[发明专利]一种基于自调整卡尔曼滤波的多普勒辅助载波相位平滑伪距方法

说明书

本发明公开了一种基于自调整卡尔曼滤波的多普勒辅助载波相位平滑伪距方法，属于全球卫星导航系统伪距单点定位领域。本发明方案利用多普勒频移对码伪距的初值进行估计，并结合载波相位完成周跳检测，以决定卡尔曼滤波器的平滑方式以及过程噪声方差的大小；之后利用信噪比测量值的变化情况实现了卡尔曼滤波器的观测噪声方差的自调整，最终完成对码伪距的平滑。本发明方案解决了码伪距精度低的问题，消除了周跳对载波相位平滑伪距的影响，能够在复杂环境下得到精度较高的伪距，进而能够提高单点定位精度，且不仅限于静态定位场合，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及全球卫星导航系统伪距单点定位领域，特别是一种基于自调整卡尔曼滤波的多普勒辅助载波相位平滑伪距方法。

背景技术

从全球导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收机的基带信号中可以获得码伪距、载波相位以及多普勒频移观测量。码伪距在过去一直被视为GNSS接收机最主要的基本距离测量值，在同一时刻利用至少4颗不同可见卫星的伪距测量值，接收机就可以实现三维绝对定位、测速和定时；但由于其包含钟差、电离层延时等各种误差，观测噪声大，多路径干扰对其影响也更大，精度为m级。作为另一个基本距离测量值，载波相位测量值非常平滑，精度很高，达到cm甚至mm级，但会受到周跳的影响，存在整周模糊度问题，它与码伪距具有明显区别，又呈现互补特性。而多普勒频移为载波相位的时间差分值，精度较高，可达到cm级，且不存在周跳。

已有技术提出基于Hatch滤波的载波相位平滑码伪距方法，即用两次测量的载波相位差计算两次测量之间的伪距变化量，再用这个伪距变化量去平滑测量的码伪距。虽然该方法在工程上被广泛应用，但其存在如下问题：

一、如果平滑时使用的码伪距初始值误差较大，那么此后的平滑过程中将很难消除此误差，这样即使码伪距得到了平滑，精度也不高；

二、在“城市峡谷”等复杂的接收环境中，信号容易被遮挡，GNSS接收机载波跟踪环路容易产生信号失锁和相位失周等现象，导致载波相位测量值发生较大变化，从而使该方法的应用受到限制。

三、理论上随着观测历元的增加和平滑过程的推进，平滑后的码伪距精度逐渐接近载波相位的精度，但是由于电离层对码伪距和载波相位的影响是反向的，当平滑处理周期数逐渐增大或电离层发生扰动时，会发生单频伪距平滑值发散的情况。虽然现有技术提出了采用卡尔曼滤波器作为载波相位平滑码伪距的工具，但传统的卡尔曼滤波器的量测噪声方差为常值，在动态GNSS定位中，不能很好地适合环境的变化，从而也达不到理想的平滑效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于自调整卡尔曼滤波的多普勒辅助载波相位平滑伪距方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案，对于每一颗卫星，均包括以下步骤：

(1)设定一个窗口长度N，利用求平均的方法，计算第N-1个历元t_N-1的码伪距估计值

(1-1)接收机第一次接收到码伪距测量值ρ的历元时刻记作t₀；当到达第N-1个历元t_N-1时，通过t₀至t_N-1的多普勒频移测量值对相应时刻的码伪距测量值ρ进行修正；对于t₀至t_N-1，依次依照下式计算出t_N-1的码伪距估计值

其中：t_i为第i个历元，ρ(t_i)为第i个历元的码伪距测量值，D(t_i)为多普勒频移测量值，λ为卫星信号的载波波长；

(1-2)用下式对进行求平均，可以得到利用多普勒频移推算的t_N-1的码伪距值