专利名称：多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探测与修复的方法
技术领域：
本发明属于卫星导航定位领域，具体涉及一种多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探测与修复的方法。
背景技术：
北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。 与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统提供定位、导航和授时以及短报文通信服务。至2011年12月2日止，中国已经发送了 10颗北斗二代的卫星，并计划于2012年左右，覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。北斗卫星导航系统的建设，促进卫星导航产业链形成，完善了国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。在接收定位系统中，关键在于如何获得良好的测量值进行位置解算，当前用于定位解算的测量值主要有伪距测量值和载波相位测量值这两种，其余的都是在这两类测量值基础上的变化。伪距测量值可从导航接收机直接提取，在定位中计算简单方便，但存在着测量误差大，定位精度不高的缺陷。而载波相位测量值，同伪距测量值相比，其误差相对小很多，用于定位时，其绝对定位精度可以达到厘米级，相对定位精度可以达到毫米级。随着北斗系统建设的推进、导航接收机技术的发展以及导航定位应用领域的不断拓宽，尤其是北斗导航系统在军事上的广泛应用，经济、高精度、高可靠性的北斗导航接收机已经成为研发的重点、难点，采用载波相位测量值进行定位已成为一种趋势。同伪距测量值相比，载波相位测量值除了存在初始整周模糊度不确定的问题外， 还存在载波周跳问题。载波周跳是由本地接收机载波跟踪环路不能连续的跟踪卫星相位变化引起的，周跳的产生由以下几种因素引起1)树木、建筑物等对卫星信号的遮挡；2)导航接收机处理软件的问题；3)电离层条件、多路径效应、导航接收机的高动态和卫星的低高度角等产生的低信噪比；4)卫星振荡器出现故障等。周跳的发生不仅影响当前的测量值，而且一直存在于后续的载波相位测量值中， 影响导航接收机定位测速精度。为了获取高精度、高可靠性的导航定位结果，必须对载波相位中的周跳进行快速而准确的探测与修复。当前，已有多种方法用于探测与修复周跳，如多项式拟合法、MW线性组合探测法、 电离层残差法、高次差法、卡尔曼滤波法、小波变换法等。但这些方法各有各的局限性，多项式拟合法只能对数据进行后处理，无法实现实时周跳探测；电离层残差法与MW线性组合探测法适用于双频或多频相位测量值，不适用于单频载波相位的周跳探测与修复问题；高次差法也只适用于数据的后处理，并不适用于实时处理。卡尔曼滤波法要给定精确的初值，否则容易发散；而小波系数法则存在模型构建复杂度高、计算量大的问题，多用于后处理。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的计算量大、实时性不足的缺点，提供ー种快速、实时的多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探測与修复的方法。多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探測与修复的方法包括如下步骤1)设置初始累积周跳值ClNtl为0，利用Q组无载波周跳的导航接收机数据计算出历元间相位差分残余的均值< S φ\和方差σ Q ；幻在k+1历元，利用当前历元及k历元导航接收机提供的卫星载波相位测量值、多普勒频偏测量值、导航接收机标称采样间隔和累积周跳，计算出历元间相位差分残余；3)将此历元间相位差分残余同其均值作比较，探测载波相位中是否存在周跳，其判定的条件为I δ φ^ δ φ>,≤ ρ · ok (12)其中δ (K 历元的历元间相位差分残余，< S Φ >k为前k个历元的历元间相位差分残余平均值，ο k为前k个历元的历元间相位差分残余方差，ρ · σ k为周跳探测门限， P取3，式(1)不成立时，则认为载波相位中存在周跳，转入步骤4)；反之则认为载波相位中不存在周跳，转入步骤5)；4)当步骤3)判定载波相位测量值中存在周跳吋，取与δ (K-く δ 最近的整数作为当前的周跳值，并更新累积周跳值，即dNk = dN^i+round( δ φ,-く δ φ >k) (13)其中dNk、ClNlri分别为k和k-1历元的累积周跳值，round ()为取整函数，然后重复步骤幻-步骤幻，对修正周跳后的载波相位测量值做进ー步的周跳探測；5)由式(1)判定载波相位没有发生周跳，则保持k+Ι历元的累积周跳值不变，采用序贯方式更新历元间相位差分残余的均值及方差，
权利要求
1.一种多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探测与修复的方法，其特征在于包括如下步骤1)设置初始累积周跳值ClNtl为0，利用Q组无载波周跳的导航接收机数据计算出历元间相位差分残余的均值< S Φ\和方差σ 0 ；2)在k+Ι历元，利用当前历元及k历元导航接收机提供的卫星载波相位测量值、多普勒频偏测量值、导航接收机标称采样间隔和累积周跳，计算出历元间相位差分残余；3)将此历元间相位差分残余同其均值作比较，探测载波相位中是否存在周跳，其判定的条件为δ φ^ δ φ>, ^p-Ok(1)其中δ (K 历元的历元间相位差分残余，< δ Φ >k为前k个历元的历元间相位差分残余平均值，Qk为前k个历元的历元间相位差分残余方差，ρ· Ok为周跳探测门限，ρ取 3，式(1)不成立时，则认为载波相位中存在周跳，转入步骤4)；反之则认为载波相位中不存在周跳，转入步骤5)；4)当步骤幻判定载波相位测量值中存在周跳时，取与δφ,^δ 最近的整数作为当前的周跳值，并更新累积周跳值，即dNk = dN^i+round ( δ Φ k_< δ φ >k)(2)其中dNk、ClNlri分别为k和k-1历元的累积周跳值，round ()为取整函数，然后重复步骤2)-步骤幻，对修正周跳后的载波相位测量值做进一步的周跳探测；5)由式(1)判定载波相位没有发生周跳，则保持k+Ι历元的累积周跳值不变，采用序贯方式更新历元间相位差分残余的均值及方差，dNk+1 = dNk<δΦ >^=<δΦ >k +^yd- >k)(3)^h = ^r-^l + T^rd >kf k k + \其中dNk、ClNlri分别为k和k-1历元的累积周跳值，< δ φ >k为前k个历元的历元间相位差分残余平均值，ο k为前k个历元的历元间相位差分残余方差，而后等待k+2历元测量数据的到来，重复步骤2、-步骤5)。
2.根据权利要求1所述的一种多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探测与修复的方法，其特征在于，所述步骤1)中，历元间相位差分残余的均值〈S Φ>ο和方差％ 的计算包括以下子步骤a)在k+Ι历元，对导航接收机复现的卫星载波相位测量值进行修复，结合k历元修复后的载波相位测量值计算历元间相位差分值d Φ (k)；(1Φ (k) = (T(k+l)-(T(k)(4)其中f入k +油k+Ι历元导航接收机复现的卫星载波相位测量值，dNk为前k个历元载波相位上所有探测到的周跳的累加，简称累积周跳，(T(k+1)、cT(k)为k+1和k历元修复后的卫星载波相位；b)在k+Ι历元，利用由导航接收机提供的k+Ι历元和k历元多普勒频偏测量值，计算出历元间卫星和导航接收机间的几何距离变化么(幻，
3.根据权利要求1所述的一种多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探测与修复的方法，其特征在于，所述步骤2)中，在k+Ι历元，历元间相位差分残余的计算包括以下子步骤e)在k+Ι历元，对导航接收机复现的卫星载波相位测量值进行修复，结合k历元修复后的载波相位测量值计算历元间相位差分值d Φ (k)； 其中f入k +油k+Ι历元导航接收机复现的卫星载波相位测量值，dNk为前k个历元载波相位上所有探测到的周跳的累加，简称累积周跳，(T(k+1)、cT(k)为k+1和k历元修复后的卫星载波相位；f)在k+Ι历元，利用由导航接收机提供的k+Ι历元和k历元多普勒频偏测量值，计算出历元间卫星和导航接收机间的几何距离变化 其中fK(l为卫星载波频率；Tsa为实际采样间隔，Tsn为导航接收机的标称采样间隔，fd(k) 为导航接收机测量得到的多普勒频偏测量值，fd0(k)为实际的多普勒频偏，Sfitl为导航接收机本地中频偏差，其中β为本地晶振的钟偏系数；g)利用步骤e)、步骤f)计算得到的历元间相位差分值(1φ(k)、卫星和导航接收机间的几何距离变化&㈨和实际采样间隔Tsa，计算出历元间相位差分残余，
4.根据权利要求3所述的一种多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探测与修复的方法，其特征在于，所述步骤f)中，标称的采样间隔同实际采样间隔以及导航接收机测量得到的多普勒频偏测量值同实际的多普勒频偏关式为
全文摘要
本发明公开了一种多普勒频偏辅助的卫星导航信号载波周跳实时探测与修复的方法。本发明通过导航接收机复现的多普勒频偏测量值来辅助探测和修复存在于载波相位测量上的周跳，为实时定位中采用无周跳的载波相位测量值进行位置解算提供了一种可行方案。在k+1历元，利用当前历元及k历元导航接收机提供的卫星载波相位测量值、多普勒频偏测量值和标称采样间隔及累积周跳，计算出历元间相位差分残余；将此历元间相位差分残余同其均值作比较，当两者的差的绝对值大于周跳探测门限时，则认为载波相位中存在周跳，取与此差最近的整数作为周跳值对载波相位进行周跳的修复。采用本发明可以实现实时、快速的卫星导航信号载波周跳的探测与修复。
文档编号G01S19/29GK102565821SQ20111043494
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者任周丰, 李立言, 赵民建, 钟杰 申请人:浙江大学