專利名稱：一種短基線dgps定位中初始化整周模糊度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及載波相位差分定位測量，具體地涉及一種短基線GPS載波相位差分定位測量(DGPS)中初始化載波相位整周模糊度的方法。
在利用載波相位DGPS技術(shù)進(jìn)行定位測量中，必須要解決的一個首要問題是正確地初始化確定載波相位觀測量的整周模糊度。從載波相位DGPS定位測量技術(shù)的發(fā)展歷史上看，曾經(jīng)提出過很多初始化載波相位整周模糊度的方法，目前，在實踐中經(jīng)常采用的方法有以下幾種1、在已知相對坐標(biāo)的兩個坐標(biāo)點上放置接收機(jī)天線進(jìn)行觀測，進(jìn)而根據(jù)已知的相對坐標(biāo)位置解算整周模糊度的方法。這種方法比較可靠，但操作中需要預(yù)先設(shè)置兩個已知相對坐標(biāo)的天線放置點，要求較高；2、在兩個未知相對坐標(biāo)的點位上放置接收機(jī)天線，進(jìn)行15分鐘到25分鐘的連續(xù)觀測，然后用長時間的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)解算整周模糊度。這種方法不需要預(yù)設(shè)已知坐標(biāo)點，但需要較長時間的連續(xù)觀測，不甚方便；3、動態(tài)載波相位DGPS定位測量中，接收機(jī)天線邊移動邊采集觀測數(shù)據(jù)，在積累一定數(shù)據(jù)后，采用事后處理或?qū)崟r處理的方式解算整周模糊度。這種方法不需要靜態(tài)觀測，但可靠性較差，一般用于雙頻GPS接收機(jī)。上述這些方法各有特點，在實際中都有應(yīng)用。
除上述常用的方法外，還有一種十分常用的初始化載波相位整周模糊度的方法，稱為“交換天線法”。這種方法的核心是設(shè)計了巧妙的移動天線步驟，具體操作如下首先選擇兩個不需預(yù)先確定兩點間相對坐標(biāo)的天線放置點，把GPS接收機(jī)的天線放置在這兩個點上進(jìn)行8～15秒鐘的觀測；然后在這兩個點位間交換放置兩個天線，再進(jìn)行8～15秒鐘的觀測；最后，利用這兩次短時間觀測得到的數(shù)據(jù)，解算載波相位整周模糊度。這種方法相對于前面描述的方法來說操作相對簡單，所需預(yù)知條件少，結(jié)果也很可靠，因而經(jīng)常被采用。但是，上述交換天線法也有其弱點，主要的是交換天線操作中必須保持GPS接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不間斷的跟蹤觀測，而在保持對衛(wèi)星連續(xù)的跟蹤觀測的前提下將一個天線移動到另一個天線原來占據(jù)的點位上并不容易，并且這種移動需要進(jìn)行兩次。因此，采用這種方法進(jìn)行測量作業(yè)時，有時需要應(yīng)用專門設(shè)計的交換天線工具。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案第一步，兩臺GPS接收機(jī)的天線分別編號為#1和#2，點位A和點位B的相對坐標(biāo)不需預(yù)先確定，A與B的距離為0.7～1.5米，將#1天線放置在點位A，將#2天線放置在點位B，完成天線放置后，進(jìn)行4～8秒鐘的觀測，得到t1時刻兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 ，上標(biāo)中的p和q分別表示GPS衛(wèi)星編號；
第二步，將#2天線從點位B移動到點位C，點位C的坐標(biāo)不需預(yù)先確定，C與A、B間的距離為0.7～1.5米，移動中保持#2天線對應(yīng)的GPS接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不間斷的跟蹤觀測，完成移動后，進(jìn)行4～8秒鐘的觀測，得到t2時刻兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 第三步，將#1天線移動到點位B，移動后#1天線實際占據(jù)位置與點位B間的距離小于2厘米，移動時不要求#1天線對應(yīng)的GPS接收機(jī)對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測，完成移動后，進(jìn)行30～60秒的連續(xù)觀測，在時刻t3和時刻t4分別得到兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 和 ，時刻t3和時刻t4間的時間間隔與觀測時間相對應(yīng)，為30～60秒。
根據(jù)上述操作得到的t1、t2、t3、t4時刻對應(yīng)的載波相位雙差觀測量 和 ，通過下列計算即可確定所需的載波相位整周模糊度。
首先計算以下兩個參數(shù) 和 然后，將兩者相減并取整，即可得到整周模糊度 的估值 下面給出上述計算方法的原理由傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航差分定位理論知，載波相位雙差觀測量 可表示為 其中，dρABpq(t1)=ρAp(t1)-ρAq(t1)-ρBp(t1)+ρBq(t1)---(5)]]>lXpq(t1)=[XBs(t1)-xps(t1)]/ρBp(t1)-[XBs(t1)-xqs(t1)]/ρBq(t1)---(6)]]>lYpq(t1)=[YBs(t1)-yps(t1)]/ρBp(t1)-[YBs(t1)-yqs(t1)]/ρBq(t1)---(7)]]>lZpq(t1)=[ZBs(t1)-zps(t1)]/ρBp(t1)-[ZBs(t1)-zqs(t1)]/ρBq(t1)---(8)]]>ρ表示GPS衛(wèi)星與地面某點位近似坐標(biāo)間的幾何距離；(Xs，Ys，Zs)表示地面某點位的近似坐標(biāo)；(xs，ys，zs)表示GPS衛(wèi)星的近似坐標(biāo)(可從衛(wèi)星的廣播信息中得到)；(dX，dY，dZ)表示兩個點位間的基線改正量；dN載波相位整周模糊度；在以上各參量中，由上下標(biāo)標(biāo)明涉及的GPS衛(wèi)星或地面點位編號。
也可將 寫為 由于在#2天線從點位B移動到點位C時，接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不斷的跟蹤測量，因此(9)式中的整周模糊度與(1)式的整周模糊度相等，即dNABpq=dNACpq]]>。同時，由于點位B和點位C相距不遠(yuǎn)，完全可以用點位B的近似坐標(biāo)取代點位C的近似坐標(biāo)，這時，將(4)式和(9)式相減，并加以整理可得 其中，ϵ=[lXpq(t1)-lXpq(t2)]·dXAB+[lrpq(t1)+lrpq(t2)]·dYAB+[lZpq(t1)-lZpq(t2)]·dZAB,]]>進(jìn)一步的分析表明，ε滿足ϵ<7.9×10-4·(t2-t1)·(dXAB2+dYAB2+dZAB2)1/2---(11)]]>其中，時間t的單位為秒；ε和(dXAB，dYAB，dZAB)的單位為GPS L1信標(biāo)的波長。因此，ε總是一個小量，可以從(10)中略去。與(1)式相比較，(10)式左端就是(1)式的右端；因此，(10)式可進(jìn)一步寫為 其中，(ΔXBC，ΔYBC，ΔZBC)為點位B和點位C間的基線向量。
下面再考察 和 。仍用點位B的近似坐標(biāo)取代點位C的近似坐標(biāo)，則有 其中， 就是要初始化計算的整周模糊度。
由GPS定位理論知，(12)式、(13)式和(14)式中的系數(shù) 隨時間t的變化可以用一條直線很好地擬合，在時間跨度小于十幾分鐘的情況，直線擬合帶來的系統(tǒng)誤差可以完全忽略。因此，可用t3、t4時刻的觀測值 來估計t2時刻 的取值，也就是說，可以得到以下估計 (15)≈dNBCpq+lXpq(t2)·ΔXBC+lYpq(t2)·ΔYBC+lZpq(t2)·ΔZBC]]>注意到(15)式中第一個等號給出的關(guān)系式是直線擬合外推估計的標(biāo)準(zhǔn)估計公式，也正是(2)式給出的參數(shù)計算公式。(15)式可直接寫為 比較(12)式和(16)式，并將兩式相減，可得 上式即是整周模糊度的浮點數(shù)估計表達(dá)式。鑒于整周模糊度 具有整數(shù)特性，所以對(17)式取整即可得到對整周模糊度的估計式，如(3)式所示。
(3)式給出的整周模糊度初始化值的精確性取決于(12)式和(16)式估計的精度，同時也受到第三操作步驟中#1天線移動至點位B時位置偏差的影響。只要(12)式和(16)式的誤差以及第三步操作中#1天線移動至點位B時的位置偏差帶來的(17)式整周模糊度浮點數(shù)估值的誤差的總和不超過半個GPS L1信標(biāo)的波長，那么就可以保證(3)式做出的整周模糊度初始化值的正確性。(12)式的誤差已由(11)式給出，這一誤差與將#2天線從點位B移動到點位C所花的時間成正比，與點位A和點位B間相對坐標(biāo)粗略估計值的精度成正比。通常情況下，在移動天線的操作中，將#2天線從點位B移動到點位C很容易實現(xiàn)，這是由于點位C可任意選取，因此，這一步驟的操作可在50秒鐘內(nèi)完成；由于點位A和點位B間距離很近，因此這兩點之間的相對坐標(biāo)的粗略估計值完全有把握做到米的量級；這樣一來，(12)式的精度完全可以控制在不影響(3)式準(zhǔn)確性的程度。(16)式的估計精度可從(15)式得到估算，(16)式的誤差與觀測量 中隨機(jī)誤差的大小成正比，與時間間隔(t4-t3)成反比，與時間間隔(t4-t2)和時間間隔(t3-t2)成正比；時間間隔(t4-t2)和時間間隔(t3-t2)的大小與#1天線從點位A移動到點位B所花的時間有關(guān)，在這一步驟的天線移動中，雖然需要將#1天線移動到一個特別指定的#2天線占據(jù)的點位，但考慮到移動時不需要保持接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)不斷的跟蹤觀測，所以，移動#1天線的時間完全可以控制在50秒鐘之內(nèi)， 中隨機(jī)誤差的大小在毫米級。第三步操作中#1天線移動至點位B時的位置偏差很容易控制在2厘米之內(nèi)，帶來的浮點數(shù)整周模糊度的估值誤差最大不超過十分之一個GPS L1信標(biāo)的波長，所以，只要按照上述操作步驟操作，這一誤差源也不會對最終的整周模糊度整數(shù)估值帶來影響。
綜上所述，采用前面給出的操作步驟和(1)式、(2)式、(3)式，可以可靠地初始化載波相位DGPS定位中的整周模糊度。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果1、本發(fā)明提出的載波相位DGPS定位測量中初始化載波相位整周模糊度的方法可靠實用，能在實際的測量工程中可靠地提供整周模糊度初始化估值；2、與已有的初始化載波相位整周模糊度的方法相比，本發(fā)明操作簡單，容易實施，可以明顯地提高測量作業(yè)效率。
圖2為實施操作步驟2時各部分連接關(guān)系示意圖。
圖3為實施操作步驟3時各部分連接關(guān)系示意圖。
以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明1-#1GPS接收機(jī)與通過#1GPS天線接收并跟蹤GPS衛(wèi)星的信標(biāo)信號，并進(jìn)行記錄；2-#2GPS接收機(jī)與通過#2GPS天線接收并跟蹤GPS衛(wèi)星的信標(biāo)信號，并進(jìn)行記錄；3-#1GPS天線#1GPS接收機(jī)通過它接收GPS衛(wèi)星信標(biāo)信號；4-#2GPS天線#2GPS接收機(jī)通過它接收GPS衛(wèi)星信標(biāo)信號；5-天線放置點位A在第一步和第二步操作步驟中，用于放置#1GPS天線；6-天線放置點位B在第一步操作步驟中，用于放置#2GPS天線；在第三步操作步驟中，用于放置#1GPS天線；7-天線放置點位C在第二步和第三步操作步驟中，用于放置#2GPS天線；8-#1天線電纜用于連接#1GPS接收機(jī)和#1GPS天線；9-#2天線電纜用于連接#2GPS接收機(jī)和#2GPS天線；實際操作中，接收機(jī)1通過電纜8與天線3相連接；接收機(jī)2通過電纜9與天線4相連接；點位5、點位6、點位7用于放置GPS天線3或4，在不同的操作步驟中，放置的天線可能有所不同。
具體實施例方式以下就本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
本發(fā)明的具體實施分為觀測數(shù)據(jù)采集操作和整周模糊度估值計算兩部分。
觀測數(shù)據(jù)采集部分的實施分為三個操作步驟1、由

圖1可知，將用于載波相位DGPS定位測量的兩臺GPS接收機(jī)1和2通過電纜與各自對應(yīng)的天線3和4連接，并將天線3和4分別置于兩個點位5和6上；進(jìn)行4～8秒鐘的觀測，得到t1時刻兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 ，上標(biāo)中的p和q分別表示GPS衛(wèi)星編號，下標(biāo)A和B表示兩個觀測點位5和6，點位5到點位6的距離為0.7～1.5米；2、由圖1和圖2可知，將接收機(jī)2對應(yīng)的天線4移動到新的點位7上，點位7與點位5或者點位6的距離為0.7～1.5米，移動中需保持接收機(jī)對衛(wèi)星信標(biāo)的連續(xù)跟蹤測量，同時，移動天線的操作花費時間越少越好，控制在40秒以內(nèi)即可保證最終得到的整周模糊度初始化結(jié)果的正確性。在移動完成后，進(jìn)行4～8秒鐘的測量，得到t2時刻兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 ，下標(biāo)C表示天線4占據(jù)的新點位7；
3、由圖2和圖3可知，將接收機(jī)1對應(yīng)的天線3移動到點位5上，移動中允許接收機(jī)對衛(wèi)星的跟蹤測量中斷失鎖，完成本次天線移動所花的時間也是越少越好，控制在60秒鐘以內(nèi)即可保證最終得到的整周模糊度初始化結(jié)果的正確性；移動后#1天線實際占據(jù)位置與點位6間的距離要求小于2厘米，也就是說天線移動的偏差小于2厘米。在移動完成后，進(jìn)行一組測量，在t3時刻得到兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 ，然后，保持接收機(jī)對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤測量，在30秒到1分鐘左右以后再進(jìn)行一組測量，在t4時刻得到另一組載波相位雙差觀測量 。時刻t3和時刻t4間的時間間隔越大越有利于保證最終結(jié)果的正確性，但取(t4-t3)在30秒到60秒鐘即可保證最終結(jié)果的正確性。
整周模糊度估值計算分以下三步1、將采集到的觀測數(shù)據(jù) 和 帶入以下公式，計算得到參數(shù) 2、將采集到的觀測數(shù)據(jù) 和 帶入以下公式，計算得到參數(shù) 3、將參數(shù) 和 帶入以下公式，計算得到所需的整周模糊度估值 其中，Int[]表示四舍五入取整操作。
權(quán)利要求
1.一種短基線DGPS定位中初始化整周模糊度的方法，其特征在于，該方法按下列步驟順序進(jìn)行(1)、本發(fā)明設(shè)計了以下操作步驟移動天線位置并采集觀測數(shù)據(jù)①將用于載波相位DGPS定位測量的兩臺GPS接收機(jī)與各自對應(yīng)的天線相連接，并將兩個天線分別置于點位A和B上；進(jìn)行4～8秒鐘的測量，得到t1時刻兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 ，上標(biāo)表示GPS衛(wèi)星編號，下標(biāo)表示點位；②在上一步驟操作的基礎(chǔ)上，將原先占據(jù)點位B的天線移動到新的點位C上，移動中需保持接收機(jī)對衛(wèi)星信標(biāo)的連續(xù)跟蹤測量；移動天線的操作時間在40秒鐘以內(nèi)；然后，進(jìn)行4～8秒鐘的測量，得到t2時刻兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 ③將原先占據(jù)點位A的天線移動點位B上，天線移動中允許接收機(jī)對衛(wèi)星的跟蹤測量中斷失鎖；天線移動時間在一分鐘以內(nèi)，該天線實際占據(jù)的點位與點位B間的距離小于2厘米；移動完成后，進(jìn)行一組測量，在t3時刻得到兩臺GPS接收機(jī)載波相位雙差觀測量 等待30秒到60秒鐘，在t4時刻再進(jìn)行一組測量，得到另一組載波相位雙差觀測量 (2)、本發(fā)明設(shè)計了以下計算方法計算載波相位整周模糊度估值①將 和 帶入以下公式，計算得到參數(shù) ②將 和 帶入以下公式，計算得到參數(shù) ③將 和 帶入以下公式，計算所需的整周模糊度估值 其中，Int[]表示四舍五入取整操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種短基線GPS載波相位差分定位測量(DGPS)中初始化載波相位整周模糊度的方法；本發(fā)明巧妙地設(shè)計了移動GPS接收機(jī)天線位置和提取觀測數(shù)據(jù)的操作步驟，并巧妙地設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。本發(fā)明所設(shè)計的操作步驟簡單、易實施，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法給出的載波相位整周模糊度估值準(zhǔn)確可靠。本發(fā)明可以明顯提高短基線GPS載波相位差分定位測量的作業(yè)效率。
文檔編號G01S5/02GK1403833SQ0213871
公開日2003年3月19日 申請日期2002年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月26日
發(fā)明者袁洪, 寧百齊, 萬衛(wèi)星 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所