一種GNSS多模單頻RTK周跳探測方法及裝置與流程
2023-05-11 23:14:41 2
本發明涉及一種GNSS接收定位領域，尤其涉及一種GNSS多模單頻RTK周跳探測方法及裝置。
背景技術：
：GNSS全稱GlobalNavigationSatelliteSystem，即全球衛星導航系統的統稱，包括美國的GPS全球衛星導航系統，俄羅斯的GLONASS全球衛星導航系統、中國的BDS北鬥全球衛星導航系統(在建)以及歐洲的Galileo全球衛星導航系統(在建)。GNSS的快速發展，衛星的可用數快速增加，多GNSS系統組合定位成為當前以及未來GNSS定位的首選，其精度和可靠性較之單系統而言都得到了提高。要實現GNSS載波相位高精度定位要解決兩個關鍵問題，即整周模糊度固定和載波相位周跳探測問題，而周跳是否準確探測又影響著整周模糊度能否固定或者快速收斂，因此周跳的探測尤為重要。當前適用於RTK(Real-timeKinematic)定位的周跳探測方法按照其檢測量主要可劃分為兩類，一類基於觀測值域，一類基於殘差域。基於觀測值域進行周跳探測方法主要利用觀測值在時序上是平滑的這一特性構造檢測量，典型的方法有偽距相位組合法、高次差法、多項式擬合法、都卜勒積分法、電離層殘差法、TurboEdit法等。基於殘差域探測周跳的方法主要考慮到周跳在定位模型中引入了至少分米級的粗差這一特點，常用的方法有動態三差法、站際曆元二次差法、濾波法等。偽距相位組合法的探測精度依賴於偽距的觀測精度，該方法只能探測大的周跳。高次差法的探測精度受到接收機時鐘的穩定性、採樣間隔和大氣延遲等因素的影響，並且該方法要求參與差分的前幾個曆元的觀測值不存在周跳，否則難以分辨當前曆元是否發生了周跳。多項式擬合法的探測精度同高次差法，也要求參與擬合參數計算的前幾個曆元觀測值不存在周跳。都卜勒積分法的探測精度依賴於都卜勒觀測值的精度以及採樣間隔，在實際應用中一般用該方法探測大周跳。電離層殘差法的探測精度主要受電離層活躍度的影響，一般情況下可用其探測一周等小周跳，但是該方法需要雙頻數據，不適用於單頻載波相位定位。TurboEdit方法可探測小周跳，但是需要雙頻觀測數據，不適用於單頻載波相位定位。動態三差法不依賴載體的運動狀態，可以探測小周跳，但是由於採用星間差分，所以存在參考星的選取問題，參考星觀測值不能發生周跳，否則會導致所有的觀測值引入粗差。星間差分也造成三差觀測量是相關的，這對模型觀測值粗差的探測非常不利的，只能選用逐次剔除衛星的方式進行粗差探測。當多顆衛星觀測值同時發生周跳時，其周跳探測的過程將變得非常複雜，計算量大。此外該方法需要至少含有4顆乾淨的衛星觀測值才能探測周跳。站際曆元二次差法是在三差法的基礎上提出的，為了解決三差法主要缺陷，該方法僅僅採用了站際-曆元二次差分觀測值，即避免了星間差分。該方法不存在參考星的選取問題，且二次差觀測值之間不相關，所以可直接採用經典的數據探測法進行粗差探測。該方法主要缺陷在於其要求至少含有4顆乾淨的衛星觀測值才能探測周跳，並且該方法是針對單GNSS系統提出的。濾波法的探測精度主要依賴於其預推的觀測值精度，而濾波器的預測精度依賴於其動力學模型是否與載體真實的運動狀態相符，當載體機動比較強時，如果沒有外在狀態輸入信息(如慣導信息)，濾波器的預測精度會下降，周跳探測的精度下降。技術實現要素：為了克服現有技術的不足，本發明的目的之一在於提供了一種GNSS多模單頻RTK周跳探測方法，其要解決的是適用於多GNSS系統單頻RTK周跳探測的問題。為了解決上述問題，本發明所採用的技術方案如下：一種GNSS多模單頻RTK周跳探測方法，包括以下步驟：步驟1、與GPS衛星、GLONASS衛星、Galileo衛星和北鬥衛星通信並獲取相應數據；步驟2、根據公式(1)進行計算，得到各衛星的殘差向量，VG=BGX+IGΔT-LGVR=BRX+IRΔT-LRVE=BEX+IEΔT-LEVC=BCX+ICΔT-LC---(1)]]>其中，V表示殘差向量，B表示坐標參數對應的設計矩陣，I表示元素為1的列向量，L表示「觀測值-計算值」向量，下標G、R、E、C依次表示GPS衛星、GLONASS衛星、Galileo衛星、北鬥衛星，X表示[dx,dy,dz]T，ΔT表示站際曆元相對鐘差，dx＝xt2-xt1，dy＝xt2-xt1，dz＝zt2-zt1，t1和t2表示相鄰的兩個曆元，(xtytzt)表示流動站在t時刻的坐標改正數；步驟3、根據VG、VR、VE、VC計算RMS值，若RMS值≥閾值EPS時，則判斷存在衛星沒有發生周跳，並執行步驟6，否則，執行步驟4；步驟4、根據公式(2)計算標準化殘差vi=viδQvivi---(2)]]>其中，表示殘差斜因數陣Qvv對角線上的第i個元素，Qvv＝P-1-B(BTPB)-1BT，P為觀測方程權陣，δ0表示單位權中誤差，vi表示VG、VR、VE、VC中其中一顆衛星的殘差；步驟5、當時，將最大的對應的觀測量剔除重新構建公式(1)進行平差計算，然後進入步驟4進行標準殘差判斷，直到所有的滿足時，則判斷存在載波觀測值跳變的衛星已經全部被探測出來，執行步驟6，其中，uα/2為預設值；步驟6、將步驟5所判斷到的周跳與利用都卜勒積分法探測到的周跳進行融合。優選地，都卜勒積分法的數據來源於步驟1。優選地，閾值EPS＝0.02m。優選地，uα/2＝2.0。優選地，所述觀測方程權陣由衛星高度角定權法得到。本發明的另一個目的在於提供了一種應用於GNSS多模單頻RTK周跳探測方法的裝置，其要解決的是適用於多GNSS系統單頻RTK周跳探測的問題。為了解決上述問題，本發明所採用的技術方案如下：一種應用於GNSS多模單頻RTK周跳探測方法的裝置，包括以下模塊：信息獲取模塊：與GPS衛星、GLONASS衛星、Galileo衛星和北鬥衛星通信並獲取相應數據；第一計算處理模塊：根據公式(1)進行計算，得到各衛星的殘差向量，VG=BGX+IGΔT-LGVR=BRX+IRΔT-LRVE=BEX+IEΔT-LEVC=BCX+ICΔT-LC---(1)]]>其中，V表示殘差向量，B表示坐標參數對應的設計矩陣，I表示元素為1的列向量，L表示「觀測值-計算值」向量，下標G、R、E、C依次表示GPS衛星、GLONASS衛星、Galileo衛星、北鬥衛星，X表示[dx,dy,dz]T，ΔT表示站際曆元相對鐘差，dx＝xt2-xt1，dy＝xt2-xt1，dz＝zt2-zt1，t1和t2表示相鄰的兩個曆元，(xtytzt)表示流動站在t時刻的坐標改正數；第一判斷模塊：根據VG、VR、VE、VC計算RMS值，若RMS值≥閾值EPS時，則判斷存在衛星沒有發生周跳，並執行融合計算模塊，否則，執行第二計算模塊；第二計算處理模塊：根據公式(2)計算標準化殘差vi=viδQvivi---(2)]]>其中，表示殘差斜因數陣Qvv對角線上的第i個元素，Qvv＝P-1-B(BTPB)-1BT，P為觀測方程權陣，δ0表示單位權中誤差，vi表示VG、VR、VE、VC中其中一顆衛星的殘差；第二判斷模塊：當時，將最大的對應的觀測量剔除重新構建公式(1)進行平差計算，然後進入步驟4進行標準殘差判斷，直到所有的滿足時，則判斷存在載波觀測值跳變的衛星已經被全部探測出來，執行步驟6，其中，uα/2為預設值；融合計算模塊：將第二判斷模塊所判斷到的周跳與利用都卜勒積分法探測到的周跳進行融合。優選地，都卜勒積分法的數據來源於信息獲取模塊。優選地，閾值EPS＝0.02m。優選地，uα/2＝2.0。優選地，所述觀測方程權陣由衛星高度角定權法得到。與現有技術相比，本發明的有益效果有：本發明提出了一種多模站際曆元二次差法與都卜勒積分法組合探測周跳的新方法。基於殘差域探測周跳的多模站際曆元二次差法，較之原來的站際曆元二次差法，只設置了一個站際曆元相對鐘差參數，即在站際曆元二次差觀測值中忽略系統時間偏差影響，各GNSS的站際曆元二次差觀測值可認為處於同一時間系統中，參數個數減少，站際曆元二次差法探測粗差需要的有效衛星數減少，並且所有的觀測衛星都可以得到利用，由於不考慮站際曆元二次差觀測值中各系統的時間偏差，只有一個時間參數，所有的觀測衛星等價於在同一系統中，即便單一系統只有1顆衛星，也可以有效利用和進行周跳探測。附圖說明：圖1為本發明的GNSS多模單頻RTK周跳探測方法的流程圖；圖2為本發明的多模站際曆元二次差法與都卜勒積分法組合探測周跳流程示意圖。具體實施方式下面，結合附圖以及具體實施方式，對本發明做進一步描述：在描述本實施例之前，需要介紹任意一顆衛星的殘差向量的公式推導：建立站際曆元二次差方程，線性化後的載波相位站際單差觀測方程可表示如下：式中：Δ表示站際單差算子；下標t表示曆元，上標p表示衛星；表示載波相位觀測值，λ為載波波長；ρ為由流動站坐標近似值計算的站星距離；δion，δtrop依次表示電離層，對流層延遲量；cδt表示鐘差，N為模糊度參數；ε表示載波相位測量噪聲。lx,tp=(Xt0-Xtp)/ρtp,ly,tp=(Yt0-Ytp)/ρtp,lz,tp=(Zt0-Ztp)/ρtp,]]>其中，Xt0Yt0Zt0]]>為流動站在t時刻的近似坐標，XtpYtpZtp]]>表示衛星p在t時刻的空間坐標；(xtytzt)表示流動站在t時刻的坐標改正數。對相鄰兩個曆元t1，t2的站際單差觀測方程進行二次差分計算，整理有：vp=(lx,t2pxt2-lx,t1pxt1)+(ly,t2pyt2-ly,t1pyt1)+(lz,t2pzt2-lz,t1pzt1)+ΔT-lp---(4)]]>式中ΔT＝Δcδtt2-Δcδtt1，對於短基線而言，站際差分消除了衛星鐘差影響，極大削弱了衛星軌道誤差影響，經站際曆元二次差分後的電離層延遲、對流層延遲可認為基本消除。令dy＝xt2-xt1，dz＝zt2-zt1，則式(4)可表示為：vp=lx,t2pdx+ly,t2pdy+lz,t2pdz+ΔT-lp+γt1,t2p---(5)]]>由式(5)可知，若能將劃入殘差，上述方程只含有4個未知參數，方程求解較之式(4)減少3個未知參數，方程求解需要的衛星數減少。對式(5)中捨去γt1,t2項的捨入誤差的進行分析。令dlxp=lx,t2p-lx,t1p,]]>則有dlxp=(Xt10-Xt1p)/ρt1p-(Xt20-Xt2p)/ρt2p---(6)]]>記dX0=X120-Xt10,dXp=Xt2p-Xt1p,dρp=ρt2p-ρt1p,]]>則式(6)可轉化為dlxp=dρ(Xt10-Xt1p)/(ρt1pρt2p)-(dX0-dXp)/ρt2p---(7)]]>同理可得：dlyp=dρ(Yt10-Yt1p)/(ρt1pρt2p)-(dY0-dYp)/ρt2p---(8)]]>dlzp=dρ(Zt10-Zt1p)/(ρt1pρt2p)-(dZ0-dZp)/ρt2p---(9)]]>定義同dY0，dZ0定義同dX0；dYp，dZp定義同dXp。由定義可知，(dX0dY0dZ0)的物理意義表示流動站從t1時刻到t2時刻坐標移動量的近似值。(dXpdYpdZp)的物理意義表示衛星p從t1時刻到t2時刻的坐標移動量。dρp表示流動站與衛星p從t1時刻到t2時刻站星幾何距離的變化量。則有：γt1,t2=dlxpxt1+dlypyt1+dlzpzt1---(10)]]>記ΔRt1＝max(|xt1||yt1||zt1|)，其物理意義表示流動站在t1時刻的近似坐標的精度。|γt1,t2|≤(|dlxp|+|dlyp|+|dlzp|)ΔRt2---(11)]]>將式(7)、(8)、(9)代入式(11)，整理有：|γt1,t2|≤|dρp/ρt2p|(|Xt10-Xt1p|+|Yt10-Yt1p|+|Zt10-Zt1p|)/ρt1pΔRt2+(|dX0|+|dY0|+|dZ0|+|dXp|+|dYp|+|dZp|)/ρt2pΔRt2---(12)]]>定義：dSrov＝[(dX0)2+(dY0)2+(dZ0)2]1/2，dSp＝[(dXp)2+(dYp)2+(dZp)2]1/2。其物理意義依次是流動站和衛星從t1時刻到t2時刻移動的距離。由柯西不等式可知：由式(12)可得：|γt1,t2|≤3(|dρp|+dSrov+dSp)/ρt2pΔRt2---(13)]]>考慮到站星距離ρ一般大於20000km，站星距離變化率小於800m/s，GPS衛星運動速度小於3800m/s，當流動站運動速度小於250m/s時，項對站際曆元間二次差方程的影響可由下式進行估計：|γt1,t2|≤4.2×10-4(t2-t1)ΔRt2(14)式中ΔRt2表示t2時刻流動站近似坐標的坐標分量精度。若先採用偽距差分定位計算流動站的近似坐標，一般可保證ΔRt2優於10m。在(t2-t1)分別取0.1s，1s，5s時，捨去項所造成的極限誤差依次為0.42mm，4.2mm，21mm，遠小於L1波長，實際情況中捨入誤差遠小於其極限誤差，而在動態定位中，採樣間隔一般比較小，因此，γt1,t2項的捨入誤差對二次差分模型的影響可以忽略。由此，捨去γt1,t2後，式(5)可表示為：vp=lx,t2pdx+ly,t2pdy+lz,t2pdz+ΔT-lp---(15)]]>vp表示任意一顆衛星的殘差向量，公式(15)即為本實施例的站際曆元二次差方程。基於上述公式(15)結合圖1所示，本實施例公開的一種GNSS多模單頻RTK周跳探測方法，包括以下步驟：步驟1、與GPS衛星、GLONASS衛星、Galileo衛星和北鬥衛星通信並獲取相應數據。獲取數據的方法為現有技術，在此不再贅述，獲取流程如圖2所示。步驟2、根據公式(1)進行計算，得到各衛星的殘差向量，VG=BGX+IGΔT-LGVR=BRX+IRΔT-LRVE=BEX+IEΔT-LEVC=BCX+ICΔT-LC---(1)]]>其中，V表示殘差向量，B表示坐標參數對應的設計矩陣，I表示元素為1的列向量，L表示「觀測值-計算值」向量，下標G、R、E、C依次表示GPS衛星、GLONASS衛星、Galileo衛星、北鬥衛星，X表示[dx,dy,dz]T，ΔT表示站際曆元相對鐘差。請結合公式(15)，以計算GPS衛星的殘差向量為例進行說明，而且GPS衛星不僅僅是一顆，BGX即為多顆衛星觀測方程項的組合形式，LG即為多顆衛星觀測方程lp項的組合形式，其他類型的衛星也如此類推。步驟3、根據VG、VR、VE、VC計算RMS值，若RMS值≤閾值EPS時，則判斷所有衛星沒有發生周跳，並執行步驟6，否則，執行步驟4。站際曆元二次差方程捨去|γt1,t2|項造成的誤差在高採樣率動態定位中遠小於載波波長，所以可以採用平差後殘差的RMS值作為探測周跳的指標，當RMS＞EPS時，認為存在衛星發生了周跳。借鑑文獻4動態三差法閥值的取值方法，考慮到捨入誤差遠小於其極限誤差，閥值EPS可以取0.02m。步驟4、根據公式(2)計算標準化殘差vi=viδQvivi---(2)]]>其中，表示殘差斜因數陣Qvv對角線上的第i個元素，Qvv＝P-1-B(BTPB)-1BT，P為觀測方程權陣，δ0表示單位權中誤差，vi表示VG、VR、VE、VC中其中一顆衛星的殘差。步驟5、當時，將最大的對應的觀測量剔除重新構建公式(1)進行平差計算，然後進入步驟4進行標準殘差判斷，直到所有的滿足時，則判斷存在載波觀測值跳變的衛星已經全部被探測出來，執行步驟6，其中，uα/2為預設值。所述觀測量是指站際曆元二次差方程，即與最大的對應的衛星的站際曆元二次差方程。上述步驟4、5的理論依據如下：Tiberius等人的研究表明GPS測量數據概率特性可以用正態概率密度函數描述[1]。記v，Δ依次表示殘差和真誤差，B為設計矩陣，P為觀測方程權陣。基於最小二乘平差有[2-3]：-v＝QvvPΔ＝RΔ(16)式中Qvv＝P-1-B(BTPB)-1BT，R＝I-B(BTPB)-1BTP。式(16)表明v可由Δ線性表達，所以當Δ是偶然誤差服從正態分布時，表示殘差斜因數陣Qvv對角線上的第i個元素。標準化殘差標準化殘差由式(2)計算，式中δ0表示單位權中誤差。vi=viδ0Qvivi---(2)]]>根據u檢驗法可知，當時，認為數據中存在粗差。由於最小二乘具有均攤作用，某一觀測量中的粗差平差後會對其他觀測方程殘差造成影響，導致多個超限，此時只需將最大的對應的觀測量剔除並進行粗差標記，然後重複「平差-檢驗-剔除粗差觀測量」，直到所有的滿足α一般取0.05，則uα/2為1.96，本實施例將其取整到2.0。步驟6、將步驟5所判斷到的周跳與利用都卜勒積分法探測到的周跳進行融合。都卜勒積分法的周跳檢測量構造公式為：式中，D表示都卜勒觀測值。當大於預設值時，則判斷為發生了周跳。本實施例還公開了一種應用於GNSS多模單頻RTK周跳探測方法的裝置，包括以下模塊：信息獲取模塊：與GPS衛星、GLONASS衛星、Galileo衛星和北鬥衛星通信並獲取相應數據；第一計算處理模塊：根據公式(1)進行計算，得到各衛星的殘差向量，VG=BGX+IGΔT-LGVR=BRX+IRΔT-LRVE=BEX+IEΔT-LEVC=BCX+ICΔT-LC---(1)]]>其中，V表示殘差向量，B表示坐標參數對應的設計矩陣，I表示元素為1的列向量，L表示「觀測值-計算值」向量，下標G、R、E、C依次表示GPS衛星、GLONASS衛星、Galileo衛星、北鬥衛星，X表示[dx,dy,dz]T，ΔT表示站際曆元相對鐘差，dx＝xt2-xt1，dy＝xt2-xt1，dz＝zt2-zt1，t1和t2表示相鄰的兩個曆元，(xtytzt)表示流動站在t時刻的坐標改正數；第一判斷模塊：根據VG、VR、VE、VC計算RMS值，若RMS值≥閾值EPS時，則則判斷存在衛星沒有發生周跳，並執行融合計算模塊，否則，執行第二計算模塊，其中EPS可以取0.02m。第二計算處理模塊：根據公式(2)計算標準化殘差vi=viδQvivi---(2)]]>其中，表示殘差斜因數陣Qvv對角線上的第i個元素，Qvv＝P-1-B(BTPB)-1BT，P為觀測方程權陣，δ0表示單位權中誤差，vi表示VG、VR、VE、VC中其中一顆衛星的殘差；第二判斷模塊：當時，將最大的對應的觀測量剔除重新構建公式(1)進行平差計算，然後進入步驟4進行標準殘差判斷，直到所有的滿足時，則判斷存在載波觀測值跳變的衛星已經被全部探測出來，執行步驟6，其中，uα/2為預設值，uα/2＝2.0；融合計算模塊：將第二判斷模塊所判斷到的周跳與利用都卜勒積分法探測到的周跳進行融合。本發明所涉及的參考文獻如下：[1]TiberiusC,BorreK.AreGPSdatanormallydistributed[M]//GeodesyBeyond2000.SpringerBerlinHeidelberg,2000:243-248。[2]於宗儔,李明峰.多維粗差的同時定位與定值[J].武漢測繪科技大學學報,1996,04:17-23。[3]宋力傑,楊元喜.均值漂移模型粗差探測法與LEGE法的比較[J].測繪學報,1999,04:295-300。[4]袁洪,萬衛星,寧百齊,李靜年.基於三差解檢測與修復GPS載波相位周跳新方法[J].測繪學報,1998,03:3-8+87。對於本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應該屬於本發明權利要求的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3