本发明专利技术涉及一种基于双频码伪距和载波相位观测量进行伪距平滑的方法,包括以下步骤:根据建立GNSS双频观测模型以及两个频点电离层延迟的关系,利用双频载波相位观测量组合估计出电离层延迟;考虑电离层误差影响,建立用于双频伪距平滑的自适应衰减因子卡尔曼滤波器;根据当前时刻的观测值,采用所述自适应衰减因子卡尔曼滤波器进行滤波,更新状态估计和误差参数后进行下一时刻的滤波;经过卡尔曼滤波后得到双频伪距平滑值,双频伪距变化量和双频电离层延迟。本发明专利技术在实现伪距平滑的同时,精确估计电离层误差,并减小滤波残差噪声。并减小滤波残差噪声。并减小滤波残差噪声。
【技术实现步骤摘要】
基于双频码伪距和载波相位观测量进行伪距平滑的方法
[0001]本专利技术涉及卫星导航
,尤其涉及一种基于双频码伪距和载波相位观测量进行伪距平滑的方法。
技术介绍
[0002]随着GNSS的逐渐成熟,许多应用领域对其精度和完好性提出了更高的要求。如民用航空的精密进近着陆引导。为了使GNSS性能满足需求,陆续出现了多种技术方案。GBAS被认为是最有效地使GNSS性能提升至民用航空精密进近着陆引导所需性能的GNSS增强系统之一。其基本原理是,在位置精确已知的基准站测量得到伪距观测值,并利用卫星星历和基准站的已知位置求出伪距计算值(真实值),求出两者之差,称为校正值,然后把它发给用户。GBAS基于局域差分技术,即在一定距离内与基准站同步测量的用户可利用这些校正值对自己的伪距观测值进行校正。
[0003]在差分定位中,基准站和用户间的非公共误差来源于多径和接收机噪声导致的测距误差,这种误差无法通过差分予以消除。目前普遍采用的方法是通过在基准站和用户同时使用平滑滤波技术来削弱上述两种误差。在现有系统中,仅利用载波相位观测量的变化对伪距变化量进行低通滤波,以平均其中的快变误差,提高平滑伪距的精度。此方法可以获得基本无噪的码伪距观测量,但由于平滑伪距中存在电离层误差分量,电离层误差的时间梯度和空间梯度分别产生了平滑滤波器的差分校正残差和用户端的差分校正误差。为了解决这个问题,在双频多星座GBAS中,通常采用两种同时利用L1和L2频率的码和载波观测量的双频平滑(Dual Frequency Smoothing, DFS)方法,分别称为DFREE和IFREE方法。其中,DFREE方法可以消除电离层时间梯度的影响,但不能消除电离层空间梯度导致的差分校正残差。IFREE方法可以消除电离层空间梯度导致的差分校正残差和电离层时间梯度导致的差分校正误差,却引入了L2观测误差,与DFREE相比噪声较大,对系统误差估计和故障检测影响很大。无论基于DFREE方法还是IFREE方法的GBAS系统均不能同时在正常和异常电离层条件下满足CAT III的99%可用性需求。此外,DFREE与IFREE方法均采用Hatch滤波,对观测中断的鲁棒性较差,且现有的其他Kalman滤波方法未能消除电离层误差,现有AFKF方法仅采用标量滤波,状态估计量输出较为单一,无法满足双频输出的需求。
技术实现思路
[0004]鉴于上述的分析,本专利技术旨在公开了一种基于双频码伪距和载波相位观测量进行伪距平滑的方法。在实现伪距平滑的同时,精确估计电离层误差,并减小滤波残差噪声。
[0005]本专利技术公开了一种基于双频码伪距和载波相位观测量进行伪距平滑的方法,包括以下步骤:根据建立GNSS双频观测模型以及两个频点电离层延迟的关系,利用双频载波相位观测量组合估计出电离层延迟;考虑电离层误差影响,建立用于双频伪距平滑的自适应衰减因子卡尔曼滤波器;
根据当前时刻的观测值,采用所述自适应衰减因子卡尔曼滤波器进行滤波,更新状态估计和误差参数后进行下一时刻的滤波;经过卡尔曼滤波后得到双频伪距平滑值,双频伪距变化量和双频电离层延迟。
[0006]进一步地,所述GNSS双频观测模型中,GNSS频点1的观测模型为:;GNSS频点2的观测模型为:;其中,ρ
GNSS1
、ρ
GNSS2
分别为GNSS频点1、频点2的伪距观测量;
ϕ
GNSS1
、
ϕ
GNSS2
分别为GNSS频点1、频点2的载波相位整周数观测量乘频点1、频点2对应的载波波长后,转换为长度量纲的载波相位观测量;r为卫星到接收机天线的真实距离;n
c
为星历误差、星钟误差之和;n
t
为对流层误差;I
GNSS1
、I
GNSS2
分别为频点1、频点2的电离层延迟;和分别为频点1的码噪声和载波相位观测噪声,和分别为频点2的码和载波观测噪声;N1、N2分别为频点1、频点2载波相位整周模糊度。
[0007]进一步地,利用双频载波相位观测量组合估计出电离层延迟为:;I
GNSS1,k
、I
GNSS1,k
‑1分别为k、k
‑
1时刻的频点1的电离层延迟;为根据频点1载波相位观测量计算得到的k
‑
1时刻伪距变化量;I
GNSS2,k
、I
GNSS2,k
‑1分别为k、k
‑
1时刻的频点2的电离层延迟;为根据频点2载波相位观测量计算得到的k
‑
1时刻伪距变化量;;;f1和f2分别为频点1和频点2的载波频率。
[0008]进一步地,所述自适应衰减因子卡尔曼滤波器的状态向量为;为频点1的伪距平滑值,为频点2的伪距平滑值,为根据频点1载波相位观测量计算得到的伪距变化量,为根据频点2载波相位观测量计算得到的伪距变化量,为频点1的电离层延迟,为频点2的电离层延迟;滤波器的状态方程为:;其中,、分别为k、k
‑
1时刻的状态;为状态一步转移矩阵;为系统噪声。
[0009]进一步地,所述自适应衰减因子卡尔曼滤波器的观测向量为:;
式中ρ
GNSS1
、ρ
GNSS2
分别为当前时刻GNSS频点1、频点2的伪距观测量;、分别为当前时刻频点1和频点2的载波相位观测量与上一时刻的差值;滤波器的观测方程为:;其中,为观测向量;为观测矩阵;为观测噪声。
[0010]进一步地,所述状态一步转移矩阵:;其中,;;f1和f2分别为频点1和频点2的载波频率。
[0011]进一步地,所述观测矩阵:。
[0012]进一步地,所述自适应衰减因子卡尔曼滤波器的更新状态估计过程包括:1)计算状态一步预测:;2)计算状态一步预测的均方误差:;3)基于新到达的观测量计算新息:;4)计算滤波增益:;5)计算状态估计:。
[0013]进一步地,基于新息、滤波增益及状态一步预测的均方误差更新和的估计值:;式中,为更新的状态估计的均方误差,;为加权因子,用于赋予较新的数据更大比重;其中b称为衰减因子。
[0014]进一步地,在初始时刻,可按下述方法设定滤波初值:;其中,电离层延迟的初值可用伪距观测量初值估计:。
[0015]设定状态估计的均方误差阵的初始值、系统噪声协方差阵的初始值和观测噪声协方差阵的初始值为:。
[0016]本专利技术可实现以下有益效果之一:1、针对现有Hatch滤波收敛速度慢、中断后需耗费一定时间重启的问题,采用AFKF方法,同时估计电离层误差和伪距平滑值,收敛速度较快,中断后重启时间较短;2、解决了现有采用Kalman滤波器以及AFKF进行伪距平滑不能精确估计并消除电离层误差,或采用非递推的方法计算电离层误差,从而引入电离层滤波残差的问题;3、状态估计同时输出双频伪距平滑值,双频伪距变化量,双频电离层延迟。其中输出的双频伪距变化量可用于生成伪距率,输出的双频电离本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于双频码伪距和载波相位观测量进行伪距平滑的方法,其特征在于,包括以下步骤:根据建立GNSS双频观测模型以及两个频点电离层延迟的关系,利用双频载波相位观测量组合估计出电离层延迟;考虑电离层误差影响,建立用于双频伪距平滑的自适应衰减因子卡尔曼滤波器;根据当前时刻的观测值,采用所述自适应衰减因子卡尔曼滤波器进行滤波,更新状态估计和误差参数后进行下一时刻的滤波;经过卡尔曼滤波后得到双频伪距平滑值,双频伪距变化量和双频电离层延迟。2.根据权利要求1所述的基于双频码伪距和载波相位观测量进行伪距平滑的方法,其特征在于,所述GNSS双频观测模型中,GNSS频点1的观测模型为:;GNSS频点2的观测模型为:;其中,ρ
GNSS1
、ρ
GNSS2
分别为GNSS频点1、频点2的伪距观测量;
ϕ
GNSS1
、
ϕ
GNSS2
分别为GNSS频点1、频点2的载波相位整周数观测量乘频点1、频点2对应的载波波长后,转换为长度量纲的载波相位观测量;r为卫星到接收机天线的真实距离;n
c
为星历误差、星钟误差之和;n
t
为对流层误差;I
GNSS1
、I
GNSS2
分别为频点1、频点2的电离层延迟;和分别为频点1的码噪声和载波相位观测噪声,和分别为频点2的码噪声和载波观测噪声;N1、N2分别为频点1、频点2载波相位整周模糊度。3.根据权利要求2所述的基于双频码伪距和载波相位观测量进行伪距平滑的方法,其特征在于,利用双频载波相位观测量组合估计出电离层延迟为:;I
GNSS1,k
、I
GNSS1,k
‑1分别为k、k
‑
1时刻的频点1的电离层延迟;为根据频点1载波相位观测量计算得到的k
‑
1时刻伪距变化量;I
GNSS2,k
、I
GNSS2,k
‑1分别为k、k
‑
1时刻的频点2的电离层延迟;为根据频点2载波相位观测量计算得到的k
‑
1时刻伪距变...
【专利技术属性】
技术研发人员:薛瑞,刘博远,
申请(专利权)人:北京航空航天大学,
类型:发明
国别省市:
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