載波相位時間比對技術分析

付宇，謝淑香

（1.中國兵器工業試驗測試研究院，陜西渭南，714200；2.北京無線電計量測試研究所，北京，100089）

0 引言

北斗衛星導航系統是我國根據國家安全和經濟社會發展的需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。目前北斗系統的應用已非常普遍，北斗相關產品也早已進入我們的視線，在交通運輸、地理數據采集、漁業、減災、農業和電力等方面已經得到了廣泛的使用，北斗應用正處于一個快速發展的時期，還將不斷有新的應用領域出現[1]。目前，由于技術發展的限制，北斗導航系統在高動態條件下實現高精度導航定位測量技術，還是一項技術難題。本文針對北斗衛星系統精確定位中的載波相位差分時間比對技術進行了分析和研究，為高動態條件下實現高精度導航定位測量提供技術基礎。

1 差分定位技術

目前國際上差分定位技術依照系統對參考站設置需求，主要分為以下三種：

第一種為單基準站差分定位系統，顧名思義系統只需要一個基準站，且基準站的坐標精確已知，該系統成本較低，是普通用戶最常采用的差分定位方式，通常為滿足厘米級的高精度定位需求，移動站與基準站的距離需控制在20km范圍內[2]。

第二種為局域差分定位系統，該系統需要多個參考站以一定的密度均勻地分布在需要差分技術作用的區域，移動站在該區域內可獲得各基準站的差分信息平差量，進而實現高精度的相對定位，通常要求移動站與參考站的基線距離不超過150km。

第三種為廣域差分定位系統，該系統對移動站與基準站的基線距離沒有嚴格的要求，各基準站采用對各種觀測誤差分別進行處理的方式，通過插值擬合計算移動站所需的各項誤差的差分改正數，進而達到提升定位精度的目的。

2 載波相位差分定位技術

載波相位差分定位技術利用在短基線下移動站與基準站的各項觀測誤差具有較高的時間相關性和空間相關性的特性，通過對基準站和移動站的觀測信號進行載波相位差分處理，達到了削弱甚至消除電離層、對流層、相對論、多徑等多種觀測誤差的目的，從而實現了高精度的相對定位和相對時間差測量。

2.1 載波相位差分時間比對原理

載波相位差分時間比對方法利用GNSS差分定位技術，通過星間單差消除衛星鐘差，對單差載波相位觀測方程正交分解或者雙差消除接收機鐘差，固定出基線的整周模糊度從而可以解算出基線矢量[3]。對接收機時鐘偏差的計算中，使用偽距和載波相位的組合觀測方程，單差消除衛星鐘差的影響，將基線矢量和偽距/載波相位觀測值作為已知量，在此基礎上計算包含了接收機鐘差的載波相位單差整周模糊度[4]。相比于利用偽距測量值的共視時間傳遞方法，載波相位測量值擁有更高的精度，時間比對結果也更加精確[5]。相比于雙向衛星時間頻率傳遞的方法，利用差分技術不受設備限制，成本低易于實現，更容易得到廣泛有效的應用。

圖1給出了利用GNSS差分技術進行高精度時間比對的原理。其中，幾何距離單差值可由GNSS差分定位方法解算，精度毫米級。偽距測量值估計粗略L1-L2的差值，載波相位測量值解算整周模糊度，得到精確的L1-L2差值。最終解算得到1-2ns級別的鐘差時間t。GNSS 載波相位觀測值較偽距觀測值的精度要高2～3個量級，可以實現更高精度的GNSS時間比對。但由于載波信號是一種周期性的正弦信號，相位測量只能測定其不足一個波長的部分，存在著整周不確定性問題，使解算過程比較復雜。因此利用載波相位進行鐘差解算的重點和難點即整周模糊度的解算。

圖1 高精度載波相位時間比對原理

2.2 整周模糊度解算方法分析

解算載波整周模糊度時可以采用單頻或者多頻的模式，兩者原理相同。利用雙頻接收機，將觀測數據進行線性組合，可以完成消除誤差，周跳探測等。雙頻觀測數據的噪聲除了電離層延遲與信號頻率有關之外，其它的噪聲一般都與信號頻率無關，所以，為了分析線性組合觀測值的特性，可以只考慮電離層延遲的影響，忽略其它的噪聲影響。在數據處理的過程中，經常使用的線性組合有：無電離層組合、電離層殘差組合、寬巷相位組合等。通常，將雙頻載波進行寬巷組合得到的組合波長更長，有利于整周模糊度的固定。

在載波相位單差時間比對中，整周模糊度的固定是一項關鍵技術。根據RTK技術的相關理論可知，只要接收機對初始歷元的可見星實現持續跟蹤，則整周模糊度的維數不會發生變化，而觀測方程的冗余度會隨著歷元數的增加而增加，因此多歷元模型具有更好的可靠性。本文中同時使用偽距在載波的信息對整周模糊度進行求解，由于偽距的精度較低，單歷元雖然也能解算出載波的整周模糊度，但是準確度較低。因此本文采用多歷元模型通過對觀測方程遞歸的方法解算初始整周模糊度。具體實施過程如下。

偽距聯合載波求解整周，觀測方程和結合方程如下：

其中c表示光速，t表示接收機相對鐘差，τ=c?t表示將接收機鐘差化為單位為米的量，b表示基線，Si表示第i顆衛星的視向矢量。

通過上述式可以求得單差整周模糊度?N以及接收機鐘差?。多歷元解算有助于提高解算準確性，為了求得初始整周，將多個歷元的方程聯立求解。計算過程中避免大量的矩陣運算，使用對系數矩陣QR分解的方式對方程進行遞歸。

3 結論

載波相位觀測值測量的是接收機與衛星之間的幾何距離，由于衛星軌跡的連續性，因而載波相位測量的值也應該是對連續的星地幾何距離的采樣，變化應該是平緩的（當然相位觀測值中還包含噪聲的影響）。若觀測數據發生周跳，則會導致觀測數據發生突變，產生偏差。周跳探測從本質上講就是從載波相位觀測數據中尋找可能存在的這種偏差。現有的周跳探測方法主要有高次差法、多項式擬合法、多普勒法、偽距載波相位組合法、電離層殘差組合二階歷元間差分及TurboEdit 方法。載波相位時間比對過程中，粗差剔除和周跳探測能夠有效的減小觀測數據突變產生的偏差，載波平滑碼偽距使碼觀測值的精度得到提高，降低系統觀測噪聲。