一种卫星导航相对定位装置及其载波相位周跳修复方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种卫星导航相对定位装置及其载波相位周跳的修复方法，属于卫星 导航载波相位高精度相对定位领域。
【背景技术】
[0002] 卫星导航的发展趋势表明，动态定位将比静态定位具有更加广阔的应用天地。高 精度卫星导航动态相对定位采用载波相位测量技术，在进行连续的载波相位测量过程中， 由于接收机发生失锁或信号被遮挡而使载波相位观测值的整周数突然发生跳跃，该载波周 跳必将破坏载波连续性的规律，使观测值产生一种系统性的粗差，使得定位精度降低。周跳 的探测与修复从本质上讲就是如何从载波相位观测值的时间序列中寻找可能存在的这种 系统性的粗差并加以改正。
[0003] 国内外学者提出了许多针对不同情况和不同精度的周跳探测和修复方法。目前常 用的方法主要有高次差法、多项式拟合法、相位减伪距法、电离层残差法、宽巷相位减窄巷 伪距法、小波变换法、卡尔曼滤波法等，但每个方法都存在不同的缺陷。例如，高次差法主要 用于较大周跳的探测和修复；而多项式拟合法随着时间序列的递增，误差累积将使拟合值 与实际观测值之差越来越大，导致无法进行周跳探测和修复等。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对相对定位中的双频载波相位周跳 进行联合探测和修复的方法，在卫星信号失锁或被遮挡而使载波相位发生周跳的情况下， 能够实时地检测和修复周跳和标记出野值，同时确定周跳发生的频率，实现高精度相对定 位，保证了系统的可用性。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种载波相位差分相对定位装置， 包括基准站和移动站，基准站上的卫导天线接收导航信号，通过卫星导航接收机进行捕获 跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观 测量，通过数据收发设备发送给移动站；移动站通过数据收发设备接收基准站的发送数据， 输出至综合信息处理模块，移动站上的卫导天线接收导航信号，通过卫星导航接收机进行 捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历 和观测量，综合信息处理模块将基准站和移动站的输出数据进行粗差处理，完成载波相位 的周跳检测和修复，通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并 输出相对定位信息。
[0006] 本发明还提供上述载波相位差分相对定位装置的周跳探测和修复方法，包括以下 步骤：
[0007] (1)卫导接收机接收卫星导航数据，包括时间、卫星号、伪距信息、载波相位信息和 卫星星历；基准站将卫星导航数据送入数据收发设备，移动站将卫星导航数据直接送入综 合信息处理模块；
[0008] (2)基准站的数据收发设备将卫星导航数据按照RTCM格式发送给移动站，移动站 的数据收发设备将卫星导航数据接收后送入综合信息处理模块；
[0009] (3)使用伪距和载波组合法检测基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数 据，判断每个频点上是否有周跳，如果存在周跳，采用前后历元的伪距变化率和载波变化量 进行周跳修复，然后进入步骤（4);若不存在周跳，直接进入步骤（4);
[0010] (4)使用电离层残差法检测基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数据，判 断每个频点上是否有周跳，如果存在周跳，采用前后历元的伪距变化率和载波变化量进行 周跳修复，进入步骤（5);若不存在周跳，直接进入步骤（5);
[0011] (5)将基准站的卫星导航数据和移动站的卫星导航数据做双差，组成双差方程； 采用最小二乘法，对双差方程进行求解，解算出模糊度的浮点解；
[0012] (6)利用LAMBDA方法搜索模糊度的固定解，判断模糊度固定解的解算是否成功。
[0013] 本发明的有益效果是：能够实时高精度地测量分别装有基准站和移动站的两个载 体间的相对位置和速度信息，位置精度达到厘米级。由于发送数据采用RTCM格式，对数据 链路的资源需求小，可以有效提高数据发送的频率。本发明提供的相对定位装置及其周跳 修复方法能够有效地由于飞机着陆、着舰和编队飞行，提供可靠有效地保障。
【附图说明】
[0014] 图1是相对定位装置组成框图；
[0015] 图2是装置的实现流程图；
[0016] 图3是周跳检测和修复实现框图；
[0017] 图4是伪距、载波法周跳检测结果；
[0018] 图5是电离层残差法周跳检测结果；
[0019] 图6是无周跳时的周跳检测结果。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0021] 本发明主要包括以下几方面的内容：
[0022] (一）载波相位差分相对定位装置
[0023] 高精度卫星导航相对定位采用载波相位测量技术，相对定位装置由基准站和移动 站组成。基准站将卫星导航原始观测数据实时传送到移动站，由一个卫导天线、一台卫星导 航接收机以及一台数据收发设备组成；移动站接收基准站的发送数据并进行数据的粗差处 理、周跳检测和修复、载波相位双差和整周模糊度的求解等运算，由一个卫导天线、一台卫 星导航接收机、一台数据收发设备以及综合信息处理模块组成。基准站和移动站的卫星导 航原始观测数据采用相同时间的历元的原始观测量做双差，构建载波相位双差观测方程， 实现整周模糊度的求解。通过载波相位双差可削弱甚至消除轨道误差、钟差、大气误差等误 差影响，进行实时数据处理，从而实时确定基准站和移动站的相对位置和速度。
[0024] 卫导天线：接收导航信号。采用抗干扰天线，提高抗干扰能力，增大信噪比。
[0025] 卫星导航接收机：对接收到的信号进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对 导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量。
[0026] 综合信息处理模块：将基准站和移动站解析出的原始观测数据进行粗差处理、完 成载波相位的周跳检测和修复，保证观测数据的有效性和可靠性；通过载波相位双差处理 建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息，。
[0027] 数据收发设备：基准站的数据收发设备将基准站接收机的输出观测量按照载波相 位双差的数据格式（RTCM)，通过数据收发设备发送给移动站，移动站的数据收发设备接收 基准站的原始观测信息并与本站的卫导原始观测量做双差，削弱甚至消除电离层误差、对 流层误差、接收机钟差和卫星钟差等误差影响。
[0028] 相对位置显示单元：移动站中的综合信息处理模块将解算出基准站和移动站的相 对位置信息，并送到显示单元进行显示。
[0029] (二）周跳探测和修复方法
[0030] 在利用卫星信号载波相位进行相对定位时，为了获得高精度，必须对原始观测数 据的载波相位进行处理，消除数据中的周跳，因此，探测和修复周跳是卫星导航数据处理环 节中的一个关键问题。
[0031] 卫星信号载波相位的周跳分为大周跳和小周跳，必须检测出所有的周跳并加以修 复，才能有效地保证高精度定位的精度。
[0032] 伪距和载波相位信息的组合方法是利用在不同频点中，相同时间历元的的载波相 位观测值对流层误差、多径影响、接收机和卫星钟差对其影响是一致的，因此不同频点载波 相位观测值与伪距的组合观测量间相减不仅消除了电离层延迟，还消除了电离层、对流层 以及卫星钟差与接收机钟差。这种方法适合检测较大的周跳。
[0033] 电离层残差是利用在同一历元的双频载波相位观测值中，观测量受到对流层误 差、接收机和卫星钟差的影响基本一致。当采样间隔较短时，电离层残差的相关性较大，相 邻的载波相位观测值间作差，可以有效地减弱以上误差的影响。这种方法适合检测较小的 周跳。
[0034] 为了有效地提高相对定位的精度，必须消除全部周跳。因此，将