CN103630912A - 一种卫星接收机静止的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种卫星接收机静止检测的方法。利用采样时刻的高精度载波相位测量值的时间差分TDCP测量值，计算TDCP的预测残差向量；对TDCP预测残差向量进行统计处理，并采用稳健统计方法构建TDCP预测残差统计量；最后根据TDCP预测残差统计量，通过静止判定阈值和静止计数阈值判断卫星接收机是否处于静止状态。本发明的卫星接收机静止检测方法避免了额外速度计算的计算量，保证了判断的及时性，有效消除恶劣测量值对判断的影响，提高的静止状态判断的准确性。

Description

一种卫星接收机静止的检测方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域中卫星接收机的检测方法，尤其涉及一种对于卫星接收机静止的检测方法。

背景技术

卫星接收机通过捕获、跟踪多个卫星的信号，从信号中解调卫星轨道参数、星载原子钟模型等导航电文数据，然后利用计算某一时刻的卫星位置、速度和时间参数，最后综合卫星信号测量值估计出接收机（即用户）的位置和速度。

卡尔曼滤波器是估计卫星接收机位置和速度等状态的主要方法。接收机是处于静止状态还是运动状态的信息对于卡尔曼滤波器的估计卫星接收机的位置和速度有比较大的意义。卡尔曼滤波器是将系统中待估计的未知参数按照向量的形式组织在一起，称为状态向量X。

假如说预先知道接收机处于静止状态，则可以将滤波器的状态向量设置为：X=[PX,PY,PZ,dtu,df]。其中P=[PX,PY,PZ]为接收机在ECEF地心地固坐标系（Earth-Centered，Earth-Fixed）下的位置坐标；df为接收机晶振的频偏；dtu为采样时刻接收机本地时间偏差。

假如说预先知道接收机处于运动状态，则可以将滤波器的状态向量设置为：X=[PX,PY,PZ,dtu,VX,VY,VZ,df]。其中V=[VX,VY,VZ]为接收机速度在ECEF坐标系下的坐标。

状态向量的设置越切合实际的接收机运动模型，则卡尔曼滤波器的预测过程越准确。另外减少状态个数能够显著减少滤波器的计算量。

传统的静止状态检测方法直接利用接收机估计的速度的幅度来进行判断，主要采用两种策略：第一种策略，在T(k)时刻，计算T(k-1)时刻速度V(k-1)的幅度，假如该速度幅度超过一定的阈值，则判定T(k)时刻接收机处于运动状态；否则处于静止状态。第二种策略，在应用静止状态之前，额外设计一个估计器，比如最小二乘估计器，利用T(k)时刻最新测量值计算接收机的即时速度。

上述传统的判断策略有几个主要缺点：第一，速度估计值的时间延迟，即利用上一时刻计算速度来判定本时刻的静止与否，特别是接收机在停止运动前和启动运动前的时刻，采样间隔的时间延迟会导致一定概率的状态判定错误；第二，速度估计精度问题，即在个别卫星信号因受到遮挡测量值受到影响时，速度估计不准确，最终导致静止检测过程失效概率提高；第三，速度计算一般涉及维度较大的矩阵求逆运算，计算量大。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种即时、可靠和简便的卫星接收机的静止状态检测方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种卫星接收机静止的检测方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种卫星接收机静止的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（101）计算TDCP预测残差向量；

步骤（102）计算TDCP预测残差的稳健统计量：根据所述TDCP预测残差向量，利用稳健统计的方法，剔除奇异测量值，构建TDCP静止检测稳健统计量；

步骤（103），静止状态检测：将所述TDCP静止检测稳健统计量的幅度与预设的阈值进行对比来判断所述卫星接收机处于静止状态。

进一步地，所述步骤（101）计算TDCP预测残差包括

首先，计算采样时刻的所有有效卫星的TDCP预测值

，其中，k是采样时刻，i是卫星的编号；

然后，计算每一个卫星的TDCP的预测残差

；

最后，将所有有效卫星的所述TDCP预测残差组成所述TDCP预测残差向量measTDCP_k。

进一步地，采样时刻k的第i个卫星的所述TDCP的预测值为

其中，df是晶振频偏；c是光速，T_s是采样间隔时间，

是在k采样时刻下第i个卫星与所述卫星接收机之间的距离。

进一步地，第i个卫星的所述TDCP预测残差是 ${\mathrm{resiTDCP}}_k^i=\mathrm{measTDC}{P}_k^i-{\mathrm{predTDCP}}_k^i;$ 其中，

是第i个卫星的TDCP的实际测量值。

进一步地，所述步骤（102）计算TDCP预测残差的稳健统计量包括：

首先，对所述TDCP预测残差向量进行统计处理；

其次，初始化稳健统计量robustindex和有效计数cnt为0；

然后，对统计处理后的所述TDCP预测残差向量中的每一个值与临时变量进行比较，剔除奇异测量值，获得有效测量值，并将有效测量值存入所述稳健统计量robustindex，有效测量值的数量存入所述有效计数cnt中；

最后，对所述稳健统计量求均值：robustindex=robustindex/cnt，得到最终的所述TDCP预测残差稳健统计量。

进一步地，所述步骤（103）静止状态检测包括：

首先，将所述TDCP预测残差稳健统计量中的每一个值与静止判定阈值进行判定，小于静止判定阈值则判定为静止，

然后对通过静止判定的数量进行静止计数；

最后当静止计数大于预先设置的静止计数阈值时，判定所述接收机处于静止状态。

进一步地，所述静止计数阈值一般设置为1～2，以提高本发明的检测方法的及时性。

在本发明的较佳实施方式中，假设卫星接收机静止，即速度为0，计算采样时刻卫星接收机得到的时间差分积分载波相位TDCP（Time Difference CarrierPhase）测量值预测残差，并构建预测残差稳健检验统计量，根据检验统计量的幅度是否超过预先设定的阈值判定是否接受接收机的静止状态假设。

本发明的一种卫星接收机静止状态的检测方法，在核心滤波运行之前，利用采样时刻的高精度载波相位测量值的时间差分测量值，构建稳健统计方法构建统计量，通过简单的阈值判断得到静止标志。避免了额外速度计算的计算量，保证判断的及时性，有效消除恶劣测量值的影响，提高的静止状态判断的准确性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种卫星接收机静止检测方法的流程图；

图2是本发明的一种卫星接收机静止检测方法的一个卫星的TDCP预测残差计算流程图；

图3是本发明的一种卫星接收机静止检测方法的TDCP预测残差稳健统计量的计算流程图；

图4是本发明的一种卫星接收机静止检测方法的静止状态判断流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是静止检测方法流程图。如图1所示，本发明的检测方法分为三个功能模块部分。

模块101为计算TDCP预测残向量。基于接收机为静止的假设，利用接收机先前计算得到的卫星的位置和用户位置等参数，计算TDCP测量值的预测值。然后求TDCP预测值与实际测量值之间的差，得到其预测残差。每个单独的预测残差中包含接收机实际位移在用户观测卫星方向的投影，构建合理的统计量可以判定接收机的运动与静止。详细内容参看图2。模块102为计算TDCP预测残差向量的稳健统计量。基于模块101计算得到的TDCP预测残差向量，利用稳健统计的方法，剔除奇异测量值，构建TDCP静止检测稳健统计量。模块103为静止状态检测过程。判断模块102输出的TDCP静止检测稳健统计量是否大于预先设置的阈值，如果大于阈值，则判定接收机为运动；否则为静止。判定时也可以连续多次判断，以减少虚警概率。

图2是每一个卫星TDCP预测残差计算流程图。静态检测方法在不同的时刻连续执行，前一采样时刻T(k-1)与当前采样时刻T(k)之间的采样间隔为Ts。如图2所示，202计算T(k)时刻卫星和用户之间的距离r(k)，201计算T(k-1)时刻卫星和用户之间的距离r(k-1)，两者求差203，得到距离的变化量dr(k)，即204。考虑采样时间间隔内接收机晶振频偏引起的载波相位变化量205，即得到TDCP的预测值209。第i颗卫星的TDCP预测值210可以表示为：

${\mathrm{predTDCP}}_k^i=r_k^i-r_{k-1}^i+\mathrm{df}\×c\×T_s$

其中df(ppm)为晶振频偏，c为光速。第i颗卫星相应的TDCP预测残差为：

${\mathrm{resiTDCP}}_k^i=\mathrm{measTDC}{P}_k^i-{\mathrm{predTDCP}}_k^i$

其中

为第i颗卫星的TDCP测量值，即图2中的206。

在每一次静止状态检测算法执行期间，计算所有TDCP测量值可用、根据位置等参数计算放入有效的卫星的TDCP预测残差，缓存后为TDCP预测残差向量measTDCP_k，为计算预测残差稳健统计量做准备。

图3是TDCP预测残差稳健统计量的计算过程图。因为接收机载体比如汽车随着位置变化，卫星信号测量值质量会因遮挡、多径等情况恶化，静止检测时利用稳健统计的方法消除其影响。图3中在将预测残差向量measTDCP_k301记为向量V1。

首次对预测残差向量measTDCP_k301进行统计处理：统计过程中包括求向量中值的处理，求中值的过程包括图中的302和304两个模块，下面以V1的求解为例说明。首先将向量V1降序或者升序排列为序列PV1，假如向量PV1共有N个元素，如果N为偶数，则顺序序列PV1第N/2和第N/2+1个元素的均值则为向量V1的中值；如果N为奇数，则顺序序列PV1的第(N+1)/2个元素为向量V1的中值MV1。

302求得向量V1的中值MV1后，需要经过303的处理，计算得到新的向量V2，该向量为V1向量所有元素减去其中值MV1后求绝对值。然后在步骤304中求得V2的中值MV2。向量V2和MV2将作为TDCP预测残差稳健统计量计算的关键输入。

其次，在305中并将稳健统计量robustIndex以及有效计数cnt初始化为0。

然后，在306将V2的第一个元素赋值给临时变量tempV，如果307的判断成立，则判定该元素对应的TDCP测量值属于奇异测量值；否则该元素对应的TDCP测量值为有效测量值，将tempV的数值类加入robustIndex，并讲计数cnt加1，如308所示。循环执行306、307、308的处理，直至所有的V2向量元素都处理完毕。

最后，在310中将robustIndex对有效累加数cnt求均值，得到最终的TDCP预测残差稳健统计量311。

图4是静止状态判断过程：

首先，根据经验设置稳健统计量robustIndex的静止判断阈值TH_Index，如401所示，如果robustIndex小于阈值TH_Index则判定本次静止假设成立；其次，将静止计数staticCnt加1；否则静止假设不成立，静止计数staticCnt置0。最后，然后，如果静止计数staticCnt大于预先设置的静止计数阈值TH_Cnt,则认为接收机处于静止状态，否则接收机处于运动状态。并且为了提高该方法判断的及时性，TH_Cnt的即时性，TH_Cnt一般设置为1～2。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种卫星接收机静止的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（101）计算TDCP预测残差向量；

步骤（102）计算TDCP预测残差的稳健统计量：根据所述TDCP预测残差向量，利用稳健统计的方法，剔除奇异测量值，构建TDCP静止检测稳健统计量；

步骤（103），静止状态检测：将所述TDCP静止检测稳健统计量的幅度与预设的阈值进行对比来判断所述卫星接收机处于静止状态。

2.如权利要求1所述的一种卫星接收机静止的检测方法，其中，所述步骤（101）计算TDCP预测残差包括

首先，计算采样时刻的所有有效卫星的TDCP预测值

其中，k是采样时刻，i是卫星的编号；

然后，计算每一个卫星的TDCP的预测残差

最后，将所有有效卫星的所述TDCP预测残差组成所述TDCP预测残差向量measTDCP_k。

3.如权利要求2所述的一种卫星接收机静止的检测方法，其中，采样时刻k的第i个卫星的所述TDCP的预测值为其中，df是晶振频偏；c是光速，T_s是采样间隔时间，

是在k采样时刻下第i个卫星与所述卫星接收机之间的距离。

4.如权利要求2所述的一种卫星接收机静止的检测方法，其中，第i个卫星的所述TDCP预测残差是 ${\mathrm{resiTDCP}}_k^i=\mathrm{measTDC}{P}_k^i-{\mathrm{predTDCP}}_k^i;$ 其中，

是第i个卫星的TDCP的实际测量值。

5.如权利要求1所述的一种卫星接收机静止的检测方法，其中，所述步骤（102）计算TDCP预测残差的稳健统计量包括：

首先，对所述TDCP预测残差向量进行统计处理；

其次，初始化稳健统计量robustindex和有效计数cnt为0；

然后，对统计处理后的所述TDCP预测残差向量中的每一个值与临时变量进行比较，剔除奇异测量值，获得有效测量值，并将有效测量值存入所述稳健统计量robustindex，有效测量值的数量存入所述有效计数cnt中；

最后，对所述稳健统计量求均值：robustindex=robustindex/cnt，得到最终的所述TDCP预测残差稳健统计量。

6.如权利要求5所述的一种卫星接收机静止的检测方法，其中，所述步骤（103）静止状态检测包括：

首先，将所述TDCP预测残差稳健统计量中的每一个值与静止判定阈值进行判定，小于静止判定阈值则判定为静止；

然后对通过静止判定的数量进行静止计数；

最后当静止计数大于预先设置的静止计数阈值时，判定所述接收机处于静止状态。

7.如权利要求6所述的一种卫星接收机静止的检测方法，其中，所述静止计数阈值设置为1～2。

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