北斗三频实时精密导航技术

《精密交通工程测量》课程报告北斗三频实时精密导航技术研究东南大学交通学院2015年12月目录1.研究背景与意义...................................................................................................................12.国内外主要研究动态...........................................................................................................12.1三频组合观测值...........................................................................................................12.2周跳的探测与修复.......................................................................................................22.3整周模糊度的解算.......................................................................................................23.研究设想与研究内容...........................................................................................................34.参考文献...............................................................................................................................51/111.研究背景与意义一直以来，人们谈到卫星导航系统想到的都是美国的GPS，而随着卫星导航应用的推广和发展，越来越多的航天大国意识到,建立自主研制的卫星导航系统不仅是经济建设的需要，也是国家安全和发展战略的需要。自2000年10月31日第一颗北斗导航试验卫星被送入太空以来，我国北斗卫星导航系统的建设按照“三步走”的发展战略一直在稳步进行：第一步是在2000年建成北斗卫星导航试验系统，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家；第二步是在2012年建成北斗卫星导航（区域）系统，形成覆盖亚太大部分地区的服务能力；第三步是在2020年左右，全面建成由30余颗卫星组成的北斗卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。按照第二阶段的发展，北斗卫星导航系统已经于2011年12月27日，向中国及周边地区提供无源定位、导航、授时等试运行服务。经过测试和评估，在试运行期间，北斗卫星导航系统服务覆盖区域为东经84度到160度，南纬55度到北纬55度之间的大部分区域。位置精度为：平面25米，高度30米，测速精度为0.4m/s，授时精度为50纳秒[1]。在第二阶段建设完成后，预计位置精度可达到10米，测速精度0.2m/s[2]。截至2012年2月25日，第十一颗北斗导航卫星已经于进入太空预定转移轨道。北斗卫星导航（区域）系统的卫星星座由14颗组网卫星组成，其中包括[3]：5颗地球静止同步轨道（GEO）卫星，分别位于东经58.75、80、110.5、140和160度；9颗非静止轨道（Non-GEO）卫星，其中包含了倾斜同步轨道（IGSO）卫星和中圆轨道（MEO）卫星。北斗卫星采用码分多址（CDMA）扩频通信体制，在B1，B2和B3三个频段上调制导航信号。同时还具有RDSS定位、授时、短报文通信功能。2.国内外主要研究动态北斗是首个发射三频的卫星星座系统，精密相对定位解算使用的是载波相位观测值，要获得高精度的载波相位观测值就必须进行的周跳探测和修复、整周模糊度解算，因此这三部分内容也就成了精密相对定位解算研究的重点。2.1三频组合观测值利用多频载波和伪距观测量间的误差相关性，通过形成它们之间的线性组合，2/11即各种组合观测量，可消除或减弱各种误差、消去不关注参数等对数据处理的影响。三频载波相位观测量可组成无穷多的线性组合，但在实际应用中有意义的线性组合，必须能够有利于周跳探测与修复、模糊度解算或提高定位精度。不同的基线长度，不同的应用目的、应用场合，线性组合就有可能不同。本文的主要研究内容是在分析组合观测值的误差特性的基础上，讨论了最优整系数组合观测量的选取问题，给出一些常用实系数组合观测量最优组合系数的求解方法。2.2周跳的探测与修复当受到环境或其他各种因素的影响时，接收机的载波相位跟踪环路可能发生信号失锁，整周计数会出现暂时中断。接收机重新锁定信号后，整周计数的小数部分不受跟踪中断的影响，但载波相位变化的整数部分则发生了跳变。这种现象就叫做整周跳变，简称周跳。其后的所有载波观测量均受到此整周跳变的影响。因此，在将载波相位数据用于精密测量之前，先要对数据进行预处理，对数据中的周跳进行探测和修复。常用的周跳探测方法有高次差法、电离层残差法、伪距相位组合法、多项式拟合法和多普勒积分法等。利用北斗系统的多频信号，使用多频数据伪距相位组合的方法，可以实时探测出各种跳并进行修复。在进行解算时，可以根据需要组成三组线性组合观测值对各个载波进行探测。2006年范建军基于GPS三频数据提供了一种非差组合探测周跳[4]；2010年常志巧根据方差最小原则得出了北斗系统最佳探测周跳组合为（-1，-5，6）、（4，-2，-3）、（1，4，-5）[5]，并利用该组合修复了原始频率上的小周跳和大周跳。2.3整周模糊度的解算在周跳被探测和修复后，还需要解算整周模糊度才能获得高精度的载波观测值。按照观测信息的使用方式，可将整周模糊度的解算方法分为以下几类[6]：一是基于特殊操作模式的模糊度解算技术：包括再占用法、单接收机相对定位法和交换天线法。其中交换天线法的原理是首先通过三差模型计算获得基线信息，再将已知基线信息代入双差方程计算模糊度。这种方法所需观测时间短，精度高，操作简单，在准动态相对定位中有所应用。二是基于观测域的整周模糊度搜索，这种方法的基本原理是利用伪距观测量来确定载波相位模糊度。由于伪距观测量噪声一般都远远大于载波的波长，同时3/11电离层延迟误差对伪距和载波信号的影响也不同，因此通常使用不同频率及不同类型的观测量组合来进行模糊度解算。这种方法可以实时解算模糊度，但受到伪距精度和观测环境影响较大。三是基于坐标域的整周模糊度搜索，即利用精度较高的基线初始信息来估算模糊度，固定后重新解算，从而获得精度更高的基线信息。坐标域搜索方法中比较有代表性的是模糊度函数法。这种方法对卫星信号的失锁不敏感，但对初始信息的精度要求较高。四是基于模糊度域的整周模糊度搜索，这种方法可以分为三个步骤：首先进行模糊度实数估计；然后进行模糊度搜索；最后回代基线方程重新解算获得固定解。这种方法的技术要点主要是模糊度实数估计和模糊度搜索两部分。模糊度实数估计是通过计算获得测站位置、模糊度向量实数解及其相应方差协方差阵。目前常用的模糊度实数估计方法主要有最小二乘法[7]和卡尔曼滤波法[8]。这个步骤的精度和速度对模糊度解算的影响较大。整周模糊度搜索则是模糊度解算的核心内容，它的作用在于利用获得的模糊度实数解及其方差协方差阵以模糊度残差平方和最小原则进行搜索，回代参数估计方程后得到固定解。它的求解方法和效率决定了整个模糊度解算过程的精确度和准确度，是国内外研究的重点。3.研究设想与研究内容北斗是首个播发三频信号的卫星星座系统，三频可以形成更多的组合观测量，精密相对定位解算使用的是载波相位观测值，要获得高精度的载波相位观测值就必须进行的周跳探测和修复、整周模糊度解算，因此这三部分内容也就成了精密相对定位解算研究的重点。主要的研究内容如下：（1）北斗相对定位的数学模型和组合观测量北斗数学模型包括非差观测模型，单差观测模型，双差观测模型和三差观测模型。但是在实际应用中，我们经常使用的是非差模型和双差模型。针对北斗的多频性，以及载波和伪距观测量间的误差相关性，通过形成他们的线性组合，即组合观测量，可以消弱这种误差。三频载波相位观测量可组成无穷多的线性组合，但在实际应用中有意义的线性组合，必须能够有利于周跳探测与修复、模糊度解算或提高定位精度。不同的基线长度，不同的应用目的、应用场合，线性组合就4/11有可能不同。故本文的研究内容是：1）在分析观测量误差特性的基础上，讨论了最优整系数组合观测量的选取问题；2）给出一些常用实系数组合观测量最优组合系数的求解方法；3）分析北斗精密相对定位解算的特点。（2）三频的周跳探测基本方法三频GNSS的显著优点是可以形成具有更长波长、更小电离层延迟影响、更小噪声等优良特性的组合观测量，将进一步增强周跳探测与修复能力。常用的周跳探测方法有无几何相位组合、伪距相位组合，本文的主要研究内容是无几何相位组合、伪距相位组合周跳探测与修复的方法，对三频情况下周跳实时修复能力进行了分析。（3）模糊度解算及相对定位在北斗高精度定位中，整周模糊度确定是一个关键问题。准确、快速地解算整周模糊度，无论对于保障相对定位的精度、缩短观测时间以提高作业效率以及开拓高精度动态定位应用的新领域，都非常重要。根据模糊度解算过程中是否利用卫星间的几何约束条件可以将模糊度解算方法分为几何模式模糊度解算（GBAR，GeometryBasedAmbiguityResolution）和无几何模式模糊度解算（GFAR，GeometryFreeAmbiguityResolution）（GerhardWubbena，2007）[9]，如目前应用广泛的LAMBDA（Teunissenetal.1993,1995;DeJongeandTiberius1996）[10]方法即为几何模式模糊度解算，而常用于GPS双频宽巷模糊度确定的双频P码伪距法（刘基余，2008）即为无几何模式糊度解算。此外，目前研究较多的三频模糊度解算方法也多为无几何模式模糊度解算，如TCAR（Forsselletal.1997;Vollathetal.1998）、CIR（JungJ.,1999;Hatchetal.2000）[11]等。本文的研究内容主要是三频双差观测数据的准模拟方法，然后通过实验分析了不同基线长度下基于几何模式的LAMBDA方法单历元模糊度解算的成功率，对三频CIR方法的误差影响进行的分析，最后将其与双频CIR方法进行了对比分析[12]，提出了一种无几何无电离层延迟误差影响的中长基线模糊度解算方案。相对定位解算的数据处理步骤如下：（1）首先根据星历计算卫星位置；（2）动态测量模式时需要利用伪距观测值解算流动站初始位置，静态测量模式时仅在第一次计算时需要计算；（3）分别利用流动站概略位置和基准站已知坐标根据(2.6)式计算非差残差；5/11（4）根据先验信息构建（更新）状态向量X及其方差协方差阵ΣX；（5）利用获得的非差残差根据(2.7)式组成双差残差V，并构建双差模型系数矩阵A；（6）进行模糊度估计，利用平差方法解算整周模糊度的实数解；（7）进行模糊度搜索，获得整周模糊度的整数解；（8）回代方程，获得基线参数估计的固定解。相对定位计算流程图如下图所示：图1相对定位解算图4.参考文献[1]冉承其，赵小津．北斗卫星导航系统试运行新闻发布会[R].北京：2011.[2]黄艳玉，张杏谷．“北斗”卫星导航系统的研究[A]，2008－2009年船舶通信导航论文集[C]2009．[3]中国卫星导航系统管理办公室．北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件（测试版）[R].北京：2011.[4]范建军，王飞雪，郭桂蓉．GPS三频非差观测数据周跳的自动探测与改正研究[J].测