GPS姿态系统中周跳的检测及修复方法

GPS姿态系统中周跳的检测及修复方法
在利用GPS载波相位进行姿态测量中,要达到高精度,必需保证观测数据中无载波相位周跳,因此,正确检测与修复周跳是GPS数据处理中的一个关键问题目前己有的周跳检测方法主要有多项式拟合法伪距相位组合法及电离层残差法这几种方法都可以检测、修复非差的整周模糊度但这些方法各有其局限性:多项式拟合法一般只能探测出大于5周的周跳,这对于高精度的姿态测量系统不能满足要求;伪距相位组合法周跳的探测能力依赖于伪距观测量的精度,一般需要接收机能够输出P码伪距,对单频接收机不适用;电离层残差法是目前效果*好的周跳探测方法之一,但其需要LUL2两个频率的载波相位观测量,也不能应用于单频接收机。

在GPS姿态系统中,为了消除附加的观测误差,如电离层误差、对流层误差、星历误差接收机钟差等,一般采用载波相位双差信息作为观测量本文对利用单频接收机的GPS姿态系统中双差载波相位观测量的周跳检测及修复问题进行了研究首先研宄了一种可应用于静态情况的基于外推法的周跳检测和修复方法,又提出了一种在动、静态情况都能运用的基于冗余双差测量的周跳的检测和修复方法,并对两种方法给出了实验结果及分析。

1基于外推法的周跳检测和修复方法在静态情况,接收机是静止不动的,只有卫星的运动。由于卫星距离地球上的接收机很远,因此卫星绕地球的运动可以认为是匀速的。载波相位观测值随时间的变化是平滑而有规律的,而周跳会破坏这种规律性。根据这一特性,利用前几次观测量外推当前时刻相位观测量的估计值,根据实际观测值与相应的外推值之差是否大于一个阈值,可以判断当前观测值是否含有周跳。对于双差观测量,由于卫星星历误差和大气传播延迟误差己被大大削弱,采用该方法更容易取得较好的效果差载波相位观测值分别为,-i,a2,并且1,tk-2两个时刻的双差载波相位观测值没有周跳,则可以由tk-1,tk-2两个时刻的双差载波相位观测值外推得到tk时刻的载波相位估计值如果tk时刻该双差观测量没有周跳,则ALk数值很小但是只要组成双差的两个卫星之一产生了周跳,导致该双差观测量产生周跳,则ALk数值将大于一个波长X(约为0.19m)如果发生周跳,则周跳量可由下式求出其中符号表示求*接近X的整数。

两台GG24接收机进行了静态实验,主星选为PRN19是对没有发生周跳的双差观测量周,因此该方法可以检测出静态时的所有的周跳由于人在天线周围走动,使得卫星PRN3和PRN27都产生了周5跳,3分别是对这两颗卫星与主星构成双差观测量进行计算得到的AL,表1列出了检测并修复周跳的结果,表中*表示程序检测到并修复后的周跳值。

表1基于外推法的整周模糊度周跳检测及修复结果卫星号2基于冗余双差测量的周跳的检测和修复方法基于外推法的周跳检测及修复方法在静态时效果很好,在动态情况下,由于载体运动的随机性,使得效果不好。本文提出一种基于GPS载波相位的冗余双差观测量的周跳检测及修复方法,该方法可以应用于动态情况,其条件是相邻历元至少有4颗卫星锁定,并且整周模糊度己经固定设t时刻有n颗使用卫星,基线向量为b(t),整周模糊度为N,双差载波相位观测方程为入为载波波长;H为地理系下的方向余弦阵;V为载波相位双差观测噪声。

当整周模糊度N正确求解后,如果不发生周跳,则N保持不变对上式利用*小二乘法可以求得每一历元的基线向量及基线长度观测过程中如果N1,N2,N3三个双差整周模糊度无周跳,则利用,而发生周跳时,该方法可以明显地检测出发生的周跳=通过寻找无周跳的4颗卫星,然后求出其余卫星的双差模糊度的方法,可以得到与表2中同样的周跳检测结果(实验中阈值X取为0.02m)结果表明,基于冗余双差测量方法可以检测并正确修复实验中所有发生的周跳。

发生周跳时的基线长度误差由于实际中周跳发生情况复杂,要想找到一种能够适合所有情况下周跳检测与修复的方法比较困难本文针对单频GPS接收机提出了两种周跳的检测和修复方法,均可在一定的场合下处理周跳问题,但也各有其不足之处其中,基于外推法的周跳检测和修复方法只能应用于静态情况,能够检测并修复静态时所有的周跳;基于冗余双差观测量的周跳检测和修复方法可应用于动态、静态条件下,整周模糊度已正确固定后的情况,但要求相邻历元有4颗以上卫星无周跳在作者所研制的GPS姿态系统中综合运用了本文所提出的两种方法,取得了较好的效果

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