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一种适用于laas的多径误差模型化方法

文档序号：1627176 发布日期：2020-01-14 浏览：22次 >En<

阅读说明：本技术 一种适用于laas的多径误差模型化方法 (Multi-path error modeling method suitable for LAAS ) 是由 盛传贞 蔚保国 解晶 张京奎 王垚 赵精博 惠沈盈 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用局域增强系统(LAAS)的多径误差模型化方法,适用于地面监测站伪距和载波观测量的多径误差修正,它在传统精密单点定位的基础上,采用非组合精密单点模糊度固定处理方法,实现伪距和载波相位的多径误差分离；以精密单点定位伪距和载波相位验后残差为基础,构建高度角/方位角的多径误差模型,基于此,进行监测站伪距和载波相位多径误差的实时补偿,减弱多径误差对LAAS异常检测所带来的不利影响,同时提高差分增强信息生成的精度。(The invention discloses a multipath error modeling method suitable for a Local Area Augmentation System (LAAS), which is suitable for multipath error correction of pseudo range and carrier observed quantity of a ground monitoring station, and realizes multipath error separation of pseudo range and carrier phase by adopting a non-combined precise single-point ambiguity fixing processing method on the basis of traditional precise single-point positioning; and constructing a multipath error model of an altitude angle/an azimuth angle based on the precise single-point positioning pseudo-range and the carrier phase post-test residual error, and performing real-time compensation on the pseudo-range of the monitoring station and the carrier phase multipath error based on the model, so that the adverse effect of the multipath error on LAAS anomaly detection is weakened, and the generation precision of differential enhancement information is improved.)

一种适用于LAAS的多径误差模型化方法

技术领域

本发明公开了一种适用局域增强系统(LAAS)的多径误差模型化方法，适用于地面监测站伪距和载波观测量的多径误差补偿和修正。

背景技术

基于GNSS卫星导航系统为基础构建的飞机精密渐近着陆系统LAAS，有效的保证了民航飞机的高精度、安全性和连续性着陆需求，该系统通过对均匀分布监测站的观测数据的综合处理和分析，为用户提供差分增强信息和完好性信息，引导民航用户进行精确、安全着陆。

由于GNSS信号受到监测站周边环境影响而产生反射和散射，引起多径，使得监测站伪距和载波相位观测量中隐含多径误差，尤其是低仰角卫星，该多径误差对LAAS系统的影响主要体现在两个层面：①影响LAAS差分增强信息的精度；②影响码/载偏离度、相位平滑异常监测等LAAS异常探测的分辨度。虽然当前的常规相位平滑伪距能一定程度上减弱伪距多径的影响，但是当前方法仍无法分离载波相位的多径，同时伪距的平滑需要较长时间观测来支撑，严重制约了LAAS系统服务的连续性和定位稳健性。

本发明依据多径误差时空相关性特征，采用当前精密单点定位模糊度固定方法，基于电离层和对流层延迟时间平滑和强约束下，实现监测站载波和相位数据的多径误差同步分离和模型化，最终基于多径误差补偿解决LAAS系统服务连续性和稳健性。

发明内容

本发明针对监测站多径制约LAAS系统连续性、降低差分增强信息精度等问题，提出一种适用于LAAS的多径误差分离和补偿方法。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种适用于LAAS的多径误差模型化方法，包括以下步骤：

(1)在IGS精密产品的支撑下，基于地面监测站GNSS伪距和载波相位的历史观测数据，采用非组合精密单点定位的处理方法，确定所有卫星的载波相位模糊度、电离层延迟和对流层延迟信息；

(2)对所有卫星的电离层延迟和对流层延迟信息进行拟合平滑处理，以拟合平滑处理结果为基础作为虚拟观测量并附加强约束，再次估计和确定载波相位模糊度，同时获得伪距和载波相位的验后残差；

(3)针对所有卫星的伪距和载波相位的验后残差，以高度角和方位角作为特征量，构建伪距和载波相位的多径误差模型；

(4)针对监测站实时伪距和载波相位观测数据，采用伪距和载波相位的多径误差模型，进行多径误差的补偿；基于补偿后的数据进行LAAS差分增强伪距和载波相位的基本量的计算。

其中，所述步骤(1)的具体方式为：

(101)基于地面监测站GNSS伪距和载波相位的历史观测数据，采用的非组合精密单点定位观测方程如下：

Figure BDA0002258714840000021

Figure BDA0002258714840000022

其中，

Figure BDA0002258714840000023

和

Figure BDA0002258714840000024

分别代表地面监测站所观测的i卫星f频率的伪距和载波测量值，

Figure BDA0002258714840000025

和

Figure BDA0002258714840000026

分别代表地面监测站所观测的i卫星f频率的伪距噪声和载波相位噪声，

Figure BDA0002258714840000031

代表地面监测站与卫星i间的几何距离，Ii和γf分别代表地面监测站所观测的i卫星对应的基准频率的电离层延迟和比例系数，Ti和Mel分别代表对流层延迟和投影函数，δti和δt分别代表i卫星的卫星钟差和地面监测站的接收机钟差，λf和

Figure BDA0002258714840000032

分别代表载波相位波长和i卫星的整数模糊度，

Figure BDA0002258714840000033

代表i卫星f频率的伪距码相位偏差，

Figure BDA0002258714840000034

和

Figure BDA0002258714840000035

分别代表地面监测站观测i卫星f频率的伪距多径和载波多径，

Figure BDA0002258714840000036

代表载波相位的整数相位偏差，包含卫星相位偏差

Figure BDA0002258714840000037

和接收机相位偏差Fcsb，f，其表达式为：

Figure BDA0002258714840000038

(102)基于非组合精密单点定位观测方程的载波相位模糊度、电离层延迟和对流层延迟估计方法如下：

基于IGS精密产品获得已知量：卫星相位偏差

Figure BDA0002258714840000039

伪距码偏差

Figure BDA00022587148400000310

和卫星钟差δti，代入非组合精密单点定位观测方程，在地面监测站已知精确坐标和IGS精密星历支撑下，可精确获得因此，上述方程估计参数包含接收机钟差δt、接收机载波相位偏差Fcsb，f、电离层延迟参数Ii、对流层延迟参数Ti以及载波相位整数模糊度

Figure BDA00022587148400000312

在参数估计中，针对对电离层延迟参数Ii、对流层延迟参数Ti和接收机载波相位偏差Fcsb，f，附加相应的约束避免方程奇异而导致结果不稳定，基于此，采用卡尔曼滤波估计方法，可获得所有卫星的载波相位浮点模糊度

Figure BDA00022587148400000313

然后采用LAMBDA方法即可获得各卫星的整数模糊度

Figure BDA00022587148400000314

从而获得模糊度固定解后的电离层延迟参数Ii和对流层延迟Ti。

其中，所述步骤(2)的具体方式为：

(201)对所有卫星的电离层延迟和对流层延迟信息，分别通过时间窗口的拟合平滑来剔除估计错误的电离层延迟或对流层延迟；方法如下：

ys(t)＝p0，i+p1，it+p2，it2

其中p0，i、p1，i和p2，i为拟合系数，ys(t)为对应的延迟观测量，若拟合中残差过大，则剔除相应粗差后，再次进行拟合，并将拟合值代替野值，获得平滑后的卫星电离层延迟信息和对流层延迟信息

Figure BDA0002258714840000042

(202)基于拟合平滑后的电离层延迟信息

Figure BDA0002258714840000043

和对流层延迟信息

Figure BDA0002258714840000044

作为虚拟观测量，并附加强约束信息；电离层延迟信息

Figure BDA0002258714840000045

和对流层延迟信息

Figure BDA0002258714840000046

的虚拟观测方程如下：

Figure BDA0002258714840000047

Figure BDA0002258714840000048

其中

Figure BDA0002258714840000049

和

Figure BDA00022587148400000410

分别代表电离层延迟和对流延延迟的权阵，εI，i和εT，i分别代表电离层和对流层的观测偏差，基于虚拟观测方程和步骤(101)中的非组合精密单点定位观测方程，再次进行参数估计和模糊度固定，获得接收机钟差δt、接收机载波相位偏差Fcsb，f、电离层延迟参数Ii、对流层延迟参数Ti以及载波相位整数模糊度

(203)基于电离层延迟、对流层延迟和载波相位整数模糊度，获得伪距验后残差

Figure BDA00022587148400000412

和载波相位验后残差采用如下公式：

Figure BDA00022587148400000414

Figure BDA00022587148400000415

其中，所述步骤(3)的具体实现方式如下：

基于伪距验后残差

Figure BDA0002258714840000051

和载波相位验后残差

Figure BDA0002258714840000052

以高度角和方位角作为特征量，构建伪距多径误差模型MPf和载波相位的多径误差模型

Figure BDA0002258714840000053

其模型采用如下公式：

Figure BDA0002258714840000054

Figure BDA0002258714840000055

Figure BDA0002258714840000056

其中Sig为符号函数，el和az分别监测站与卫星视线的高度角和方位角，Ns为Sig函数的求和，N为时刻t的卫星数量，t0为开始时间，tN为结束时间,elS和azS分别代表高度角和方位角两个维度上定义的离散采样点，其中高度角取值范围为0°至90°，方位角的取值范围为0°至360°，采样间隔一般选择为5°。

其中，所述步骤(4)的具体实现方式如下：

(401)针对监测站实时接收的伪距

Figure BDA0002258714840000057

和载波相位测量值

Figure BDA0002258714840000058

采用多径模型进行补偿，其补偿方法如下：

Figure BDA00022587148400000510

(402)LAAS地面系统依据监测站修正后的实时伪距和载波相位测量值，进行LAAS差分增强信息基本量和

Figure BDA0002258714840000062

的计算，采用如下公式：

Figure BDA0002258714840000063

Figure BDA0002258714840000064

为基于监测站已知精确坐标和广播星历参数获得的监测站和卫星之间的几何距离。

本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：

本发明提出了一种适用于LAAS的多径误差分离和补偿方法，针对伪距和载波相位多径误差无法同时分离问题，设计基于精密单点定位模糊度固定和信息约束的伪距和载波相位多径误差同步分离方法，同时针对LAAS系统的监测站多径补偿需求，构建了高度角和方位角的多径误差模型，满足监测站的实时多径误差的补偿，降低LAAS系统监测站载波相位平滑伪距的平滑时间，提升了LAAS系统异常检测的分辨率，改善了差分增强信息的精度。

附图说明

图1为本发明机载平台从短基线到中长基线的运动过程附图；

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图1对本发明的技术方案作进一步说明。在本具体实施方式中，以LAAS四个地面监测站(A、B、C、D)为例进行方法说明。本发明中设备包括：LAAS系统地面GNSS监测站，示意图如图1所示，监测站接收GNSS信号，跟踪捕获得到载波相位测量和伪距测量数据，然后发送给LAAS地面处理中心，该中心基于每个监测站累计历史数据执行多径误差分离和模型化，并根据实时接收的每个监测站观测数据，进行LAAS差分增强信息和完好性处理，整个处理包括如下步骤：

1.在IGS精密产品的支撑下，基于地面监测站GNSS伪距和载波相位的历史观测数据，采用非组合精密单点定位的处理方法，确定所有卫星的载波相位模糊度、电离层延迟和对流层延迟信息；

(101)基于地面监测站GNSS伪距和载波相位的历史观测数据，采用的非组合精密单点定位观测方程如下：

Figure BDA0002258714840000071

Figure BDA0002258714840000072

其中，

Figure BDA0002258714840000073

和分别代表地面监测站所观测的i卫星f频率的伪距和载波测量值，

Figure BDA0002258714840000075

和

Figure BDA0002258714840000076

分别代表地面监测站所观测的i卫星f频率的伪距噪声和载波相位噪声，

Figure BDA0002258714840000077

代表地面监测站与卫星i间的几何距离，Ii和γf分别代表地面监测站所观测的i卫星对应的基准频率的电离层延迟和比例系数，Ti和Mel分别代表对流层延迟和投影函数，δti和δt分别代表i卫星的卫星钟差和地面监测站的接收机钟差，λf和分别代表载波相位波长和i卫星的整数模糊度，

Figure BDA0002258714840000079

代表i卫星f频率的伪距码相位偏差，和

Figure BDA00022587148400000711

分别代表地面监测站观测i卫星f频率的伪距多径和载波多径，

Figure BDA00022587148400000712

代表载波相位的整数相位偏差，包含卫星相位偏差

Figure BDA00022587148400000713

和接收机相位偏差Fcsb，f，其表达式为：

Figure BDA00022587148400000714

(102)基于非组合精密单点定位观测方程的载波相位模糊度、电离层延迟和对流层延迟估计方法如下：

基于IGS精密产品获得已知量：卫星相位偏差

Figure BDA0002258714840000081

伪距码偏差

Figure BDA0002258714840000082

和卫星钟差δti，代入非组合精密单点定位观测方程，在地面监测站已知精确坐标和IGS精密星历支撑下，可精确获得

Figure BDA0002258714840000083

因此，上述方程估计参数包含接收机钟差δt、接收机载波相位偏差Fcsb，f、电离层延迟参数Ii、对流层延迟参数Ti以及载波相位整数模糊度

Figure BDA0002258714840000084

在参数估计中，针对对电离层延迟参数Ii、对流层延迟参数Ti和接收机载波相位偏差Fcsb，f，附加相应的约束避免方程奇异而导致结果不稳定，基于此，采用卡尔曼滤波估计方法，可获得所有卫星的载波相位浮点模糊度

Figure BDA0002258714840000085

然后采用LAMBDA方法即可获得各卫星的整数模糊度从而获得模糊度固定解后的电离层延迟参数Ii和对流层延迟Ti。

2.对所有卫星的电离层延迟和对流层延迟信息进行拟合平滑处理，以拟合平滑处理结果为基础作为虚拟观测量并附加强约束，再次估计和确定载波相位模糊度，同时获得伪距和载波相位的验后残差；

(201)对所有卫星的电离层延迟和对流层延迟信息，分别通过时间窗口的拟合平滑来剔除估计错误的电离层延迟或对流层延迟；方法如下：

ys(t)＝p0，i+p1，it+p2，it2

其中p0，i、p1，i和p2，i为拟合系数，ys(t)为对应的延迟观测量，若拟合中残差过大，则剔除相应粗差后，再次进行拟合，并将拟合值代替野值，获得平滑后的卫星电离层延迟信息

Figure BDA0002258714840000087

和对流层延迟信息

Figure BDA0002258714840000088

(202)基于拟合平滑后的电离层延迟信息

Figure BDA0002258714840000091

和对流层延迟信息

Figure BDA0002258714840000092

作为虚拟观测量，并附加强约束信息；电离层延迟信息

Figure BDA0002258714840000093

和对流层延迟信息

Figure BDA0002258714840000094

的虚拟观测方程如下：

Figure BDA0002258714840000096

其中和

Figure BDA0002258714840000098

分别代表电离层延迟和对流延延迟的权阵，εI，i和εT，i分别代表电离层和对流层的观测偏差，基于虚拟观测方程和步骤(101)中的非组合精密单点定位观测方程，再次进行参数估计和模糊度固定，获得接收机钟差δt、接收机载波相位偏差Fcsb，f、电离层延迟参数Ii、对流层延迟参数Ti以及载波相位整数模糊度

Figure BDA0002258714840000099

(203)基于电离层延迟、对流层延迟和载波相位整数模糊度，获得伪距验后残差

Figure BDA00022587148400000910

和载波相位验后残差

Figure BDA00022587148400000911

采用如下公式：

Figure BDA00022587148400000913

3.针对所有卫星的伪距和载波相位的验后残差，以高度角和方位角作为特征量，构建伪距和载波相位的多径误差模型。

在伪距验后残差和载波相位验后残差中，其主分量为多径误差，因此，基于伪距验后残差

Figure BDA00022587148400000914

和载波相位验后残差以高度角和方位角作为特征量，构建伪距多径误差模型MPf和载波相位的多径误差模型

Figure BDA00022587148400000916

其模型采用如下公式：

Figure BDA00022587148400000917

Figure BDA0002258714840000101

Figure BDA0002258714840000102

其中Sig为符号函数，el和az分别监测站与卫星视线的高度角和方位角，Ns为Sig函数的求和，N为时刻t的卫星数量，t0为开始时间，tN为结束时间,elS和azS分别代表高度角和方位角两个维度上定义的离散采样点，其中高度角取值范围为0°至90°，方位角的取值范围为0°至360°，采样间隔一般选择为5°。

4.针对监测站实时伪距和载波相位观测数据，采用伪距和载波相位的多径误差模型，进行多径误差的补偿；基于补偿后的数据进行LAAS差分增强伪距和载波相位的基本量的计算。

(401)监测站伪距和载波相位多径误差实时补偿采用如下方法：

针对监测站实时接收的伪距

Figure BDA0002258714840000103

和载波相位测量值

Figure BDA0002258714840000104

采用多径模型进行补偿，其补偿方法如下：

Figure BDA0002258714840000105

Figure BDA0002258714840000106

(402)LAAS地面系统依据监测站修正后的实时伪距和载波相位测量值，进行LAAS差分增强信息基本量和的计算，采用如下公式：

Figure BDA0002258714840000111

Figure BDA0002258714840000113

为基于监测站已知精确坐标和广播星历参数获得的监测站和卫星之间的几何距离。基于上述获得

Figure BDA0002258714840000114

和

Figure BDA0002258714840000115

大大减弱了多径误差，提高了LAAS异常风险判别效率和增强信息生成的精度。

总之，本发明提出了一种适用于LAAS的多径误差分离和补偿方法，针对伪距和载波相位多径误差无法同时分离问题，设计基于精密单点定位模糊度固定和信息约束的伪距和载波相位多径误差同步分离方法，同时针对LAAS系统监测站多径误差补偿需求，构建了高度角和方位角的多径误差模型，满足了监测站的实时补偿需求，降低了LAAS伪距平滑所需的时间，提升了LAAS系统完好性监测的分辨率，改善了差分增强信息的精度。

本发明解决了LAAS监测站伪距和载波相位观测量的多径误差分离、模型化和实时补偿问题，大大减弱了多径误差对LAAS系统连续性和可用性所带来的不利影响，尤其适用于CORS站GNSS数据的多径误差补偿，具有重要的工程实际应用价值。

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