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第六章载波相位测量定位技术 6 1载波相位测量原理 载波相位测量是测定GPS载波信号在传播路程上的相位变化值 以确定信号传播的距离 i t j j t j i t j i j t t R j j l 载波相位测量的关键技术 重建载波 重建载波将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号 载波调制了电文之后变成了非连续的波 伪距测量与载波相位测量 载波相位测量的关键技术 重建载波 载波相位测量的关键技术 重建载波 码相关法方法将所接收到的调制信号 卫星信号 与接收机产生的复制码相乘 技术要点卫星信号 弱 与接收机信号 强 相乘 特点限制 需要了解码的结构 优点 可获得导航电文 可获得全波长的载波 信号质量好 信噪比高 卫 星 信 号 的 生 成 接 收 机 重 建 载 波 码相关法 载波相位测量的关键技术 重建载波 载波相位测量的关键技术 重建载波 平方法方法将所接收到的调制信号 卫星信号 自乘 技术要点卫星信号 弱 自乘 特点优点 无需了解码的结构缺点 无法获得导航电文 所获载波波长为原来波长的一半 信号质量较差 信噪比低 降低了30dB 平方法 载波相位测量的关键技术 重建载波 载波相位测量的关键技术 重建载波 互相关 交叉相关 方法在不同频率的调制信号 卫星信号 进行相关处理 获取两个频率间的伪距差和相位差技术要点不同频率的卫星信号 弱 进行相关 特点优点 无需了解码的结构 可获得导航电文 可获得全波波长的载波 信号质量较平方法好 信噪比降低了27dB 距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术 重建载波 GPS载波相位测量的基本原理 GPS载波相位测量的基本原理 理想情况 实际情况 载波测量观测值 某一时刻由接收机产生的参考信号的相位与此时接收到的卫星载波信号的相位差 载波相位测量的特点 优点精度高 测距精度可达0 1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题 1 载波相位观测值 观测值整周计数整周未知数 整周模糊度 载波相位观测值 6 2载波相位定位原理 2 载波相位与传播时间的关系 采用GPS时为基准 载波相位观测量 考虑卫星钟差和接收机钟差 载波相位观测量与信号传播时间关系 3 载波相位测量的观测方程 原始形式 线性化后 误差方程为 4 载波相位定位解算 观测方程改写为 未知数比码伪距方程多了j个未知参数 因此在一个观测站上仅于一个历元观测4颗以上的卫星是无法定位 当一个观测站进行静态定位时 可进行多个历元的观测 但各历元的接收机钟差不是固定值 一般可用二阶多项式来描述 静态绝对定位 若观测历元数为m个 每个历元观测n颗卫星 则总观测数为mn个 而待定参数为 3个坐标分量改正数 3个接收机时钟未知数 n个整周模糊数 总计为 6 n 个未知数 因此为了求解未知参数 观测值总数必须满足 mn 6 n 令 解算 矩阵形式V AX L 用最小二乘法可求出未知参数X 原始载波相位观测值 6 3载波相位测量相对定位 载波相位相对定位技术已成为当今GPS精密定位的关键技术差分观测值的定义将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值 虚拟观测值 差分观测值的特点可以消去某些不重要的参数 或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响差分线性组合方式 同类型同频率观测值的线性组合同类型不同频率观测值的线性组合不同类型观测值的线性组合 差分概念 1 同类型同频率相位观测值的线性组合 差分观测值 按差分方式可分为 站间差分星间差分历元间差分按差分次数可分为 一次差二次差三次差 同类型同频率相位观测值的线性组合 站间求差 站间差分 求差方式同步观测值在接收机间求差数学形式特点消除了卫星钟差影响削弱了电离层折射影响削弱了对流层折射影响削弱了卫星轨道误差的影响 观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合 星间求差 星间差分 求差方式同步观测值在卫星间求差数学形式特点消除了接收机钟差的影响 距离测量与GPS定位 观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合 历元间求差 历元间差分 差分方式观测值在历元间求差数学形式特点消去了整周未知数参数 观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合 单差 双差和三差 单差 站间一次差分双差 站间 星间各求一次差 共两次差 三差 站间 星间和历元间各求一次差 三次差 单差 双差 三差 同类型同频率相位观测值的线性组合 采用差分观测值的缺陷 求差法的缺陷 数据利用率低只有同步数据才能进行差分引入基线矢量替代了位置矢量差分观测值间具有了相关性 使处理问题复杂化参数估计时 观测值的权阵某些参数无法求出某些信息在差分观测值中被消除 观测值的线性组合 同类型同频率相位观测值的线性组合 2 同类型不同频率观测值的线性组合 L1的特性L2的特性 观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合 不同频率的载波 L1 L2 相位观测值 两个不同频率的载波 L1 L2 相位观测值间线性组合的一般形式 n m 观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合 n m的特性 观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合 常见的线性组合 宽巷组合相位观测值 宽巷组合 wide lane n 1 m 1 利于求解模糊度 测量噪声大 观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合 常见的线性组合 无电离层折射的相位观测值 无电离层折射的组合 iono free 观测值的线性组合 同类型不同频率相位观测值的线性组合 3 不同类型观测值的线性组合 不同类型双频观测值间的线性组合不同类型单频观测值间的线性组合 观测值的线性组合 不同类型观测值的线性组合 1 不同类型双频观测值间的线性组合 距离测量与GPS定位 观测值的线性组合 不同类型观测值的线性组合 1 不同类型双频观测值间的线性组合 观测值的线性组合 不同类型观测值的线性组合 1 不同类型双频观测值间的线性组合 观测值的线性组合 不同类型观测值的线性组合 1 不同类型双频观测值间的线性组合 观测值的线性组合 不同类型观测值的线性组合 2 不同类型单频观测值间的线性组合 观测值的线性组合 不同类型观测值的线性组合 6 4周跳的探测与修复 1 屏幕扫描法2 高次差法多项式拟合法MW观测值法三差法 整周跳变 周跳 CycleSlips 在某一特定时刻的载波相位观测值为如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪 则整周模糊度将保持不变 整周计数也将保持连续 但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号的连续跟踪时 在卫星信号重新被锁定后 将发生变化 而也不会与前面的值保持连续 这一现象称为整周跳变 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 整周跳变 周跳 CycleSlips 产生周跳的原因 信号被遮挡 导致卫星信号无法被跟踪仪器故障 导致差频信号无法产生卫星信号信噪比过低 导致整周计数错误接收机在高速动态的环境下进行观测 导致接收机无法正确跟踪卫星信号卫星瞬时故障 无法产生信号 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 产生周跳的原因 周跳的特点 只影响整周计数 周跳为波长的整数倍将影响从周跳发生时刻 历元 之后的所有观测值 周跳将使周跳发生后的所有观测值包含相同的整周计数错误 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 周跳的特点 解决周跳问题的方法 探测与修复设法找出周跳发生的时间和大小参数法将周跳标记出来 引入周跳参数 进行解算 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 解决周跳问题的方法 周跳的探测 修复方法 屏幕扫描法方法 人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续 特点费时 只能发现大周跳 由于原始的载波观测值变化很快 通常观察的是某种观测值的组合 如 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 屏幕扫描法 周跳的探测 修复方法 高次差法 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 高次差法 周跳的探测 修复方法 续 高次差法的原理由于卫星和接收机间的距离在不断变化 因而载波相位测量的观测值N0 Int Fr 也随时间在不断变化 但这种变化应是有规律的 平滑的 周跳将破坏这种规律性 对于GPS卫星而言 当求至四次差时 其值已趋向于零 残留的四次差主要是由接收机的钟误差等因素引起的 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 高次差法 周跳的探测 修复方法 续 高次差法的问题接收机钟差对此方法有效性的影响克服接收机钟差影响的方法 卫星间求差 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 高次差法 周跳的探测 修复方法 续 高次差法的问题即使发现相位观测值中存在数周的不规则变化 也很难判断是否存在周跳 所以双差观测值被广泛采用 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 高次差法 周跳的探测 修复方法 多项式拟合法 为了便于用计算机计算 常采用多项式拟合的方法 即根据n个相位测量观测值拟合一个n阶多项式 据此多项式来预估下一个观测值并与实测值比较 从而来发现周跳并修正整周计数 这种方法实质上和上面介绍的高次差法是相像的 但便于计算 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 多项式拟合法 周跳的探测 修复方法 续 多项式拟合法的应用特点由于四次差或五次差一般巳呈偶然误差特性 无法再用函数来加以拟合 所以用多项式拟合时通常也只需取至4 5阶即可 观测值可以是真正的 非差 相位观测值 也可以是经线性组合后的虚拟观测值 单差观测值和双差观测值 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 多项式拟合法 周跳的探测 修复方法 MW观测值法 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 MW观测值法 周跳的探测 修复方法 电离层残差法方法根据平差后的残差 进行周跳的探测与修复特点可以发现小周跳 载波相位双差观测值的残差图 距离测量与GPS定位 周跳的探测与修复 残差法 6 5整周模糊度的确定 整周未知数 整周模糊度 Ambiguity 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 整周未知数 6 5 1静态相对定位中常用的几种方法 待定参数法 经典方法1 取整法2 置信区间法XNi为模糊度的实数解mXNi s0 QNiNi 1 2为该参数的中误差置信区间为 XNi b mXNi XNi b mXNi b xt f 2 根据自由度 f n u 和置信水平 1 从t分布的数值表中查取 如 f 2500 1 99 9 b 3 28整数解在置信区间之内 3 模糊函数法 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 静态相对定位中常用的几种方法 静态相对定位中常用的几种方法 一 整数解 基本方法1 求初始解确定基线向量的实数解和整周未知数的实数解2 将整周模糊度固定为整数3 求固定解二 实数解 基线较长 误差相关性减弱 初始解的误差将随之增大 从而使模糊度参数很难固定 整数化的意义不大 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 静态相对定位中常用的几种方法 6 5 2快速定位中常用的方法 走走停停和快速静态定位法是两种具有代表性的快速定位法 确定整周未知数的方法 一 走走停停法 StopandGo 已知基线法交换天线法二 快速静态定位法快速模糊度解算法 FARA 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 快速定位中常用的方法 已知基线法 将已修复周跳 剔除粗差后的双差载波相位观测值组成法方程式 然后将已知的基线向量代入法方程式并求解模糊度参数 最后再用取整法或置信区间法将求得的实数模糊度固定为整数 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 已知基线法 交换天线法 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 交换天线法 快速模糊度解算法 FARA 由瑞士的E Frei和G Beutler提出过程 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 快速模糊度解算法 FARA 快速模糊度解算法 FARA 续 1 搜索候选模糊度 根据P XNi XNAi bmXNi 1 XNi为模糊度的实数解XNAi为相应的候选整数解mXNi s0 qNiNi 1 2为该参数的中误差b xt f 2 根据自由度 f n u 和置信水平 1 从t分布的数值表中查取 这样将 XNi b mXNi XNi b mXNi 中的所有模糊度值挑选出来 构成很多候选模糊度组合 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 快速模糊度解算法 FARA 快速模糊度解算法 FARA 续 2 确定最优整数模糊度组合 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 快速模糊度解算法 FARA 快速模糊度解算法 FARA 续 3 对备选模糊度组合进行数理统计检验1 互差检验 对XNAik XNAi XNAk进行检核 P XNijk XNAik b mxNik 1 整数模糊度实数差 XNik XNi XNk i k 1 2 r i k 对应的候选整数模糊度差 XNAik XNAi XNAkmXNik s0 qNiNi 2qNiNk qNkNk 1 22 双频检验XNi XNk分别表示对同一卫星的L1 L2载波模糊度的实数解 令 XLik XNi XNk 2 1 XLAik XNAi XNAk 2 1 P XLik XLAik b mXNLik 1 距离测量与GPS定位 整周未知数N0的确定 快速模糊度解算法 FARA 4 确认最优解的三项统计检验 将搜索出来的最优整数模糊度组合 代回原法方程式平差计算 得出基线向量解和方差阵 基线向量的整数解和初始解的一致性检验 整数解和初始解的单位权中误差的一致性检验 整数解中最小单位权中误差与次最小单位