[发明专利]一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法

说明书

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航技术领域，例如GPS、GLONASS、BD、GALILEO系统，特别是利用载波相位进行高精度定位系统中，尤其是一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法。

背景技术

在全球导航卫星系统(GPS)接收机中，可以得到伪距测量和测量分辨率为毫米级的载波相位测量值。载波相位测量是对GPS精密定位最有用的观测量。GPS定位可以概括为两类，即单点定位和相对定位。单点定位利用一点采集的观测数据和星历数据确定定点的坐标，单点定位的精度受到星历误差、钟信息和伪距测量精度等限制。相对定位利用多点采集的观测数据确定未知点相对已知点的坐标。相对定位由于抵消了星历误差、大气误差、钟误差等多种误差而能够得到更好的定位精度。

相对定位又称差分定位，差分定位根据使用的数据类型和方法不同可分为位置差分、伪距差分、伪距相位综合差分和载波相位差分。由于载波相位的测量精度要比码相位的测量精度高两至三个数量级，在已知整周模糊度的情况下，利用载波相位可以获得厘米级的差分定位精度，称之为载波相位差分技术。

载波相位测量只能测量相位中不足一个整周的小数部分和锁定载波相位后连续的整周计数。在锁定载波相位时，只能测定相位小数部分，信号经过多少整周相位是未知的，称为载波相位整周模糊度。所以利用载波相位测量值进行载波相位差分定位中，最关键的部分就是正确确定载波相位整周模糊度。

相对定位可分为相对静态定位和相对动态定位，相对静态定位方法特别是载波相位整周模糊度确定方法经过几十年的发展，已近较为成熟。过去的几十年中，国内外学者针对这一问题提出了很多解算整周模糊度的方法，如模糊度函数法、FARA方法和LAMBDA方法等。各种方法的普遍目标都是实现高效和可靠的模糊度解算，特别是对于实时性要求比较高的应用，希望能在比较短的观测时间内确定出整周模糊度，得到可靠的，高精度的导航定位信息。

随着GPS应用领域的不断扩大，快速静态、动态、高动态条件下的导航、定位、姿态测定、目标跟踪等动态快速定位技术的研究成为了GPS领域中的重要方向，快速而准确地求解整周模糊度，甚至整周模糊度在航解算(On the fly ambiguity resolution)等问题成为了更大的挑战。

载波相位整周模糊度的正确求解，目前还很难在一个历元(一个数据测量时刻)内可靠正确的求解，需一段时间多个历元的观测数据才能可靠的求解。这样在动态环境下，整周模糊度的求解相比就显得更为困难，主要原因在于在动态环境下，载波相位周跳的探测与修复相比静态测量更为困难。

在进行载波相位测量时，每次观测的测量值是一周以内的小数部分，其整周部分是通过多普勒积分由计数器累加得到的。由于仪器和外界的电子干扰，载波锁相环路的短暂失锁会造成连续整周计数的错误，这一现象称为“周跳(Cycle Slip)”。当载波相位观测量是连续的(没有周跳)，各历元观测值都含有一个共同的未知数，，即历元1的整周模糊度N0，当发生周跳时，其后所有的载波相位观测值都会含有一偏差Δ，该偏差就是中断期间所丢失的整周计数，即周跳后的载波相位观测值中含有未知数N0+Δ。

所谓周跳的探测就是利用观测的信息来发现周跳。在探测出周跳后，利用观测信息来估计丢失的周数Δ，从而修正周跳后的载波相位观测值，称为周跳的修复。在探测出周跳之后，也可将N0+Δ视为周跳后的整周模糊度而利用平差的原理求解出这个未知参数，这是一个整周模糊度的求解问题。

静态定位中，由于接收机静止不动，周跳的探测与修复问题已得到了很好的解决，在动态环境下，由于动态接收机在不断地运动中，周跳的探测与修复比静态定位要困难得多。

目前对周跳的探测和修复主要有两种方式，一种方式只利用观测信息即可探测修复周跳，如多项式拟合法、伪距和载波相位组合法、电离层残差法等等；另一种方式则不断利用了观测信息，还利用了位置的推估量，如kalman滤波方法等等。

多项式拟合法、伪距和载波相位组合法不能完全修复周跳，特别是小周跳，无法探测与修复；电离层残差法需要双频观测数据，而且对一些周跳组合不敏感；kalman滤波方法存在发散问题，特别是在运动载体机动大且机动频繁的情况下，kalman滤波方法很容易发散，而不能完全修复周跳。

所以，在动态环境下，如何有效、准确、快速的探测和修复载波相位周跳是精密定位的一个非常重要的研究方向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法。