一種基于多余觀測(cè)分量的整周模糊度可靠性檢驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多余觀測(cè)分量的整周模糊度可靠性檢驗(yàn)方法。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (Global Navigation Satellite System，GNSS)高精度定位中，整周模糊度的正確性、可靠性對(duì)于基線解算的結(jié)果精度有著重要意義。常規(guī)的基于假設(shè)檢驗(yàn)理論的整周模糊度可靠性檢驗(yàn)三步法是在一定置信水平下進(jìn)行的，存在錯(cuò)誤模糊度整數(shù)解漏檢的情況。本發(fā)明首先根據(jù)多余觀測(cè)分量主對(duì)角線占優(yōu)原則，通過選取參考星的方式，實(shí)現(xiàn)部分衛(wèi)星的模糊度可靠性檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于多余觀測(cè)分量主對(duì)角線不占優(yōu)的衛(wèi)星，通過記錄選取不同參考衛(wèi)星情況下，利用多余觀測(cè)分量絕對(duì)值最大的情況進(jìn)行整周模糊度可靠性檢驗(yàn)，從而完成所有衛(wèi)星的模糊度可靠性檢驗(yàn)。
【專利說明】一種基于多余觀測(cè)分量的整周模糊度可靠性檢驗(yàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及整周模糊度可靠性檢驗(yàn)方法的研宄，是對(duì)于保證全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (Global Navigation Satellite System，GNSS)基線解算精度的重要意義，是連續(xù)運(yùn)行衛(wèi) 星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System, CORS)坐標(biāo)框架完備 性監(jiān)測(cè)的重要組成部分。

【背景技術(shù)】
[0002] GNSS高精度定位的關(guān)鍵是相位整周模糊度的確定。整周模糊度求解錯(cuò)誤會(huì)嚴(yán)重影 響定位結(jié)果，因此必須對(duì)模糊度的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。GNSS基線解算中，隨著基線的增長(zhǎng)，測(cè) 站間誤差相關(guān)性減小，雙差后很難有效地消除誤差。由于受到誤差的影響，模糊度解算的成 功率下降，如何保證模糊度整數(shù)估值的可靠性，一直以來都是GNSS研宄領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
[0003]目前整周模糊度可靠性檢驗(yàn)方法絕大多數(shù)是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)中的假設(shè)檢驗(yàn)理論，大致 可以分為三步（以下稱"三步法"）：包括模糊度浮點(diǎn)解的可靠性檢驗(yàn)、模糊度浮點(diǎn)解與整數(shù) 解差異是否顯著的檢驗(yàn)、模糊度最優(yōu)整數(shù)解與次優(yōu)整數(shù)解的比較檢驗(yàn)。模糊度浮點(diǎn)解可靠 性檢驗(yàn)的目的是為了保證模糊度浮點(diǎn)解的精度，為整周模糊度的正確求解提供保障。模糊 度浮點(diǎn)解的可靠性檢驗(yàn)通常是采用方差驗(yàn)后檢驗(yàn)的方法。通過檢驗(yàn)?zāi)：雀↑c(diǎn)解驗(yàn)前方差 與驗(yàn)后方差的一致性，對(duì)模糊度浮點(diǎn)解的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。在求得模糊度浮點(diǎn)解后，經(jīng)過最 小二乘降相關(guān)（Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment，LAMBDA)算法搜 索，可以得到模糊度整數(shù)解。在求得模糊度整數(shù)解后，通過構(gòu)造服從F分布的檢驗(yàn)量來判斷 模糊度浮點(diǎn)解與整數(shù)解的差異性。在此基礎(chǔ)之上，通過對(duì)模糊度最優(yōu)整數(shù)解與次優(yōu)整數(shù)解 進(jìn)行比較。目前對(duì)模糊度整數(shù)解可靠性檢驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛的方法是以模糊度整數(shù)解中次小 和最小殘差二次型之比作為檢驗(yàn)量，通過選取臨界檢驗(yàn)值檢驗(yàn)?zāi)：茸顑?yōu)整數(shù)解與次優(yōu)整 數(shù)解顯著性差異。
[0004] 因?yàn)榛诩僭O(shè)檢驗(yàn)理論的整周模糊度可靠性檢驗(yàn)是在一定置信水平下的模糊度 整數(shù)解正確性檢驗(yàn)，存在錯(cuò)誤模糊度整數(shù)解漏檢的情況。因此，研宄提高模糊度整數(shù)解可靠 性檢驗(yàn)有著很大意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明方法在三步法的基礎(chǔ)上，分析了錯(cuò)誤整周模糊度、觀測(cè)值殘差以及多余觀 測(cè)分量矩陣之間的內(nèi)在聯(lián)系，闡述了參考星變化對(duì)多余觀測(cè)分量矩陣主對(duì)角線元素的影 響，進(jìn)而提出了一種基于多余觀測(cè)分量的整周模糊度可靠性檢驗(yàn)方法。該方法首先根據(jù)多 余觀測(cè)分量主對(duì)角線占優(yōu)原則，通過選取參考星的方式，實(shí)現(xiàn)部分衛(wèi)星的模糊度可靠性檢 驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于多余觀測(cè)分量主對(duì)角線不占優(yōu)的衛(wèi)星，通過記錄選取不同參考衛(wèi)星情 況下，利用多余觀測(cè)分量絕對(duì)值最大的情況進(jìn)行整周模糊度可靠性檢驗(yàn)，從而完成所有衛(wèi) 星的模糊度可靠性檢驗(yàn)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] I、計(jì)算整周模糊度
[0008] 采集基站觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括Ll，L2載波相位觀測(cè)值、Pl，P2偽距觀測(cè)量信息；由載波 雙差無電離層組合建立雙差觀測(cè)方差：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于多余觀測(cè)分量的整周模糊度可靠性檢驗(yàn)方法，其特征在于：首先確定殘差 值精度，然后在錯(cuò)誤整周模糊度、多余觀測(cè)分量矩陣及觀測(cè)值殘差之間的關(guān)系上，根據(jù)多余 觀測(cè)分量矩陣主對(duì)角線占優(yōu)原則，通過選擇不同的參考衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星的主對(duì)角線占 優(yōu)，進(jìn)而依據(jù)殘差值檢驗(yàn)整周模糊度的可靠性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多余觀測(cè)分量的整周模糊度可靠性檢驗(yàn)方法，具體按以 下步驟實(shí)行： (1)、采集基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括Ll，L2載波相位觀測(cè)值、Pl，P2偽距觀測(cè)量信息；由載 波雙差無電離層組合建立雙差觀測(cè)方差：
上式中，Λ▽ (·)為雙差算子；下標(biāo)"1"，"2"分別表示Ll和L2載波；λ為波長(zhǎng)；f為 載波頻率；φ為載波相位觀測(cè)值；P為站星幾何距離；c為光速；N為整周模糊度；T為對(duì)流 層延遲；O為軌道誤差；mul為多路徑效應(yīng)；Aw為寬巷波長(zhǎng)； 顧及Λ▽N2=Λ▽N1-A▽Nw以及λN= ，有 aN
Jl ~ Jl 測(cè)站的衛(wèi)地距可以通過衛(wèi)星坐標(biāo)與測(cè)站概略坐標(biāo)計(jì)算得到，由于測(cè)站為基準(zhǔn)站，多路 徑效應(yīng)影響比較小，雙差后可以忽略不計(jì)，星歷采用I⑶預(yù)報(bào)星歷，軌道誤差經(jīng)過雙差后也 能有效地削弱；上式的精度主要受到對(duì)流層延遲雙差殘余；由于長(zhǎng)基線對(duì)流層濕分量改正 精度不高，一般將干分量部分通過模型修正，對(duì)濕分量部分使用天頂對(duì)流層參數(shù)進(jìn)行估計(jì)； 對(duì)上式進(jìn)行線性化，得到：
上式中，（Λ▽P，Λ▽q，Λ▽s)為雙差觀測(cè)方程系數(shù)；（dXb，dYb，dZb)為測(cè)站b的坐 標(biāo)待估參數(shù)；若有η顆衛(wèi)星，則有n-1個(gè)雙差觀測(cè)方程

上式中，上標(biāo)"i"表示參考衛(wèi)星i;上標(biāo)"1，2…n-1"表示其它衛(wèi)星；通過多歷元連續(xù)觀 測(cè)，進(jìn)行最小二乘序貫平差，可以求得坐標(biāo)待估參數(shù)與模糊度浮點(diǎn)解向量N1;在此基礎(chǔ)上， 經(jīng)過LAMBDA算法搜索，可以得到模糊度整數(shù)解與坐標(biāo)位置參數(shù)； (2)、錯(cuò)誤模糊度對(duì)觀測(cè)值殘差的影響分析 求解整周模糊度后，將整周模糊度帶回載波雙差無電離層組合方程，可以求得殘差向 量；整周模糊度求解正確的情況下，殘差值將隨時(shí)間變化將在〇附近波動(dòng)，而錯(cuò)誤整周模糊 度將會(huì)影響觀測(cè)值殘差，使其產(chǎn)生嚴(yán)重偏差； 求得模糊度整數(shù)估值后，將模糊度整數(shù)估值帶回載波無電離層雙差觀測(cè)方程，可以得 到：
如果模糊度存在偏差SN1，經(jīng)過最小二乘后，殘差值與觀測(cè)值向量的關(guān)系可以表示為：
上式中V為改殘差值向量；δN1為錯(cuò)誤的整周模糊度偏量；Vsr為由錯(cuò)誤整周模糊度引 起的殘差值向量偏量；Qvv為改正數(shù)的協(xié)因數(shù)陣；P為載波雙差觀測(cè)值權(quán)陣；L為載波雙差觀 測(cè)陣；R為觀測(cè)值的多余觀測(cè)分量矩陣； 由上式，可得到錯(cuò)誤整周模糊度引起的殘差值向量偏量：
故當(dāng)模糊度整數(shù)求解錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤模糊度對(duì)第j顆衛(wèi)星的殘差值影響可以表示為：
觀測(cè)值殘差受到多余觀測(cè)分量大小、錯(cuò)誤模糊度數(shù)量以及錯(cuò)誤模糊度較整周模糊度真 值偏量大小的影響； 在多余觀測(cè)分量矩陣中，主對(duì)角線元素往往比較占優(yōu)，大于其所在行列的其它元素絕 對(duì)值之和；當(dāng)主對(duì)角線元素的絕對(duì)值大于同行其他元素的絕對(duì)值之和，稱之為主對(duì)角線元 素絕對(duì)占優(yōu)；通常，多余觀測(cè)分量矩陣具有對(duì)角線占優(yōu)的特性，因此當(dāng)衛(wèi)星模糊度解算錯(cuò)誤 時(shí)，錯(cuò)誤模糊度對(duì)自身觀測(cè)值殘差的影響往往大于對(duì)其它衛(wèi)星觀測(cè)值殘差的影響，對(duì)角線 占優(yōu)越明顯的衛(wèi)星，模糊度錯(cuò)誤時(shí)對(duì)自身殘差值影響越明顯； (3) 、檢驗(yàn)閥值的確定 上面的分析可以看出，殘差值的精度主要受到載波觀測(cè)值、軌道誤差以及對(duì)流層延遲 模型精度的影響；其中載波雙差觀測(cè)值引起的精度誤差在毫米級(jí)，星歷采用下載IGU星歷， 雙差后誤差也可以忽略不計(jì)；下面對(duì)使用模型估計(jì)的雙差對(duì)流層延遲精度進(jìn)行分析；在求 得整周模糊度后，雙差對(duì)流層延遲可以表示為：
由于殘差值主要受到雙差對(duì)流層延遲模型精度影響，在忽略其它誤差的影響前提下， 可以認(rèn)為殘差值的精度為σ厘米，取3倍中誤差，則殘差值的閾值為3 〇厘米，當(dāng)殘差值在 3 〇厘米以內(nèi)波動(dòng)，認(rèn)為整周模糊度求解正確，反之，認(rèn)為整周模糊度求解錯(cuò)誤； (4) 、基于多余觀測(cè)分量的模糊度檢驗(yàn) 多余觀測(cè)分量矩陣主對(duì)角線元素大小主要受到衛(wèi)星幾何分布以及參考星選取的影響； 不同的衛(wèi)星幾何分布可以影響多余觀測(cè)分量矩陣主對(duì)角元素的大小，但是由于衛(wèi)星幾何結(jié) 構(gòu)變化緩慢，短時(shí)間內(nèi)對(duì)多余觀測(cè)分量矩陣主對(duì)角線元素隨時(shí)間變化不大； 從參考衛(wèi)星的選取入手，分析選取不同參考星對(duì)多余觀測(cè)分量矩陣對(duì)角線元素大小的 影響；計(jì)算整周模糊度后，依次選取不同的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，將載波雙差觀測(cè)方程重新進(jìn) 行線性組合，可以得到不同的多余觀測(cè)分量矩陣； 首先取觀測(cè)時(shí)間段第1個(gè)歷元進(jìn)行分析，在該觀測(cè)歷元時(shí)刻，選取不同的衛(wèi)星作為參 考衛(wèi)星情況下主對(duì)角占優(yōu)的衛(wèi)星情況； 根據(jù)多余觀測(cè)分量主對(duì)角線占優(yōu)原則，通過選取參考星的方式，實(shí)現(xiàn)部分衛(wèi)星的模糊 度可靠性檢驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)于多余觀測(cè)分量主對(duì)角線不占優(yōu)的衛(wèi)星，通過記錄選取不同 參考衛(wèi)星情況下，利用多余觀測(cè)分量絕對(duì)值最大的情況進(jìn)行整周模糊度可靠性檢驗(yàn)，從而 完成所有衛(wèi)星的模糊度可靠性檢驗(yàn)； 因此，在計(jì)算得到每顆衛(wèi)星的整周模糊度之后，依據(jù)多余觀測(cè)分量主對(duì)角線占優(yōu)原則 來選取參考星，分別不同衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，對(duì)載波雙差觀測(cè)方程進(jìn)行線性組合，實(shí)現(xiàn)了相 應(yīng)衛(wèi)星觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的多余觀測(cè)分量主對(duì)角線占優(yōu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了這些衛(wèi)星的整周模糊度的可 靠性檢驗(yàn)； 而對(duì)于通過變換參考衛(wèi)星無法實(shí)現(xiàn)多余觀測(cè)分量主對(duì)角線占優(yōu)的衛(wèi)星，通過記錄選取 不同參考衛(wèi)星情況下，多余觀測(cè)分量絕對(duì)值最大的情況進(jìn)行整周模糊度可靠性檢驗(yàn)；通常 情況下，主對(duì)角線多余觀測(cè)分量絕對(duì)值越大，由于錯(cuò)誤模糊度偏差引起殘差值偏差也會(huì)越 大。
【文檔編號(hào)】G01S19/20GK104459722SQ201410640436
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】蔣建榮, 閆志躍, 曹久慧, 陳偉, 楊徉 申請(qǐng)人:中交三航局第三工程有限公司