载波相位观测

载波相位观测

英文	Carrier Phase Observation
别称	载波相位测量
精度	毫米级
应用	差分技术、实时动态 (RTK)、精密单点定位 (PPP)

载波相位观测（Carrier Phase Observation），是全球导航卫星系统 (GNSS)测量中一种精度极高的观测技术。它测量的不是信号的传播时间，而是接收机接收到的卫星信号载波（一个高频正弦波）与接收机内部产生的载波参考信号之间的相位差。

与依赖于测码技术的伪距测量相比，载波相位测量的精度要高得多，可以达到毫米级。这是实现高精度相对定位（如实时动态 (RTK)）和精密单点定位（PPP）的基础。

测量原理

GNSS卫星信号的载波是一个非常高频率的连续正弦波。可以将其想象成一把以光速从卫星发射到接收机的、刻度极其精细的“尺子”，其每个波长（例如GPS L1载波的波长约为19厘米）就是一个刻度。

载波相位观测就是测量在信号接收瞬间，接收机天线处“不足一个波长”的相位部分（小数部分），以及从信号发射到接收的整个传播路径上包含了多少个“整波长”（整数部分）。

这个“整波长”的个数在观测开始的瞬间是未知的，被称为整周模糊度（Integer Ambiguity）。

载波相位观测方程

以周为单位的载波相位观测方程可以表示为：

Φ = (ρ / λ) + f * (dt - dT) - I/λ + T/λ + N + ε

其中：

• Φ 是载波相位观测量（单位：周）
• ρ (rho) 是卫地几何距离
• λ (lambda) 是载波波长
• f 是载波频率
• dt 和 dT 分别是接收机和卫星的钟差
• I 和 T 分别是电离层和对流层延迟（单位：米）
• N 是待求解的整周模糊度（单位：周），它在观测期间保持为常数（只要不发生周跳）
• ε 是多路径效应和测量噪声等误差

整周模糊度的解算与差分技术

高精度GNSS定位的核心和难点就在于快速、准确地求解整周模糊度N。一旦N被成功固定为一个整数，观测方程中最大的不确定性就被消除，从而可以获得极高精度的卫地距离变化信息。

为了有效消除公共误差并求解模糊度，通常采用差分定位技术。通过组合不同接收机、不同卫星的观测值，可以形成：

• 单差（Single-Difference）：两台接收机观测同一颗卫星，可以消除卫星钟差和大部分星历误差。
• 双差（Double-Difference）：在单差的基础上，再对两颗不同的卫星进行求差，可以进一步消除接收机钟差。
• 三差（Triple-Difference）：对连续两个历元的双差观测值再求差，可以消除整周模糊度，常用于周跳探测。

双差观测方程是解算整周模糊度的基础，通过一定的算法（如LAMBDA方法）可以高效地搜索并固定模糊度的整数解。

主要应用

• 高精度相对定位：利用差分技术，可以实现毫米到厘米级的相对定位精度，是实时动态 (RTK)和静态控制网测量的基础。
• 精密单点定位 (PPP)：利用国际GNSS服务组织（IGS）提供的精密星历和钟差产品，单台接收机也可以通过非差模糊度解算实现厘米级甚至毫米级的绝对定位。
• 姿态测定：在同一刚体上安装多个GNSS天线，通过解算天线之间的相对位置（基线向量），可以精确确定该刚体的姿态（航向、俯仰、横滚角）。
• 大气科学：通过分析载波相位观测值中的大气延迟信息，可以反演大气中的水汽含量（天顶对流层延迟）和电子总含量（TEC），用于气象预报和电离层研究。

参见

• 伪距
• 全球导航卫星系统 (GNSS)
• 实时动态 (RTK)
• 精密单点定位 (PPP)
• 整周模糊度