CN112305574A - 北斗gnss卫星实时定位定向数据预处理***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及北斗GNSS卫星实时定位定向数据预处理***及方法,其步骤为输入观测站1和观测站2多个北斗/GNSS卫星的载波相位观测值、伪距观测值以及广播星历;利用卫星位置计算标准算法分别计算各卫星坐标以及钟差改正数;综合利用伪距定位残差分析法、站间单差GF和MW组合观测值法、高次差法探测伪距粗差和载波相位周跳计算得到各个数据,并进行周跳判断和伪距定位验前后残差判断,最后得到有效性和可靠性均较高的观测数据。本发明综合利用伪距定位残差分析法、站间单差GF和MW组合观测值法、高次差法探测伪距粗差和载波相位周跳,提高探测的有效性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及北斗GNSS卫星实时定位定向数据预处理***及方法,属于卫星定位算法技术领域。
背景技术
随着无人机、自动驾驶等技术的发展,北斗/GNSS高精度实时动态定位定向应用非常广泛,为保障无人机、自动驾驶的安全性、对实时动态定位定向的精度和可靠性提出了较高的要求,其中实时数据预处理的效果是获得高精度、高可靠性实时定位定向的基础和前提。主要任务包括伪距粗差探测和周跳探测两部分,目前,实时高精度动态定位定向应用中,伪距粗差探测方法主要采用伪距抗差最小二乘估计法来探测伪距观测值中的粗差观测值,而周跳探测一般利用Geometry-Free(GF)和Melbourne-Wubbena(MW)组合观测值随时间缓慢平滑变化的假设特性来探测相位观测值中存在的周跳。以前,北斗/GNSS高精度定位定向应用一般要求观测环境的净空遮挡较少,在此条件下,上述方法能获得不错的数据预处理效果。然而随着无人机、自动驾驶应用出现,实时动态定位定向难以满足上述观测环境要求,在遮挡严重的复杂环境下,上述方法存在明显的错探和漏探现象,会严重影响北斗/GNSS实时动态定位定向精度和可靠性,降低无人机、自动驾驶技术的应用性能。
发明内容
本发明主要是克服现有技术中的不足之处,提出北斗GNSS卫星实时定位定向数据预处理***及方法,该***及方法综合利用伪距定位残差分析法、站间单差GF和MW组合观测值法、高次差法探测伪距粗差和载波相位周跳,提高探测的有效性和可靠性。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是:北斗GNSS卫星实时定位定向数据预处理方法,包括以下步骤:
步骤S1、输入观测站1和观测站2多个北斗/GNSS卫星的载波相位观测值、伪距观测值以及广播星历;
步骤S2、根据广播星历通过卫星位置计算标准算法计算步骤S1中输入的所有卫星的各个卫星坐标以及钟差改正数,并删除没有广播星历产品的卫星数据,以及根据广播星历提供的卫星健康标识,删除不健康卫星的数据;
步骤S3、利用伪距定位验前残差判断方法和伪距定位验前残差判断方法来对步骤S1中输入的所有卫星的伪距观测值进行判断,来删除有粗差的卫星的伪距观测值;
步骤S4、利用单差GF和MW组合观测值法、高次差值法对步骤S1中输入的所有卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
步骤S5、最后得到无粗差的伪距观测值以及标记为发生周跳的载波相位观测值、标记为未发生周跳的载波相位观测值。
进一步的技术方案是,所述步骤S3的具体过程是:
步骤S31、利用所有卫星的坐标以及钟差改正数通过伪距定位残差分析法计算得到所有卫星的双差伪距观测值,再设定参数初值X0=(1,1,1),将伪距双差观测方程进行线性化,计算得到所有卫星的各个双差伪距观测值的验前残差v0;若|v0|>30,则认为存在粗差,剔除该卫星的伪距观测值;|v0|≤30,则认为没有存在粗差,进行下一步骤;
其基线距离约束条件如下:
const=sqrt(N2+E2+U2)
步骤S33、再分别计算每颗卫星的验后残差v及验后残差的RMS值δ;若|v|>4×δ,则认为存在粗差,剔除该卫星的观测值,若|v|≤4×δ,则认为不存在粗差,保留该卫星的伪距观测值;
进一步的技术方案,所述步骤S4的具体过程是:
步骤S41、根据所有卫星的载波相位观测值通过站间单差GF和MW组合观测值法计算得到单差GF和MW组合观测值ΔΦGF、ΔLMW;
步骤S42、采用静态逐次滤波分别对步骤41得到的单差GF和MW组合观测值进行滤波估计,削弱噪声的影响,得到单差GF和MW组合观测值的估值ε(ΦGF)、ε(LMW)以及估计方差δ(ΦGF)、δ(LMW);
将当前历元的单差GF和MW组合观测值ΔΦGF、ΔLMW与单差GF和MW组合观测值的估值ε(ΦGF)、ε(LMW)进行比较,若:|ΔΦGF-ε(ΦGF)|>4δ(ΦGF)或者|ΔLMW-ε(LMW)|>4δ(LMW),则认为发生了周跳,并对该卫星的载波相位观测值进行标记;否则认为没有发生周跳,不进行标记;
步骤S43、根据所有卫星的载波相位观测值通过高次差法计算得到双差相位观测值和双差相位观测值的高次差▽ΔΦ(t1,t2,t3);
步骤S44、采用kalman滤波对步骤S43得到的双差相位观测值的高次差进行滤波估计,削弱噪声的影响,得到滤波估值ε(▽ΔΦ)和方差δ(▽ΔΦ);
将当前历元的双差相位观测值的高次差与滤波估值ε(▽ΔΦ)和方差δ(▽ΔΦ)进行比较,若:|▽ΔΦ(t1,t2,t3)-ε(▽ΔΦ)|>4δ(▽ΔΦ),则认为发生了周跳,并对该卫星的载波相位观测值进行标记;否则认为没有发生周跳,不进行标记。
进一步的技术方案是,所述步骤S31中的双差伪距观测值的计算公式如下:
验前残差v0的计算公式如下:
式中:v0表示验前残差;B表示系数矩阵。
验后残差的RMS值δ计算公式如下:
式中:δ表示验后残差的RMS值,n表示当前历元的卫星数,表vi示第i颗卫星的验后残差,wi第i颗卫星的伪距观测值权值。
进一步的技术方案是,所述步骤S41中单差GF组合观测值的计算公式如下:
进一步的技术方案是,所述步骤S41中单差MW组合观测值的计算公式如下:
进一步的技术方案是,所述步骤S43中双差相位观测值的计算公式如下:
进一步的技术方案是,所述步骤S43中双差相位观测值的高次差的计算公式如下:
北斗GNSS卫星实时动态定位定向数据预处理***,包括:
北斗接收机Ⅰ、北斗接收机Ⅱ,用于接收卫星的数据;
分别与北斗接收机Ⅰ、北斗接收机Ⅱ电性连接的数据转发器,用于将接收到的卫星数据转发到数据预处理服务器;
与数据转发器电性连接的数据预处理服务器,所述数据预处理服务器具体包括定位残差处理模块,对卫星的伪距观测值进行判断,来删除有粗差的卫星的伪距观测值;
单差GF处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
单差MW处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
高次差处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
与数据预处理服务电性连接的结果存储服务器,用于将卫星数据处理后的数据进行储存。
本发明具有以下有益效果:本发明充分利用超短基线北斗/GNSS误差的空间相关性,一方面利用传统组合观测值构建了与几何距离无关的GF和MW组合观测值,通过站间单差较好地消除电离层延迟和多路径效应对周跳探测的影响,另一方面,构建了随时间缓慢平滑变化的高次差观测值,与GF、MW组合观测值法形成互补,可以提高复杂环境下,周跳探测的可靠性和有效性。同时本发明针对自动驾驶应用场景基线短且固定的特性,提出了通过验前残差的方法剔除明显较大的粗差,提高了最小二乘参数估计的稳定性以及验后残差分布的可靠性,从而提高在复杂环境下,粗差探测的有效性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的流程框图;
图2是本发明的结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。
如图2所示,北斗GNSS卫星实时动态定位定向数据预处理***,包括:
北斗接收机Ⅰ、北斗接收机Ⅱ,用于接收卫星的数据;
分别与北斗接收机Ⅰ、北斗接收机Ⅱ电性连接的数据转发器,用于将接收到的卫星数据转发到数据预处理服务器;
与数据转发器电性连接的数据预处理服务器,所述数据预处理服务器具体包括定位残差处理模块,对卫星的伪距观测值进行判断,来删除有粗差的卫星的伪距观测值;
单差GF处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
单差MW处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
高次差处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
与数据预处理服务电性连接的结果存储服务器,用于将卫星数据处理后的数据进行储存。
如图1所示,本发明的北斗GNSS卫星实时定位定向数据预处理方法,包括以下步骤:
步骤1,输入K时刻,测站1和测站2所有卫星北斗/GNSS的原始非差观测数据以及广播星历。
步骤2,利用卫星位置计算标准算法分别计算所有卫星坐标以及钟差改正数,具体可参考武汉大学出版社《GPS测量与数据处理》2.3节,删除没有广播星历产品的卫星数据,并根据广播星历提供的卫星健康标识,删除不健康卫星的数据。
步骤3,根据式(1)和(2)分别计算测站1和测站2所有卫星的非差GF和MW组合观测值,将得到的非差GF和MW组合观测值,再根据式(3)和(4)分别计算站间单差GF和MW组合观测值;同时,根据式(5)和(6)分别计算伪距和相位双差观测值。
其中Φ1,Φ2分别表示L1、L2载波相位观测值,λ1,λ2分别表示L1、L2载波相位观测值的波长,f1,f2分别表示L1、L2载波相位观测值的频率,N1,N2分别表示L1、L2载波相位观测值的模糊度,I表示L1载波相位观测值上的电离层延迟,表示GF组合观测值的噪声。
步骤4,采用静态逐次滤波分别对步骤3得到的单差GF和MW组合观测值进行滤波估计,削弱噪声的影响,得到单差GF和MW组合观测值的估值ε(ΦGF)、ε(LMW)以及估计方差δ(ΦGF)、δ(LMW)。
将当前历元的单差GF、MW组合观测值,与静态逐次滤波结果进行比较,若:|ΔΦGF-ε(ΦGF)|>4δ(ΦGF)或者|ΔLMW-ε(LMW)|>4δ(LMW),则认为发生了周跳,否则认为没有发生周跳。若判断K时刻中i卫星发生了周跳,则K+1时刻时,i号卫星本步骤中静态逐次滤波过程重新开始。
步骤5,与步骤4同时,根据式(7)计算双差相位观测值的高次差,并采用kalman滤波对双差相位观测值的高次差进行滤波估计,削弱噪声的影响,得到滤波估值ε(▽ΔΦ)和方差δ(▽ΔΦ),
将当前历元的双差相位观测值的高次差与滤波结果进行比较,若:
|▽ΔΦ(t1,t2,t3)-ε(▽ΔΦ)|>4δ(▽ΔΦ),则认为发生了周跳,否则认为没有发生周跳。若判断K时刻中i卫星发生了周跳,则K+1时刻时,i号卫星本步骤中kalman滤波过程重新开始。
步骤6,与步骤4同时,选取参数初值X0=(1,1,1),将伪距双差观测方程进行线性化,根据式(8)计算双差伪距观测值的验前残差V0,若|V0|>30,则认为存在粗差,剔除该卫星的观测值。
V0=BX0-L (8)
其中V0表示验前残差,L表示双差伪距观测值,B表示系数矩阵。
将没有粗差的误差方程(8)列成矩阵形式如下:
其中δ表示验后残差的RMS值,n表示当前历元的卫星数,vi表示第i颗卫星的伪距验后残差,wi第i颗卫星的伪距观测值权值
步骤7,输入K+1时刻的观测数据,重新执行步骤1~6,直到所有时刻的观测数据预处理完毕。
步骤8、最后得到无粗差的伪距观测值以及标记为发生周跳的载波相位观测值、标记为未发生周跳的载波相位观测值。
以上所述,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已通过上述实施例揭示,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.北斗GNSS卫星实时定位定向数据预处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、输入观测站1和观测站2的多个北斗/GNSS卫星的载波相位观测值、伪距观测值以及广播星历;
步骤S2、根据广播星历通过卫星位置计算标准算法计算步骤S1中输入的所有卫星的各个卫星坐标以及钟差改正数,并删除没有广播星历产品的卫星数据,以及根据广播星历提供的卫星健康标识,删除不健康卫星的数据;
步骤S3、利用伪距定位验前残差判断方法和伪距定位验前残差判断方法来对步骤S1中输入的所有卫星的伪距观测值进行判断,来删除有粗差的卫星的伪距观测值;
步骤S4、利用单差GF和MW组合观测值法、高次差值法对步骤S1中输入的所有卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
步骤S5、最后得到无粗差的伪距观测值以及标记为发生周跳的载波相位观测值、标记为未发生周跳的载波相位观测值。
2.根据权利要求1所述的北斗GNSS卫星实时定位定向数据预处理方法,其特征在于,所述步骤S3的具体过程是:
步骤S31、根据所有卫星的坐标以及钟差改正数通过伪距定位残差分析法计算得到所有卫星的双差伪距观测值,再设定参数初值X0=(1,1,1),将伪距双差观测方程进行线性化,计算得到双差伪距观测值的验前残差v0;若|v0|>30,则认为存在粗差,剔除该卫星的伪距观测值;|v0|≤30,则认为没有存在粗差,进行下一步骤;
其基线距离约束条件如下:
const=sqrt(N2+E2+U2)
3.根据权利要求1所述的北斗GNSS卫星实时定位定向数据预处理方法,其特征在于,所述步骤S4的具体过程是:
步骤S41、根据所有卫星的载波相位观测值通过站间单差GF和MW组合观测值法计算得到单差GF和MW组合观测值ΔΦGF、ΔLMW;
步骤S42、采用静态逐次滤波分别对步骤41得到的单差GF和MW组合观测值进行滤波估计,削弱噪声的影响,得到单差GF和MW组合观测值的估值ε(ΦGF)、ε(LMW)以及估计方差δ(ΦGF)、δ(LMW);
将当前历元的单差GF和MW组合观测值ΔΦGF、ΔLMW与单差GF和MW组合观测值的估值ε(ΦGF)、ε(LMW)进行比较,若:|ΔΦGF-ε(ΦGF)|>4δ(ΦGF)或者|ΔLMW-ε(LMW)|>4δ(LMW),则认为发生了周跳,并对该卫星的载波相位观测值进行标记;否则认为没有发生周跳,不进行标记;
10.北斗GNSS卫星实时动态定位定向数据预处理***,其特征在于,包括:
北斗接收机Ⅰ、北斗接收机Ⅱ,用于接收卫星的数据;
分别与北斗接收机Ⅰ、北斗接收机Ⅱ电性连接的数据转发器,用于将接收到的卫星数据转发到数据预处理服务器;
与数据转发器电性连接的数据预处理服务器,所述数据预处理服务器具体包括定位残差处理模块,对卫星的伪距观测值进行判断,来删除有粗差的卫星的伪距观测值;
单差GF处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
单差MW处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
高次差处理模块,用于对卫星的载波相位观测值进行是否发生周跳的标记;
与数据预处理服务电性连接的结果存储服务器,用于将卫星数据处理后的数据进行储存。
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