一种基于电离层折射的实时三频周跳检测方法

1.本发明属于卫星导航系统数据处理技术领域，具体涉及一种基于电离层折射的实时三频周跳检测方法。


背景技术：

2.目前，关于双频的周跳探测研究，常用方法包括高差法、电离层残差法、多项式拟合、相位组合以及伪-范围等方法；其中，电离层残差法联合使用电离层电子总量率(tecr)和melbourne-w
ü
bbena宽巷(mwwl)线性组合来唯一确定l1和l2频率上的周跳。
3.随着gnss的发展，大部分gnss接收机都可以接收三频信号，新频率的出现给全球导航卫星系统数据组合带来了更多的自由度，进几年国内外专家学者纷纷开展三频周跳探测方法的研究，定义的全球导航卫星系统观测的线性组合，目的是实时检测和校正周跳，其研究结果表明：三频导航系统中的实时周跳检测能够检测和修复三种频率载波中的所有周跳组合。并且相对于双频探测，三频观测形成的组合具有波长长、噪声小、影响小的特点，这是一种简单有效的方法，并且三频周跳探测和修复有助于提高周跳检测性能，实现单接收机高精度定位。
4.早期关于周跳探测常用方法(高差法、电离层残差法、多项式拟合、相位组合、伪-范围和其他方法)的研究均为双频探测，没有联系电离层变化对周跳探测的影响，故不能进行准确实时的周跳探测。三频观测兴起之后，提出了一种用于识别周跳探测的三个线性独立无电离层组合模型的方法，此方法需要保留更多不同时段的信息，使得程序变得复杂，从而会降低定位精度，并且利用三频线性组合进行周跳检测，在电离层闪烁条件或者低采样率的影响下，无法进行准确的周跳探测，降低了定位精度，从而导致位置误判。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于电离层折射的实时三频周跳检测方法解决了现有的三频周跳检测方法定位精度低导致位置误判的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于电离层折射的实时三频周跳检测方法，包括以下步骤：s1、计算gnss系统中的编码和载波相位的组合观测值；s2、基于组合观测值，计算未考虑电离层变化时连续历元之间的差异；s3、考虑连续历元之间的电离层变化，计算连续历元之间的差异；s4、根据连续历元之间的差异，对三频周跳进行检测。
7.进一步地，所述步骤s1中，所述编码的组合观测值p
abc
为：
所述载波相位的组合观测值为：式中，ρ为卫星和站点之间的几何距离，β
abc
为编码的电离层延迟的放大系数， ，i1为电离层的延迟在l1，t
abc
为编码观测对应的对流层延迟，m
abc
为编码观测对应的多径效应，c为真空中的光速， 为编码观测对应的卫星和接收器之间的时间误差，d
abc
为编码观测对应的硬件延迟，为代码观测的噪声，下标abc表示线性编码组合观测且a b c=1，fi为信号频率，i=1,2,3；λ
lmn
为载波相位波长，φ
lmn
为载波相位观测，β
lmn
为载波相位的电离层延迟的放大系数， ，t
lmn
为载波相位观测对应的对流层延迟，m
lmn
为载波相位观测对应的多径效应， 为载波相位观测对应的卫星和接收器之间的时间误差，d
lmn
为载波相位观测对应的硬件延迟，n
lmn
为载波相位观测对应的综合模糊度，e
lmn
为载波相位观测的噪声，非下标l,m,n为子符号，下标lmn表示线性相位组合观测。
8.进一步地，所述步骤s2中连续历元之间的差异的计算公式为：式中，为连续历元之间差异的运算符。
9.进一步地，所述步骤s3中，计算考虑电离层变化时连续历元之间的差异时，设定多径效应、观测噪声和硬件延迟的变化在连续历元之间相对稳定，且时钟误差通过无几何组合消除；同时，设定连续历元之间的差异通过无几何观测得到，通过对载波相位观测得到连续历元之间的电离层的变化为：式中，λi为信号i的载波相位波长，φi为信号i的载波相位观测，λj为信号j的载波相位波长，φj为信号j的载波相位观测，k
1j
为信号j的符号，k
1i
为信号i的符号。
10.进一步地，所述步骤s3中，考虑连续历元之间的电离层变化得到的连续历元之间的差异为：
式中，。
11.进一步地，所述步骤s4中，检测三频周跳的方法具体为：当连续历元之间的差异满足时，检测到一个三频周跳；其中，为线性相位组合观测的系数，为差异的方差，其计算公式为：式中，i、j和k均为信号。
12.进一步地，确定线性相位组合观测的系数时，设定如下规则：（1）电离层的影响被消除；（2）对流层和多路径的噪声不会被扩大；（3）电离层的变化根据信号频率fi确定，i=1,3，且l,m,n满足l
∙
n《0且|l|
≅
|n|。
13.本发明的有益效果为：（1）不同采样间隔的数据或磁暴中心附近采集的数据，其序列不再近似满足正态分布，利用观测值与三频数据相结合的优点，就可以通过双频相位观测值来消除电离层变化，使改进后的值能合理地用于周跳探测；（2）对于小的周跳，即使是在0.05个周期内的周跳，也可以通过使用适当的频率组合进行改进；（3）探测过程中，对于所有人工添加的周跳不会出现误判或遗漏的情况；（4）在实时数据检测中也具有较高的性能。
附图说明
14.图1为基于电离层折射的实时三频周跳检测方法流程图。
15.图2为1s和30s观测间隔电离层延迟变化序列。
16.图3为电离层变化频率分布的直方图，其中，（a）为1s观测间隔，（b）为30s观测间隔。
17.图4为不同观测采样率下的噪声方差。
具体实施方式
18.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
19.实施例1：本发明实施例提供了一种基于电离层折射的实时三频周跳检测方法，如图1所示，包括以下步骤：s1、计算gnss系统中的编码和载波相位的组合观测值；s2、基于组合观测值，计算未考虑电离层变化时连续历元之间的差异；s3、考虑连续历元之间的电离层变化，计算连续历元之间的差异；s4、根据连续历元之间的差异，对三频周跳进行检测。
20.在本发明实施例中，gnss系统中的编码和载波相位的观测结果表示如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）基于三频数据的组合理论，假定子符号l,m,n被假定属于整数领域，同时a,b,c属于实数，由此得到本实施例步骤s1中的编码的组合观测值p
abc
为：
ꢀꢀ
（3）本实施例中载波相位的组合观测值为：（4）式中，ρ为卫星和站点之间的几何距离，β
abc
为编码的电离层延迟的放大系数， ，i1为电离层的延迟在l1，t
abc
为编码观测对应的对流层延迟，m
abc
为编码观测对应的多径效应，c为真空中的光速， 为编码观测对应的卫星和接收器之间的时间误差，d
abc
为编码观测对应的硬件延迟，为代码观测的噪声，下标abc表示线性编码组合观测且a b c=1，fi为信号频率，i=1,2,3；λ
lmn
为载波相位波长，φ
lmn
为载波相位观测，β
lmn
为载波相位的电离层延迟的放大系数， ，t
lmn
为载波相位观测对应的对流层延迟，m
lmn
为载波相位观测对应的多径效应， 为载波相位观测对应的卫星和接收器之间的时间误差，d
lmn
为载波相位观测对应的硬件延迟，n
lmn
为载波相位观测对应的综合模糊度，e
lmn
为载波相位观测的噪声，非下标l,m,n为子符号，下标lmn表示线性相位组合观测。
21.根据式（3）和（4），得到历元中的综合模糊度n
lmn
： （5）其中，和为历元中的综合模糊度k和k-1，基于此，历元之间的差异可以表示为：
（6）因为少数复杂的模型化错误，如m,e和ε可以通过连续历时之间的差分来最小化，对流层和时钟误差通过形成载波减码组合而被消除，因此，忽略cδd
rs
、c(δd
lmn-δd
abc
)、δt和δn
lmn
，由此得到本实施例的步骤s2中的连续历元之间的差异的计算公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）式中，为连续历元之间差异的运算符。
22.在实时周跳检测中，由于电离层延迟的放大系数较小，上述计算公式中的总是被忽略，但是其他因素的影响，如磁暴，可能导致数据预处理中对周跳的误判，因此，本实施中的csd中应该考虑电离层的变化。
23.在本发明实施例步骤s3中，在考虑电离层变化时，具有分散特性的电离层收到若干因素的影响，特别是太阳辐射，因此，同一地区的电离层活动经常会随着地球旋转引起的太阳辐射程度而变化，通常这种影响常常被忽视，或被电离层自由组合削弱，然而由于采样率或电离层活动，公式（7）中的会发生剧烈的变化，可能导致周跳检测失败。
24.由于式（2）中参数n无法准确计算，在本实施例的步骤s3中，计算考虑电离层变化时连续历元之间的差异时，设定多径效应、观测噪声和硬件延迟的变化在连续历元之间相对稳定，且时钟误差通过无几何组合消除；同时，设定连续历元之间的差异通过无几何观测得到，通过对载波相位观测得到连续历元之间的电离层的变化 为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）式中，λi为信号i的载波相位波长，φi为信号i的载波相位观测，λj为信号j的载波相位波长，φj为信号j的载波相位观测，k
1j
为信号j的符号，k
1i
为信号i的符号。
25.从本实施例的公式（8）中，电离层的变化可以从连续纪元之间的载波相位观测得到。
26.在本发明实施例中，随着电离层活动水平或采样率不同，历时之间的电离层变化将接近正态分布，因此，csd的统计规律为在这些条件下是无效的，因此，公式（7）中应考虑电离层的变化，得到本实施例步骤s3中，考虑连续历元之间的电离层变化得到的连续历元之间的差异为：
ꢀꢀ
（9）式中，。
27.在本发明实施例的步骤s4中，检测三频周跳的方法具体为：
当连续历元之间的差异满足时，检测到一个三频周跳；在本发明实施例中，为差异的方差，计算公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）在本发明实施例中，公式（10）中i、j和k均为信号，基于公式（10），假设σ
p1
=σ
p2
=σ
p3
=0.3m，σ
l1
=σ
l2
=σ
l3
=0.01周期，各自的载波波长为λ1≈19.03cm，λ2≈24.42cm和λ3≈25.48cm，当选择abc=[1,0,0]，从公式（10）得知，取决于σ
p
。
[0028]
在本发明实施例中，为线性相位组合观测的系数，其可以取值为3,4（对应的置信度分别为99.7%和99.9%）。从上述检测公式中可以看出，的方差不仅取决于编码观测的噪声，而且还取决于决定观测是否为三频周跳的最佳相位组合系数，基于此，本发明实施例步骤s4中，确定线性相位组合观测的系数时，设定如下规则：（1）电离层的影响被消除；（2）对流层和多路径的噪声不会被扩大；（3）电离层的变化根据信号频率fi确定，i=1,3，且l,m,n满足l
∙
n《0且|l|
≅
|n|。
[0029]
实施例2：在本发明实施例中，提供了基于上述三频周跳检测方法的实例：在本发明实施例中，相位观测值l、m和n的处理组合被设为[-6,1,7]，而编码观测值a,b,c的组合被设定为[1,0,0]，假设gps观测值的现实噪声为σ
p1
=σ
p2
=σ
p3
=0.3m，σ
φ
=0.01周期，为了评估本实施例方法的性能，处理来自igs jfng站的三频gps数据，数据间隔为1秒，截断高程为10
°
。
[0030]
在本实施例中，为了分析不同采样率得出的电离层变化的特点，从国际gps服务（igs）的jfng卫星跟踪站收集了安静电离层活动条件下的数据，经计算得到结果如图2，从图2我们可以明显的看出1s观测间隔时电离层变化序列分布在零的两侧，而30s时有明显差异。相应的直方图如图3所示，1s时表示为平均值为0的正态分布（图3(a)），30s的数值表明电离层效应的高度影响（图3(b)）。
[0031]
在本实施例中，为了进一步验证噪声方差与观测间隔之间的联系，分别计算了1 s、5 s、10 s、15 s、20 s、25 s 和 30 s 时不同观测间隔的电离层变化，相应的噪声方差如图4所示。该图表明，随着采样率的增加，噪声方差变大， 因此，进行周跳检测时必须考虑电离层变化的影响。
[0032]
在本实施例中，为了评估本方法在不同采样间隔的三频数据下的性能，对卫星跟踪站的数据进行了采样，采样间隔分别为1 s、5 s、10 s、15 s、20 s、25 s 和 30 秒。在所有的卫星观测中加入人工跳变，并导出电离层变化。由于跳跃的历元和振幅是先前已知的，随着采样率的增加，当电离层变化的期望值忽略时，该方法的性能就会变差，会出现有两个历元被遗漏，有五个历元被误判的情况。然而，用改进后的方法可以正确检测到所有人为添加的跳跃，而且检测值在x轴两边近似呈正态分布。