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龙源期刊网 综合利用GNSS伪距/相位组合及电离层残差法探测和修复周跳的研究作者：常晓磊鲁小强罗伟李云云来源：硅谷2013年第14期摘 要 卫星导航定位技术GNSS在测绘、航天、军事和遥感领域都得到了广泛的应用。随着技术的发展，如何提高对GNSS中周跳的探测和修复是我们面临的首要问题。本文主要针对GNSS中的周跳问题，阐述了伪距/相位组合，电离层残差法探测和修复周跳的原理与方法。建立仿真模型，确立周跳探测与修复算法评判标准，分别对两种方法进行仿真，通过仿真得出，伪距/相位差法适合修复大周跳，电离层残差法能对小周跳进行探测，在单独使用一种方法时均存在一定的缺陷，仿真分析发现，两种方法联合应用，能克服各自缺点，适合多种条件下的周跳探测与修复。关键词 卫星导航定位技术；周跳探测；伪距测量中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0047-03卫星导航定位技术GNSS，是由美国国防部建立的高进度的定位技术。而应用这种卫星导航定位技术定位的一个重要工作就是周跳的探测和修复。如果载波相位的观测值中周跳没有被准确的探测和修复，会给后续的工作造成很大的困难，这会直接影响到卫星定位的精度。正确有效地对周跳进行探测和修复为准确的定位奠定了基础，所以周跳的探测和修复是GPS定位系统中的重要环节目前周跳探测的方法很多，主要包括多项式拟合法、伪距/载波相位组合法和电离层残差法等，但是每种测量方法都存在着一定的局限性，本文提出了一种伪距/载波相位组合法和电离层残差法相结合的方法，使得周跳探测和修复更加准确，进而达到更加准确的定位系统。基于这种周跳探测的方法具有更高的准确性，所以具有一定的研究意义和市场价值。本文通过对国内外GNSS中周跳的探测和修复技术状况的研究，研究了一种伪距/相位测量方法和电离层残差法相结合的探测修复方法；对GNSS周跳探测的基本原理进行详细的介绍，其中包括伪距/相位测量方法和电离层残差法；对软件仿真的结果进行比较，发现单独的每种方法都存在着不足，只有伪距/相位测量方法和电离层残差法相结合才能更好地实现GNSS周跳的探测和修复。1 GNSS周跳探测和修复的基本理论1.1 GNSS技术目前来看GNSS是全球卫星导航系统的简称，该系统能够实现对位置和时间进行定位的功能，该系统主要由一颗或者多颗卫星组成，同时需要机载接收机系统对信号进行接收。GNSS还泛指一些现实中存在的各种卫星定位系统。GNSS技术的一个重要应用就是GPS定位系统，下面我们主要以GPS中周跳的探测和修复技术为主进行研究。1.2 GNSS在运行过程中产生的周跳及其现实影响对于卫星定位系统而言，周跳是在观测过程中时常发生的问题，在工作过程中，需要有地面接收机对卫星信号进行定点接收，整个接收过程是持续的，在接收过程中接收机会根据相位周期进行适当变化。从卫星定位系统的实际工作来看，地面接收机接收卫星信号的过程中会受到诸多因素的干扰，传输过程经常会遇到中断现象。信号中断之后，再进行断点续传，就需要对之前断开的相位点进行重新定位，导致了相位不连续现象的出现，无法满足信号传输的实际要求，并且断点之后的相位均值也发生了变化和误差，这种误差称之为周跳。1.2.1 形成周跳的具体原因目前来看，形成周跳的原因主要分为以下几种。1）卫星信号由于环境原因发生中断，导致卫星信号不能够进行连续传输，使相位周期发生变化，引起周跳。2）卫星信号的信噪比控制的过低，主要是由接收机的位置及路径设置存在问题，同时卫星高度偏低造成的。3）接收机本身出现问题，由于接收机属于精密设备，在运行中受到干扰等原因会发生损坏，由此导致了接收信号出现差额，最终引起周跳现象的发生。4）外界干扰过于强烈，使接收机的载波跟踪环路无法正常工作，导致接收机收到的信号失去锁定。1.2.2 发生周跳之后会对定位精度产生怎样的影响在具体测量过程中，需要保证定位的精度在允许的范围之内，如果观测数据中的周跳普遍在10周以上，则很容易观测，一旦周跳在10周以下，观测难度很低，会对定位的精度造成影响。据调察显示周跳对点位坐标的影响主要取决于：观测的卫星数、卫星组成的几何图形和周跳影响分量的大小和次数。只有对周跳进行有效的探测和修复，才能保证卫星定位系统的数据处理获得准确的数据，保证信号传输质量。由此可见，对周跳进行修复具有重要的现实意义。1.3 周跳的特征及其检测与测量过程分析1.3.1 周跳的特征分析以下为完整的相位观测值的具体公式：其中：表示初始整周未知数；表示整周计数；表示不足一周的小数部分。1.3.2 观测值周跳检验主要是由所具有载波特性的相位和码距而组成，要想获得准确的检测数据，就要对观测值进行有效组合，对重点周跳进行检验。在卫星定位系统中，在观测过程中，为了获得准确的观测结果，应合理利用虚拟观测方法及载波相位观测，目前来看，线性组合主要是指相同的观测值相减而形成差值观测值。同一类型不同频率的观测值间的线性组合；不同类型的双频观测值间的线性组合。2 GNSS周跳探测方法研究周跳的检测分为大周跳探测和小周跳探测，其中GNSS伪距/相位组合测量适合大周跳探测，而GNSS电离层残差检测量适合小周跳探测，任何一种单独使用都会存在弊端，所以本章最后提出一种两者结合的方法实现周跳探测和修复。2.1 GNSS伪距/相位组合测量原理这种方法用到的是相位和伪距的组合，W-M组合的观测值为：伪距/相位组合的观测值的特点是：1）解决接收机存在的误差问题，缓解观测过程中存在的噪声以及多路径影响。2）有效降低波长，并使噪声量降到最低。3）保证整个计算结果为整数。在具体的相位法探测过程中，无须观测站和卫星轨道数据即可对整个信号传输过程进行分析，同时，在测量过程中只是需要提供单个接收机的定位数据即可。目前该方法得到了广泛的应用，对静态定位和动态定位起到了良好的效果。对于目前使用较多的双频P码接收机，这种测量方法具有重要应用。2.2 GNSS电离层残差检测量原理对于比较小的周跳，最好的探测方法是电离层残差法。它主要是利用电离层残差检测历元间的变化来探测是否有周跳的出现。同一个历元的双频载波相位测量之差为：其中：，主要代表L1的电离层残差，是具体的载波相位测量电离层延迟的具体表现。只有两个载波相位的周跳之比等于或接近，才能保证整体测量效果准确。2.3 伪距/相位组合和电离层残差法相结合伪距/相位组合对各个不同频段的相位观测值所代表的周跳进行检测，一旦发现周跳偏离正常值范围，立即采取修复措施。考虑到这种检测方法和修复方法难度较低，该种方法在实际中得到了广泛的应用，对解决周跳问题十分有效。考虑到其优点，该方法与电离层残差法形成了有效的互补。主要的方法是先用伪距/相位组合对大周跳进行探测和修复，然后再利用电离层残差法与伪距/相位组合法，实现对周跳问题的有效解决。这种组合方式主要是利用了伪距/相位组合方法，将载波相位的周跳调节变小，使其数值降低到8周以下。调节之后，用电离层残差的方法对调节后的周跳进行全面检测，保证调节后的周跳满足实际要求，并测量调节之后的周跳值。在测量过程中，应正确选取周跳值，保证整体检测的准确性。3 仿真与分析为了保证对周跳的正确探测和修复，应采取互补结合的方法，提高周跳检测盒修复的整体效果。在此过程中，应合理选择周跳划分范围，对周跳值在7以上的，选择伪距/相位法，对于周跳在7以下的，选择电离层残差法探测。如图1、2和3指出了伪距/相位和电离层残差法周跳探测在历元之间的变化状况，由于这些量对周跳都是比较敏感的，所以可用于对周跳进行探测修复。在卫星L1载波的第11和26历元上加上-9和23周的周跳，在L2上的第29和46历元上加上18和-15周的周跳，在L1和L2的44历元处分别加上4和-2周周跳，在第56历元上分别加上4周周跳。从图4和图5中，我们可知相位/伪距测量量在L1上的第11历元探测出-9周周跳在26历元上探测出了22周周跳，在L2上的第29历元探测出了19周周跳，在46历元探测出-15周周跳，没有完全的修正周跳，残留了小周跳。这就说明了相位/伪距法有一定的局限性，所以需要电离层残差法进行进一步的修复。从图6可知，在第26、29、44和56历元处都有比较小的周跳，但由于周跳发生的载波难以跟踪，所以无法确定周跳的具体位置，由此应利用电离层残差法进行深入分析，可以选择整数来计算周跳分离数据。表1表示的是从7，-7中搜索并求出的N1和N2的值。从上述分析可知，在对周跳进行分析过程中，应对电离层残差法和相位法进行有效结合，以此来提高整体检测精度，对周跳进行全面检测，满足实际检测需要。4 结论本文通过对资料的查阅，并对实验的数据进行分析，发现伪距/载波组合适合大周跳的探测，电离层残差法适合小周跳的探测，单独使用每种探测方法都存在这周跳探测不准确的问题，进而影响了卫星定位的精度，所以提出了一种伪距/载波组合和电离层残差法相结合的周跳探测和修复方法。并通过实验证明此方法是可行的。参考文献1牛人军.GPS载波相位定位中周跳探测方法的研究D南京：东南大学，2006.2黄爱萱，吴云