【doc】 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

【doc】 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 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 许亚玲,陈向东 (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裁波相位变化率,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 中图分类号:P207,.1文献标识码:A文章编号:1008—9268(2005)030016—03 1引言 在当今世界上已建成的卫星导航系统中,应用 最为广泛而成功的系统还是美国的GPS,世界各国 为了进一步拓展GPS的应用领域,满足一些特殊行 业的应用需求,如民用航空,航海精密进近的要求, 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 国联邦航空管理局建立的广域增强系统(WAAS), 由欧盟,欧空局和欧洲航空导航安全组织联合建立 的欧洲静地卫星导航重叠系统(EGNOS)(注:该系 统还包括对俄罗斯GLONASS的增强),日本建立的 基于多功能传输卫星(MTSAT)的增强系统MSAS. 在GPS广域差分系统中,为了更好地实现对 GPS的广域差分,在服务区需要建立多个参考站,对 导航信号进行监测接收,同时进行观测伪距的采集 和计算,这也就需要进行精密测距,由于GPS载波 频率较高,Ll为1575.42MHz,L2为1227.6MHz,L5 为1176.45MHz,因此波长较短,约为19.04cm,2 约为24.44cm,.约为25.5cm,利用载波相位测量 可以达到很高的精度. 2载波相位测量基本原理 载波相位测量是通过测定GPS导航信号中的 载波信号从卫星发射至接收机传播路程上的相位变 76 收稿日期:2005—03—24 化,来确定卫星至接收机的伪距.假设卫星S发出 一 个载波信号,在时刻t其在卫星S处的相位为识, 经距离ID传播到接收机处R的信号其相位为,则 由卫星S至接收机R的载波相位变化为一. 此相位变化包括了整周数和不足一周的小数部分, 如果能测定一,则卫星S至接收机R的伪距 为: c.一(一)一(No4-?)(1) 其中,No为载波相位变化一在时刻t的整周数 部分,?为不足一周的小数部分,为载波的波长. 但在实际测量中,无法测定卫星发射载波信号 时刻的卫星S处的相位,因此就考虑如果接收机 R的晶振能产生一个频率和初相与卫星S处的载波 信号完全相同的基准信号,则任一时刻t在接收机R 处的基准信号的相位(,)就等于卫星S处的载波 信号的相位(,),测定基准信号与接收到的卫星载 波信号的相位差似(,),(,),即可求得信号传播的 距离P—[(,)一(,)]. 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 收机基准信号的相位差,来求得信号传播的距离. 设在to时刻进行首次载波相位观测,接收到来自卫 星的载波信号的相位为(),此时接收机基准信 GNSSWorldofChina/2005.3 号的相位为it.),因此有: ()一()一(to)一N;()+?(to) (2) 在首次观测以后,在对卫星进行连续跟踪的条件下, 可连续测量中频载波信号的相位变化.在时刻ti 一 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: (,)=(t)一(t) 一 N;(to)+?N;(,)+?(,)(3) 其中zXN’;(,)为t.至t时刻的整周数差. 3利用载波相位观测平滑伪距 为了取得GPS广域差分的精度,需要在参考站 进行高精度的导航信号双频或三频监测接收,获得 高精度的双频或三频观测数据,并且进行相应的处 理,同时要提供足够的伪距观测数据冗余,也就是说 既要进行基于L的C/A码和基于L2的P(Y)码的 伪距观测(注:采用无码伪距测量方式),又要进行基 于载波的相位观测. 伪距观测量是GPS广域差分中的基本观测量, 用于广域差分系统输出的差分改正信息的计算,因 此,伪距观测值的误差直接影响用户定位结果的精 度.伪距观测值的误差包括观测值的测量误差和观 测值中无法模型化的误差(主要是多径误差).c/A 码伪距测量误差大约为3m,P码伪距测量误差约为 0.3m,窄相关C/A码伪距测量误差与P码精度相 当;多径效应影响与接收硬件,信号处理能力及测站 周围环境有关.高精度的接收机可保证多径效应影 响小于lm;与伪距观测值相比,载波相位观测值的 噪声和多径效应影响要小得多.因此,为了提高伪 距观测值的精度,通常采用载波相位平滑伪距的方 法削弱伪距观测噪声和多径效应影响. 设参考站利用双频监测接收到的伪距和载波相 位观测方程为: fP一fD+I+c?+E lP2一lD+y?j+y?c?+R+E2 f.?===lD—l?+j+c?+P. l?—lD—2?N,+y?j+y?c?+R+ (4) 其中: 一 ffl} P.为频率L,上C/A码的伪距观测值; P.为频率L.上P.(y)码的伪距观测值; 为频率L(—l,2)上的相位观测值(包括整 周差和一周内的相位差); 2005.3/全球定位系统 i, f1分别为载波L(—l,2)的波长和频率; j为频率L上的电离层延迟; P为卫星到接收机的距离,包含对流层延迟, 接收机钟差和卫星钟差影响; 为卫星在载波L上的电离层延迟改正; 为对卫星在频率L(i一1,2)上的载波相 位观测值的模糊度; E为伪距观测值P(i===l,2)的观测噪声和多 径效应; 为载波相位观测值(===l,2)的观测噪声和 多径效应; R为接收机在频率L2上的频率偏差;由于接收 机的时间基于C/A码,所以根据定义,接收机在频 率L上的频率偏差为零.R为相应相位观测值上 的频率偏差. 消除电离层影响后的伪距和载波相位观测量分 别为: P=y?Pl—P2===(y—1)lD—R+,p(5) 中=7?l?中l—2?中2 = (y—1)lD—N+,(6) 其中: N—y??NI+R一2? 上面两式相减后,由于载波相位测量中多径效 应影响小而且观测噪声很小,因此得到: P一中一N—R+,(7) 由于观测噪声为偶然误差,多径效应具有周期 性,在一段时间内它们的均值为零,所以取,z个历元 的平均值有: (8) <N—R>一兰_=善<N—R>+4(e一中) (9) 平滑后的伪距为: P=中+<N—R>(10) 昂=+…) 用这一方法得到的平滑伪距精度比较高,经过 一 段时间的平滑,其精度在不同高度角时都优于? 0.1m. 载波相位平滑伪距无法消除接收机频率偏差R 的影响,所以平滑伪距仍含有仪器偏差影响,但它不 会影响卫星定轨精度.R最终被接收机钟差吸收, 77 也不会影响用户的定位精度. 4一种综合的载波相位测量周跳检测 与修复方法 在用载波相位平滑伪距时,基于在观测过程中 整周模糊度没有变化的条件下,即载波相位观测值 没有出现周跳.但一旦出现周跳,就必须修复周跳, 否则平滑伪距将受周跳影响而含有偏差,最终影响 广域差分的结果.因此在利用载波相位来平滑伪距 fOe.M RM tRM 其中 i表示第i历元; 以以 71一长,y2一长,一J2.J2J5J5 考虑到在一段时间内?和/7d(是一1,2,3)保 持不变,而且,(忌一1,2,3)很小,若观测历元间不存 在周跳,对相邻历元间的检测量求差,得: f?日M1斗1=日M1斗1一日M1一(1一y1)?(,1汁1一,1) ?日2斗1=Oe.M2汁1一日M2=(1一)?(,2斗1一,2) 【/xOv.M3汁l=RM3斗l一RM3i=(1一)?(3l一3) (13) 由于电离层比较稳定,采样间隔比较短时(几 秒钟),电离层的变化随时间变化缓慢,?…(志 一 1,2,3)随时间变化缓慢,变化量一般小于0.05 周.若变化量超过0.1周,则可以认为产生了周 跳.它可以检验出大小为1周左右的周跳.若 ?西RM?+和?西RM…超限,但?西RM没有超限,则 说明L发生周跳;若?.…和?西超限,但 ?西没有超限,则说明L.发生周跳;若 ?…和?卅超限,但?.川没有超限,则 说明L.发生周跳.但这样也存在问题,因为这种 方法检测依赖于?N一?N的变化幅度.如果载 波L和L.发生的周跳?N和?N.使得其组合 值?N一?N较小,用上述方法就难以检测出来. 所以,还需结合载波相位变化率,来可靠地检测并 修复周跳. (2)用载波相位变化率检验周跳 利用第i和i一1历元载波相位观测值,可以 得到载波相位观测值的变化率: 一 (一西1)/At(14) 由于频率间偏差和电离层延迟I变化非常缓 慢,载波相位观测值模糊度N不随时间变化,其测 78 之前,必须检验并修复周跳.这里综合利用三频电 离层残差和载波相位变化率,来实时地,可靠地检验 并修复周跳. (1)三频电离层残差法检测周跳 电离层残差法利用三频载波相位观测值计算出 来的电离层残差作为周跳检测量,利用该检测量前 后历元之间的变化来探测是否出现周跳.在第i历 元构造周跳检测量,即电离层残差: 值噪声e和多径效应变化幅度又很小,所以基 本反映的是伪距的变化率(包含接收机钟差和卫星 钟差的变化率).同时,卫星相对于静止参考站的 速度,接收机钟速和卫星钟速都很稳定,即伪距变 化率在短时间内变化很小,因此有: 一 (15) 基于第i历元的观测值,并利用上式,可预报 第i+1历元的观测值: 1一+l?At(16) 如果载波相位不出现周跳,它与第i+1历元 的观测值的差值应在一定范围之内: 1斗1一斗11<(17) 其中可取0.5周.否则认为有周跳发生,周 跳估值为: ?N—int(l一l(18) 利用上述方法修复周跳,精度可在?2周之 内. 为了有效可靠地检验,并正确修复周跳,可以 考虑综合利用三频电离层残差和载波相位变化率, 因为这两种方法具有互补性,三频电离层残差法可 以检测出1周的周跳,它检测不出来的周跳组合, 载波相位变化率法可以检测到.同时载波相位变 化率法可以将周跳修复到?2周的范围内.然后 在此范围之内进行搜索正确的周跳估值,并利用电 离层残差法作为周跳估值是否正确的判断准则:将 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 的,停止搜索;否则继续搜索,直到通过电离层检测 为止. (下转第33页) GNSSWorldofChi肭/2OO5.3 2 l / 诅 ,,, +++ 虹销 RRR 一一一 ))) fff +++ LL ,// ))) 一一一 l11 ///+++ M 一一一 一ll一 一一一 西西西 一一一 ContrastingandanalyzingonGPS_RTKPointcorrectmeanstheory WANGXiao-hua,XIAOLuan (1.DepartmentofSurveyingandMapping.ChinaUniversityofGeosciences ?HubeiWuhan430074?China; 2.HunanPolytechnicalUniversity,ZhuzhouHunan412008) Abstract:Aboveall,thispaperintroducesGPS—RTKtechniqueanditsprinciple,pointsoutthat GPS—RTKtechnologyadoptingReal—TimeKinematicmethodisagreatmarkerofGPSapplication.In contrast,totraditionalmeasuretechnology,thistechniqueenhancesnotonlyp recisionbutalsoefficien— cy.ThenintroducesmaincontrastexaminationandprinciplesonthreeGPSRTKcorrectmeans:single pointcorrection,multi—pointscorrectionparametercorrectionandsearchesprecisionofthreecorrection meansbytheexaminationwhichwasonthebasisofthepointcorrectionexamination.Duringtheparam— etercorrection,thispaperdiscussesparametercorrectiononthebasisofBursamodelsalvationsevenpa— rameterbytheexamination,varietycorrectioncontrastsandanalyses.Atlast,drawsaconclusion whichbothmultipointscorrectionandparametercorrectiontakeadvantagesoverthepointcorrection. Keywords:GPS-RTKtechnology;pointcorrect;manypointscorrect;parametercorrection. (上接第18页) 5/J,兰古 GPS广域差分的精度依赖于参考站伪距观测 数据的精度,而载波相位测量精度高且噪声小,因 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 波相位测量进行参考站数据处理的众多应用中的 一 部分,还可以进一步研究探讨载波相位测量在 GPS广域差分系统参考站数据处理中的其它应用 和相应的方法. 参考文献 [13张守信,GPS卫星测量定位理论与应用[M] 国防科技大学出版社,1996. E23刘基余,GPS卫星导航定位原理与方法[M] 科学出版社.2003. 长沙 北京 [33邱致和.任志久.GPSL的信号 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与电文结构[J]. 导航,2004.(3)24—4O. 作者简介:许亚玲(1973一),女,工程师,硕 士.主要从事卫星导航工程技术,GPS广域差分 系统及其接收机研究. 陈向东(1970一),男,高级工程师,博士.主 要从事卫星导航工程技术和地理信息系统研究. Theapplicationofcarrierphasemeasurementindataprocessing ofhigh’accuracynavigationsignalmonitoringandreceiving XUYa—ling,CHENXiang-dong (P.0.Box5136.Beijing100094) Abstract:ThereferencestationneedstOmonitorandreceivethehigh—accur acynavigationsignalin thewideareaDGPS,andtogetmoreaccuracydataofpseudo—rangeobservat ion.Becauseofitshigh—ac— curacymeasurementandlowobservationnoise,thecarrierphasemeasurementplaysanimportantrolein thedataprocessingofpseudo, rangeobservation.Inthispaper,theapplicationofdataprocessingof pseudo—rangeobservationinthehigh—accuracynavigationsignalmonitor ingandreceivingisintroduced. Amethodwhichcanreliablydetectandrepaircycleslipinreal——timebysyn theticallyusingtheionospher—— icresidualofthreefrequenciesandthechangerateofcarrierphaseisproposed. Keywords:carrierphasemeasurement;wideareaDGPS;dataprocessing 2005.3/全球定位系统