频载波相位的周跳检测与修复方法，适用于gps、北斗等导航系统。首先将三频的载波相位观测量按照频率由大到小依次排列，选择频率间隔最大且组合波长较长的前三位分别组成超宽巷、宽巷和窄巷组合，并结合相应频点上的伪码组成几何无关观测方程式，从而求出相应的组合整周模糊度，继而可以判断是否有周跳发生并确定周跳值，主要内容包含以下几个方面：

1.伪距和载波相位观测方程式

接收机通过跟踪卫星信号，得到伪码和载波相位观测量；通过读取接收到的星历文件，推算卫星位置和各项误差矫正量。之后，根据如下伪码和载波相位观测方程式，可以解算出接收机的位置和钟差：

pm＝ρ+β1mδi1+εpm(1)

φm＝ρ-β1mδi1-λmnm+εφm(2)

其中，下标m代表gnss系统的频率fm；pm和φm分别代表fm频率上的原始伪码和载波相位观测量,单位为米,；ρ表示卫星和接收机之间与几何相关且不随频率改变而变化的参数，包括距离参数、对流层延迟以及卫星和接收机的时钟误差和硬件误差，称为几何参数；δi1代表频率f1上的电离层延迟，代表频率fm和f1上的电离层延迟的比例系数，称为电离层比例因子。λm代表频率为fm的载波的波长，nm代表载波相位的整周模糊度，εpm和εφm分别代表伪码和载波相位观测量中的随机噪声和多径误差。

2.三频伪码和载波相位观测量的线性组合

三频线性组合的观测方程式一般表示为：

其中，i，j和k分别表示三个频点上的观测值在组合中的组合系数，式中其余符号与式(1)和式(2)中含义相同。下标(i,j,k)表示用系数i，j和k组合后的组合参数。由(4)可推导出组合后的整周模糊度n(i,j,k)为：

n(i,j,k)＝i·n1+j·n2+k·n3(5)

为了保留组合整周模糊度n(i,j,k)的整数特性，i，j和k也必须为整数。

3.基于gnss三频载波相位的周跳检测与修复方法

本发明提出的周跳检测与修复方法，具体分为如下7步：

步骤s1：接收机通过跟踪卫星，得出当前历元的三频伪码和载波相位观测量，若此卫星的观测量在此历元第一次出现，则不用进行周跳检测，否则继续读出上一历元此卫星的三频伪码和载波相位观测量。通过读取接收到的星历文件，推算卫星位置和各项误差矫正量。

步骤s2：将此卫星发射的三频信号的频率从大到小依次排列，并分别表示为f1,f2和f3。

步骤s3：从卫星的三个观测量中选出频率间隔最大的两个，将这两个频率上的伪码组成窄巷组合，即这两个频率上的伪码观测量系数分别为1和1，相应的第三个频率的组合系数为0。同时，将相应的载波相位观测量组成超宽巷组合，即这两个频率上观测量的组合系数分别为1和-1，相应的第三个频率的组合系数为0。

步骤s4：用窄巷伪码组合减去超宽巷载波相位组合，消去几何相关误差和电离层误差，求得超宽巷整周模糊度：

其中，newl表示超宽巷整周模糊度，pnl和φewl分别表示伪码窄巷组合和载波相位观测量超宽巷组合；βnl和βewl分别表示窄巷和超宽巷组合的电离层比例因子，δi1表示频率f1上信号的电离层误差，λewl表示载波相位观测量超宽巷组合的组合波长；由于相邻历元观测量误差的稳定性很高，可以视为恒定，因此将相邻历元的整周模糊度相减，可以消去随机误差，所得历元差残余量只与周跳相关：

其中，δ表示相邻历元间的差值；若残余量大于0.5周，则认为有周跳发生。对此残余量就近取整可得周跳值的大小。将求出的周跳值反代回超宽巷载波相位组合观测量之中，将周跳修复。

步骤s5：从三个频点中选出频率相差次最大的两个频率，将这两个频率上的载波相位观测量组成宽巷组合，即这两个频率上观测量的组合系数设置为1和-1，相应的第三个频率的组合系数为0。用修复后的超宽巷组合减去宽巷组合，求得宽巷整周模糊度：

其中，nwl表示宽巷整周模糊度，φwl表示载波相位观测量宽巷组合；βwl表示宽巷组合的电离层比例因子，λwl表示载波相位观测量宽巷组合的组合波长；将相邻历元的整周模糊度相减，消去随机误差，得到的历元差残余量只与周跳相关：

若残余量大于0.5周，则认为有周跳发生。对此残余量就近取整可得周跳值的大小。将求出的周跳值反代回宽巷载波相位组合观测量之中，将周跳修复。

步骤s6：从三个频点中选出频率相差次次最大的两个频率，将这两个频率上的载波相位观测量组成窄巷组合，综合考虑组合波长、组合噪声系数、组合电离层比例因子等参数，将这两个频率上的组合系数设置为4和-5，相应的第三个频率的组合系数为0。用修复的宽巷组合减去窄巷组合，求得窄巷整周模糊度。将相邻历元的整周模糊度相减，消去随机误差，得到的历元差残余量只与周跳相关：

其中，nnl表示窄巷整周模糊度，φnl表示载波相位观测量窄巷组合；βnl表示窄巷组合的电离层比例因子，λnl载波相位观测量窄巷组合的组合波长；若残余量大于0.5周，则认为有周跳发生。对此残余量就近取整可得周跳值的大小。

步骤s7：步骤s4、s5、s6中求得的组合周跳与原始周跳的关系式之间相互线性独立，因此可以利用此三元一次方程组唯一的求出各频点上的原始周跳。将求出的周跳值反代回各原始载波相位观测量之中，可以将周跳修复，得到高精度的载波相位观测量。

附图说明

图1显示了本发明周跳的检测和修复方法流程图；

图2显示了无周跳时三频载波相位组合观测量的组合整周模糊度相邻历元间的残差量；

图3显示了本发明的周跳检测方法对小周跳的检测结果；

图4显示了本发明的周跳检测方法对连续周跳和大周跳的检测结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1显示了本发明周跳的检测和修复方法流程图。

如图1所示，本发明提供了一种基于gnss三频载波相位的周跳检测与修复方法，按照本发明步骤1到步骤7，可以依次求出超宽巷、宽巷和窄巷组合测量值的周跳，最后求出三频载波相位观测量中的原始周跳，并将其修复。

图2显示了无周跳时三频载波相位组合观测量的组合整周模糊度相邻历元间的残差量。

如图2所示，本发明选取gps卫星(编号为g27)的三频观测量进行组合，其中图2.1中δnewl、图2.2中δnwl和图2.3中δnnl横坐标代表历元序列，采样间隔为30s，纵坐标分别代表超宽巷、宽巷和窄巷组合观测量相邻历元间整周模糊度的差值。图2表明，无周跳时，相邻历元间残差量只包含随机噪声，且幅值不超过0.5周，因此当检测门限设置为0.5周时，组合观测值中包含的随机噪声不会干扰对周跳的探测。

图3显示了本发明的周跳检测方法对小周跳的检测结果。

如图3所示，用本发明的周跳检测方法对小周跳进行探测。由于原始观测数据中没有周跳，因此我们分别在三个频率的原始载波相位观测值中人为的添加周跳。为了验证本发明提出的方法对小周跳的探测能力，分别在三频载波相位观测量的第70、140、210和280个历元加入(1,1,0)，(1,0,1)，(0,1,1)和(1,1,1)四组周跳组合。其中，(1,1,0)表示分别在三个原始观测值上添加1周、1周和0周的周跳，其余组合含义类似。图3.1、3.2和3.3中横坐标代表历元序列，采样间隔为30s，纵坐标分别代表超宽巷、宽巷和窄巷组合观测量相邻历元间整周模糊度的差值，即周跳值。每一个组合的周跳探测结果都与理论的组合周跳值相吻合，证明此方法能有效探测小到只有一周的周跳。

图4显示了本发明的周跳检测方法对连续周跳和大周跳的检测结果。

如图4所示，用本发明的周跳检测方法对连续周跳和大周跳进行探测。我们在g27的原始载波相位观测值中人为的添加周跳。在历元70和71分别加上(2,0,3)和(1,4,0)的周跳组合，代表连续周跳。在历元140和210分别加上(1,0,0)和(0,1,0)的周跳组合。在历元280加上(5,2,3)的周跳组合，代表大周跳。图4.1、4.2和4.3中横坐标代表历元序列，采样间隔为30s，纵坐标分别代表超宽巷、宽巷和窄巷组合观测量相邻历元间整周模糊度的差值，即周跳值。每一个组合的周跳探测结果都与理论的组合周跳值相吻合，证明此方法探测连续和大周跳的实时性和准确性。

步骤s1：接收机通过跟踪卫星，得出当前历元的三频伪码和载波相位观测量，若此卫星的观测量在此历元第一次出现，则不用进行周跳检测，否则继续读出上一历元此卫星的三频伪码和载波相位观测量。通过读取接收到的星历文件，推算卫星位置和各项误差矫正量。

步骤s2：将此卫星发射的三频信号的频率从大到小依次排列，并分别表示为f1,f2和f3。

步骤s3：从卫星的三个观测量中选出频率间隔最大的两个，将这两个频率上的伪码组成窄巷组合，即这两个频率上的伪码观测量系数分别为1和1，相应的第三个频率的组合系数为0。同时，将相应的载波相位观测量组成超宽巷组合，即这两个频率上观测量的组合系数分别为1和-1，相应的第三个频率的组合系数为0。以gps的三频信号为例，分别有f1＝1,57542mhz，f2＝1,227.60mhz和f3＝1,176.45mhz，则伪码窄巷组合和载波相位宽巷组合系数分别为(i＝0,j＝1,k＝1)和(i＝0,j＝1,k＝-1)。

步骤s4：用窄巷伪码组合减去超宽巷载波相位组合，消去几何相关误差和电离层误差，求得超宽巷整周模糊度：

由于相邻历元间观测量误差的稳定性很高，可以视为恒定，因此将相邻历元的整周模糊度相减，可以消去随机误差，所得历元差残余量只与周跳相关：

若残余量大于0.5周，则认为有周跳发生。对此残余量就近取整可得周跳值的大小。将求出的周跳值反代回超宽巷载波相位组合观测量之中，将周跳修复。

步骤s5：从三个频点中选出频率相差次最大的两个频率，将这两个频率上的载波相位观测量组成宽巷组合，即这两个频率上观测量的组合系数设置为1和-1，相应的第三个频率的组合系数为0。同样，以gps为例，载波相位观测量宽巷组合系数为(i＝1,j＝-1,k＝0)。用修复的超宽巷组合减去宽巷组合，求得宽巷整周模糊度：

将相邻历元的整周模糊度相减，消去随机误差，得到的历元差残余量只与周跳相关：

若残余量大于0.5周，则认为有周跳发生。对此残余量就近取整可得周跳值的大小。将求出的周跳值反代回宽巷载波相位组合观测量之中，将周跳修复。

步骤s6：从三个频点中选出频率相差次次最大的两个频率，将这两个频率上的载波相位观测量组成窄巷组合，综合考虑组合波长、组合噪声系数、组合电离层比例因子等参数，将这两个频率上的组合系数设置为4和-5，相应的第三个频率的组合系数为0。同样，以gps为例，载波相位观测量窄巷组合系数为(i＝4,j＝-5,k＝0)。用修复的宽巷组合减去窄巷组合，求得窄巷整周模糊度。将相邻历元的整周模糊度相减，消去随机误差，得到的历元差残余量只与周跳相关：

若残余量大于0.5周，则认为有周跳发生。对此残余量就近取整可得周跳值的大小。

步骤s7：步骤s4、s5、s6中求得的组合周跳与原始周跳的关系式之间相互线性独立，因此可以利用此三元一次方程组唯一的求出各频点上的原始周跳：

将求出的周跳值反代回各原始载波相位观测量之中，可以将周跳修复，得到高精度的载波相位观测量。