载波相位测量在高精度导航信号监测接收数据处理中的应用

载波相位测量在高精度导航信号监测接收数据处理中的应用 ()北京市 5136 信箱 ,北京 100094 摘 要 : 在 GPS 广域差分系统中 ,参考站需要进行高精度导航信号监测接收 ,并获得良好的 伪距观测数据 。载波相位测量由于其测量精度高且观测噪声小 ,因此在伪距观测数据处理方面 , 发挥了重要作用 。介绍了载波相位测量在高精度导航监测接收的伪距观测数据处理方面的具体 应用 ,提出了一种综合利用三频电离层残差和载波相位变化率 ,来实时可靠地检验并修复周跳的 方法 。 关键词 :载波相位测量 ; GPS 广域差分 ;数据处理 + () 文献标识码 :A中图分类号 : P207 1 1 文章编号 :100829268 20050320016203 化 ,来确定卫星至接收机的伪距 。假设卫星 S 发出 1 引 言 φ一个载波信号 ,在时刻 t 其在卫星 S 处的相位为,s 在当今世界上已建成的卫星导航系统中 ,应用 ρφ经距离传播到接收机处 R 的信号其相位为R , 则最为广泛而成功的系统还是美国的 GPS ,世界各国 φφS 至接收机 R 的载波相位变化为 - 。 由卫星 s R 为了进一步拓展 GPS 的应用领域 ,满足一些特殊行 此相位变化包括了整周数和不足一周的小数部分 , 业的应用需求 ,如民用航空 、航海精密进近的要求 , φφ如果能测定 - , 则卫星 S 至接收机 R 的伪距 s R 纷纷建立 GPS 广域差分和增强系统 。目前已建立 的针对 GPS 进行广域差分和增强的系统主要有美 为 : ( ) 国联邦航空管理局建立的广域增强系统 WAAS , ρ λ(φφ) λ( Δφ) ()= - = N+1 s R 0 由欧盟 、欧空局和欧洲航空导航安全组织联合建立 φφ其中 , N为载波相位变化- 在时刻 t 的整周数 0 s R ( ) (的欧洲静地卫星导航重叠系统 E GNOS注 : 该系 Δφλ部分 ,为不足一周的小数部分 ,为载波的波长 。 但) 统还包括对俄罗斯 GL ONA SS 的增强,日本建立的 ( ) 基于多功能传输卫星 M TSAT 的增强系统 MSA S。 在实际测量中 , 无法测定卫星发射载波信号 在 GPS 广域差分系统中 ,为了更好地实现对 φ时刻的卫星 S 处的相位 , 因此就考虑如果接收机 s GPS 的广域差分 ,在服务区需要建立多个参考站 ,对 R 的晶振能产生一个频率和初相与卫星 S 处的载波 导航信号进行监测接收 ,同时进行观测伪距的采集 信号完全相同的基准信号 ,则任一时刻 t 在接收机 R 和计算 ,这也就需要进行精密测距 ,由于 GPS 载波 ( ) φ处的基准信号的相位t就等于卫星 S 处的载波 r 频率较高 ,L为 1575. 42M Hz ,L为 1227. 6M Hz ,L1 2 5 φ( ) 信号的相位t,测定基准信号与接收到的卫星载s λλ为 1176. 45M Hz ,因此波长较短 ,约为 19. 04cm ,约1 2 λ为 24. 44cm ,约为 25. 5cm ,利用载波相位测量5 s φ( ) φ( ) 波信号的相位差 t- r t,即可求得信号传播的r s λφ( ) φ( ) ρ距离=[t- t] 。 r r 载波相位的测量需要连续跟踪卫星 , 通过测定 经混频处理后的接收机接收到的中频载波信号与接 jj j j ) φ( ) Δφ( ) Φ( ) φ( - t( )+t t= t0 = N r t 0 I 为频率 L1 上的电离层延迟 ;r 0 r 0r 0 r ρ为卫星 j 到接收机的距离 , 包含对流层延迟 、 () 2 在首次观测以后 ,在对卫星进行连续跟踪的条件下 , 接收机钟差和卫星钟差影响 ; 可连续测量中频载波信号的相位变化 。在时刻 tii j T为卫星 j 在载波 L上的电离层延迟改正 ;g d 1 = 1 , 的观测方程 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 :j 为对卫星 j 在频率 L ( i = 1 , 2 ) 上的载波相 N i i jj Φ( ) φ( ) φ( ) t= t- tr i r i r i Φ位观测值 的模糊度 ; i jjj ΔΔφ( ) ( ) t = N t+N +3 r ( i) ( t i) 0 r r E 为伪距观测值 ( ) i P i = 1 , 2的观测噪声和多 i j ( ) Δ 其中N t为 t至 t时刻的整周数差 。r i 0 i 径效应 ; ( ) Φe为载波相位观测值 i = 1 , 2的观测噪声和 i i 利用载波相位观测平滑伪距 3 多径效应 ; 为了取得 GPS 广域差分的精度 ,需要在参考站 R 为接收机在频率 L上的频率偏差 ;由于接收 2 进行高精度的导航信号双频或三频监测接收 ,获得 机的时间基于 C/ A 码 ,所以根据定义 ,接收机在频 高精度的双频或三频观测数据 ,并且进行相应的处 率 L上的频率偏差为零 。Rφ 为相应相位观测值上 1 理 ,同时要提供足够的伪距观测数据冗余 ,也就是说 的频率偏差 。 ( ) 既要进行基于 L的 C/ A 码和基于 L的 P Y码的1 2 消除电离层影响后的伪距和载波相位观测量分() 伪距观测 注 :采用无码伪距测量方式,又要进行基 别为 :于载波的相位观测 。 ρ γε= ?P(γ )ρR +() - P 1= - 1- p5 2 伪距观测量是 GPS 广域差分中的基本观测量 , λΦΦ γλΦ- ? 2 2= ?1 ?1用于广域差分系统输出的差分改正信息的计算 ,因 γ)ρ(ε( ) = - 1- N + 6 φ 此 ,伪距观测值的误差直接影响用户定位结果的精 其中 : 度 。伪距观测值的误差包括观测值的测量误差和观jjγλ λ N = ??N + Rφ - ?N () 1 1 2 2 测值中无法模型化的误差 主要是多径误差。C/ A 上面两式相减后 ,由于载波相位测量中多径效 码伪距测量误差大约为 3m , P 码伪距测量误差约为 应影响小而且观测噪声很小 ,因此得到 :0. 3m ,窄相关 C/ A 码伪距测量误差与 P 码精度相 Φ ε()7 当 ;多径效应影响与接收硬件 、信号处理能力及测站 P - = N - R +p 由于观测噪声为偶然误差 ,多径效应具有周期 周围环境有关 。高精度的接收机可保证多径效应影 响小于 1m ;与伪距观测值相比 ,载波相位观测值的 性 ,在一段时间内它们的均值为零 ,所以取 n 个历元 噪声和多径效应影响要小得多 。因此 ,为了提高伪 的平均值有 : 距观测值的精度 ,通常采用载波相位平滑伪距的方 n 1 法削弱伪距观测噪声和多径效应影响 。 设参考站利()( Φ) 8 P- i i N - R = 6 n i = 1用双频监测接收到的伪距和载波相 改用如下递推 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 : 位观测方程为 : 1 i - 1 Φ ) (〈 N - P- = 〈 N -R〉iR〉i- 1i i+ ii j ρ P=+ I + c ?T+ Eg 1 d 1()9 j ργγ P=+?I +c? ?T+ R + Eg 2 d 2平滑后的伪距为 : j j λρλΦ ?=- ?N + I + c ?T+ e1 g 1 1 1 d 1Φ( ) +〈 N - R〉 ?P 10 i = i ij j λρλγγΦ ?=- ?N +?I +c? ?T+ Rφ + e2 g 2 2 2 d 21 1 22 2n - σ ()σσ11 = + Φ?PP iiin n() 4 用这一方法得到的平滑伪距精度比较高 ,经过 其中 : 2 2 一段时间的平滑 ,其精度在不同高度角时都优于 ?γ 1 2 = f / f 0. 1m 。 载波相位平滑伪距无法消除接收机频率偏P为频率 L上 C/ A 码的伪距观测值 ; 1 1 ( ) P为频率 L上 PY码的伪距观测值 ;差 R 2 2 2 Φ( ) ( 的影响 ,所以平滑伪距仍含有仪器偏差影响 , 但它不为频率 L i = 1 , 2上的相位观测值 包括整 i i ) 周差和一周内的相位差; 会影响卫星定轨精度 。R 最终被接收机钟差吸收 , λ( ) 、f 分别为载波 L i = 1 , 2的波长和频率 ;也不会影响用户的定位精度 。i i i 广域差分的结果 。因此在利用载波相位来平滑伪距 元构造周跳检测量 ,即电离层残差 : jjj Φ λλεΦΦλ λ (γ) ( ) - φR = ?N - ?N + 1 - ?I+ c ?T1 2 1 g RM1 i= 1 ?1 i - 2 ?2 i+φ12 1 1 1 d Φjjj RM2 i λλεΦΦRφ+φ()λ λ (γ) ( ) - = 1 ?1 i - 5 ?5 i5 1 g 2 2 12 = ?N - ?N + 1 - ?I+ c ?T5 1 2 2 d ΦRM3 i jjj λλλ λ (γ) ( ) ΦΦ= ?N - ?N + 1 - ?I+ c ?Tε5 2 g = 2 ?2 i - 5 ?5 i5 2 3 3 d Rφ+φ- 3 3 其中 : Φ 值噪声 e 和多径效应变化幅度又很小 , 所以 i 基? (i 表示第 i 历元 ; 本反映的是伪距的变化率 包含接收机钟差和卫星 2 2 2 ) 钟差的变化率。同时 ,卫星相对于静止参考站的 f f f 1 12 γγγ = 。 1 = ,,32 = 2 2 2 f f f 5 5 2速度 、接收机钟速和卫星钟速都很稳定 ,即伪距变 j Δ ( ) 保 考虑到在一段时间内f 和 Rφk = 1 , 2 , 3 φ k k化率在短时间内变化很小 ,因此有 : ε( ) φ 持不变 ,而且k k = 1 , 2 , 3很小 ,若观测历元间不存ΦΦ() 15 i +1 = i?? 在周跳 ,对相邻历元间的检测量求差 ,得 :基于第 i 历元的观测值 , 并利用上式 , 可预报 ) ΔΦ(γ) ( IΦΦ 1 i RM1 i+1= - = 1 - 1 ?I1 i +1 -RM1 i +1 RM1 i 第 i + 1 历元的观测值 : ) ΔΦ(γ) ( ΦΦI= - 2 i RM2 i+1= 1 - 2 ?I2 i +1 -RM2 i +1 RM2 iΦΦΦ()Δ^ = +??t 16 i +1 i i +1 )ΦΦ ΔΦI(γ) ( 3 i = RM3 i +1 - RM3 i= 1 - ?I-RM3 i+13 3 i +1 如果载波相位不出现周跳 ,它与第 i + 1 历元 ()13 的观测值的差值应在一定范围之内 : ( 由于电离层比较稳定 、采样间隔比较短时 几ΦΦσ() 17 | i +1 - ^ i +1 | < ) ΔΦ( 秒钟,电离层的变化随时间变化缓慢 ,kRM ki + 1 σ其中可取 0 . 5 周 。否则认为有周跳发生 ,周 ) = 1 , 2 , 3随时间变化缓慢 , 变化量一般小于 0 . 05 跳估值为 :周 。若变化量超过 0 . 1 周 , 则可以认为产生了周 Δ(ΦΦ()18 N = i nt i +1 - ^ i +1跳 。它可 以 检 验 出 大 小 为 1 周 左 右 的 周 跳 。若 利用上述 方 法 修 复 周 跳 , 精 度 可 在 ?2 周 之 ΔΦΔΦΔΦ和超限 , 但没有超限 , 则 RM 1 i + 1 RM 2 i + 1 RM 3 i + 1 ΔΦΔΦ说明 L 发生周跳 ; 若和超限 , 但内 。1 RM 2 i + 1 RM 3 i + 1 为了有效可靠地检验 ,并正确修复周跳 ,可以 ΔΦ发 生 周 跳 ; 若 RM 1 i + 1 没 有 超 限 , 则 说 明 L 5考虑综合利用三频电离层残差和载波相位变化率 , ΔΦΔΦΔΦ RM 1 i + 1 和RM 3 i + 1 超限 , 但RM 2 i + 1 没有超限 , 则因为这两种方法具有互补性 ,三频电离层残差法可 说明 L 发生周跳 。但这样也存在问题 , 因为这种 2 以检测出 1 周的周跳 ,它检测不出来的周跳组合 , ΔΔ方法检测依赖于N - N 的变化幅度 。如果载 k l 载波相位变化率法可以检测到 。同时载波相位变 ΔΔ波 L 和 L 发生的周跳 N 和 N 使得其组合 1 2 1 2 化率法可以将周跳修复到 ?2 周的范围内 。然后 ΔΔ值N - N 较小 ,用上述方法就难以检测出来 。 1 2 所以 ,还需结合载波相位变化率 ,来可靠地检测并 在此范围之内进行搜索正确的周跳估值 ,并利用电 修复周跳 。 离层残差法作为周跳估值是否正确的判断准则 :将 () 2用载波相位变化率检验周跳周跳修复后的载 波相 位 , 再用 电离 层 残差 法来 检 测 。如果通过 了 检测 , 说 明所 搜索 的 周跳 是正 确 Contra st ing and analyz ing on GPS2RTK Point correct means theory 1 2WANG Xiao2hua, XIAO L uan ( 11 De p a rt ment o f S u rve y i n g an d M a p p i n g , Chi na U ni ve rs i t y o f Geoscie nces , H ubei W u h an 430074 , Chi n a; )21 H un an Pol y tec hnic al U ni ve rs i t y , Z h uz hou H un an 412008 Abstract : A bo ve all , t hi s p ap er i nt ro duce s GPS2R T K t ec h nique a nd it s p ri ncip le , poi nt s o ut t hat GPS2R T K t ec h nolo gy a dop ti ng Real2Ti me Ki ne matic met ho d i s a great ma r ker of GPS app licatio n . In co nt ra st , to t ra ditio nal mea sure t ec h nolo gy , t hi s t ech nique e nha nce s no t o nly p reci sio n but al so efficie n2 cy. The n i nt ro duce s mai n co nt ra st e xa mi natio n a nd p ri ncip le s o n t hree GPS R T K co r rect mea n s : si ngle poi nt co r rectio n , multi2 poi nt s co r rectio n p a ra met er co r rectio n a nd sea rc he s p reci sio n of t hree co r rectio n mea n s by t he e xa mi natio n w hich wa s o n t he ba si s of t he poi nt co r rectio n e xa mi natio n . D uri ng t he p a ra m2 et e r co r rectio n , t hi s p ap er di scu sse s p a ra met e r co r rectio n o n t he ba si s of B ur sa mo del sal vatio n seve n p a2 ra met e r by t he e xa mi natio n , va riet y co r rectio n co nt ra st s a nd a nal yse s. A t la st , draw s a co ncl u sio n w hich bo t h multi poi nt s co r rectio n a nd p a ra met er co r rectio n t a ke a dva nt a ge s o ver t he poi nt co r rectio n . Key words : GPS2R T K t ec h nolo gy ; poi nt co r rect ; ma ny poi nt s co r rect ; p a ra met er co r rectio n . ()上接第 18 页 参考文献 [ 1 ] 张守信 , GPS 卫星测量定位理论与应用 [ M ]1 长沙 : 小结 5 国防科技大学出版社 ,1996 。 刘基余 , GPS 卫星导航定位原理与方法 [ M ]1 北京 : GPS 广域差分的精度依赖于参考站伪距观测 [ 2 ] 科学出版社 ,2003 。 数据的精度 ,而载波相位测量精度高且噪声小 ,因 邱致和 ,任志久 1 GPS L 的信号设计与电文结构 [ J ]15 [ 3 ] () 导航 ,2004 , 324 - 401 此在参考站伪距观测数据处理方面发挥了重要作 用 ,应用比较广泛 。本文介绍的方法 ,只是利用载 :许亚玲( ) 作者简介 1973 - ,女 ,工程师 ,硕 波相位测量进行参考站数据处理的众多应用中的 士 。主要从事卫星导航工程 技术 , GPS 广 域差 分 一部分 ,还可以进一 步研 究 探讨 载波 相 位测 量在 系统及其接收机研究 。GPS 广域差分系统参考站数据处理中的其它应用 () 陈向东 1970 - ,男 ,高级工程师 ,博士 。主 和相应的方法 。 要从事卫星导航工程技术和地理信息系统研究 。 The a ppl icat ion of carrier pha se mea surement in data processing of high2accuracy navigat ion signal mon itoring and receiving XU Ya2l ing , C HEN Xiang2dong ( )P. O. B o x 5136 , B ei j i n g 100094 Abstract : The ref e re nce st atio n need s to mo nito r a nd receive t he hi gh2accuracy na vi gatio n si gnal i n t he wi de a rea D GPS , a nd to get mo re acc uracy dat a of p se udo2ra nge o b se r vatio n . Beca u se of it s hi gh2ac2 curacy mea sure me nt a nd lo w o b ser vatio n noi se , t he ca r rier p ha se mea sure me nt p la ys a n i mpo r t a nt role i n t he dat a p roce ssi ng of p se udo2ra nge o b se r vatio n . In t hi s p ap e r , t he app licatio n of dat a p roce ssi ng of p se udo2ra nge o b se r vatio n i n t he hi gh2accuracy na vi gatio n si gnal mo nito ri ng a nd receivi ng i s i nt ro duce d. A met ho d w hic h ca n relia bl y det ect a nd rep ai r cycle slip i n real2ti me by synt heticall y u si ng t he io no sp her2 ic re si dual of t hree f reque ncie s a nd t he c ha nge rat e of ca r rier p ha se i s p ropo sed. Key words :ca r rier p ha se mea sure me nt ;wi de a rea D GPS ; dat a p roce ssi ng