5.2定位原理-整周模糊度 周跳的探测与修复
GNSS数据处理中出现的常见问题与解决方法
GNSS数据处理中出现的常见问题与解决方法
导语：全球导航卫星系统（GNSS）在现代定位和导航中起着重要作用。然而，在GNSS数据处理过程中常常出现一些问题，影响着定位和导航的准确性。本文将探讨GNSS数据处理中常见的问题，并提供解决方法，以帮助读者更好地处理GNSS数据。
一、周跳问题及解决方法
周跳指接收机无法准确测量导航卫星的整数周数，导致获得的载波相位测量值错误。周跳问题会引起定位结果的不准确，例如位置偏移或轨道漂移等。解决周跳问题的方法包括以下几种：
1. 手动检测和修复：通过对载波相位进行观察，可以手动检测并修复周跳问题。这需要对载波相位的变化趋势有一定的了解和经验。
2. 差分定位方法：采用差分定位方法可以有效减轻周跳问题的影响。差分定位通过使用一个已知位置的基准接收机，通过计算基准站和移动站之间的差距，从而减轻了周跳问题对定位结果的影响。
3. 整周模糊度固定：通过定位算法中的整周模糊度固定技术，可以解决周跳问题。这种方法通过对载波相位进行整数舍入，从而恢复准确的整数周数测量值。
二、多路径效应及解决方法
多路径效应是指信号在传播过程中遇到反射、折射等问题，导致接收机接收到主要信号之外的附加信号。多路径效应会引起定位结果的误差，例如位置偏移和抖动等。以下是几种解决多路径效应的方法：
1. 天线选择和放置：选择具有较小多路径效应的天线，并合理放置在远离砷叶和反射物的位置上，可以降低多路径效应的影响。 2. 空间差分定位：采用空间差分定位方法，通过同时接收多个卫星信号，并在空间上分布接收机，从而有效减轻多路径效应对定位结果的影响。
3. 波束形成和波束跟踪技术：利用波束形成和波束跟踪技术，可以减少多径干扰的影响。这种技术通过对接收到的信号进行空间滤波，选择性地接收所需的主要信号，从而抑制多路径效应。
三、钟差校正及解决方法
钟差校正是指在定位过程中由于卫星钟的不准确性引起的测量误差。钟差误差会导致位置偏移和导航错误等问题。以下是几种解决钟差校正的方法：
GPS相位观测值中周跳的探测与修复
龙源期刊网
ＧＰＳ相位观测值中周跳的探测与修复
作者：石小丽 陈小平 钟尔杰
来源：《现代电子技术》2008年第05期
摘 要：对于初始化载波相位整周模糊度的GPS定位而言，如果在整周模糊度初始化过程中发生载波相位周跳，将严重影响整周模糊度的确定。针对GPS载波相位定位中出现的周跳问题，提出了一种新的周跳的检测方法，首先用多项式模型的卡尔曼滤波对载波相位测量值进行预处理，然后再用奇偶矢量法探测和修复周跳。通过某OEM板输出的数据计算结果仿真，验证了新方法可以有效地探测出一周周跳。
关键词：GPS；周跳探测；载波相位；卡尔曼滤波；奇偶矢量法
中图分类号：P228-4 文献标识码：B
文章编号：1004373X(2008)0501603
Cycle Slips Detection and Recovery for GPS Carrier Phase
(1.Research Institute of Electronic Science and Technology,University of Electronic Science and
Technology of China,Chengdu,610054,China;
2.Applied Mathematics College,University of Electronic Science and Technology of
China,Chengdu,610054,China)
Abstract：In GPS positioning,the cycle slip occurred in the period of integer ambiguity
initializating must be carefully removed.This paper discusses cycle slip problem and its solving
7.4-整周跳变的探测与修复
7.4 整周跳变的探测与修复
GPS载波相位测量，只能测量载波滞后相位1周以内的小数部分，不能测量载波滞后相位的整周数)(0N。其后的载波滞后相位整周数变化值（始后周数），是通过多普勒积分由电子计数器累计读得的。由于GPS信号接收机自身故障或GPS信号意外中断，导致载波锁相环路的短暂失锁，而引起多普勒计数的短暂中断；当载波锁相环路重新锁定后，多普勒计数又重新开始，以致造成载波滞后相位整周数变化值（始后周数）的不连续计数。这种多普勒计数的中断现象，称为整周跳变，简称为周跳（cycle slip）。
当GPS载波相位观测值没有发生周跳时，卫星一次通过的载波滞后相位整周数是连续的，各时元（历元）的观测值都会含有一个共同的整周未知数，即时元1t的整周模糊度0N，当发生周跳时，其后所有的载波相位观测值都会含有一偏差，该偏差就是中断期间所丢失的整周计数，即周跳后的载波相位观测中含有未知数0N。
所谓周跳的探测就是利用观测的信息来发现周跳。在探测出周跳后，利用观测信息来估计丢失的周数，从而修正周跳后的载波相位观测值，称为周跳的修复。在探测出周跳之后，也可将0N视为周跳后的整周模糊度而利用平差的原理解求出这个未知参数，这是一个整周模糊度的求解问题。
静态定位中，由于接收机静止不动，周跳的探测与修复问题已得到了很好的解决。在动态环境下，由于动态接收机在不断地运动中，周跳的探测与修复比静态定位要困难得多。
由于GPS信号接收机能提供多种观测信息，利用这些观测信息本身的相互关系（无需轨道信息），可以对周跳进行探测和修复，目前主要有下列方法。
（1）根据有周跳现象的发生将会破坏载波相位测量的观测值)(Int随时间
而有规律变化的特性来探测周跳（高次差或多项式拟合法）
（2）利用载波相位及其变化率的多项式拟合来探测、修复周跳（多项式拟合法）；
5.3 载波相位测量
《GPS定位原理及应用》授课教案
第五章 GPS卫星定位基本原理
5.3 载波相位测量
定义：载波相位观测值：载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
整周模糊度：可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度。
5.3.1 载波相位测量原理
载波信号量测精度优于波长的1/100，载波波长（L1=19cm, L2=24cm）比C/A码波长
(C/A=293m)短得多，所以GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度。
5.3.2 载波相位测量的观测方程
载波相位基本观测方程：
时刻相位观测值）（（初始相位观测值）itIntJNitjkitjkitjkJNtjk)(0)()()(00)0(
考虑电离层、对流层、钟差影响有：
12()() (5-18)jjjkikitjtkkfffttffNccc
5.3.3 整周跳变修复
整周跳变：卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁，计数器无法连续计数，当信号重新被跟踪后，使整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳。
整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种：
1. 屏幕扫描法
此种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连续。如果出现不规则的突然变化时，就说明在相应的相位观测中出现了整周跳变现象。然后用手工编辑的方法逐点、逐段修复。
2. 用高次差或多项式拟合法
此种方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波相位测量的观测值Int(ψ)+Δψ随时间而有规律变化的特性来探测的。整周计数每秒钟可变化数千周，那么对于几十周的跳变就不易发现。但如果在相邻的两个观测值间依次求差而求得观测值的一次差的话，这些一次差的变化就要小得多。在一次差的基础上再求二次差，三次差、四次差、五次差时，其变化就小的更多了。此时就能发现有周跳现象的时段来。四次、五次差已趋近于零。由于振荡器的随机误差而给相邻的L1载波相位造成的影响为2．4周，所以用求差的方法一般难以探测出只有几周的小周跳。
高精度GFS定位研究概述
高精度GFS定位研究概述
摘要：自1978年2月22日第一颗GPS卫星发射以来，人们便开创了以导航卫星为动态已知点的无线电导航定位的新时代。获得高精度的测站信息成为了高精度GPS定位所追求的目标。该文主要论述了高精度GPS定位研究现状以及关键环节的发展状况，例如，周跳的探测及修复、整周模糊度的确定以及卫星定轨等，并阐述了高精度GPS定位未来的研究重点以及发展趋势。
关键词：GPS 高精度导航定位周跳模糊度 发展
目前，我国经济的高速发展，社会生活的不断进步，用户对GPS精度要求也不断提高，GPS经过了30多年的稳步发展，已经被广泛的应用到各种领域，现在已拥有数以万计的用户，这就要求GPS卫星定位模型、观测误差模型等进行更进一步的精化。
GPS定位误差主要有三方面[1]：GPS卫星、信号的传播途径、接收设备。除此以外还有地球潮汐、负荷潮及相对论效应等。
1985年，美国Remondi，B．W．提出了一种快速相对定位模式的差分概念。这种定位模式，可以完全消除卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差的影响，减少了传播延迟导致的误差。消除电离层折射影响比较好的方法是采用双频无电离层组合L3作为基本观测值。 1GPS简介
GPS是利用人造地球卫星进行点位测量的技术，全称是卫星测时测距导航／全球定位系统，Navigation Satellite Time and
Ranging/Global Positioning System，其中文简称为“球位系”。包括三部分：空间部分、地面控制部分和用户设备部分。开始研制于1985年，1964年开始使用，到20世纪70年代，美国海陆空三军联合研制了新一代卫星导航定位系统[2]。主要是用于海、陆、空实时、全天候（不受任何天气的影响）和全球性的导航定位服务、还有情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。但是经过后来的不断开发研制，使GPS卫星信号经达到了毫米级精度。GPS开始拓展应用于生活中其它各个领域。使用者只需拥有GPS接收机，无需另外付费。
GPS测量与数据处理考点
GPS测量与数据处理
名词解释;
周跳与特点：整周计数出现系统偏差,而不足一整周的部分仍然保持正确的现象;
多路径效应：经某些物体表面反射后到达接收机的信号与直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机,将使测量值产生系统误差;
载波：可运载调制信号的高频振荡波;
L1载波：由卫星上的原子钟所产生的的基准频率f0=倍频154倍后形成的;
L2载波：由f0倍频120倍后形成的;
L5载波：由f0倍频115倍;
作用：更好地消除电离层延迟,组成更多线性组合观测值;
测距码：用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码;GPS卫星所用属于伪随机噪声码;
伪随机噪声码相关系数：不同的码相关系数为0或1/n,对齐的码相关系数为1;
GPS测距：卫星发射天线的平均相位中心至接收机接收天线相位中心之间的距离;
导航电文：由GPS向用户播发的一组反映卫星在空间的运行轨道、卫星钟的改正参数、电离层延迟修正参数及卫星的工作状态等信息的二进制代码;
卫星星历：用于描述太空飞行体位置和速度的表达式;卫星星历的时间按世界标准时间UTC计算;GPS时不跳秒,UTC会跳秒;
广播星历：由GPS的地面控制部分所确定和提供的,经GPS卫星向所有用户公开播发的一种预报星历;采用1984年世界大地坐标系;
精密星历：为满足精密应用领域的需要而研制、生产的一种高精度的事后星历;按一定时间间隔通常15min来给出卫星在空间的三维坐标、三维运动速度及卫星钟改正数等信息;
整周模糊度： 相对定位：确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置坐标差的定位方法;
静态定位：如果待定点在地固坐标系中的位置只存在可忽略的变化,数据处理时,整个时段内的待定点坐标都可以认为是固定不变的一组常数;确定这些待定点的位置称为静态定位;
动态定位：一个时段内,待定点在地固坐标系中位置有显着变化,数据处理时,每个历元的带顶点坐标均需作为一组未知参数,确定这些载体在不同时刻的瞬时位置的工作称为动态定位;
GPS动态数据的周跳探测与修复
第３６卷第３３期 ２ ０ １ ０年１ １月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＶｏＩ＿３６ Ｎｏ．３３ Ｎｏｖ． ２０１０ ・３６３・
文章编号：１００９—６８２５（２０１０）３３—０３６３—０２
ＧＰＳ动态数据的周跳探测与修复
黄爱萱
摘 要：分析了利用ＧＰＳ组合观测值来探测修复周跳的两种方法——利用伪距载相组合探测法和Ｂｌｅｗｉｔｔ法，通过实验
证明有效性，比较各个方案的特性和缺点，得出了一些有益的结论，具有一定指导意义。
关键词：ＧＰＳ组合观测值，周跳，伪距载相组合法
中图分类号：ＴＨ７６１ 文献标识码：Ａ
１ 两种观测组合的探测方法简介
ＧＰＳ整周模糊度解算与周跳探测是高精度ＧＰＳ动态定位的
关键问题。本文目的在于寻找一种能干净剔除动态数据小周跳
的方法：伪距载相组合法 和Ｂｌｅｗｉｔｔ方法，并给出了算例分析。
１．１ 利用伪距载相组合探测法
由ＧＰＳ卫星测量误差特性，除电离层延迟、多路径效应、测量
噪声外，其他误差源对伪距和载波相位测量的影响是相同的，故
可用伪距和相位观测值的组合来探测修复周跳 。周跳的估值：
Ｎ：．］、『（￡：）一Ⅳ（ ）： （ｔ２）一 （￡。）一 。在相同的观 ＾ 测条件下，波长越长，周跳估计越精确。选择采用双频组合观测
值 卜，， ９来探测和修复周跳。对于 卜 ， 分别有：
ＡＮｌｌ＝ （ｔ２）ｌ—ｌ一 （ｔ１）ｌ，一１一 Ｐ（ｔ２）－ｐ（ｔ。）
△Ⅳ ， ｃ２）－７，９－－（ｆｌ
则周跳可用下式确定：
△Ⅳ１＝ ；△Ⅳ２＝ （１）
（２）
（３）
１．２ Ｂｌｅｗｉｔｔ法探测修复周跳
Ｂｌｅｗｉｔｔ…提出的利用双频双Ｐ码组合观测值修复周跳的方法
很适合清除非差周跳。用于清除非差周跳的ＧＰＳ观测值线性组
合有以下两种：
Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ—Ｗｂｂｅｎａ组合：
（ ） 志（ （ ）一ｆ２Ｌ２２ （ ））一忐１ ２（ ｐ一（ ） ｐ：（ ））， Ｊ１ Ｊ Ｊ 。Ｊ
周跳探测与修复
周跳探测与修复
摘要：在GPS数据处理过程中，周跳的存在会使观测值中出现一个偏差，这会使观测值失真，从而不能准确解算整周模糊度，因而，周跳探测与修复是GPS载波相位高精度定位必须要解决的问题之一。本文简单介绍周跳的概念、一些常用的周跳探测方法，并探讨了周跳对定位的影响。
关键词：数据处理，周跳，探测修复
1 周跳的概念
完整的载波相位观测值可表示为：
),(),()0()(0iiitFrttIntbt
式中，)0(b为初始整周模糊度：),(0ttInti为整周记数：),(itFr为不足一周的小数部分。
由于某些原因，历元0至i之间的整周记数发生中断，这样，恢复之后的整周记数发生错误，而小数部分正确，这就是周跳现象。周跳的大小可由1周到几万周不等。
2 引起周跳的原因
引起周跳的原因主要有以下四个方面(Bernese Document, 2001 ):
（1）由于树木、建筑等对卫星信号的遮挡;
（2）由于电离层条件、多路径效应、接收机的高动态和卫星的低高度角等产生的低信噪比;
（3）接收机处理软件的问题;
（4）卫星振荡器出现故障。
3 周跳对定位的影响
周跳的发生是个随机事件，因此周跳的探测的算法必须是计算量少、及时的算法。周跳的探测与修复的过程是必须进行的，因为它干扰了相位观测数据，会导致定位数据处理结果中存在偏差，在跳周数被确定和通过检验后，最后的修复是很容易用数学加减法实现的。
图3.1显示周跳在相位观测中存在的情况。
图1.1载波相位中存在的周跳
对于L1载波，一周的周跳可以造成约20cm的测距误差，根据查佩利的统计，观测值中存在一个周跳对经度、纬度、高程的影响可达分米级，因此，在GPS载波相位定位数据处理中应对周跳进行合理的处理。通常对所探测出的周跳有周跳修复或添加新模糊度参数两种处理方法。添加新模糊度参数法由于使观测方程中相位模糊度参数增加，将增大模糊度确定的难度。周跳直接修复由于既要正确确定发生周跳的历元，还要正确确定周跳的大小，任何不正确的修复都对定位结过造成严重影响，危险性较大，因此系统研究周跳探测算法是极为必要的。
周跳检测与修复
1 GPS精密定位
周跳检测与修复（Cycle slip detection and repair）
完整的载波相位是由初始整周模糊度N、计数器记录的整周数INT和接收机基频信号与接到卫星信号的小于一周部分相位差Δφ。Δφ能以极高的精度测定，但这只有在N和INT都正确无误地确定情况下才有意义。卫星在观测中失锁后，造成接收机载波整周计数INT误差，这种现象称为周跳。当重新捕获卫星后，周跳给计数器造成的偏差即为中断期间丢失的整周数，小周跳可以通过检测方法发现后并加以修复，大的周跳或较长时间的失锁，周跳不易修复，需要重新固定整周模糊度。周跳的探测及修复对于用载波相位精密定位至关重要，成功的修复才能获得高精度的结果。
周跳产生的原因：
1. 卫星信号暂时阻断；
2. 仪器线路暂时故障；
3. 外界环境的突变干扰，如电离层、动态变化。
检测周跳的主要方法：
1. 屏幕扫描法
观测值中出现周跳后。相位观测值的变化率就不再连续。凡曲线出现不规则的突然变化时，就意味着在相应的相位观测值中出现了整周跳变。早期进行GPS相位测量的数据处理时，就是靠作业人员坐在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值的变化率的图像进行逐段检查来探测周跳，然后再加以修复。这种方法比较直观，在早期曾广泛使用。但由于工作繁琐枯燥乏味，而且需反复进行，所以这种手工编辑方法目前正逐步被淘汰，而很少使用了。
2. 高次差或多项式拟合法
由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值INT+Δφ也随时间在不断变化。但这种变化应是有规律的、平滑的。周跳将破坏这种规律性。根据这一特性就能将一些大的周跳寻找出来(尤其是对采样率较高的数据)。
一般来说，一个测站S对同一卫星J的相位观测量，对不同历元间相位观测值取至4至5次差之后，距离变化对整周数的影响已可忽略，这时的差值主要是由于振荡器的随机误差而引起的，因而应具有随机的特性见下表。但是，如果在观测过程中产生了周跳现象，那么便破坏了上述相位观测量的正常变化规率，从而使其高次差的随机特性也受到破坏。我们利用上述性质便可以发现周跳现象。下面以观测量为例，如果在历元t5的观测值中有100周的周跳，则观测量的各阶差值中4次差的异常与历元t5观测值的周跳是相应的。某一历元的周跳发现后，可根据该历元前或后的正确观测值，利用高次差值公式外
周跳检测与修复 2
周跳检测与修复
1 GPS精密定位
周跳检测与修复（Cycle slip detection and repair)
完整的载波相位是由初始整周模糊度N、计数器记录的整周数INT和接收机基频信号与接到卫星信号的小于一周部分相位差Δφ.Δφ能以极高的精度测定，但这只有在N和INT都正确无误地确定情况下才有意义。卫星在观测中失锁后,造成接收机载波整周计数INT误差,这种现象称为周跳.当重新捕获卫星后，周跳给计数器造成的偏差即为中断期间丢失的整周数,小周跳可以通过检测方法发现后并加以修复,大的周跳或较长时间的失锁，周跳不易修复，需要重新固定整周模糊度。周跳的探测及修复对于用载波相位精密定位至关重要,成功的修复才能获得高精度的结果。
周跳产生的原因：
1. 卫星信号暂时阻断；
2. 仪器线路暂时故障；
3. 外界环境的突变干扰，如电离层、动态变化.
检测周跳的主要方法:
1. 屏幕扫描法
观测值中出现周跳后.相位观测值的变化率就不再连续。凡曲线出现不规则的突然变化时,就意味着在相应的相位观测值中出现了整周跳变。早期进行GPS相位测量的数据处理时，就是靠作业人员坐在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值的变化率的图像进行逐段检查来探测周跳，然后再加以修复。这种方法比较直观，在早期曾广泛使用.但由于工作繁琐枯燥乏味，而且需反复进行,所以这种手工编辑方法目前正逐步被淘汰，而很少使用了。
2. 高次差或多项式拟合法
由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值INT+Δφ也随时间在不断变化。但这种变化应是有规律的、平滑的.周跳将破坏这种规律性。根据这一特性就能将一些大的周跳寻找出来（尤其是对采样率较高的数据）。
一般来说，一个测站S对同一卫星J的相位观测量，对不同历元间相位观测值取至4至5次差之后，距离变化对整周数的影响已可忽略,这时的差值主要是由于振荡器的随机误差而引起的,因而应具有随机的特性见下表.但是，如果在观测过程中产生了周跳现象，那么便破坏了上述相位观测量的正常变化规率,从而使其高次差的随机特性也受到破坏.我们利用上述性质便可以发现周跳现象.下面以观测量为例,如果在历元t5的观测值中有100周的周跳，则观测量的各阶差值中4次差的异常与历元t5观测值的周跳是相应的。某一历元的周跳发现后，可根据该历元前或后的正确观测值，利用高次差值公式外