一种利用载波相位中心值的多普勒差分补偿测速方法

摘要

本发明公开了一种利用载波相位中心值的多普勒差分补偿测速方法，包括步骤一：C/A码粗解静态接收基站和载体流动接收站位置坐标：步骤二：多普勒频移测速：步骤三：利用载波相位中心值进行差分补偿。速度的测量基于载波相位数据，且利用静态接收基站接收数据进行差分补偿载体流动接收站，有效地消除了静态接收基站和载体流动接收站共有的星历误差和大气传输误差所引起的速度偏差，因此测速精度很高。

主权项

1.一种利用载波相位中心值的多普勒差分补偿测速方法，其特征在于：具体包括以下几个步骤：步骤一：C/A码粗解静态接收基站和载体流动接收站位置坐标：(1)建立由静态接收基站和载体流动接收站组成的GPS测速系统，分别利用静态接收基站和载体流动接收站接收观测报文中的C/A码数据粗解静态接收基站和载体坐标参数；完成观测接收报文中载波相位观测值对C/A码伪距数据进行数据平滑处理，抑制C/A码伪距数据信号的多径误差，平滑C/A码伪距数据；(2)进行静态接收基站和载体流动接收站的粗略定位：${\rho }^j=\sqrt{{(X-X^s)}^2+{(Y-Y^s)}^2+{(Z-Z^s)}^2}+c·\mathrm{\Delta t}---\left(1\right)$其中：ρ^j为第j颗卫星到载体流动接收站的伪距观测量；(X，Y，Z)为载体流动接收站的地心地固坐标系三维坐标位置；(X^s，Y^s，Z^s)为第s颗卫星在地心地固坐标系中的三维坐标位置；c为光速；Δt为载体流动接收站钟差；当载体流动接收站天线同时接收到四颗以上的卫星信号时，将每颗卫星到载体流动接收站伪距数据代入公式(1)，联立4个以上方程，解得载体流动接收站天线在地心地固坐标系中的位置坐标，利用从地心地固坐标系到当地水平坐标系的转换矩阵，计算得到当地水平坐标系载体流动接收站的位置坐标，完成C/A码粗解静态接收基站和载体流动接收站位置坐标；步骤二：多普勒频移测速：多普勒频移值f_d等于信号接收频率f_r与发射频率f之间的差异：f_d＝f_r-f    (2)多普勒频移值f_d为：$f_d=\frac{(v-v^s)·l^s}{\lambda }=-\frac{(v^s-v)·l^s}{\lambda }=\frac{-\stackrel{·}{r}}{\lambda }---\left(3\right)$其中v^s为卫星的运行速度；λ为卫星发射载波信号波长；v为载体流动接收站的速度；卫星s到载体流动接收站处观测矢量的长度为卫星到载体流动接收站处的单位观测矢量为载体流动接收站相对于卫星的运行速度(v-v^s)与单位观测矢量l^s的点积等于载体流动接收站向卫星靠近的距离变化率代表卫星与载体流动接收站之间的几何距离r对时间的导数；伪距观测方程式为：${\rho }^n=r^n+\delta t_r+{\mathrm{\delta t}}^n+I^n+T^n+{ϵ}_{\rho }^n---\left(4\right)$其中，ρⁿ是第n颗卫星到载体流动接收站的伪距观测值；rⁿ是第n颗卫星到载体流动接收站的真实几何距离；δt_r是载体流动接收站钟差；δtⁿ是第n颗卫星的钟差；Iⁿ是第n颗卫星信号到载体流动接收站传播路径上的电离层延时量；Tⁿ是第n颗卫星信号到载体流动接收站传播路径上的对流层延时量；为误差总和；将伪距观测方程式对时间求导，得到：${\stackrel{·}{\rho }}^n={\stackrel{·}{r}}^n+\delta f_r-\delta f^n+{\stackrel{·}{I}}^n+{\stackrel{·}{T}}^n+{ϵ}_{\stackrel{·}{\rho }}^n---\left(5\right)$其中，是第n颗卫星到载体流动接收站伪距观测值的变化率；δf_r是未知的接收机时钟频漂；δfⁿ是第n颗卫星的时钟频漂；电离层延时变化率和对流层延时变化率忽略不计；第n颗卫星与载体流动接收站之间的几何距离变化率与载体流动接收站相对卫星的运行速度(v-vⁿ)之间的关系为：${\stackrel{·}{r}}^n=(v^n-v)·l^n---\left(6\right)$其中，vⁿ为第n颗卫星的运行速度；lⁿ是第n颗卫星到载体流动接收站处的单位观测矢量；v＝(v_x，v_y，v_z)为求解的载体流动接收站运行速度；GPS接收机精确测量的第n颗卫星多普勒频移值与伪距观测值变化率的大小关系为${\stackrel{·}{\rho }}^n=-\lambda f_d^n---\left(7\right)$将公式(7)式代入公式(5)，得到定速方程式：$-v·l^n+\delta f_r=(-\lambda f_d^n-v^n·l^n+\delta f^n)-{ϵ}_{\stackrel{·}{\rho }}^n---\left(8\right)$载体流动接收站有N个原始多普勒测量值，而每个多普勒测量值具有一个定的定速方程式，则具有N个方程式组成定速方程式矩阵方程：$G\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\\ \delta f_r\end{array}\right]=\stackrel{·}{b}+{ϵ}_{\stackrel{·}{\rho }}---\left(9\right)$式中$G=\left[\begin{array}{cc}-{\left[l^1\right]}^T& 1\\ -{\left[l^2\right]}^T& 1\\ ···& ···\\ -{\left[l^N\right]}^T& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-l_x^1& -l_y^1& -l_z^1& 1\\ -l_x^2& -l_y^2& -l_z^2& 1\\ ···& ···& ···& ···\\ -l_x^N& -l_y^N& -l_z^N& 1\end{array}\right];$$\stackrel{·}{b=}\left[\begin{array}{c}-\lambda f_d^1-v^1·l^1+\delta f^1\\ -\lambda f_d^2-v^2·l^2+\delta f^2\\ ···\\ -\lambda f_d^N-v^N·l^N+\delta f^N\end{array}\right];$${ϵ}_{\stackrel{·}{\rho }}=\left[\begin{array}{c}{ϵ}_{\stackrel{·}{\rho }}^1\\ {ϵ}_{\stackrel{·}{\rho }}^1\\ ···\\ {ϵ}_{\stackrel{·}{\rho }}^N\end{array}\right];$G由卫星和载体流动接收站在地心地固坐标系坐标得到，利用导航报文解算的卫星速度、卫星到载体流动接收站处的单位观测矢量、卫星钟差速度偏移量解算得到将载体流动接收站在地心地固坐标系中的位置代入公式(9)，通过最小二乘来求解定速方程式矩阵方程，得到载体流动接收站的速度；步骤三：利用载波相位中心值进行差分补偿：取历元t-Δt和t+Δt的载波相位观测值和作中心差分，得到历元t的载波相位中心值其中，Δt为采样间隔，为历元t的载波相位中心值；利用历元t的载波相位中心值代替载体流动接收站接收的观测量中卫星到载体的原始多普勒频移观测值，将其代入公式(8)和(9)式；静态接收基站的运动速度v_b＝0，由式(10)得到静态接收基站的载波相位中心值将静态接收基站速度和载波相位中心值代入式(8)得到静态接收基站的载波相位中心修正值(11)其中代表第n颗卫星到静态接收基站的单位观测矢量，v_b为已知静态接收基站的运动速度、f_rb表示静态接收基站的钟差；由公式(8)和(10)中包含的载体接收流动站的速度方程：将静态接收基站的载波相位中心修正值差分补偿给载体流动接收站的载波相位中心值其中f_rm表示载体流动接收站的钟差，v_m载体流动接收站的运动速度表示载体流动接收站在历元t的载波相位中心值，得到：静态接收基站接收数据和载体流动接收站接收数据的误差总和；当静态接收基站和载体流动接收站同时接收到有N个卫星测量值，联立N个方程式组成矩阵方程：$G\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ v_z\\ \delta f_{\mathrm{rb}}\\ \delta f_{\mathrm{rm}}\end{array}\right]=\stackrel{·}{b}+ϵ---\left(14\right)$其中$G=\left[\begin{array}{ccc}-{\left[l^1\right]}^T& 1& -1\\ -{\left[l^2\right]}^T& 1& -1\\ ···& ···& ···\\ -{\left[l^N\right]}^T& 1& -1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-l_x^1& -l_y^1& -l_z^1& 1& -1\\ -l_x^2& -l_y^2& -l_z^2& 1& -1\\ ···& ···& ···& ···& ···\\ -l_x^N& -l_y^N& -l_z^N& 1& -1\end{array}\right];$$ϵ=\left[\begin{array}{c}{ϵ}^1\\ {ϵ}^2\\ ···\\ {ϵ}^N\end{array}\right];$通过最小二乘计算得到运动中载体流动接收站的速度。