一种基于最优固定概率的三频周跳探测与修复方法与流程

本发明涉及卫星导航系统高精度数据处理领域，特别是涉及一种三频周跳探测与修复方法。

背景技术：

载波相位观测噪声比伪距观测噪声小2个数量级，在卫星导航系统高精度数据处理领域有着广泛的应用。实际环境中，由于信号遮挡、干扰等因素影响，载波相位观测值会发生整周跳变，一般将该现象称为周跳。周跳的出现打破了载波相位连续性，在载波相位观测值应用到高精度数据处理之前，必须进行周跳探测与修复。目前，以北斗、gps为代表的卫星导航系统可以播发三频导航信号，为周跳探测与修复方法带来了信息冗余，提供了周跳固定概率。

三频周跳探测与修复方法的一般思路是选取三组线性独立的线性组合分别进行周跳探测与修复，当三个线性组合的周跳探测量固定后，再通过矩阵变换恢复各个频点的周跳值。传统方法在选取三组线性组合时，一般以长波长、低组合噪声、低电离层延迟为目标进行优选，但上述三个条件无法同时满足，因此传统方法只能给出几组相对较优的组合，三频观测数据带来的优势并未得到充分发挥。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种基于最优固定概率的三频周跳探测与修复方法，以固定概率最大为目标，优选三组线性组合，提高三频周跳探测与修复的概率。

三频周跳探测与修复方法一般需要选取三组线性独立的线性组合分别进行周跳探测与修复，当三个线性组合的周跳探测量固定后，再通过矩阵变换恢复各个频点的周跳值。传统方法在选取三组线性组合时，只能定性的以长波长、低组合噪声、低电离层延迟为目标，选取几组相对较优的组合，三频观测数据带来的优势并未得到充分发挥。本发明不再分别独立考虑长波长、低组合噪声、低电离层延迟三个条件，而是以最优固定概率为目标选择三组线性组合，使得周跳固定概率最大，充分发挥三频观测数据的优势，进行三频周跳探测与修复。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于最优固定概率的三频周跳探测与修复方法，对于卫星导航系统播发的三频导航信号，首先获取卫星导航系统三个频点的载波相位以及伪距，以最优固定概率为目标，构造卫星导航系统三组周跳探测组合以及对应的三组周跳探测组合探测量，恢复卫星导航系统三个频点各自的周跳值。

本发明中，所述卫星导航系统为能够播发三频导航信号的卫星导航系统。进一步地，卫星导航系统为北斗系统或者gps系统。对于北斗系统，三个频点分别对应其b1，b2，b3三个频点。对于gps系统，三个频点分别对应其l1，l2，l5三个频点。

本发明中，构造卫星导航系统三组周跳探测组合以及对应的三组周跳探测组合探测量，恢复卫星导航系统三个频点各自的周跳值，包括以下步骤：

1)获取卫星导航系统三个频点的载波相位以及伪距，利用公式(1)构造卫星导航系统第一组周跳探测组合：

其中，c为光速；φ1,φ2,φ3分别为三个频点以米为单位的载波相位；ρ1,ρ2,ρ3分别为三个频点以米为单位的伪距。

λi,j,k为第一组周跳探测组合波长，由公式(2)计算：

对于北斗系统，三个频率分别为f1,f2,f3的频点分别对应b1，b2，b3，对于gps系统，三个频率分别为f1,f2,f3的频点分别对应l1，l2，l5。

(i,j,k)为第一组周跳探测线性组合的载波系数，(l1,l2,l3)为第一组周跳探测线性组合的伪距系数，给定载波系数(i,j,k)后，伪距系数(l1,l2,l3)由公式(3)确定：

其中，σρ为伪距噪声标准差，取0.3m；λ1为频率为f1的频点的波长，其通过λ1＝c/f1计算；α,β为辅助参数，由公式(3)一并求出。

表1分别列出了第一组周跳探测组合固定概率从高到低排列的5组北斗系统(bds)和gps系统的载波系数和伪距系数：

表1第一组周跳探测组合

由表1可知，为满足最优固定概率，对于北斗系统和gps系统，载波系数(i,j,k)均取(0,-1,1)，伪距系数分别取表格中对应的伪距系数。

2)利用公式(4)构造卫星导航系统第一组周跳探测组合探测量：

δl1(ind)＝l1(ind)-l1(ind-1)(4)

其中，ind表示第几个历元，l1表示第一组周跳探测组合的结果，由公式(1)计算。

3)利用公式(5)构造卫星导航系统第二组周跳探测组合：

其中，(i,j,k)为第一组周跳探测组合中的载波系数，在步骤1)中已经给出，int(δl1)表示对公式(4)四舍五入取整，(m,n,t)为第二组周跳探测组合中的载波系数，λm,n,t为第二组周跳探测组合的波长，由公式(6)计算：

表2分别列出了第二组周跳探测组合固定概率最高的10组bds和gps的载波系数

表2第二组周跳探测组合

由表2可知，对bds和gps而言，上述10组组合固定概率相同，因此，截止到此处，不能确定第二组周跳探测组合的选取，上述10组载波系数都作为备选方案参与到下面介绍的第三组周跳探测组合中。

4)利用公式(7)构造卫星导航系统第二组周跳探测组合探测量：

δl2(ind)＝l2(ind)-l2(ind-1)(7)

其中，ind表示第几个历元，l2表示第二组周跳探测组合的结果，由公式(5)计算。

5)利用公式(8)构造卫星导航系统第三组周跳探测组合：

其中，(m,n,t)为第二组周跳探测组合的载波系数，取表2中的值。int(δl2)表示对公式(7)四舍五入取整。(u,v,w)为第三组周跳探测组合的载波系数。

λu,v,w为第三组周跳探测组合的波长，由公式(9)计算：

表3分别列出了固定概率最高的bds和gps的第二组和第三组载波系数：

表3第二、三组周跳探测组合

由表3可知，为满足最优固定概率，对于北斗系统，第二组组合的载波系数(m,n,t)取(1,-5,4),第三组组合的载波系数(u,v,w)取(-3,0,4)。对于gps系统，第二组组合的载波系数(m,n,t)取(1,4，-5)，第三组组合的载波系数(u,v,w)取(-3,2,2)。

6)利用公式(10)构造卫星导航系统第三组周跳探测组合探测量：

δδl3(ind)＝[l3(ind)-l3(ind-1)]-[l3(ind-1)-l3(ind-2)](10)

其中，ind表示第几个历元，l3表示第三组周跳探测组合的结果，由公式(8)计算。

7)恢复卫星导航系统三个频点各自的周跳值

对于北斗系统，利用公式(11)恢复北斗系统三个频点各自的周跳值：

对于gps系统，利用公式(12)恢复gps系统三个频点各自的周跳值：

其中，(δn1,δn2,δn3)为三个频点上各自的周跳值，(int(δl1),int(δl2),int(δδl3))为对公式(4)、(7)、(10)分别四舍五入取整的结果。

本发明相比以往技术方法，具有以下明显优点：

1、本发明不再分别独立考虑长波长、低组合噪声、低电离层延迟这三个约束，而是将这三个约束转换为固定概率，以固定概率最大为目标，进行线性组合优选，使得三频周跳探测与修复概率最大；

2、本发明在构造第三个组合探测量时，采用了二次历元差分的方法，消弱了电离层延迟的影响，使得本发明在电离层活跃场景下仍然可以以较高概率进行周跳探测与修复。

附图说明

图1是本发明三频周跳探测与修复方法框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参照图1，本发明一种基于最优固定概率的三频周跳探测与修复方法，对于卫星导航系统播发的三频导航信号，首先获取卫星导航系统三个频点的载波相位以及伪距，以最优固定概率为目标，构造卫星导航系统三组周跳探测组合以及对应的三组周跳探测组合探测量，恢复卫星导航系统三个频点各自的周跳值。

实施例1：

本实施例中：卫星导航系统为北斗系统。对于北斗系统，三个频率分别为f1,f2,f3的频点分别对应b1，b2，b3。采用本发明所提供的方法，构造北斗系统三组周跳探测组合以及对应的三组周跳探测组合探测量，恢复北斗系统三个频点各自的周跳值，包括以下步骤：

(1)给定第一组周跳探测组合中的载波系数(i,j,k)，(i,j,k)均取(0,-1,1)。利用公式(1)构造第一组周跳探测组合：

其中，c为光速；φ1,φ2,φ3分别为三个频点以米为单位的载波相位；ρ1,ρ2,ρ3分别为三个频点以米为单位的伪距；

λi,j,k为第一组周跳探测组合波长，由公式(2)计算：

(i,j,k)为第一组周跳探测线性组合的载波系数，(l1,l2,l3)为第一组周跳探测线性组合的伪距系数，给定载波系数(i,j,k)后，伪距系数(l1,l2,l3)取(-0.0646，0.2771，0.7874)。

(2)利用公式(4)构造第一组周跳探测组合探测量：

δl1(ind)＝l1(ind)-l1(ind-1)(4)

其中，ind表示第几个历元，l1表示第一组周跳探测组合的结果，由公式(1)计算得到。

(3)给定第二组周跳探测组合中的载波系数(m,n,t)，(m,n,t)取(1,-5,4)。利用公式(5)构造第二组周跳探测组合：

其中，int(δl1)表示对公式(4)四舍五入取整；(m,n,t)为第二组周跳探测组合中的载波系数；λm,n,t为第二组周跳探测组合的波长，由公式(6)计算：

(4)利用公式(7)构造第二组周跳探测组合探测量：

δl2(ind)＝l2(ind)-l2(ind-1)(7)

其中，ind表示第几个历元，l2表示第二组周跳探测组合的结果，由公式(5)计算；

(5)给定第三组周跳探测组合中的载波系数(u,v,w)，(u,v,w)取(-3,0,4)。利用公式(8)构造第三组周跳探测组合：

其中，int(δl2)表示对公式(7)四舍五入取整，(u,v,w)为第三组周跳探测组合的载波系数，λu,v,w为第三组周跳探测组合的波长，由公式(9)计算：

(6)利用公式(10)构造第三组周跳探测组合探测量：

δδl3(ind)＝[l3(ind)-l3(ind-1)]-[l3(ind-1)-l3(ind-2)](10)

其中，ind表示第几个历元，l3表示第三组周跳探测组合的结果，由公式(8)计算。

(7)利用公式(11)恢复北斗系统三个频点各自的周跳值：

其中，(δn1,δn2,δn3)为三个频点上各自的周跳值，(int(δl1),int(δl2),int(δδl3))为对公式(4)、(7)、(10)分别四舍五入取整的结果。

实施例2：

本实施例中：卫星导航系统为gps系统。对于gps系统，三个频率分别为f1,f2,f3的频点分别对应l1，l2，l5。采用本发明所提供的方法，构造gps系统三组周跳探测组合以及对应的三组周跳探测组合探测量，恢复gps系统三个频点各自的周跳值，包括以下步骤：

(1)给定第一组周跳探测组合中的载波系数(i,j,k)，(i,j,k)均取(0,-1,1)。利用公式(1)构造第一组周跳探测组合：

其中，c为光速；φ1,φ2,φ3分别为三个频点以米为单位的载波相位；ρ1,ρ2,ρ3分别为三个频点以米为单位的伪距；

λi,j,k为第一组周跳探测组合波长，由公式(2)计算：

(i,j,k)为第一组周跳探测线性组合的载波系数，(l1,l2,l3)为第一组周跳探测线性组合的伪距系数，给定载波系数(i,j,k)后，伪距系数(l1,l2,l3)取(0.0631，0.1683，0.7685)。

(2)利用公式(4)构造第一组周跳探测组合探测量：

δl1(ind)＝l1(ind)-l1(ind-1)(4)

其中，ind表示第几个历元，l1表示第一组周跳探测组合的结果，由公式(1)计算得到；

(3)第二组周跳探测组合中的载波系数(m,n,t)取(1,4,-5)，利用公式(5)构造第二组周跳探测组合：

其中，int(δl1)表示对公式(4)四舍五入取整；(m,n,t)为第二组周跳探测组合中的载波系数；λm,n,t为第二组周跳探测组合的波长，由公式(6)计算：

(4)利用公式(7)构造第二组周跳探测组合探测量：

δl2(ind)＝l2(ind)-l2(ind-1)(7)

其中，ind表示第几个历元，l2表示第二组周跳探测组合的结果，由公式(5)计算；

(5)第三组周跳探测组合中的载波系数(u,v,w)取(-3,2,2)，利用公式(8)构造第三组周跳探测组合：

其中，int(δl2)表示对公式(7)四舍五入取整，(u,v,w)为第三组周跳探测组合的载波系数，λu,v,w为第三组周跳探测组合的波长，由公式(9)计算：

(6)利用公式(10)构造第三组周跳探测组合探测量：

δδl3(ind)＝[l3(ind)-l3(ind-1)]-[l3(ind-1)-l3(ind-2)](10)

其中，ind表示第几个历元，l3表示第三组周跳探测组合的结果，由公式(8)计算。

(7)利用公式(12)恢复gps系统三个频点各自的周跳值：

其中，(δn1,δn2,δn3)为三个频点上各自的周跳值，(int(δl1),int(δl2),int(δδl3))为对公式(4)、(7)、(10)分别四舍五入取整的结果。

本发明以固定概率最大为目标，优选三组线性组合，提高了三频周跳探测与修复的概率。现有方法中，一般分别独立考虑长波长、低组合噪声、低电离层延迟三个条件，由于三个条件无法同时满足，因此现有方法主要是定性的优选几组线性组合进行周跳探测与修复，周跳固定概率不高。本发明不再分别独立考虑这三个约束，而是将这三个约束转换为固定概率，以固定概率最大为目标，进行线性组合优选，使得三频周跳探测与修复概率最大，对充分发挥三频观测数据优势最终提高定位精度有重大意义。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变形也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。