一种gnss载波相位整周模糊度单历元解算方法_2

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c)表示中轨卫星 MEO;
[0052] 图3至图5是本发明实施例中,将采用最小二乘法以及抗差估计最小二乘法两种 方法固定的模糊度,反求的坐标估计值与准确值比较在N、E、U三个方向上偏差情况,其中 图3为N方向偏差情况,图4为E方向偏差情况,图5为U方向偏差情况,各图中(a)为最 小二乘法,(b)为抗差估计最小二乘法。
【具体实施方式】
[0053] 以下将结合附图,对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
[0054] 如图1所示,本发明提供一种GNSS载波相位整周模糊度单历元解算方法,不同于 模糊度常规整体解算法,包括如下步骤:
[0055] (1)利用北斗卫星导航系统中三频观测数据构建最优组合观测量,依次单历元固 定超宽巷/宽巷及基础载波模糊度;具体包括如下内容:
[0056] 11)组合观测量基本方程
[0057] 假设北斗三个载波频率依次为f\、f2、f3,通过各频率观测量线性组合,可获得双差 载波相位组合观测量VA气m及双差伪距组合观测量
[0060] 式中,组合系数i、j、k为任意整数,m、n、1为任意实数;VA为卫星间、接收机间差 分算子;P为接收机与卫星几何距离;T为信号传播路径上的对流层延迟;K= 40. 28TEC,TEC为信号传播路径上的总电子含量;13 (1^k)、人(1,分别为组合观测量对应的 电离层延迟因子、波长及载波相位整周模糊度;^分别为载波、伪距观测噪声。 [0061] 12)超宽巷模糊度固定
[0062] 基于上述组合观测量基本表达式,构造两个组合:①i= 0,j= 1,k=-I;m= 0,n= 1,I=-I;②i= 1,j= 4,k= -5;m= 1,n= 0,I= 0。在短距离条件下,忽略双
及观测噪声的影响,可解各北斗卫星两个超宽巷模糊度 ▽从叫,,VAiVa 4,-5>);
[0065] 其中,□代表四舍五入算子。由于超宽巷观测量波长长,对解算的模糊度浮点解 直接采用四舍五入取整法,能够单历元获取成功率很高的各卫星两个超宽巷模糊度。
[0066] 宽巷模糊度的固定方法与超宽巷模糊度的固定方法相同,在此不再赘述。
[0067] 13)基础载波模糊度固定
[0068] 在超宽巷/宽巷模糊度准确固定的基础上,虽然联合已求的观测量或 ▽%1>4>_s)(或宽巷模糊度观测量,下同)与基础载波观测量即可求解基础载波 模糊度¥2瑪1:_:,但是这两种组合观测量均放大了观测噪声及电离层残余误差的影响,由 于基础载波观测量对应波长短,因此严重影响模糊度求解精度。通过实验对比分析,本发明 最终选择组合观测量,该观测量与基础载波观测量联合求解的 误差较小,同时与上述两组超宽巷组合观测量线性相关,即该组合观测量对应模糊度可通 过线性变换+VAA^4A间接求得。因此,联合观测量
[0070] 忽略电离层及观测噪声影响,即可获得基础载波模糊度:
[0072] 该模糊度受观测噪声及电离层残差影响小,采用单历元四舍五入取整法,即可获 得成功率非常高的模糊度固定解。
[0073] (2)优选已固定模糊度可靠性较高的北斗卫星,反演大气延迟信息,并将其作为先 验信息对GPS/GL0NASS无电离层组合模糊度解算模型增强,降低天顶对流层参数与模糊度 参数之间的相关性,减弱模型病态性;具体内容是:
[0074] 21)GPS/GL0NASS模糊度解算基础模型
[0075] 双频模糊度解算中通常采用无电离层组合模型:
[0077] 式中Aw= 86. 2cm、AN= 10. 7cm分别为宽巷及窄巷组合观测量对应波长,VA4. 为无电离层组合观测量,为宽巷组合模糊度,VZW1为基础载波观测量对应模糊度, 式(7)写成误差方程为:
[0078] V=AX-L (8)
[0079] 式中,V为观测量残差,
与接收机距离近似值,待估参数X包括三维坐标改正数、天顶对流层延迟参数以及各卫星 整周模糊度,A为对应系数矩阵。
[0080] 22)基于北斗三频约束的GPS/GL0NASS模糊度抗差解算模型
[0081] 在步骤(1)中解算所有北斗卫星模糊度的基础上,优选模糊度可靠性高(浮点解 与四舍五入整数解的差值在±0. 2周)的卫星,约束辅助GPS/GL0NASS卫星模糊度解算。 这里将BDS、GPS及GLONASS卫星的模糊度分为两类,一类是已经固定的北斗三频模糊度 VM,另一类为较难固定的GPS/GL0NASS双频模糊度,则误差方程(8)可以变换为:
[0083] 其中,V2分别为上述两类卫星观测量残差,待估参数X'包括三维坐标改正 数、天顶对流层延迟参数,^及CpC2分别为两类卫星观测量中待估参数X'及模糊度 ▽A^、:VAA^对应的系数矩阵,Ll、L2为可求常数项,表达式同式⑶中L。将式(9)简化 为:
[0086] 令观测量权阵为P,则根据最小二乘原理,方程(10)的解可表示为:
[0088] 其中,4表示Ak的转置矩阵,表示的逆矩阵。
[0089] (3)引入抗差估计理论,通过选权迭代抵制模型偏差或异常值的影响,实现GPS/ GLONASS双频导航系统中模糊度单历元准确解算。
[0090] 由于各系统中难免存在粗差观测量等误差因素,这些都将影响最终的模糊度解算 结果,为保证模糊度解算的可靠性,本发明引入抗差估计理论,在求参数估值的同时,通过 选权迭代抵制模型偏差或异常值的影响。构造等价权阵F,本发明选用IGG权函数
[0092] 式中,kQG [1.0~ULk1G [3.0~8. 0],p p VAv别表示各观测量对应的残差 及权系数。根据抗差M估计理论,待估参数的抗差M估值;^为:
[0094]由于采用抗差估计,所得的估值中模糊度解算结果VAM排除了模型偏差或异 常值的影响,通过四舍五入取整法可获得高可靠性的整数解。
[0095] 式(13)的解算一般采用迭代法,即第t+1步迭代解为
[0097] 其中,上标t或t+1表示第t或第t+1步对应的取值。
[0098] 在此模型中,能提高较难固定模糊度固定速度的原因在于误差方程组(式9)中已 经固定模糊度的北斗卫星对应方程与待估计GPS/GL0NASS模糊度无关,且能够对其他待估 参数(三维坐标改正数、天顶对流层延迟参数)进行约束,改善了方程的病态性;同时通过 选权迭代抵制模型偏差或异常值的影响,提高了方程解的可靠性,可以实现短基线下GPS/ GL0NASS/BDS多系统模糊度单历元准确解算。
[0099] 需要说明的是,尽管以上内容针对的是北斗BDS,但在具体实施时,可同样应用于 GPS/GL0NASS卫星系统,不以本实施例为限。
[0100] 根据以上技术方案,选取了GPS/GLONASS/BDS真实的观测数据验证本发明的可靠 性。实验中将两接收机安置于准确坐标已知的站点上,两站点相距9. 47m,连续观测一天时 间(2014. 03. 1600:00:00 --2014. 03. 1623:59:30),采样率 30 秒,共计 2880 个历元。以 下将采用本发明方法单历元解算各卫星系统载波相位整周模糊度。
[0101] 1.北斗系统三频模糊度固定
[0102] 根据三频最优组合,求解模糊度误差较小的两个超宽巷线性组合模糊度 ▽AiV(w,_n,VAiVa4^51,在此基础上,由线性组合获得观测噪声、电离层误差影响较小的最 优组合模糊度,将该组合观测量与基础载波观测量联合求解 1A。,模糊度浮点解fIoatNl,最后米用四舍五入取整方法获得模糊度整数解intNl= Rount(floatNl)。通常,模糊度浮点解越接近整数值,采用四舍五入方法获得准确模糊度的 成功率越高。图2为北斗系统中三种类型卫星(静止轨道卫星GE0、倾斜轨道卫星IGSO以 及中轨卫星ME0)每个历元浮点解floatNl与整数解intNl的差值df分布情况。
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