CN105549056A - 一种相对定位装置及其载波整周模糊度解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相对定位装置及其载波整周模糊度解算方法，基准站接收卫星导航原始观测数据并实时传送到移动站；移动站接收卫星导航原始观测数据，并与基准站传送的卫导原始观测数据进行粗差处理，完成载波相位的周跳检测和修复，通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息。本发明增加了搜索和解算速度，快速实现高精度相对定位，保证了***的实时性和可用性。

Description

一种相对定位装置及其载波整周模糊度解算方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航相对定位装置及其整周模糊度解算方法，属于卫星导航载波相位高精度相对定位领域。

背景技术

卫星导航的发展趋势表明，动态定位将比静态定位具有更加广阔的应用天地。高精度卫星导航动态相对定位采用载波相位测量技术，其关键在于整周模糊度的正确解算。整周模糊度的求解通常采用双差法，其优点是接收机间求一次差，可以消除卫星钟差及星历误差的影响，减少对流层和电离层折射的影响，尤其当基线较短时效果更加明显。然而，相对于同一个历元内的原始观测数据而言，在接收机和卫星之间求双差后，各个观测量之间不再是相互独立的，这样容易造成整周模糊度求解的不稳定性。因此，模糊度的去相关成为模糊度求解的核心部分。目前，常用的算法有快速模糊度确定法(FAST)、模糊度函数法、最小二乘搜索法、最小二乘模糊度降相关平方差法(LAMBDA)。这些方法中，FAST是一种特殊的连续递归算法，其搜索时间过长，很难进行实时运算；模糊度函数法求解模糊度不便于研究解的统计性质；整数最小二乘方法是应用整数最小二乘原理来求取模糊度的整数估值的。为了提高整数最小二乘方法的搜索速度，最小二乘模糊度降相关平差LAMBDA算法是通过对模糊度浮点解及其协方差阵做整数变换，降低模糊度间的相关性，缩小了模糊度的搜索空间，可以大大缩短搜索时间的一种模糊度搜索方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对相对定位中的整周模糊度快速搜索的解算方法，基于LAMBDA方法，在解算出模糊度的浮点解后，通过联合降相关算法，有效降低变量间的相关性，增加了搜索和解算速度，快速实现高精度相对定位，保证了***的实时性和可用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种载波相位差分相对定位装置，包括基准站和移动站；所述的基准站包括一个卫导天线、一台卫星导航接收机、一台数据收发设备，卫星导航接收机通过卫导天线接收卫星导航原始观测数据，并通过数据收发设备实时传送到移动站；所述的移动站包括一个卫导天线、一台卫星导航接收机、一台数据收发设备以及综合信息处理模块，卫星导航接收机通过卫导天线接收卫星导航原始观测数据，数据收发设备接收基准站发出的卫星导航原始观测数据，综合信息处理模块将数据收发设备接收的卫星导航原始观测数据与卫星导航接收机输出的卫导原始观测数据进行粗差处理，完成载波相位的周跳检测和修复，通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息。

本发明还提供一种上述的整周模糊度解算方法，包括以下步骤：

(1)基准站和移动站的卫星导航接收机分别接收卫星导航原始观测数据，包括时间、卫星号、伪距信息、载波相位信息的卫星星历；基准站将卫星导航原始观测数据送入数据收发设备，移动站将卫星导航原始观测数据直接送入综合信息处理模块；

(2)基准站的数据收发设备将卫星导航原始观测数据按照RTCM格式发送给移动站，移动站的数据收发设备接收卫星导航原始观测数据后送入综合信息处理模块；

(3)综合信息处理模块对卫星导航接收机和数据收发设备送入的卫星导航原始观测数据进行周跳探测和修复；

(4)将完成周跳探测和修复的卫星导航接收机和数据收发设备送入的卫星导航原始观测数据形成双差方程；采用最小二乘法，对双差方程进行求解，解算出模糊度的浮点解；

(5)以整周模糊度变量a构建的目标函数设置搜索空间为一个多维的椭球区域，中心在椭球形状由协方差矩阵控制，大小由所选择的常量χ²控制；

(6)采用联合降相关法变换搜索空间；

(7)确定搜索空间的大小；

(8)求得模糊度集合的值，并将每一个代入求出最大值和最小值，如果最大值与最小值的比值大于3，则最大值对应即为最佳解；否则返回步骤(1)。

本发明的有益效果是：能够实时高精度地测量分别装有基准站和移动站的两个载体间的相对位置和速度信息，位置精度达到厘米级。由于发送数据采用RTCM格式，对数据链路的资源需求小，可以有效提高数据发送的频率。本发明提供的相对定位装置及其整周模糊度解算方法能够有效地由于飞机着陆、着舰和编队飞行，提供可靠有效地保障。

附图说明

图1是相对定位装置组成框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明主要包括以下几方面的内容：

(一)载波相位差分相对定位装置

高精度卫星导航相对定位采用载波相位测量技术，相对定位装置由基准站和移动站组成。基准站将卫星导航原始观测数据实时传送到移动站，由一个卫导天线、一台卫星导航接收机以及一台数据收发设备组成；移动站接收基准站的发送数据并进行数据的粗差处理、周跳检测和修复、载波相位双差和整周模糊度的求解，由一个卫导天线、一台卫星导航接收机、一台数据收发设备以及综合信息处理模块组成。基准站和移动站的卫星导航原始观测数据采用相同时间的历元的原始观测量做双差，构建载波相位双差观测方程，实现整周模糊度的求解。通过载波相位双差可削弱甚至消除轨道误差、钟差和大气误差的影响，进行实时数据处理，从而实时确定基准站和移动站的相对位置和速度。

卫导天线：接收导航信号。采用抗干扰天线，提高抗干扰能力，增大信噪比。

卫星导航接收机：对接收到的信号进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量。

综合信息处理模块：将基准站和移动站解析出的原始观测数据进行粗差处理、完成载波相位的周跳检测和修复，保证观测数据的有效性和可靠性；通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息，。

数据收发设备：基准站的数据收发设备将基准站接收机的输出观测量按照载波相位双差的数据格式(RTCM)，通过数据收发设备发送给移动站，移动站的数据收发设备接收基准站的原始观测信息并与本站的卫导原始观测量做双差，削弱甚至消除电离层误差、对流层误差、接收机钟差和卫星钟差的影响。

相对位置显示单元：移动站中的综合信息处理模块将解算出基准站和移动站的相对位置信息，并送到显示单元进行显示。

(二)整周模糊度解算方法

在利用卫星信号载波相位进行相对定位解算时，为了获得高精度，必须对原始观测数据的载波整周模糊度进行解算，因此，整周模糊度解算是载波相对定位技术中的一个关键问题。

由于卫星导航信号结构的限制，在相位观测量中总包含着一个未知的初始相位整周数。动态精密定位中，整周模糊度一般在模糊度域进行搜索确定。首先要确定初始解，即利用伪距和载波相位观测信息经联合平差得到模糊度初值，又称浮点解。一般采用在某一空间进行搜索的方法得到模糊度整周解。

本发明中选择卫星导航数据中的时间作为相对定位处理的参考基准时间。本发明提供的相对定位装置按照步骤(1)至步骤(8)的顺序循环运行，具体步骤如下：

(1)卫导接收机对对卫星导航数据的接收，观测数据包括时间、卫星号、伪距信息、载波相位信息的卫星星历；基准站将数据送入发射链路，移动站将数据直接送入综合信息处理模块；

(2)基准站数据发送设备将以上数据按照RTCM格式发送给移动站，移动站数据接收设备将数据接收后送入综合信息处理模块；

(3)基准站的数据和移动站的数据在综合信息处理模块中首先进行周跳的探测和修复；

在GPS和BD两种卫星导航***的相对定位中，接收机在某频点i的载波相位观测方程分别为：

式中：λ_i为波长，为载波相位观测量，ρ(t)为接收机和卫星间的几何距离，δρ_ion,i为电离层影响的误差，δρ_trop为对流层误差，cdt_r为接收机钟差，cdt_T为卫星钟差，N_i为整周模糊度。

在同一历元的载波相位观测值中观测方程的伪距做差可以大大减弱电离层延迟的影响，相邻历元的载波相位观测值间作差，可以有效地减弱以上误差的影响。

(4)将处理后的数据形成双差方程。采用最小二乘法，对双差方程进行求解，解算出模糊度的浮点解；

在卫星导航的载波相位测量中，其线性化的双差观测方程(忽略误差)可以表示为：

y＝A·a+B·b

假设移动站和参考站可以同时观测K+1颗卫星，选择高度角较大的卫星作为参考卫星，这样就可以构造K个双差观测方程，双差方程通常定义为基准站观测两颗卫星S^j和S^k得到的卫星间单差与移动站观测两颗卫星S^j和S^k得到的卫星间单差再作差。

其中：

其中λ为波长，伪距，ρ^k分别为第k个卫星的载波相位和伪距，表示双差相位观测矢量；表示双差模糊度，表示方向余弦矢量；

(5)设置搜索空间

假定以整周模糊度变量a构建的目标函数为

这是一个多维的椭球区域，中心在椭球形状由协方差矩阵控制，大小由所选择的常量χ²控制，这里χ²为正数。

(6)采用联合降相关法

对浮点解及其协方差矩阵进行降相关处理，降低变量间的相关性，变换搜索空间，提高搜索效率。联合降相关基本思想是通过一个可逆的整数线性变换，将当前的模糊度空间映射到另外一个空间，降低模糊度之间的相关性，从而极大地压缩可能的模糊度组合的数目。

(7)确定搜索空间的大小；

对于模糊度搜索的多维椭球区域，其搜索空间的大小完全取决于χ²选择，为了获得合理χ²值，存在多种选择的办法和手段，在实际应用中经常考虑搜索空间内至少存在两个整数矢量的这种方式。

(8)搜索模糊度的固定解，判断模糊度固定解的解算是否成功。

通过求得模糊度集合的值，并将每一个代入求出最大值和最小值，如果最大值与最小值的比值大于3，则最大值对应即为最佳解。

本发明的实施例给出了一种通用的卫星导航载波相位差分相对定位***及其周跳的修复方法。

所述的载波相位差分相对定位***如图1所示，由基准站和移动站组成，其中基准站只负责将接收机输出的原始数据发送给移动站进行载波相位差分处理，检测和修复载波相位的周跳，解算整周模糊度，输出相对定位信息。由于基准站只是将原始观测数据记录并发送给移动站，并没有对原始数据进行处理，因而没有综合信息处理模块。该装置的实现流程图所示，各部分的功能将简述如下：

卫导天线：接收导航信号。采用抗干扰天线，提高抗干扰能力，增大信噪比。

卫星导航接收机：对接收到的信号进行捕获跟踪，采用码相关进行时间对齐，并对导航信号中的电文进行解析，输出各卫星的星历和观测量。

综合信息处理模块：将基准站和移动站解析出的原始观测数据进行粗差处理、完成载波相位的周跳检测和修复，保证观测数据的有效性和可靠性；通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息，。

数据收发设备：基准站的数据收发设备将基准站接收机的输出观测量按照载波相位双差的数据格式(RTCM)，通过数据收发设备发送给移动站，移动站的数据收发设备接收基准站的原始观测信息并与本站的卫导原始观测量做双差，削弱甚至消除电离层误差、对流层误差、接收机钟差和卫星钟差的影响。

相对位置显示单元：移动站中的综合信息处理模块将解算出基准站和移动站的相对位置信息，并送到显示单元进行显示。

本发明中涉及到的卫星***包括GPS***和我国的BD***。GPS***中使用L1、L2频点的信息，BD***中使用民用信号的B1、B2频点的信息。两种卫星导航***既可以单独使用，也可以联合使用。其整周模糊度的实现如所示，包括以下内容：

1、数据观测量

该装置需要使用基准站和移动站的卫星导航信息，其中包括伪距、载波相位观测量以及多普勒和信噪比。记录的数据中包括：数据生成时间、卫星数量N、卫星号n(针对GPS和BD而言，n＝1，2……32，根据校验码验证是GPS***还是BD***)、卫星n的伪距、卫星n的伪距测量精度、卫星n的载波相位、卫星n的载波相位测量精度、多普勒、载噪比以及校验码(包含频率信息)。

2、基准站发送信息及其格式

基准站将数据信息通过数据收发链路实时地发送给移动站，数据发送格式按照国际上广泛采用的差分相对定位的数据格式RTCM。数据按帧发送，其帧机构如下表所示，其中包括帧同步码、数据长度、数据段和奇偶校验(CRC)。

表1：基准站发送数据的帧结构:

数据报头包含参考站信息，单频还是双频信息，具体信息见表2。

表2：数据报头信息:

数据域名	位数(bits)
		信息编号(如“1001”＝0011 1110 1001)	12
参考站的ID	12
		星历时间	30
同步标志	1
		处理的卫星信号数量	5
平滑因子	1
		平滑间隔	3
总位数	64

卫星信息：包含卫星号、伪据、载波相位，具体见表3：

表3：待发送的卫星信息(GPS为例)

根据表2和3，可以计算出数据段的长度为：8+15.625*Nbytes，N代表总共接收的卫星数量，其中每一bytes占8bits；根据同时收12颗卫星计算，数据段长度为195.5bytes，共占200bytes，合为1600bits。加上每一帧中的同步位和校验位，共1648bits

GPS和BD双***需要发送的数据量。为了保证卫星导航数据的可靠性和安全性，目前大多采用GPS和BDS双***工作，因而双***的数据容量为：1648*2＝3296bits。

3、周跳探测和修复方法

在同一历元的双频载波相位观测值中，观测量受到对流层误差、接收机和卫星钟差的影响基本一致，因此双频载波相位观测值中观测方程的伪距做差可以大大减弱电离层延迟的影响。

当采样间隔较短时，电离层残差的相关性较大，相邻历元的载波相位观测值间作差，可以有效地减弱以上误差的影响。

在某一频点上，使用后一历元的载波相位信息减去前一历元的载波相位信息作为判断该频点是否发生周跳的观测量，若该观测量发生突变，则有周跳发生，其周跳即为突变的差量。

4、最小二乘法求解浮点解

在载波相位测量中，其线性化的双差观测方程(忽略误差)可以表示为：

y＝A·a+B·b

其中：y表示双差模式下的观测值向量，a表示未知的整周模糊度向量，b表示未知的位置参数向量，A和B分别为模糊度向量和位置参数向量的系数矩阵。

假设移动站和参考站可以同时观测K+1颗卫星，选择高度角较大的卫星作为参考卫星，这样就可以构造K个双差观测方程，双差相位通常定义为同一历元上两个接收机j和k观测两颗卫星S^j和S^k得到的接收机双差方程系数。

其中假定λ为波长，为第k个卫星的载波相位，表示双差相位观测矢量；

A＝-λ

N^k表示双差载波相位模糊度向量；

表示方向余弦矢量

b＝[δXδYδZ]^T表示基线坐标

将a，b组成竖向量[a；b]，于是有y＝A·a+B·b＝[AB][a；b]

其中假定G＝[AB]

则最小二乘法的浮点解为：

其中的协方差矩阵为:

代表的协方差矩阵；

代表的协方差矩阵；

代表的互协方差矩阵；

5、设置搜索空间

在求出整周模糊度的浮点解后，可以利用最小二乘法构建目标函数。当目标函数达到最小值时的整周模糊度变量的取值即为最优的解。假定以整周模糊度变量a构建的目标函数为

这是一个多维的椭球区域，中心在浮点解椭球形状由协方差矩阵控制，大小由所选择的常量χ²控制，整周模糊度解的搜索效果是不会理想的，其原因主要在于第一：双差模糊度的估计精度通常较差，特别在短时间观测时情况更加明显；第二：双差模糊度通常具有很大的相关性，这种相关性将导致多维的椭球搜索空间被拉的很长。采用降相关法能够将搜索区域简化为一个近似的圆的区域。

6、联合降相关法去相关性

联合降相关基本思想是通过一个可逆的整数线性变换，将当前的模糊度空间映射到另外一个空间，降低模糊度之间的相关性，从而极大地压缩可能的模糊度组合的数目。假设去相关处理后的模糊度矢量表示为K，相应协方差为模糊度转换矩阵Z，则可以得到:

变换后的模糊度搜索空间变为：

为了保持模糊度的整数特性，实现原始搜索空间到转换后搜索空间的一一对应，转换矩阵中元素需要始终保持为整数。由于模糊度转换矩阵的整数约束条件，双差模糊度去相关处理，需要多次整数变换构成，同时也很难彻底消除双差模糊度相关性，只能降低双差模糊度相关性，去相关处理并没有改变搜索空间的体积，只能降低双差模糊度相关性，使得转换后的搜索空间变得更加圆。

7、搜索空间大小的确定

变换后的模糊度搜索空间为：

${(k-\hat{k})}^T{Q}_{\hat{k}}^{-1}(k-\hat{k})\≤{\mathrm{\χ}}^2$

对于模糊度搜索的多维椭球区域，其搜索空间的大小完全取决于χ²选择，为了获得合理χ²值，存在多种选择的办法和手段，在实际应用中经常考虑搜索空间内至少存在两个整数矢量的这种方式。

χ²值确定：在去相关处理后得到的新的实数模糊度估计矢量进行简单的取整处理，得到最接近的整数矢量K1，然后将K1中的一个元素保持原值，其它元素取次接近的整数，再可构造n个这样的整数矢量K′₁,K′₂,…,K′_n(对于n维整数矢量)，从而总共有n+1个整数矢量。利用得到的整数矢量集{K1,K′₁,K′₂,...,K′_n}中的每一个矢量，分别替代不等式中的K，取等式成立，计算出相应的χ²值，这时可以得到n+1个不同的χ²值，取其中次最小的χ²值，构造模糊度搜索空间。

8、变换后的整周模糊度的最优解

确定了χ²值，就可以依照进行搜索。上式等效为

等效为：

从而求出的值，通过反变换即可求得的值。

其中即为最后所需之整周模糊度整数解，并将所有的值代入得到最大值对应的值为最佳解。

Claims (2)

1.一种相对定位装置，包括基准站和移动站，其特征在于：所述的基准站包括一个卫导天线、一台卫星导航接收机、一台数据收发设备，卫星导航接收机通过卫导天线接收卫星导航原始观测数据，并通过数据收发设备实时传送到移动站；所述的移动站包括一个卫导天线、一台卫星导航接收机、一台数据收发设备以及综合信息处理模块，卫星导航接收机通过卫导天线接收卫星导航原始观测数据，数据收发设备接收基准站发出的卫星导航原始观测数据，综合信息处理模块将数据收发设备接收的卫星导航原始观测数据与卫星导航接收机输出的卫导原始观测数据进行粗差处理，完成载波相位的周跳检测和修复，通过载波相位双差处理建立双差观测方程，实现整周模糊度的解算并输出相对定位信息。

2.一种权利要求1所述相对定位装置的载波整周模糊度解算方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)基准站和移动站的卫星导航接收机分别接收卫星导航原始观测数据，包括时间、卫星号、伪距信息、载波相位信息的卫星星历；基准站将卫星导航原始观测数据送入数据收发设备，移动站将卫星导航原始观测数据直接送入综合信息处理模块；

(2)基准站的数据收发设备将卫星导航原始观测数据按照RTCM格式发送给移动站，移动站的数据收发设备接收卫星导航原始观测数据后送入综合信息处理模块；

(3)综合信息处理模块对卫星导航接收机和数据收发设备送入的卫星导航原始观测数据进行周跳探测和修复；

(4)将完成周跳探测和修复的卫星导航接收机和数据收发设备送入的卫星导航原始观测数据形成双差方程；采用最小二乘法，对双差方程进行求解，解算出模糊度的浮点解；

(5)以整周模糊度变量a构建的目标函数设置搜索空间为一个多维的椭球区域，中心在椭球形状由协方差矩阵控制，大小由所选择的常量χ²控制；

(6)采用联合降相关法变换搜索空间；

(7)确定搜索空间的大小；

(8)求得模糊度集合的值，并将每一个代入求出最大值和最小值，如果最大值与最小值的比值大于3，则最大值对应即为最佳解；否则返回步骤(1)。