消除导航卫星系统多路径误差的方法及多路径半天球模型的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种消除导航卫星系统多路径误差的方法，包括：建立多路径半天球模型：根据全球导航卫星系统中卫星与接收机之间的相对位置建立多路径半天球模型，用于描述多路径误差；估计多路径半天球模型值：基于多路径半天球模型估计接收机的多路径误差，估计载体参考系中不同方位角和高度角所对应的格点的多路径半天球模型值；消除多路径误差：实时获取接收机的观测数据，根据接收机的方位角与高度角获取对应的多路径半天球模型值，利用多路径半天球模型值修正观测数据，消除全球导航卫星系统多路径误差。本发明适用于静态环境下的GNSS高精度应用领域。本发明还公开了一种多路径半天球模型。
【专利说明】消除导航卫星系统多路径误差的方法及多路径半天球模型
【技术领域】
[0001] 本发明涉及全球导航卫星系统领域，尤其涉及一种消除导航卫星系统多路径误差 的方法及多路径半天球模型。
【背景技术】
[0002] 多路径效应一直是困扰高精度 GNSS (Global Navigation Satellite System，全 球导航卫星系统）测量领域的主要尚未解决的误差源。地面接收的卫星数据不但包含接收 机位置等有用信息，还包含随机观测误差和各种系统误差。其中电离层误差、对流层误差、 轨道误差、卫星钟差和接收机钟差的系统误差可以通过双频观测、双差观测以及精确的模 型修正得到消除或大大削弱。但是与站点环境相关的多路径效应通过和观测量的波形干涉 造成非线性观测相位畸变，这种误差不具有空间相关性，无法采用差分模式消除，也无法通 过线性模型估计来分离。目前国际上提出的各种多路径修正模型和算法尚存在缺陷，尤其 是它们主要用于后处理分析，难以实现实时多路径修正。理论研究表明多路径误差最大值 为信号波长的1/4。GPS的L1和L2频段对应的信号波长分别为19. 04cm和24. 44cm，则对 应最大非差相位多路径误差分别为4. 76cm和6. 11cm。对基线观测，载波相位误差最大可达 9. 52cm和12. 22cm。伪距码观测的多路径效应更复杂些也更强烈些，一般说来P码的多路 径误差可达15米，C/A码的多路径误差可达150米。随着GNSS应用的普及和深化，对定位 和测姿的精度尤其是实时精度的要求进一步提高。因此在高精度GNSS定位、测姿和形变监 测等工程应用和研究中，能否有效地消除多路径误差成为当前提高精度的关键。
[0003] 在削弱多路径误差影响的方法中除选择合适站址外（避免GNSS测站位于强反射 和强辐射环境中，但它经常受到客观条件限制），主要从提高接收机抗干扰质量和改进数 据后处理软件算法两个方向展开。在接收机硬件改进方面主要有特殊天线法、窄相关技 术、多路径削减技术MET (Multipath Elimination Technology)和多径信号延迟锁相环 MEDLL(Multipath Estimating Delay Lock Loop)等技术，基于接收机硬件和信号处理的改 进对抑制多路径误差已展现出一定的效益，但是目前还只能削弱部分多路径效应，尤其对 高度角较大的多路径误差敏感性较差。同时，硬件和天线的改进抬高了接收机的成本，限制 了它的实际应用。
[0004] 目前，数据后处理技术仍是削弱多路径效应的一个主要途径，如信噪比法、小波分 析法、经验模式分解法及基于卫星星座周日重复性的恒星日滤波等。信噪比值的变化受多 方面因素的影响，不全是多路径效应，使最终求得的双差观测值权阵发生偏差。小波分析、 经验模式分解和恒星日滤波都是基于卫星星座近恒星日重复性发展的方法（GPS卫星运行 2周的周期约为23小时56分钟），只是随机观测误差和多路径误差的分离手段不同。他 们存在共同的不足，比如计算复杂、需要对时间序列进行分析来削弱多路径误差因此主要 适用于资料后处理等，不便实现多路径效应的实时在线解算和修正；其次，在随机观测误差 和多路径误差的分离手段上，各自存在一些不足；更主要的，它们都不能摆脱对具体卫星的 依赖性，因而消除的量中还可能包含了多路径以外卫星本身具有近周日重复性的系统误差 (比如once per rev系统误差）。
[0005] 因此，为了克服上述缺陷，本发明提出了消除导航卫星系统多路径误差的方法及 多路径半天球模型
【发明内容】
[0006] 本发明提出了一种消除导航卫星系统多路径误差的方法，包括如下步骤：
[0007] 建立多路径半天球模型：根据全球导航卫星系统中卫星与接收机之间的相对位置 建立多路径半天球模型，用于描述多路径误差；
[0008] 估计多路径半天球模型值：基于所述多路径半天球模型估计接收机的多路径误 差，估计载体参考系中不同方位角和高度角所对应的格点的多路径半天球模型值；
[0009] 消除多路径误差：实时获取接收机的观测数据，根据所述接收机的方位角与高度 角获取对应的多路径半天球模型值，利用所述多路径半天球模型值修正所述观测数据，消 除全球导航卫星系统多路径误差。
[0010] 本发明提出的所述消除导航卫星系统多路径误差的方法中，所述多路径半天球模 型如以下公式表示：
【权利要求】
1. 一种消除导航卫星系统多路径误差的方法，其特征在于，包括如下步骤： 建立多路径半天球模型：根据全球导航卫星系统中卫星与接收机之间的相对位置建立 多路径半天球模型，用于描述多路径误差； 估计多路径半天球模型值：基于所述多路径半天球模型估计接收机的多路径误差，估 计载体参考系中不同方位角和高度角所对应的格点的多路径半天球模型值； 消除多路径误差：实时获取接收机的观测数据，根据所述接收机的方位角与高度角获 取对应的多路径半天球模型值，利用所述多路径半天球模型值修正所述观测数据，消除全 球导航卫星系统多路径误差。
3. 如权利要求1所述的消除导航卫星系统多路径误差的方法，其特征在于，所述估计 多路径半天球模型值的步骤包括： 获得实际接收机的观测数据；所述观测数据为载波相位或伪距观测； 设立估计参数和约束条件：所述估计参数包括几何延迟相位与浮点载波相位模糊度， 并根据所述浮点载波相位模糊度设立约束条件； 检测估计周跳并剔除野值； 拟合观测值残差，估计多路径半天球模型； 建立载体参考系； 估计载体参考系中不同方位角与高度角对应格点的多路径半天球模型值。
4. 如权利要求3所述的消除导航卫星系统多路径误差的方法，其特征在于，拟合观测 值残差并估计多路径半天球模型的步骤包括： 估计每个拟合后的观测值残差对应的卫星在天球上的位置，所述位置包括高度角和方 位角； 确定多路径半天球模型的天球的分辨率，从而确定所述多路径半天球模型的格点位置 及数量； 用相同的卫星天球位置对应的拟合后的观测值残差通过最小二乘估计相应天球格点 对应的多路径值，所有估计的格点对应的多路径值构建了所述多路径半天球模型。
5. 如权利要求3所述的消除导航卫星系统多路径误差的方法，其特征在于，接收机静 态地设置在地面上时，所述载体参考系取东向为X轴，北向为y轴；所述接收机设置在动态 载体时，所述载体参考系通常取所述动态载体的横轴为X轴，所述动态载体的纵轴为y轴。
8. 如权利要求1所述的消除导航卫星系统多路径误差的方法，其特征在于，所述消除 多路径误差的步骤包括： 实时获取接收机的观测数据； 获得所述多路径半天球模型值； 获得所述接收机连线矢量，将所述连线矢量转换至所述载体参考系； 计算所述连线矢量获得卫星的方位角和高度角，确定所述卫星所在的格点； 读取所述格点的多路径半天球模型值，修正所述观测数据的多路径误差。
9. 如权利要求8所述的消除导航卫星系统多路径误差的方法，其特征在于，所述连接 矢量转换到所述载体参考系的步骤包括： 从地心直角系转换到地理坐标系，所述地理坐标系的分量如下式表示：
式中，Φ8为几何延迟对应的相位，为除多路径误差之外的延迟，Λ (^为多路径 误差造成的载波相位畸变量。为天线测定的载波相位，Π 为多路径的额外光程差造成 的相位量，α为多路径信号的衰减因子，β为表示振幅畸变因子，Α表示畸变前载波信号的 振幅。
【文档编号】G01S19/22GK104122566SQ201410310467
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】董大南, 郑正奇, 匡磊, 陈雯, 王远飞, 曾志, 宋乐, 周锋, 蔡苗苗, 张千千, 夏俊晨 申请人:华东师范大学