北斗三頻實(shí)時(shí)精密導(dǎo)航技術(shù)模板.doc

精密交通工程測(cè)量課程報(bào)告北斗三頻實(shí)時(shí)精密導(dǎo)航技術(shù)研究東南大學(xué)交通學(xué)院2015年12月目錄1.研究背景與意義12.國(guó)內(nèi)外主要研究動(dòng)態(tài)12.1 三頻組合觀測(cè)值12.2 周跳的探測(cè)與修復(fù)22.3 整周模糊度的解算23.研究設(shè)想與研究?jī)?nèi)容34.參考文獻(xiàn)51.研究背景與意義一直以來(lái)，人們談到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)想到的都是美國(guó)的 GPS，而隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的推廣和發(fā)展，越來(lái)越多的航天大國(guó)意識(shí)到,建立自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，也是國(guó)家安全和發(fā)展戰(zhàn)略的需要。自 2000 年 10 月 31 日第一顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星被送入太空以來(lái)，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略一直在穩(wěn)步進(jìn)行：第一步是在 2000 年建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使中國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家；第二步是在 2012 年建成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)，形成覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力；第三步是在 2020 年左右，全面建成由 30 余顆衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。按照第二階段的發(fā)展，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)于 2011 年 12 月 27 日，向中國(guó)及周邊地區(qū)提供無(wú)源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等試運(yùn)行服務(wù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試和評(píng)估，在試運(yùn)行期間，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)覆蓋區(qū)域?yàn)闁|經(jīng) 84 度到 160 度，南緯 55 度到北緯 55 度之間的大部分區(qū)域。位置精度為：平面 25 米，高度 30 米，測(cè)速精度為 0.4m/s，授時(shí)精度為 50 納秒1。在第二階段建設(shè)完成后，預(yù)計(jì)位置精度可達(dá)到 10 米，測(cè)速精度 0.2m/s2。截至 2012 年 2月 25 日，第十一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星已經(jīng)于進(jìn)入太空預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由 14 顆組網(wǎng)衛(wèi)星組成，其中包括3：5 顆地球靜止同步軌道（GEO）衛(wèi)星，分別位于東經(jīng) 58.75、80、110.5、140 和 160 度；9 顆非靜止軌道（Non-GEO）衛(wèi)星，其中包含了傾斜同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和中圓軌道（MEO）衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星采用碼分多址（CDMA）擴(kuò)頻通信體制，在 B1，B2 和 B3 三個(gè)頻段上調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)。同時(shí)還具有 RDSS 定位、授時(shí)、短報(bào)文通信功能。2.國(guó)內(nèi)外主要研究動(dòng)態(tài)北斗是首個(gè)發(fā)射三頻的衛(wèi)星星座系統(tǒng)，精密相對(duì)定位解算使用的是載波相位觀測(cè)值，要獲得高精度的載波相位觀測(cè)值就必須進(jìn)行的周跳探測(cè)和修復(fù)、整周模糊度解算，因此這三部分內(nèi)容也就成了精密相對(duì)定位解算研究的重點(diǎn)。2.1 三頻組合觀測(cè)值利用多頻載波和偽距觀測(cè)量間的誤差相關(guān)性，通過(guò)形成它們之間的線性組合，即各種組合觀測(cè)量，可消除或減弱各種誤差、消去不關(guān)注參數(shù)等對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響。三頻載波相位觀測(cè)量可組成無(wú)窮多的線性組合，但在實(shí)際應(yīng)用中有意義的線性組合，必須能夠有利于周跳探測(cè)與修復(fù)、模糊度解算或提高定位精度。不同的基線長(zhǎng)度，不同的應(yīng)用目的、應(yīng)用場(chǎng)合，線性組合就有可能不同。本文的主要研究?jī)?nèi)容是在分析組合觀測(cè)值的誤差特性的基礎(chǔ)上，討論了最優(yōu)整系數(shù)組合觀測(cè)量的選取問(wèn)題，給出一些常用實(shí)系數(shù)組合觀測(cè)量最優(yōu)組合系數(shù)的求解方法。 2.2 周跳的探測(cè)與修復(fù)當(dāng)受到環(huán)境或其他各種因素的影響時(shí)，接收機(jī)的載波相位跟蹤環(huán)路可能發(fā)生信號(hào)失鎖，整周計(jì)數(shù)會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)中斷。接收機(jī)重新鎖定信號(hào)后，整周計(jì)數(shù)的小數(shù)部分不受跟蹤中斷的影響，但載波相位變化的整數(shù)部分則發(fā)生了跳變。這種現(xiàn)象就叫做整周跳變，簡(jiǎn)稱周跳。其后的所有載波觀測(cè)量均受到此整周跳變的影響。因此，在將載波相位數(shù)據(jù)用于精密測(cè)量之前，先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)中的周跳進(jìn)行探測(cè)和修復(fù)。常用的周跳探測(cè)方法有高次差法、電離層殘差法、偽距相位組合法、多項(xiàng)式擬合法和多普勒積分法等。利用北斗系統(tǒng)的多頻信號(hào)，使用多頻數(shù)據(jù)偽距相位組合的方法，可以實(shí)時(shí)探測(cè)出各種跳并進(jìn)行修復(fù)。在進(jìn)行解算時(shí)，可以根據(jù)需要組成三組線性組合觀測(cè)值對(duì)各個(gè)載波進(jìn)行探測(cè)。2006 年范建軍基于 GPS 三頻數(shù)據(jù)提供了一種非差組合探測(cè)周跳4；2010 年常志巧根據(jù)方差最小原則得出了北斗系統(tǒng)最佳探測(cè)周跳組合為（-1，-5，6）、（4，-2，-3）、（1，4，-5）5，并利用該組合修復(fù)了原始頻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測(cè)和修復(fù)后，還需要解算整周模糊度才能獲得高精度的載波觀測(cè)值。按照觀測(cè)信息的使用方式，可將整周模糊度的解算方法分為以下幾類(lèi)6：一是基于特殊操作模式的模糊度解算技術(shù)：包括再占用法、單接收機(jī)相對(duì)定位法和交換天線法。其中交換天線法的原理是首先通過(guò)三差模型計(jì)算獲得基線信息，再將已知基線信息代入雙差方程計(jì)算模糊度。這種方法所需觀測(cè)時(shí)間短，精度高，操作簡(jiǎn)單，在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位中有所應(yīng)用。二是基于觀測(cè)域的整周模糊度搜索，這種方法的基本原理是利用偽距觀測(cè)量來(lái)確定載波相位模糊度。由于偽距觀測(cè)量噪聲一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載波的波長(zhǎng)，同時(shí)電離層延遲誤差對(duì)偽距和載波信號(hào)的影響也不同，因此通常使用不同頻率及不同類(lèi)型的觀測(cè)量組合來(lái)進(jìn)行模糊度解算。這種方法可以實(shí)時(shí)解算模糊度，但受到偽距精度和觀測(cè)環(huán)境影響較大。三是基于坐標(biāo)域的整周模糊度搜索，即利用精度較高的基線初始信息來(lái)估算模糊度，固定后重新解算，從而獲得精度更高的基線信息。坐標(biāo)域搜索方法中比較有代表性的是模糊度函數(shù)法。這種方法對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的失鎖不敏感，但對(duì)初始信息的精度要求較高。四是基于模糊度域的整周模糊度搜索，這種方法可以分為三個(gè)步驟：首先進(jìn)行模糊度實(shí)數(shù)估計(jì)；然后進(jìn)行模糊度搜索；最后回代基線方程重新解算獲得固定解。這種方法的技術(shù)要點(diǎn)主要是模糊度實(shí)數(shù)估計(jì)和模糊度搜索兩部分。模糊度實(shí)數(shù)估計(jì)是通過(guò)計(jì)算獲得測(cè)站位置、模糊度向量實(shí)數(shù)解及其相應(yīng)方差協(xié)方差陣。目前常用的模糊度實(shí)數(shù)估計(jì)方法主要有最小二乘法7和卡爾曼濾波法8。這個(gè)步驟的精度和速度對(duì)模糊度解算的影響較大。整周模糊度搜索則是模糊度解算的核心內(nèi)容，它的作用在于利用獲得的模糊度實(shí)數(shù)解及其方差協(xié)方差陣以模糊度殘差平方和最小原則進(jìn)行搜索，回代參數(shù)估計(jì)方程后得到固定解。它的求解方法和效率決定了整個(gè)模糊度解算過(guò)程的精確度和準(zhǔn)確度，是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。3.研究設(shè)想與研究?jī)?nèi)容北斗是首個(gè)播發(fā)三頻信號(hào)的衛(wèi)星星座系統(tǒng)，三頻可以形成更多的組合觀測(cè)量，精密相對(duì)定位解算使用的是載波相位觀測(cè)值，要獲得高精度的載波相位觀測(cè)值就必須進(jìn)行的周跳探測(cè)和修復(fù)、整周模糊度解算，因此這三部分內(nèi)容也就成了精密相對(duì)定位解算研究的重點(diǎn)。主要的研究?jī)?nèi)容如下：（1）北斗相對(duì)定位的數(shù)學(xué)模型和組合觀測(cè)量北斗數(shù)學(xué)模型包括非差觀測(cè)模型，單差觀測(cè)模型，雙差觀測(cè)模型和三差觀測(cè)模型。但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們經(jīng)常使用的是非差模型和雙差模型。針對(duì)北斗的多頻性，以及載波和偽距觀測(cè)量間的誤差相關(guān)性，通過(guò)形成他們的線性組合，即組合觀測(cè)量，可以消弱這種誤差。三頻載波相位觀測(cè)量可組成無(wú)窮多的線性組合，但在實(shí)際應(yīng)用中有意義的線性組合，必須能夠有利于周跳探測(cè)與修復(fù)、模糊度解算或提高定位精度。不同的基線長(zhǎng)度，不同的應(yīng)用目的、應(yīng)用場(chǎng)合，線性組合就有可能不同。故本文的研究?jī)?nèi)容是：1）在分析觀測(cè)量誤差特性的基礎(chǔ)上，討論了最優(yōu)整系數(shù)組合觀測(cè)量的選取問(wèn)題；2）給出一些常用實(shí)系數(shù)組合觀測(cè)量最優(yōu)組合系數(shù)的求解方法；3）分析北斗精密相對(duì)定位解算的特點(diǎn)。（2）三頻的周跳探測(cè)基本方法三頻 GNSS 的顯著優(yōu)點(diǎn)是可以形成具有更長(zhǎng)波長(zhǎng)、更小電離層延遲影響、更小噪聲等優(yōu)良特性的組合觀測(cè)量，將進(jìn)一步增強(qiáng)周跳探測(cè)與修復(fù)能力。常用的周跳探測(cè)方法有無(wú)幾何相位組合、偽距相位組合，本文的主要研究?jī)?nèi)容是無(wú)幾何相位組合、偽距相位組合周跳探測(cè)與修復(fù)的方法，對(duì)三頻情況下周跳實(shí)時(shí)修復(fù)能力進(jìn)行了分析。（3）模糊度解算及相對(duì)定位在北斗高精度定位中，整周模糊度確定是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。準(zhǔn)確、快速地解算整周模糊度，無(wú)論對(duì)于保障相對(duì)定位的精度、縮短觀測(cè)時(shí)間以提高作業(yè)效率以及開(kāi)拓高精度動(dòng)態(tài)定位應(yīng)用的新領(lǐng)域，都非常重要。根據(jù)模糊度解算過(guò)程中是否利用衛(wèi)星間的幾何約束條件可以將模糊度解算方法分為幾何模式模糊度解算（GBAR，Geometry Based Ambiguity Resolution）和無(wú)幾何模式模糊度解算（GFAR，Geometry Free Ambiguity Resolution）（Gerhard Wubbena，2007）9，如目前應(yīng)用廣泛的 LAMBDA（Teunissen et al. 1993, 1995; De Jonge andTiberius 1996）10方法即為幾何模式模糊度解算，而常用于 GPS 雙頻寬巷模糊度確定的雙頻P 碼偽距法（劉基余，2008）即為無(wú)幾何模式糊度解算。此外，目前研究較多的三頻模糊度解算方法也多為無(wú)幾何模式模糊度解算，如 TCAR（Forssell et al. 1997; Vollath et al.1998）、CIR（Jung J., 1999; Hatch et al. 2000）11等。本文的研究?jī)?nèi)容主要是三頻雙差觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)模擬方法，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了不同基線長(zhǎng)度下基于幾何模式的 LAMBDA 方法單歷元模糊度解算的成功率，對(duì)三頻 CIR 方法的誤差影響進(jìn)行的分析，最后將其與雙頻 CIR 方法進(jìn)行了對(duì)比分析12，提出了一種無(wú)幾何無(wú)電離層延遲誤差影響的中長(zhǎng)基線模糊度解算方案。相對(duì)定位解算的數(shù)據(jù)處理步驟如下：（1） 首先根據(jù)星歷計(jì)算衛(wèi)星位置；（2） 動(dòng)態(tài)測(cè)量模式時(shí)需要利用偽距觀測(cè)值解算流動(dòng)站初始位置，靜態(tài)測(cè)量模式時(shí)僅在第一次計(jì)算時(shí)需要計(jì)算；（3） 分別利用流動(dòng)站概略位置和基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)根據(jù)(2.6)式計(jì)算非差殘差；（4） 根據(jù)先驗(yàn)信息構(gòu)建（更新）狀態(tài)向量X及其方差協(xié)方差陣X；（5） 利用獲得的非差殘差根據(jù)(2.7)式組成雙差殘差V ，并構(gòu)建雙差模型系數(shù)矩陣A；（6） 進(jìn)行模糊度估計(jì)，利用平差方法解算整周模糊度的實(shí)數(shù)解；（7） 進(jìn)行模糊度搜索，獲得整周模糊度的整數(shù)解；（8） 回代方程，獲得基線參數(shù)估計(jì)的固定解。相對(duì)定位計(jì)算流程圖如下圖所示：圖1 相對(duì)定位解算圖4.參考文獻(xiàn)1 冉承其，趙小津北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)試運(yùn)行新聞發(fā)布會(huì)R.北京：2011.2 黃艷玉，張杏谷“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究A，20082009年船舶通信導(dǎo)航論文集C20093 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（測(cè)試版）R.北京：2011.4 范建軍，王飛雪，郭桂蓉GPS三頻非差觀測(cè)數(shù)據(jù)周跳的自動(dòng)探測(cè)與改正研究J.測(cè)繪科學(xué)，2006，21（5）：24-265 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