CN103760586B - 一种在gps姿态测量中快速探测与修复周跳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法。主要内容有：先利用小波变换探测周跳，并记录周跳发生的历元；在记录历元处构建双差观测方程，划分为主卫星和次卫星两组方程，并利用已知基线长度的限制条件对周跳进行修复；在修复过程中，跳过了对周跳值的解算，通过修复周跳引起的错误整周模糊度来替代对原始载波相位数据的修复，以便于直接用于姿态测量计算。本发明可以探测并修复动态情况下的小周跳并与载体运动状态无关，在GPS姿态测量中，大大减少了计算量，提升了其计算效率与实时性。由于该方法与载波频率无关，所以适用于单频和双频GPS接收机。

Description

一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及GPS基于载波相位测量载体姿态角中的周跳探测与修复。

背景技术

GPS载波相位测量是高精度定位的主要方法之一，随着GPS应用领域的不断扩大，其姿态测量功能也得到了不断发展。利用GPS载波相位信号作为观测值来进行定位，其定位精度可优于毫米级，这就为利用载波相位信号确定载体姿态的可行性提供了条件。GPS实时确定载体姿态的实现，是在载体上固连多根天线(至少为三根GPS天线)，其中两两天线之间的连线称之为基线。利用各天线测量的GPS载波相位信号的相位差，来实时确定运动体坐标系相对于当地地理坐标系的角位置，完成GPS测姿的任务。

在利用载波相位测量姿态时，整周模糊度的解算是其关键问题，而在解算整周模糊度的过程中，由于树木遮挡等客观原因往往会引起整周计数出错，从而产生所谓“整周跳变”现象。周跳给相位观测量的初始模糊度引入了整周数的偏差，仅一周的跳变就会导致数十厘米的误差。

GPS卫星信号周跳的确定是载波相位测量中特有的问题。正确高效的周跳探测与修复方法为正确地求解整周模糊度、得出高精度的定位结果奠定了坚实的基础。同时，周跳的探测及修复，给载波相位测量的数据处理工作增加了不少麻烦和困难。如在利用载波相位测量姿态时，一旦发生了整周跳变，为了修复周跳，需要确定周跳值的大小，并且在修复周跳的同时，还需要重新解算初始整周模糊度，这样需要较大的计算量，不利于实时测量姿态。

发明内容

本发明的技术解决问题是：在GPS姿态测量中，如何可靠并快速的探测和修复GPS载波相位。

本发明的技术解决方案为：为解决上述技术问题，本发明提供了一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法，包括下列步骤：

(1)利用小波变换探测周跳并记录周跳发生历元；

(2)在记录历元处构建双差观测方程，并划分为主卫星和次卫星两组；

(3)通过主卫星方程解算基线矢量，并得出基线长度，将其同已知固定基线长度做差，差值同设定阈值比较。

(4)若大于阈值，则说明主卫星有周跳发生，更新主卫星，并执行步骤(3)。

(5)若小于阈值，则说明主卫星无周跳发生，次卫星有周跳发生，将主卫星方程解算出的基线矢量代入次卫星双差观测方程，解算出新的整周模糊度，以替换次卫星之前解算出的整周模糊度，从而完成修复。

上述方案中，步骤(1)具体实现时，将GPS载波相位观测信号的双差序列作为研究对象。对其进行多分辨分解，分解后的高频重构信号是研究分析的重点。若有周跳发生，在第一层高频重构信号中，会有模量极大值点出现，通过对它的确定来判定周跳发生的历元。

上述方案中，步骤(2)中，若可观测卫星数为N+1(N≥4)，从N+1中选取四颗为主要卫星，其他为次要卫星。

上述方案中，步骤(3)中所述基线矢量的解算，采用的是最小二乘法。

上述方案中，步骤(3)中，在GPS测量载体姿态情况下，已知基线是短基线，且与载体固连，长度不变。

上述方案中，步骤(3)中所述的阈值，设定为10cm。

上述方案中，步骤(4)中，卫星的更新个数为一颗，即将一颗主卫星和一颗次卫星依次替换。

本发明与现有技术相比的优点在于：利用小波变换探测周跳，可以很好的检测到小周跳，对采样率也不是很敏感，有较强的适应性；在修复时，跳过了对周跳值的计算以及对原始载波信号的修复，利用已知基线限制条件，通过直接覆盖初始整周模糊度来实现快速修复与后续姿态角解算，大大提升了实时解算姿态的效率和能力。

附图说明

图1为一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法流程图；

图2为利用小波变换探测周跳流程图；

图3为站际、星际双差示意图；

图4为基线向量示意图；

图5为利用基线限制条件修复周跳流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加明白，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

如图1所示，本发明的一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法包括：

步骤(1)利用小波变换探测周跳并记录周跳发生历元。具体如图2所示，其步骤如下：

1.构造检测序列。

2.对序列进行小波分解。

3.重构分解后的信号。

4.在第一层高频重构信号中查找模量极大值的位置。

5.记录极大值的位置，即周跳发生的历元。

由于模量极大值不能代表周跳的大小，所以在修复的时候需要借助其他手段。

步骤(2)在记录历元处构建双差观测方程，并划分为主卫星和次卫星两组。

为了减小电离层、对流层、卫星钟差、接收机钟差等观测误差，一般都要对载波相位观测量作差构成差分方程。GPS双差观测方程已经消去了大部分误差。其中双差示意图如图(3)所示，已知双天线载波相位观测方程如下：

式中是t时刻主从天线之间及卫星P,Q之间的载波相位双差观测量，是t时刻主天线到卫星P,Q的视线矢量的差向量，b_1,2(t)为t时刻主从天线之间在参考坐标系中的基线矢量，如图(4)所示。λ为载波波长，为基线两端天线及卫星P,Q之间的整周模糊度未知数，η为其他误差项。

为了简化方程，方程(1)可以表示如下

Φ(t)＝Hb_1,2(t)+λN+η (2)

假定可观测卫星数为m+1(m≥4)，式中Φ(t)为载波相位双差观测量，H为由视线双差矢量构成的m＊3型矩阵，b_1,2(t)为t时刻主从天线之间在参考坐标系中的基线矢量，N为整周模糊度，η为其他误差项，从m+1颗卫星中选取4颗卫星(其中1颗为基准)为主卫星，其他为次卫星。式(2)可以划分如下：

Φ_f(t)＝Hfb_1,2(t)+λN_f+η_f (3)

Φ_s(t)＝Hsb_1,2(t)+λN_s+η_s (4)

其中(3)式为主卫星方程，Φ_f(t)为主卫星载波相位双差观测量，N_f为主卫星双差整周模糊度，Hf为一个3＊3型矩阵，η_f为主卫星方程误差。(4)式为次卫星方程，Φ_s(t)为次卫星载波相位双差观测量，N_s为次卫星双差整周模糊度，Hs为一个(m-3)＊3型矩阵，η_s为次卫星方程误差。

步骤(3)通过主卫星方程解算基线矢量，并得出基线长度，将其同已知固定基线长度做差，差值同设定阈值比较。

由主卫星方程式(3)，基线矢量由最小二乘法解算如下：

基线长度L_b(t)可以得出如下：

L_b(t)＝[b_1,2(t)^Tb_1,2(t)]^1/2 (6)

又已知短基线为L_1，2，且为10m，两者做差得：

L_b(t)-L_1,2＝ΔL (7)

将ΔL同设定阈值做比较即可。

步骤(4)若大于阈值，则说明主卫星有周跳发生，更新主卫星，并执行步骤(3)。

若差值大于阈值10cm(阈值为1/2周，是为了修复小至1个周跳所引起的误差)，说明主卫星有周跳发生，并且导致了基线误差，所以需要更新主卫星，将主卫星同次卫星依次进行替换，并重新按照步骤(3)执行。

步骤(5)若小于阈值，则说明主卫星无周跳发生，次卫星有周跳发生，将主卫星方程解算出的基线矢量代入次卫星双差观测方程，解算出新的整周模糊度，以替换次卫星解算出的整周模糊度，从而完成修复。

由于次卫星有周跳发生，在利用GPS解算姿态时可能会用到次卫星，因此需要对周跳进行修复。

将式(5)反代入式(4)解算出正确的初始整周模糊度，用N_sn表示，由于次卫星有周跳发生所以之前的N_s计数有错误，所以这里直接用N_sn替换，从而完成修复。整体修复流程如图(5)所示。

由式(1)可知，双差模糊度一旦已知，即可解算出参考坐标系下的基线矢量b_1,2(t)，在利用三天线(两两天线最好互相垂直)进行姿态测量时，另外一条基线矢量b_1,3(t)同理可以算出。由于天线同载体固连，利用坐标变换即可解算出载体姿态角。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种的变化和变形，因此所以等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用小波变换探测周跳并记录周跳发生历元；

(2)在记录历元处构建双差观测方程，并划分为主卫星和次卫星两组，主卫星和次卫星的双差观测方程为：

Φ_f(t)＝H_fb_1,2(t)+λN_f+η_f (3)

Φ_s(t)＝H_sb_1,2(t)+λN_s+η_s (4)

其中(3)式为主卫星方程，Φ_f(t)为主卫星载波相位双差观测量，N_f为主卫星双差整周模糊度，H_f为一个3＊3型矩阵，η_f为主卫星方程误差；(4)式为次卫星方程，Φ_s(t)为次卫星载波相位双差观测量，N_s为次卫星双差整周模糊度，假定可观测卫星数为m+1，H_s为一个(m-3)＊3型矩阵，η_s为次卫星方程误差，b_1,2(t)为t时刻主从天线之间在参考坐标系中的基线矢量，λ为载波波长；

(3)通过主卫星方程解算基线矢量，并得出基线长度，将其同已知固定基线长度做差，差值同设定阈值比较，由主卫星方程式(3)，基线矢量由最小二乘法解算如下：

$b_{1,2}\left(t\right)={\left(H_f^T{H}_f\right)}^{-1}{H}_f^T\left({\mathrm{\Φ}}_f\right(t)-{\mathrm{\λN}}_f)---\left(5\right)$

基线长度L_b(t)可以得出如下：

L_b(t)＝[b_1,2(t)^Tb_1,2(t)]^1/2 (6)；

(4)若大于阈值，则说明主卫星有周跳发生，更新主卫星，并执行步骤(3)，卫星的更新个数为一颗，即将一颗主卫星和一颗次卫星依次替换；

(5)若小于阈值，则说明主卫星无周跳发生，次卫星有周跳发生，将主卫星方程解算出的基线矢量代入次卫星双差观测方程，解算出新的整周模糊度，以替换次卫星之前解算出的整周模糊度，从而完成修复，修复方式为：将式(5)反代入式(4)解算出正确的初始整周模糊度，用N_sn表示，由于次卫星有周跳发生所以之前的N_s计数有错误，所以这里直接用N_sn替换，从而完成修复；

步骤(1)具体实现时，将GPS载波相位观测信号的双差序列作为研究对象，对其进行多分辨分解，分解后的高频重构信号是研究分析的重点，若有周跳发生，在第一层高频重构信号中，会有模量极大值点出现，通过对它的确定来判定周跳发生的历元。

2.根据权利要求1所述的一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法，其特征在于步骤(2)中，若可观测卫星数为N+1，从N+1中选取四颗为主卫星，其他为次卫星，所述N≥4。

3.根据权利要求1所述的一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法，其特征在于步骤(3)中所述的基线矢量的解算，采用的是最小二乘法。

4.根据权利要求1所述的一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法，其特征在于步骤(3)中，在GPS测量载体姿态情况下，已知基线是短基线，且与载体固连，长度不变。

5.根据权利要求1所述的一种在GPS姿态测量中快速探测与修复周跳的方法，其特征在于步骤(3)中所述的阈值，设定为10cm。