GPS周跳的探測與修復

1、周跳的探測與修復授課教師：劉志強授課教師：劉志強單單 位：河海大學位：河海大學主要內容n（一）周跳定義及其產(chǎn)生原因（一）周跳定義及其產(chǎn)生原因n（二）周跳的特性（二）周跳的特性n（三）周跳的探測與處理方法（三）周跳的探測與處理方法一 周跳定義及其產(chǎn)生原因n1.1 周跳的定義周跳的定義n1.2 產(chǎn)生周跳的原因產(chǎn)生周跳的原因0tNN1t0( )rF1( )rF1( )Int0100( )rFN0t時刻111( )( )rInNtF時刻1t1.1 周跳定義 由于某種原因，在某一時段由于某種原因，在某一時段計數(shù)器中止計數(shù)器中止了正常的累積工作了正常的累積工作，從而使整周計數(shù)應有值，從而使整周計數(shù)應有值少

2、了少了 周，那么當計數(shù)器恢復正常工作后，周，那么當計數(shù)器恢復正常工作后，所有的所有的 便都會含有同一偏差值便都會含有同一偏差值 。 這種這種整周計數(shù)整周計數(shù) 出現(xiàn)系統(tǒng)偏差出現(xiàn)系統(tǒng)偏差而不而不足一周的部分足一周的部分 仍然保持正確的現(xiàn)象稱仍然保持正確的現(xiàn)象稱為為整周跳變，簡稱周跳（Cycle Slips）。n( )iIntn( )irF( )iInt( )()iiirIFtNn時刻tin（一）衛(wèi)星信號被障礙物阻擋（一）衛(wèi)星信號被障礙物阻擋 如樹木、建筑物、橋梁、山峰等對衛(wèi)星信號的阻擋造成。這種情如樹木、建筑物、橋梁、山峰等對衛(wèi)星信號的阻擋造成。這種情況最頻繁，尤其是基于載波相位的動態(tài)定位。況最頻

3、繁，尤其是基于載波相位的動態(tài)定位。n（二）外界干擾或接收機所處的動態(tài)條件引起（二）外界干擾或接收機所處的動態(tài)條件引起 惡劣的電離層條件、多路徑效應、衛(wèi)星高度角過低引起的低信噪惡劣的電離層條件、多路徑效應、衛(wèi)星高度角過低引起的低信噪比（比（S/N），以及接收機的高速運動。），以及接收機的高速運動。1.2 產(chǎn)生周跳的原因產(chǎn)生周跳的原因：產(chǎn)生周跳的原因：衛(wèi)星載波相位信號的暫時衛(wèi)星載波相位信號的暫時失鎖失鎖【Loss of Lock】n 衛(wèi)星信號的失鎖可能發(fā)生在兩個連續(xù)的歷元間，也可能持續(xù)幾衛(wèi)星信號的失鎖可能發(fā)生在兩個連續(xù)的歷元間，也可能持續(xù)幾分鐘或更長時間，重新捕獲信號分鐘或更長時間，重新捕獲信號之

4、后的所有載波相位觀測值之后的所有載波相位觀測值都會都會與正確值相差與正確值相差 周。周。n 整周跳變值整周跳變值 可能是可能是1 周甚至數(shù)百萬周。周甚至數(shù)百萬周。n二 周跳的特性( (I) )( )( )iiriFNnInt時刻tinTnNNNnN二 周跳的特性( (II) )( )( )iiriFNnInt時刻t( )()iiirIFtNni對非差整周模糊度的影響對差分整周模糊度的影響觀觀測測歷歷元元載波相位觀測值載波相位觀測值雙差雙差三差三差2it1itit1it2it(2)pki(1)pki( )pki(1)pki(2)pki(2)pmi(1)pmi( )pmni(1)pmni(2)pm

5、ni(2)qki(1)qki( )qki(1)qki(2)qki(2)qmi(1)qmi( )qmi(1)qmi(2)qmi(2)pqkmi(1)pqkmi( )+pqkmni+( +1)pqkmin2 +()pqkmin(1,2)pqkmii(+,1)pqkmini(1, )pqkmii(2,1)pqkmii三 周跳的探測與處理方法n3.1 周跳的探測周跳的探測n3.2 周跳的處理方法周跳的處理方法n測距碼與相位比較法測距碼與相位比較法3.1 周跳的探測( (I) )()rstroptiderelmulcionRtt c偽距觀測方程偽距觀測方程載波相位觀測方程載波相位觀測方程()rstrop

6、tiderelionmulpNtt c 2()ioncpRN 2()ioncpRN 111()()iiiiiiRRNN 在無周跳的情況下，在無周跳的情況下， 。 由于偽距的觀測噪聲水平較大，該方法僅適合于大周跳的探測。由于偽距的觀測噪聲水平較大，該方法僅適合于大周跳的探測。10iiNN衛(wèi)星徑向速度n高次差法高次差法一次差一次差11210.067211608.753112008.567112410.888312815.137213222.277713632.037714043.95513.1 周跳的探測( (II) )一次差一次差1()iidttdt212()iidttdt二次差二次差衛(wèi)星徑向加

7、速度414()iidttdt四次差四次差值趨于零，殘余誤差呈偶然誤差特性，值趨于零，殘余誤差呈偶然誤差特性，主要受接收機鐘誤差影響。主要受接收機鐘誤差影響。觀測觀測歷元歷元觀測值觀測值20464623.158121475833.225122487441.978423499450.545524511861.433825524676.571026537898.848727551530.886428565574.8817( )( )rFInt三次差三次差1.12812.50721.92772.89162.61952.1976二次差二次差398.6859399.8140402.3212404.2489

8、407.1405409.7600411.9576四次差四次差 1.3791-0.57960.9639-0.2721-0.4291一次差一次差11210.067211608.753112008.567112410.888312715.137213222.277713632.037714043.95513.1 周跳的探測( (II) )（續(xù)）（續(xù)）觀測觀測歷元歷元觀測值觀測值20464623.158121475833.225122487441.978423499450.545524511861.433825524576.571026537798.848727551430.886428565474.

9、8817( )( )rFInt三次差三次差1.12812.5072-98.0723202.8916-97.38052.1976二次差二次差398.6859399.8140402.3212304.2489507.1405409.7600411.9576四次差四次差 1.3791-100.5795300.9639-300.272199.5781 GPS接收機鐘一般采用石英鐘，穩(wěn)定性較差。例如：接收機鐘一般采用石英鐘，穩(wěn)定性較差。例如：109155 101.5754 1011.8sHzcycle 對于非差相位觀測值，即使發(fā)現(xiàn)相位觀測值中有數(shù)周的不規(guī)則變化，也很對于非差相位觀測值，即使發(fā)現(xiàn)相位觀測值中

10、有數(shù)周的不規(guī)則變化，也很難判斷是否存在周跳。難判斷是否存在周跳。 只有將各種誤差對觀測值的影響削減至遠小于只有將各種誤差對觀測值的影響削減至遠小于1周的水平時，才能使用高次周的水平時，才能使用高次差法探測小至差法探測小至1周的小周跳。建議雙差觀測值時可采用該方法。周的小周跳。建議雙差觀測值時可采用該方法。n 多項式擬合法多項式擬合法 將將 個無周跳的載波相位觀測值個無周跳的載波相位觀測值 代入下式，進行多項代入下式，進行多項式擬合。式擬合。3.1 周跳的探測( (III) )mi2010200()()()(1,2,;1)niiiniaa tta tta ttim mn 01,na aa(1)i

11、iVVmn外推載波相位觀測值載波相位觀測值實際載波相位觀測值載波相位觀測值3 擬合多項式的階數(shù)通常取至擬合多項式的階數(shù)通常取至34階即可；階即可； 實質上與高次差法類似，但便于計算。實質上與高次差法類似，但便于計算。n 寬巷組合觀測值法寬巷組合觀測值法 3.1 周跳的探測( (IV) )1 12212( )Wffmff1286.19WWcccmfff12WNNN寬巷組合觀測值寬巷模糊度12121 122121212()WWWWffPPf Pf PNffff 通常用相位和測距碼組合觀測量計算通常用相位和測距碼組合觀測量計算 ：WN 理論上，寬巷模糊度應為常數(shù)。理論上，寬巷模糊度應為常數(shù)。由于衛(wèi)星

12、信號在傳播路徑上的變化，由于衛(wèi)星信號在傳播路徑上的變化，對于低高度角衛(wèi)星，寬巷模糊度會有少許的變動。對于低高度角衛(wèi)星，寬巷模糊度會有少許的變動。 從第從第1個歷元至第個歷元至第i個歷元，所求得的個歷元，所求得的i個個 的均值的均值 及其方差及其方差 ，可由下列遞推公式計算：可由下列遞推公式計算：WN,WiN2i,11WWWiiWiiNNiNN22,21,112()WWiiiiiNiN12()Wcycle 3.1 周跳的探測( (IV) )（續(xù)）（續(xù)）YN1,4iWiiWNN無周跳無周跳周跳或粗差周跳或粗差2,4iWiiWNN1,2WiiWNN2,4iWiiWNN1,2WiiWNN粗差周跳YY如

13、何區(qū)分如何區(qū)分L1還是還是L2觀測值中的周跳觀測值中的周跳若若L1與與L2中發(fā)生相同的周跳呢中發(fā)生相同的周跳呢3.1 周跳的探測( (V) )()iiiirsioniidtdt cN ()iirsionPRdtdt c()iikiorniidt cdtN()iikionrPRdtcdt 由于大部分誤差源在短時間內（如幾秒）是強相關的，因此通過信號間由于大部分誤差源在短時間內（如幾秒）是強相關的，因此通過信號間的的時間差分時間差分可以很大程度上可以很大程度上削弱這種相關性削弱這種相關性。 由于兩相鄰歷元間的時間間隔相對較短，儀器偏差的變化完全可以忽略。由于兩相鄰歷元間的時間間隔相對較短，儀器偏差

14、的變化完全可以忽略。這意味著這意味著周跳仍保持著其整數(shù)特性周跳仍保持著其整數(shù)特性，因此可以用，因此可以用整周模糊度求解的方的方法來恢復周跳。法來恢復周跳。lAxBne( )cov lQ- 歷元差分觀測值向量歷元差分觀測值向量-位置和接收機鐘差未知參數(shù)（位置和接收機鐘差未知參數(shù)（4維）維）- 周跳參數(shù)周跳參數(shù)- 未知參數(shù)和周跳參數(shù)分別對應的設計矩陣未知參數(shù)和周跳參數(shù)分別對應的設計矩陣 lnxAB、相鄰歷元間差分相鄰歷元間差分n 歷元間差分法歷元間差分法(ION GNSS 2009) Improving Real-Time Kinematic PPP with Instantaneous Cycle-Slip Correction3.1 周跳的探測( (V) )（續(xù)）（續(xù)）固定整周模糊度固定整周模糊度LAMBDA12WNNN1 12212Wffff寬巷組合觀測值112()rkWWWionWWWfdtdtcNf12WNNN12G無幾何影響組合觀測值121122GionionGNN1122GNNN2121GWNNN11rouNNnd()WkrWWWdt cIdtN相鄰歷元間差分相鄰歷元間差分相鄰歷元間差分相鄰歷元間差分1122GNN 2N在探測出