gps卫星位置计算程序matlab_卫星空间大地测量中GPS周跳探测的四种方法

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今天的科普内容是关于GPS信号处理的相关方法及其应用在卫星空间大地测量中的情况。这些方法主要用于检测和处理在卫星接收过程中可能出现的周跳现象，在实际应用中具有重要的参考价值。

周跳的基本概念

周跳亦即一个整周跳变的问题，在GPS高精度数据处理中是需要关注的重点。接收端设备所获取的载波相位被视为估计参数的主要观测值。通常情况下，在开展载波相位测量工作时，
第一步会对卫星发射信号进行捕获锁定；随后直接测定了卫星所发送载波与接收端复制信号之间相差不足一周的部分；接着接收端设备会初始化一个整数值计数器，并开始对信号进行持续跟踪；当累积的小数超移达到2π时，则会将该计数值增加1；最后可以得出结论：某历元时期的观测基线φ（周）等于实时测得的小数周期ψ（周）加上累积整周数N。

*常见的GPS周跳探测方法与原理科普

高次差法

考虑到GPS卫星的径向速度最高可达0.9千米每秒左右，在这种情况下整周计数值每秒钟的变化量可能达到数千周的数量级

2 多项式拟合法

用最小二乘法计算得到式中所涉及的多项式系数及拟合后所得残差的基础上计算出单位权中误差。利用求得的多项式系数对下一个历元进行载波相位预测，并将其与实际观测结果进行对比验证；若二者之差绝对值小于3倍标准差，则判定该次观测不存在周跳现象。剔除最早的一次观测数据点后加入上一次判定无误的实际观测结果重新执行上述多项式的拟合步骤；若预测结果与实际测量存在差异超过或等于3倍标准差，则判定当前次测量存在周跳现象；此时应当采用预测整周数目来替代被测值得到的有周折数结果，并维持非完整周期部分Fr(ψ)仍由实际测量结果提供；随后依次重复上述步骤直至最后一个测量数据点为止

由于卫星到地面的距离随时间变化，在其四阶或五阶导数趋于零时，则 anymore无法再用多项式进行拟合。这表明，在多项式拟合中选择3至4阶足以满足要求。如前所述的载波相位观测数据既可以代表真实的非差分相位测量结果；也可以被视为经线性组合生成的虚拟观测量数据；这些观测量包括单差分和双差分两类。

3 电离层残差组合

在载波相位观测值中，在其数值上与历元间的电离层变化存在密切关系，并且与其自身所携带的观测值噪声变化密切相关。一般而言，在相邻历元之间进行的载波相位观测所造成的电离层残差通常很小；当出现任何异常变化时，则表明在某个或两个频率上出现了明显的周跳现象。

电离层残差法的优缺点：

优点：

载波相位组合观测值基于其特定组合特征不依赖于卫星空间几何位置以及接收机几何位置的变化。相较于其他周跳探测技术而言本方案特别适用于动态周跳探测过程的分析与计算。

(2) 载波相位组合观测值不受卫星钟差、接收机钟差的影响。

(3) 基于其特定结构设计的载波相位联合观测值通过采用相位组合的方法进行处理，在排除了其他误差因素的干扰下展现出较高的稳定性与可靠性。相较于传统方法而言具有更高的精度水平，并且这种技术不仅能够可靠地检测出大周跳信号和小周跳信号

当电离层的残留误差较低时

缺点：

当相邻历元间的电离层折射不稳或出现较大偏差时, 组合观测值的差值将难以准确确定周跳参数. 采用该方法对低轨卫星的载波相位观测数据进行处理时, 虽然低轨卫星运行速度较快, 但其电离层残差依然显著. 因此, 本方法将无法有效完成探测任务.

(2) 将两个频率的观测数据进行整合后形成新的综合观测数据。如果在各个频率上出现了特定的跳变，则这将导致较小的电离层残差。从而当电离层差异出现显著波动时，则可推断已经出现了跳变。然而，在电离层残差较小的情况下，则无法充分证明或保证不存在这样的跳跃。这种情况通常出现在持续几周的大规模跳跃中。因此可以通过结合其他探测手段共同寻找跳跃点来提高探测结果的准确性。

4 基于双频P码伪距观测值探测周跳 当卫星信号同时具备双频载波相位和双频伪距观测值时，则可采用 Melbourne-Wübbena 方法结合双频码组合理论框架进行周跳探测。具体而言，“Melbourne-Wübbena (M-W) 组合法”通过依次利用组合模糊度进行差分运算，并根据其变化规律及突变现象判断是否存在周跳现象：若差分结果波动较大，则表明存在周跳；反之，则判定为无周跳情况。

双频码组合法的优缺点：

优点：

双频码组合的观测值在一般情况下会减弱卫星空间几何位置和接收机几何位置的影响，并不受电离层折射、卫星钟差以及接收机钟差的影响；其不仅能够用于动态周跳探测的过程，在实际应用中还常被用来评估系统的精度表现。

双频码融合技术基于基本频率信号相位和辅助测距信号进行数据整合，并由此得出的非差分测量数据为后续恢复原始基本频率信号提供了便利条件

(3) 利用宽巷组合的载波相位观测值可以有效的探测出小周跳。

缺点：

在双频码组合观测值中应用了伪距观测值；其自身所包含的测量噪声相对较大；因此，在进行周跳检测时需要特别关注宽巷组合观测值。

由于双频码的集成特性，在检测到周跳事件时，“本方法”无法单独识别发生周跳的具体位置。因此，在采用该方法进行周跳检测并修复的过程中，“需要其他手段来辅助完成定位和修复工作”。

总结

根据所收集的文字资料内容进行整理与简化处理，并将其转化为通俗易懂的文字内容

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排版 | Kalman Liu

文字 | 思凡

图片 | 来源于网络

致谢 | 感谢思凡师弟的大力支持，提供了文字素材

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