北斗与GPS双系统宽巷载波相位混频星间差分组合方法

摘要

一种北斗与GPS双系统宽巷载波相位混频星间差分组合方法，涉及卫星定位系统和定位测量技术领域。用户接收机接收到北斗系统和GPS系统双系统各自卫星播发给用户接收机的观测数据；通过载波相位观测方程分别确定北斗系统和GPS系统宽巷载波相位整周模糊度；恢复北斗系统和GPS系统星间差分宽巷模糊度参数的整数特性；利用宽巷载波相位观测值Φ和宽巷模糊度N确定用户北斗/GPS接收机到卫星距离。本发明对不同系统不同频率宽巷载波相位进行星间差分，保持双系统星间差分宽巷模糊度参数的整数特性，能够解决北斗系统和GPS系统单系统观测卫星数不足时，如何实现高精度动态定位的问题。

主权项

1.一种北斗与GPS双系统宽巷载波相位混频星间差分组合方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：用户接收机接收到北斗系统和GPS系统双系统各自卫星播发给用户接收机的观测数据，具体包括：北斗系统的B1、B2双频伪距观测数据和B1、B2双频载波相位观测数据；GPS系统的L1、L2双频伪距观测数据和L1、L2双频载波相位观测数据；步骤2：通过载波相位观测方程分别确定北斗系统和GPS系统宽巷载波相位整周模糊度；(1)对于北斗系统：通过公式(1)确定北斗系统的宽巷整周模糊度，公式为：LMC_W·Φ_CW＝ρ_C+c·(t_r-t_Cs)-LMC_W·N_CW+O_C-I_CW+T_C+M_CW+ε′_CW    (1)式中，LMC是北斗系统载波相位的波长，下标W表示宽巷载波相位；Φ_CW是北斗系统宽巷载波相位观测值，下标C表示北斗系统；ρ_C为北斗卫星到接收机的几何距离，由测站初始位置坐标与北斗卫星坐标计算得到，其中，测站初始位置坐标是通过单系统的伪距单点定位得到，卫星坐标由接收机记录的导航文件提供；c为真空中的光速；t_r为接收机钟差，单位为秒；t_Cs为北斗系统卫星钟的钟差，下标中s表示卫星钟差；LMC_W为北斗系统宽巷载波相位的波长；N_CW是北斗系统的宽巷载波相位观测值的整周模糊度；O_C是北斗系统卫星轨道误差，即卫星位置坐标的误差；I_CW是北斗系统宽巷载波相位观测值所受的电离层延迟误差；T_C是北斗系统对流层延迟误差；M_CW为北斗系统宽巷载波相位观测值的多路径效应误差；ε_CW为北斗系统宽巷载波相位观测噪声和非模型化误差；(2)对于GPS系统：通过公式(2)确定GPS系统的宽巷载波相位整周模糊度，公式为：LMG_W·Φ_GW＝ρ_G+c·(t_r-t_Gs)-LMG_W·N_GW+O_G-I_GW+T_G+M_GW+ε′_GW    (2)式中，LMG_W为GPS系统宽巷载波相位的波长，Φ_GW是GPS系统宽巷载波相位观测值，下标G表示GPS系统；ρ_G为GPS卫星到接收机的几何距离，由测站初始位置坐标与GPS卫星坐标计算得到，其中测站初始位置坐标是通过单系统的伪距单点定位得到，卫星坐标由接收机记录的导航文件提供；t_Gs为GPS系统卫星钟的钟差；N_GW是GPS系统的宽巷载波相位观测值的整周模糊度；O_G是GPS系统卫星轨道误差，即卫星位置坐标的误差；I_GW是GPS系统宽巷载波相位观测值所受的电离层延迟误差；T_G是GPS系统对流层延迟误差；M_GW为GPS系统宽巷载波相位观测值的多路径效应误差；ε_GW为GPS系统宽巷载波相位观测噪声和非模型化误差；步骤3：以北斗系统宽巷载波相位波长为星间差分宽巷模糊度参数的系数或者以GPS系统宽巷载波相位波长为星间差分宽巷模糊度参数的系数，二者任选其一来恢复北斗系统和GPS系统星间差分宽巷模糊度参数的整数特性；其中，以北斗系统宽巷载波相位波长为星间差分宽巷模糊度参数的系数，来恢复北斗系统和GPS系统星间差分宽巷模糊度参数的整数特性包括以下步骤：步骤3.1：利用外部参考站提供的北斗系统宽巷载波相位的非差误差改正数COR_CW、GPS系统宽巷载波相位的非差误差改正数COR_GW，对步骤2中的公式(1)和公式(2)进行修正，消除对流层延迟误差、电离层延迟误差、卫星轨道误差和卫星钟误差，具体公式如下：对于北斗系统而言，修正误差后的公式为：LMC_W·Φ_CW+COR_CW＝ρ_C+c·t_r-LMC_W·N_CW+M_CW+ε′_CW    (3)式中，ε′_CW为北斗系统宽巷载波相位的观测噪声；对于GPS系统而言，修正误差后的公式为：LMG_W·Φ_GW+COR_GW＝ρ_G+c·t_r-LMG_W·N_GW+M_GW+ε′_GW    (4)式中，ε′_GW为GPS系统宽巷载波相位的观测噪声；步骤3.2：北斗系统与GPS系统间进行混频星间差分，以消除公式(3)和公式(4)中的接收机鈡差t_r，具体公式为：北斗系统与GPS系统宽巷载波相位观测值间进行混频星间差分，具体公式为：LMC_W·Φ_CW-LMG_W·Φ_GW+COR_CW-COR_GW＝ρ_C-ρ_G-(LMC_W·N_CW-LMG_W·N_GW)                                                                (5)公式(5)等式右侧的LMC_W·N_CW-LMG_W·N_GW项表示北斗系统和GPS系统的宽巷模糊度；将北斗系统和GPS系统的宽巷模糊度用宽巷模糊度整数初值和一个数值较小的整数改正量的形式来表示，公式为：${\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}={\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}^0+({\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}^{\prime })---\left(6\right)$式中，为北斗系统宽巷载波相位模糊度的初始整数解，为GPS宽巷载波相位模糊度的初始整数解；N′_CW为北斗系统宽巷载波相位整周模糊度初始整数解的整数改正量，N′_GW为GPS宽巷载波相位模糊度初始整数解的整数改正量，各宽巷模糊度的整数改正量的大小与宽巷模糊度的整数初值有关；对公式(6)进一步处理，将北斗系统中的一颗卫星的宽巷模糊度的整数改正量N′_CW、GPS系统中的一颗卫星的宽巷模糊度的整数改正量N′_GW通过星间差分形成一个宽巷模糊度参数，再以北斗系统的宽巷模糊度波长为系数，转化成星间差分宽巷模糊度，公式为：${\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}={\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}^0+{\mathrm{LMC}}_W·(N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-\frac{{\mathrm{LMG}}_W}{{\mathrm{LMC}}_W}·N_{\mathrm{GW}}^{\prime })---\left(7\right)$步骤3.3：恢复星间差分宽巷模糊度参数的整数特性，具体过程为：北斗系统和GPS系统的宽巷载波相位波长不同，求取波长比，公式为：$\frac{{\mathrm{LMG}}_W}{{\mathrm{LMC}}_W}=A---\left(8\right)$式中，A表示GPS系统和北斗系统的宽巷载波相位波长比，且有A∈(1，2)；则式(7)中的星间差分宽巷模糊度参数进一步替换为：$N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-\frac{{\mathrm{LMG}}_W}{{\mathrm{LMC}}_W}·N_{\mathrm{GW}}^{\prime }=N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-A·N_{\mathrm{GW}}^{\prime }=N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }-(A-1)·N_{\mathrm{GW}}^{\prime }---\left(9\right)$式中，N′_CW和N′_GW都为未知的整周数，即N′_CW-N′_GW为北斗系统与GPS系统宽巷载波相位星间差分后的宽巷模糊度参数，(A-1)·N′_GW是星间差分宽巷模糊度参数N′_CW-N′_GW的残余误差项，对于公式(5)则有：$\begin{array}{c}{\mathrm{LMC}}_W·{\Phi }_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{LMG}}_W·{\Phi }_{\mathrm{GW}}+{\mathrm{COR}}_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{COR}}_{\mathrm{GW}}\\ ={\rho }_C-{\rho }_G-({\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}^0+{\mathrm{LMC}}_W·(N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-\frac{{\mathrm{LMG}}_w}{{\mathrm{LMC}}_W·}·N_{\mathrm{GW}}^{\prime }))\\ ={\rho }_C-{\rho }_G-({\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}^0+{\mathrm{LMC}}_W·(N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }-(A-1)·N_{\mathrm{GW}}^{\prime }))\end{array}---\left(10\right)$步骤3.4：确定GPS宽巷模糊度的整数初值，使残余误差项消除，恢复星间差分宽巷模糊度整数特性；对于目前的GPS系统，在残余误差项取值的绝对值小于0.5时：若利用单个频率的GPS伪距观测值计算宽巷载波相位模糊度，若GPS伪距观测值不存在粗差或观测噪声，则GPS宽巷载波相位模糊度初值的偏差应小于5周；若GPS伪距观测值存在粗差，则GPS宽巷模糊度初值的偏差应小于28周；若利用双频伪距和载波相位观测值的MW组合计算GPS的宽巷模糊度初值，则宽巷模糊度初值的偏差应小于3周；对于目前的GPS系统，在残余误差项取值的绝对值小于0.25时，GPS宽巷模糊度初值的偏差应小于14周；对于上述具有不同残余误差项的情况，在宽巷载波相位模糊度初值精度范围内，也消除了残余误差项，则公式(10)化简为：$\begin{array}{c}{\mathrm{LMC}}_W·{\Phi }_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{LMG}}_W·{\Phi }_{\mathrm{GW}}+{\mathrm{COR}}_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{COR}}_{\mathrm{GW}}\\ ={\rho }_C-{\rho }_G-({\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_2·N_{\mathrm{GW}}^0+{\mathrm{LMC}}_W·(N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }))\end{array}---\left(11\right)$式中，N′_CW-N′_GW为宽巷整周模糊度，此时的整周模糊度参数N′_CW-N′_GW的解算与传统的基线模糊度解算方法相同；以GPS系统宽巷载波相位波长为星间差分宽巷模糊度参数系数，并恢复星间差分宽巷模糊度参数的整数特性，包括以下步骤：步骤3.5：对公式(6)进一步处理，将北斗系统一颗卫星的宽巷模糊度的整数改正量N′_CW和GPS系统一颗卫星的宽巷模糊度的整数改正量N′_GW，通过星间差分之后组合成一个宽巷模糊度，并以GPS系统的宽巷模糊度波长为系数，形成星间差分宽巷模糊度，公式如下：${\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}={\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}^0+{\mathrm{LMG}}_W·(\frac{{\mathrm{LMC}}_W}{{\mathrm{LMG}}_W}·N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime })---\left(12\right)$式中，为北斗系统与GPS系统宽巷载波相位星间差分组合的宽巷模糊度参数；步骤3.6：恢复星间差分宽巷模糊度参数的整数特性，具体过程为：北斗系统和GPS系统的宽巷载波相位波长不同，求取波长比，公式为：$\frac{{\mathrm{LMC}}_W}{{\mathrm{LMG}}_W}=B---\left(13\right)$式中，B表示北斗系统和GPS系统的宽巷载波相位波长比，且有B∈(0，1)；根据式(13)，则式(12)中的星间差分宽巷模糊度进一步写成：$\frac{{\mathrm{LMC}}_W}{{\mathrm{LMG}}_W}·N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }=B·N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }=N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }-(1-B)·N_{\mathrm{CW}}^{\prime }---\left(14\right)$式中，(1-B)·N′_CW为整周数N′_CW-N′_GW的残余误差项，对于公式(5)则有：$\begin{array}{c}{\mathrm{LMC}}_W·{\Phi }_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{LMG}}_W·{\Phi }_{\mathrm{GW}}+{\mathrm{COR}}_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{COR}}_{\mathrm{GW}}\\ ={\rho }_C-{\rho }_G-({\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}^0+{\mathrm{LMG}}_W·(\frac{{\mathrm{LMC}}_W}{{\mathrm{LMG}}_W}·N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }))\\ ={\rho }_C-{\rho }_G-({\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_W·N_{\mathrm{GW}}^0+{\mathrm{LMG}}_W·(N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }-(1-B)·N_{\mathrm{CW}}^{\prime }))\end{array}---\left(15\right)$如果要使星间差分宽巷模糊度参数N′_CW-N′_GW恢复整数特性，以便于进行宽巷整周模糊度解算，需要将残余误差项(1-B)·N′_CW的影响降低至不影响N′_CW-N′_GW的整周特性；步骤3.7：设置北斗系统宽巷模糊度的整数初值，使残余误差项消除，恢复宽巷模糊度整数特性；利用北斗系统伪距观测值计算北斗系统宽巷模糊度的初值，初值应满足的最低要求为：对于目前的北斗系统，在残余误差项取值的绝对值小于0.5时：若利用单个频率的北斗伪距观测值计算宽巷载波相位模糊度，若北斗伪距观测值不存在粗差，则北斗系统宽巷载波相位模糊度初值的偏差应小于5周；若北斗伪距观测值存在粗差，则北斗系统宽巷模糊度初值的的偏差应小于29周；若利用双频伪距和载波相位观测值的MW组合计算北斗系统的宽巷模糊度初值，则宽巷模糊度初值的偏差应小于3周；对于目前的北斗系统，在残余误差项取值的绝对值小于0.25时，利用单个频率的北斗伪距观测值计算宽巷载波相位模糊度，北斗系统宽巷模糊度初值的偏差应小于15周；对于上述具有不同残余误差项的情况，在宽巷载波相位模糊度初值精度范围内，也消除了残余误差项，则公式(15)即有：$\begin{array}{c}{\mathrm{LMC}}_W·{\Phi }_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{LMG}}_W·{\Phi }_{\mathrm{GW}}+{\mathrm{COR}}_{\mathrm{CW}}-{\mathrm{COR}}_{\mathrm{GW}}\\ ={\rho }_C-{\rho }_G-({\mathrm{LMC}}_W·N_{\mathrm{CW}}^0-{\mathrm{LMG}}_2·N_{\mathrm{GW}}^0+{\mathrm{LMG}}_W·(N_{\mathrm{CW}}^{\prime }-N_{\mathrm{GW}}^{\prime }))\end{array}---\left(16\right)$式中，N′_CW-N′_GW即为观测方程式(16)的宽巷整周模糊度参数，此时的整周模糊度N′_CW-N′_GW的解算与传统的基线模糊度解算方法相同；步骤4：在星间宽巷载波相位观测值混频差分整周模糊度N′_CW-N′_GW确定之后，利用公式(11)或公式(16)计算测站位置参数，然后通过测站位置参数再计算北斗系统宽巷载波相位模糊度和GPS宽巷载波相位模糊度的初始整数解，即利用确定的整周模糊度进行模糊度初始整数解的迭代计算，确定最终的整周模糊度，再利用宽巷载波相位观测值Φ和宽巷模糊度N确定用户北斗/GPS接收机到卫星距离。