快速整周模糊度求解技术在高精度GPS定位和导航中的应用

通过分析搜索空间中的独立变量，推导出新的传递矩阵，该矩阵将所有的测量残差直接和最小求解搜索空间相关联．该技术不仅可以改善计算效率以及缩短模糊度求解时间，还能提高可靠性．通过仅选择那些与卫星几何尺寸和测量残差一致的模糊度的组合，搜索空间被最小化．实验数据表明了该方法的有效性．     

利用双频载波相位观测值解算整周模糊度

频率不同,波长也不同,两种载波的相位差随着传播路径的不同而变化．根据两种载波相位观测值,可求整周模糊度．此模糊度解也具有多值性．通过CIA码伪距观测值提供约束,缩小模糊度解的空间．最后,采用最小二乘平差和RATIO检验获得整周模糊度的惟一解．     

一种改进的CIR法用于单历元模糊度解算

针对级联整周模糊度解算（CIR）法在载波相位和伪距观测噪声很大的场合,模糊度固定成功率很低这一问题,提出了一种改进的CIR法,该算法以CIR法为基础,利用排序和连续（逆）乔里斯基降相关法对每步最小二乘法求得的模糊度浮点解和协方差矩阵进行降相关,最后采用改进的最近点搜索（MAEVZ）法固定整周模糊度.仿真实验表明,在伪距观测噪声为2.0 m,载波相位观测噪声为0.03周的短基线环境下,CIR法单历元整周模糊度解算成功率已经低于5%,无法正确固定整周模糊度,而改进的CIR法单历元整周模糊度解算成功率仍能达到90%以上.      

Research on the estimation of GPS phase ambiguities by triple frequency observations

As a part of modernization of GPS, a new signal with a frequency of 1 176.45 MHz will be made available to the civilian community and can provide more measurements for positioning in combination with the well known L1 and L2 signals. Applying the law of variance-covariance propagation, the correlation of triple-frequency ambiguity is discussed, the L1 ambiguity is week correlate with wide lane and long wide lane ambiguity. Under a comprehensive analysis of linear combination, no matter how long the baseline is, the ambiguities of long wide lane carrier phase combination can be determined using code measurements directly, ambiguity of short baseline can be fixed fast because of very small standard error of ambiguities of many linear combinations, the main efforts of TCAR are ambiguity resolution of long baseline. The ionosphere-free combinations used widely are not suitable for ambiguity resolution because of very short wavelength with high noise and very large standard error of ambiguity. The smoothing procedure reduces the standard errors of code and also can improve ambiguity estimation, the ambiguity of wide-lane, in long baseline case, can be rounded to the nearest integer within six epochs.     

模糊度二维搜索的姿态测量改进算法

值域算法由于采用遍历姿态角的方式建立搜索空间,从而会造成初始化时间较长的问题,故提出了一种基于窄巷组合的模糊度二维搜索算法:首先基于卫星空间几何关系对参考星与两颗主星间的窄巷主模糊度范围进行约束,利用其与姿态角之间的关系推得全体候选姿态角,从而以一种非遍历且不遗漏正确候选姿态角的途径得到搜索范围。然后基于值域二维搜索模型求解各候选姿态角相对应的窄巷模糊度浮点解,就近取整后依次采用模糊度整数特性法、基线先验信息法以及基线残差平方和最小准则固定整周模糊度。试验结果表明:文中算法相比原算法,不仅初始化时间由先前的153 s缩短至76 s,而且姿态精度总体提高近15%。     

Theory of carrier phase ambiguity resolution

Carrier phase ambiguity resolution is the key to high precision Global Navigation Satellite System(GNSS) positioning and navigation. It applies to a great variety of current and future models of GPS, modernized GPS and Galileo. A proper handling of carrier phase ambiguity resolution requires a proper understanding of the underlying theory of integer inference. In this contribution a brief review is given of the probabilistic theory of integer ambiguity estimation. We describe the concept of ambiguity pull-in regions, introduce the class of admissible integer estimators, determine their probability mass functions and show how their variability solution. The theory is worked out in more detail for integer least-squares and integer bootstrapping. It is shown that the integer least-squares principle maximizes the probability of correct integer estimation. Sharp and easy-to-compute bounds are given for both the ambiguity success rate and the baseline's probability of concentration. Finally the probability density function of the ambiguity residuals is determined. This allows one for the first time to formulate rigorous tests for the integerness of the parameters.     

改进型单频非遍历值域姿态测量算法

非遍历值域搜索算法利用二维模糊度搜索范围压缩了姿态角搜索空间,由于二维模糊度搜索空间较大,造成压缩姿态角搜索空间效率较低,提出了一种采用多约束条件以提高压缩姿态角搜索空间效率的方法。选取仰角最高的4颗卫星作为主星,采用最小二乘搜索算法利用单个历元观测数据确定三维模糊度搜索空间,结合基线长度及低成本微机电系统(micro electrical mechanical system,MEMS)提供的俯仰角信息对三维模糊度搜索空间进行筛选,取仰角最高的3颗卫星构成二维模糊度搜索空间,将其代入搜索模型解算整周模糊度候选值,采用残差比例检验法进行模糊度固定。试验结果表明,相比于原算法,姿态角搜索数目由576组降至8组,残差比峰值由16增至1 279,固定所需时长从35 s缩短至单个历元。     

利用多参数估计法解算对流层延迟

由于对流层引起的真空光速、气温、气压和温度的变化使码和载波的观测值受到时延的影响,本文把电离层延迟、卫星和接收机钟差、整周模糊度作为未知参数,利用多参数估计法建立误差方程、法方程来解算对流层的延迟。     

基于天牛须种群算法的整周模糊度解算算法

如何快速、准确的固定整周模糊度是载波相位测量中的一个关键问题。为了提高整周模糊度搜索速率,本文提出了一种基于天牛须种群算法(Beetle Antennae Colony Search, BACS)的整周模糊度解算算法。通过与BAS算法、BAS-Nadam算法、LAMBDA算法以及MLAMBDA算法进行解算速率、稳定性的对比实验,在三维模糊度解算时,BACS算法在与LAMBDA和MLAMBDA算法解算成功率相当的情况下,能利用更少的时间搜索到模糊度最优解。为了验证BACS算法在高维模糊度解算以及工程解算情况下是否适用,进行了高维模糊度解算的实验以及单频单GPS系统下BACS算法的应用实验。分析及实验表明,BACS算法能很好保证高维模糊度解算的实时性和鲁棒性,对于12维模糊度解算,平均解算时间0.068秒,解算成功率为92%,对于低维模糊度解算,解算速率更快,解算成功率更高。在单频单GPS系统工程解算中,x,y,z方向定位精度分别为±0.008米,±0.01米,±0.01米,能达到厘米级精度定位。     

基于改进型最小二乘搜索的 GNSS 姿态测量方法

结合全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)用于姿态测量具有基线已知的特点,提出了一种改进型最小二乘搜索算法:将整周模糊度分为基本组和剩余组,在伪距精度和基线长度约束条件下确定出基本模糊度组的搜索空间;然后根据模糊度与基线俯仰角、航向角的关系,并以俯仰、航向角度组合作为联系基本组和剩余组的中间变量,通过搜索基本模糊度组来确定出剩余模糊度组合;最后利用最小二乘解算基线矢量,在二次残差比值检验条件下,完成整周模糊度的固定及姿态解算.实验结果表明,改进算法不仅有效减小了模糊度的搜索空间,而且缩短了模糊度初始化时间,具有较高的测姿精度,适用于GNSS姿态测量.     

基于超短基线的双频整周模糊度单历元取整固定算法

针对使用伪距取整固定宽巷整周模糊度效率高,但是宽巷一周取整错误发生频繁,伪距误差较大时还会出现大于一周的取整错误的问题,设计了一种可以弥补宽巷取整错误的整周模糊度固定算法.通过宽巷分离出的L₁浮点解小数探测和修复宽巷一周取整错误,使用RAIM算法排除大于一周的宽巷取整错误,最后使用正确的整周模糊度固定全部整周模糊度,完成高精度定位.使用实际GPS超短基线数据比较该算法与单历元LAMBDA算法的性能.该算法提高了直接使用伪距取整宽巷整周模糊度的固定率.相比单历元LAMBDA算法,本文算法的固定率稍低,但计算效率有明显提升.      

非线性基线长度约束在北斗测姿中的应用

针对传统无约束LAMBDA(least-squares ambiguity decorrelation adjustment)算法中整周模糊度求解成功率不高的问题,提出一种利用基线约束的整数最小二乘快速求解整周模糊度的方法,并将其应用到北斗姿态测量系统中.该方法利用基线长度作为先验信息,将无约束的整数最小二乘扩展为非线性约束的最小二乘,并采用正交映射方法求解其约束解;同时在模糊度求解过程中,根据搜索空间的特性,先确定其上下界范围,再对模糊度残差范围限定,减少模糊度搜索过程中的候选解,最后采用迭代增加模糊度空间法和约束最小二乘求解对模糊度候选解筛选.实验采用单频北斗接收机实时数据对该算法的有效性进行验证,结果表明,在单频单历元条件下,该算法有效降低计算量,将姿态角求解成功率提高30%左右.     

基于超短基线的GPS测姿算法研究

针对超短基线下姿态测量结果稳定性差及可靠性低的问题,提出一种更加可靠稳定的基于超短基线的全球定位系统（global positioning system,GPS）姿态测量算法。构建了扩展卡尔曼滤波（extended Kalman filtering,EKF）模型,并对扩展卡尔曼滤波模型中测量噪声矩阵采用基于卫星高度角模型,得出比较准确的浮点模糊度;联立了载波双差观测方程和伪距双差观测方程,并采用改进模糊度最小二乘去相关平差法（modified least-squares ambiguity decorrelation adjustment algorithm,M-LAMBDA）进行快速模糊度固定解算;利用了滤波法进行姿态解算。实验结果表明,与其他测姿算法相比,该算法可适用于超短基线,能够提高姿态结果的稳定性与可靠性,在基线为20 cm静态环境中,该算法模型航向角的误差方差为0.1左右,航向角的绝对误差为2°左右。在基线为20 cm动态环境中,该算法模型航向角的误差方差为2左右,姿态角的绝对误差为3°左右。     

干涉仪解模糊异常值检测及纠错方法

针对多基线相位干涉仪测角雷达在通道相位误差较大时解模糊结果存在异常的问题,提出了一种基于有限记忆算法的干涉仪解模糊异常值检测与纠错方法.该方法利用逐次测角算法的初次解模糊结果估计角度和整周模糊值的初始值,在此基础上进行角度和整周模糊值的有限记忆递推,识别原始测角数据中存在的数据异常值,对其进行异常值剔除或重新解模糊纠错处理.仿真结果表明,该方法原理正确,对于干涉仪解模糊数据中出现的孤立型及连续型异常值都能够进行有效的检测并予以纠正,显著降低了解模糊的出错概率.     

基于GPS定位原理的轨道外部几何参数测量系统

 利用GPS 定位全天候、高效率、低成本的特性,设计出一种新型的轨道外部几何参数测量系统.该系统由卫星系统、加载接收机的轨检仪、控制网和GPRS 发射站组成.测量前,先构建边连式同步图形扩展式带状轨道监测控制网,并在现有的轨检仪上加载GPS 接收机.测量过程中,轨检仪沿轨道运动:GPS 控制网中4 个GPS 基站与轨检仪上GPS 流动站实时采集定位信息;定位信息经双差处理和整周模糊度解算后,得到RTK(real-time kinematic)观测量,确立轨道中心线;结合轨检小车测出的轨道内部几何参数和轨道中心线,解算出轨道高程.静态实验与外场试验结果表明:该测量系统自动化程度较高,静态观测误差在0.5 mm 以内,动态误差在15 mm 以内,完全能够满足轨道外部几何参数高精度测量的要求.     

一种高可靠性的相位检测实用算法

阐述了利用离散傅里叶变换实现相位测量的方法地，并通过其误差分析提出了利用窗函数提高相位测量精度的措施。基于对FFT变换后频域内其他谐波分量大小的测量，以提高测量结果的可靠性；给出了数值仿真结果与应用实例，以说明此方法适用的范围与原则，结果表明，这种相位测量方法不但精度有所提高，而且其自检特性能大大提高了测试系统在强噪声下的可靠性。     

一种动对动相对定位中平滑惯导辅助模糊度解算策略

针对基于单频载波相位的动对动相对定位中实时模糊度固定可靠性不高的问题,本文提出了一种基于DGNSS/INS紧组合的平滑惯导辅助模糊度解算策略,以提高低成本接收机高精度定位的普适性。首先,基于伪距和载波相位观测量构建动对动相对定位模型;其次,对惯性导航数据进行卡尔曼滤波处理,并利用滤波平滑后的惯导位置预测卫地距重构双差观测方程并构造惯导位置约束方程,继而获得较高精度浮点解及其协方差阵,采用LAMBDA算法进行整周模糊度固定及Ratio检验;最后,由DGNSS/INS紧组合算法对惯性误差进行反馈校正,以维持惯性高精度导航。实测数据实验结果表明,对比没有惯导辅助、有惯导辅助和经滤波平滑后的惯导辅助结果,本文采用的方法可以有效地提高模糊度浮点解精度,减小模糊度搜索空间,提升整周模糊度固定成功率,三种方法下模糊度固定成功率分别为92.3%,99.1%和99.6%,并最终实现厘米级动态相对定位。     

MIMO PLC系统中脉冲噪声消除方法

电力线通信(power line communication, PLC)中,脉冲噪声严重影响通信的可靠性,如何有效消除脉冲噪声对系统的影响是目前电力线通信急需解决的问题。提出一种在多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)PLC系统中脉冲噪声消除方法,在时域通过设置最优阈值对高幅度脉冲噪声进行置零。在频域通过迭代法结合空频分组码(space frequency block code, SFBC)消除低幅度脉冲噪声,该步骤是先进行硬判决检测,利用空频分组码空间和频域的分集增益,检测出可靠性更高的符号;用频域的接收信号减去重构的经过信道的信号来重构出剩余的脉冲噪声;在时域减去剩余的脉冲噪声,1次迭代过程完成。经过1次迭代后已经消除部分脉冲噪声,多次迭代则系统性能将明显提升。仿真结果表明,该算法相比传统的脉冲噪声消除算法性能提升了1.46 dB,使脉冲噪声对系统性能的影响明显减小。     

北斗高精度相对定位选星方法研究

针对北斗系统中高轨卫星会带来较全球定位系统（global positioning system ,GPS）更为严重的法方程病态性这一问题,分析了双差载波相位观测方程系数矩阵对整周模糊度浮点解解算的影响,结合北斗系统三轨道星座混合的特点,研究了区域北斗高精度相对定位选星方法,以仰角最高的地球同步轨道（geostationary earth orbit, GEO）卫星作为参考星,优先选取仰角高于10°的中地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星,然后按照均匀分布的原则选取倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO）卫星。通过对实测数据进行试验和分析,证明了该方法的正确性和合理性,在进行区域北斗高精度相对定位时,能在一定程度上改善法方程的病态性,使模糊度浮点解较快收敛至真值附近,有利于模糊度的快速正确固定。     

基于X射线脉冲星的空间定位误差仿真研究

研究了X射线脉冲星脉冲到达时间(TOA)测量的原理;基于TOA测量,构建了SSB惯性系下空间绝对定位的数学模型,并说明了整周期数向量的求解过程;基于SNR得出了脉冲相位观测时间与TOA测量精度的关系.利用仿真脉冲相位观测数据,对×射线脉冲星空间定位进行系统仿真.仿真结果表明模糊度搜索效果较好,相位观测时间的选择对位置确定的精度影响较大.