一种bds和gps观测信息融合的宽巷模糊度解算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及全球导航卫星系统（GNSS)卫星定位方法，特别涉及基于载波的多频 多系统RTK(Real-Time Kinematic)中模糊度的快速准确解算。
【背景技术】
[0002] 基于载波的RTK (Real-Time Kinematic)技术是目前应用范围最广的GNSS精密定 位技术之一，它能够让用户便捷、实时地获得厘米级的定位结果，已在精密工程测量、国土 资源调查等领域等到广泛应用。近年来随着我国北斗系统（BDS)的运行，Galileo、IRNSS 等建设推进和GPS、GLONASS提升完善，卫星导航已进入多系统并存的崭新时代，多模多频 观测信息为卫星定位精度、可靠性等性能提升提供了新的技术条件，进一步激发了卫星定 位新理论、新方法研究的热潮。满足精度和可靠性的中长基线RTK逐渐成为发展的热点和 趋势，而模糊度快速准确解算则是这一技术的核心问题。目前针对双频情况中长基线的电 离层影响问题，模糊度求解常用"三步法"，即先利用宽巷组合的长波特性确定宽巷模糊度， 然后利用电离层无关组合同步估计对流层天顶延迟湿分量和基频模糊度浮点解，最后通过 整数搜索方法求取基频模糊度固定解。在这一过程中，宽巷模糊度的快速准确求解是整个 算法的前提。
[0003] 目前双频宽巷模糊度求解的常用方法有双频P码与相位观测值线性组合法（Mff方 法）和宽巷组合定义法（WL方法），但Mff法受伪距观测值噪声影响较大，特别是对于双差伪 距观测误差在一定时间内不符合白噪声特性时，Mff方法解算成功率较低；而WL方法无法削 弱双差电离层的影响而使基线距离受限。而多频GNSS信号可以构成具有诸多优点的观测 值组合，能够很好的改正大气误差、提高模糊度的固定效率，因此能够快速可靠地固定三频 的超宽巷或宽巷模糊度，甚至实现单历元可靠固定。但对于双频情况，宽巷模糊度的解算仍 然是一个亟需解决的先行问题：Mff组合方法虽然消除了电离层和对流层延迟的影响，但其 基于单个卫星对解算，没有充分利用各卫星对间相互提供的冗余信息，需依托较长的时间 才能达到较高的成功率，且其基于几何无关模式，较难与三频观测信息进行有效的融合；而 常规的WL方法无法有效地解决影响中长基线模糊度固定的主要影响因素一电离层延迟问 题。
[0004] 2012年12月，我国自主建设的北斗系统正式完成区域组网，开始正式向亚太地区 提供导航、定位等服务。北斗系统是世界上现有的唯一建设完善的全系统卫星播发三频信 号的卫星导航定位系统，充分发挥北斗的三频优势，更好地实现与目前以双频为主的GPS、 GLONASS等卫星系统观测信息的融合，成为推进卫星定位技术应用发展的一项重要内容。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对上述现有技术，提出一种BDS和GPS观测信息融合的宽巷模糊度解 算方法，显著提升双频系统尤其是低高度角卫星宽巷模糊度解算的精度和解算速度，从而 保障中长基线RTK定位的时效性和可靠性。
[0006] 技术方案：一种BDS和GPS观测信息融合的宽巷模糊度解算方法，包括如下具体步 骤：
[0007] 步骤1)，利用载波、伪距组合成无几何无电离层模型，单历元解算BDS的超宽巷 (〇，-1，1)组合模糊度，如式（1. 1)所示：
[0008]
[0009] 式中，规(·)为站间星间双差算子，Δ%ν(()_υ,为（〇, -ia)组合模糊度，[·]为 按四舍五入原则的取整运算符，AV为以周为单位的（〇, D组合的载波观测值， 为以周为单位的（〇，-1，1)组合的伪距观测值，λ% 1>1}为（〇，-1，1)组合载波观测 值波长；
[0010] 步骤2)，采用如式（1.2)所示的无几何模式的TCAR方法，单历元解算BDS的宽巷 (1，-1，〇)组合模糊度：
[0012] 式中，AViVa ui1为（1，-1，〇)组合模糊度，λ u,⑶为（1，-1，〇)组合载波观测值 波长，以周为单位的（1，-1，〇)组合的载波观测值；Δν/为BDS的Bl频点上的 双差电离层延迟值；n (6,⑶和n u, U分别为（〇, -1，1)和（1，_1，〇)组合载波观测值上 的电离层延迟因子；
[0013] 步骤3)，基于几何相关模型，构建同步估计BDS和GPS中各卫星倾斜电离层延迟和 GPS宽巷模糊度的观测模型，如式（1. 3)所示：
[0014]
[0015] υ?Ν 丄υυιυο ? ο乙 λ j < 〇/ ι
[0016] 式（I. 3)中，λ u, 1}、AVIVcvri和八▽么_1;分别为Gps双频（L -D组合宽巷波 长、双差宽巷模糊度和双差载波观测值；AVZ^1分别为GPS在其频点i、2上的伪 距观测值；Δν&、ΔνΡ?2、AVTw分别为BDS在其频点U2、3上的伪距观测值；AVp,表 示双差站星距离，所述双差站星距离中包括位置增量参数；AVT表示双差对流层延迟值； AWii表示GPS频点1上的双差倾斜电离层延迟值，AV/f,表示BDS频点1上的双差倾斜 电离层延迟值；f gl表示GPS的频点i观测值上的频率，其中i取1、2 ;f bl表示BDS的频 点i观测值上的频率，其中i取1、2、3 ;
为以距离为单位的GPS(1，-1)组合载 波观测值噪声；
分别为GPS两个频点上伪距观测值噪声；
和
分别为以距离为单位的BDS(1，_1，0)和（0, _1，1)组合载波观测值噪声；
分别为BDS三个伪距观测值噪声；
[0017] 步骤4)，设定GPS宽巷模糊度估计滤波的状态方程；其中，所述位置增量参数采用 常速度模型，所述宽巷模糊度在无周跳的情况下采用时不变方式处理，所述双差倾 斜电离层延迟和均采用随机游走的方式进行处理；
[0018] 步骤5)，对所述式（1. 3)的观测模型进行卡尔曼滤解算，得到GPS双差宽巷模糊度 的浮点解和方差协方差矩阵；然后，采用LAMBDA算法进行整数固定，得到GPS双差宽巷模糊 度整数解。
[0019] 进一步的，所述步骤4)中对所述双差倾斜电离层延迟AVL和4￥/&采用随机游 走的方式进行处理时，其历元间转换矩阵O 1近似设置为单位阵，动态噪声矩阵设定为
1其中谱密度qIcin设置为0. lm2/s，Δ t为历元间时间间隔，Z1^电离层 穿刺点位置的天顶角。
[0020] 有益效果：本发明所提出的一种BDS和GPS观测信息融合的宽巷模糊度解算方法， 首先利用BDS的三频优势，单历元优先可靠固定BDS超宽巷和宽巷组合模糊度；其次利用 电离层延迟短期平稳变化特性，参数化BDS和GPS各卫星的倾斜电离层延迟值，利用电离层 频率关系联立不同组合观测值，最后利用BDS和GPS共有的位置增量参数将各观测信息进 行融合，组成几何相关模型进行卡尔曼滤波解算。相较于现有技术，本发明的方法充分利 用BDS的三频优势，使用载波、伪距组合以及分步解算的TCAR方法单个历元完成即可靠固 定BDS两个超宽巷或宽巷组合模糊度；其次针对GPS双频宽巷模糊度解算，利用电离层延迟 短期平稳变化特性，参数化BDS和GPS各卫星的倾斜电离层延迟值，利用电离层频率关系联 立不同组合观测值（包含伪距）：其中，BDS包含三个频点的伪距观测值和两个模糊度已固 定的超宽巷或宽巷观测值；GPS包含两个频点的伪距观测值和含有待估宽巷模糊度的宽巷 观测值，利用共有的位置增量参数AVa??将各观测信息进行融合，组成几何相关模型进行卡 尔曼滤波解算。基于几何相关的模糊度解算模型，最大化地利用了各卫星、各种组合的观测 值，能够显著提升双频GPS宽巷模糊度解算的效率和可靠性，从而保障中长基线RTK定位的 时效性和可靠性。
【附图说明】
[0021 ] 图1是BDS和GPS观测信息融合的宽巷模糊度解算算法流程图；
[0022] 图2是BDS三频（0, -1，1)组合模糊度单历元解算偏差；
[0023] 图3是BDS二频（1，_1，0)组合模糊度单历兀解算偏差；
[0024] 图4是实验所用GPS卫星PRN 14卫星高度角情况；
[0025] 图5是实验所用GPS卫星PRN 14模糊度浮点解偏差；
[0026] 图6是实验所用GPS卫星PRN 14模糊度固定解偏差；
[0027] 图7是实验所用GPS卫星PRN 12卫星高度角情况；
[0028] 图8是实验所用GPS卫星PRN 12模糊度浮点解偏差；
[0029] 图9是实验所用GPS卫星PRN 12模糊度固定解偏差。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0031] 如图1所示，一种BDS和GPS观测信息融合的宽巷模糊度解算方法，包括如下具体 步骤：
[0032] 步骤1)，由于BDS的三频优势，利用载波、伪距组合成无几何无电离层模型，单历 元解算BDS的超宽巷（0，_1，1)组合模糊度，如式（1.1)所示：
[0033]
[0034] 式中，/W()为站间星间双差算子，为（〇, D组合模糊度，[·]为 按四舍五入原则的取整运算符，为以周为单位的（〇, -1，1)组合的载波观测值， 山为以周为单位的（〇，-1，1)组合的伪距观测值，λ% 1>1}为（〇，-1，1)组合载波观测 值波长。
[0035] 步骤2)，采用如式（1.2)所示的无几何模式的TC