CN104880717A - 一种卫星测量值多路径误差检测装置及其算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星测量值多路径误差检测装置及其算法，该装置包括置于汽车内的卫星信号接收机和里程计。该算法包括以下步骤：对里程计本身输出的脉冲进行中断处理，通过计算拟合得到两个GNSS定位解算时刻间的接收机移动距离；解算当前时刻的卫星伪距测量值，并使用卫星测量值计算当前卫星伪距的测量误差；利用里程计得到的接收机行驶距离，结合接收机和卫星的历史运动状态，计算得到接收机与卫星距离误差的预测值；计算所得到的两个误差之间的差距，判断测量值是否存在较大的多路径误差。通过这种方法，接收机可在存在里程计输出的里程信息的情况下，对卫星测量值进行误差检测与排除，从而起到使定位输出保持准确的作用。

Description

一种卫星测量值多路径误差检测装置及其算法

技术领域

本发明涉及属于里程计与GNSS卫星接收机组合定位技术，尤其涉及一种卫星测量值多路径误差检测装置及其方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号在传播过程中，会受到地面或者物体的反射，因此GNSS接收机接收到的信号一般是卫星直射信号与多个反射信号的叠加，这种现象被称为多路径现象。反射信号一般相对于直射信号有一定的时间延迟，且信号强度会有所减小。由于GNSS接收机是通过对接收到的卫星信号进行相关运算，根据伪随机码(即C/A码或P(Y)码)的自相关函数三角峰值来得到码相位测量值，多路径现象会导致原本只反映直射信号码相位状况的自相关函数的形状发生变形，降低码相位以及伪距的测量精度。在开阔天空环境下，卫星信号较强，多路径现象对卫星信号的变形不会对测量值和电文的准确解调带来多大影响。但当GNSS接收机所处环境的障碍物较多时(如森林环境、城市密集区、峡谷地带等)，受多路径现象影响，卫星信号自相关函数形状的变形会更加严重，从而导致码相位测量值的大幅度误差。

里程计可以独立于车载GNSS接收机模块工作，输出汽车行驶固定距离所需要的时间。GNSS接收机的处理模块可以通过计算拟合得到汽车在该段时间内的速度，或者得到汽车在两个GNSS接收机测量时刻内的行驶距离。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种卫星测量值多路径误差检测装置及其方法，将里程计的采集、处理和输出的时间信息与车载GNSS接收机存储的历史位置信息、速度信息相结合，可以对接收机获取到的卫星测量值进行检测，判断其是否含有很大的多路径误差。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明设计一种能有效判断卫星导航系统多径效应情况并消除较大多径效应误差的装置及方法，为实现上述目的，本发明提供了一种卫星测量值多路径误差检测装置及其方法,改装置将里程计与GNSS卫星接收机组合，使GNSS卫星接收机能识别接收到的卫星信号是否受到多路径现象的严重干扰，并将存在较大误差的测量值进行剔除，从而使定位结果更加准确。

在本发明的较佳实施方式中，所述技术方案包括：一种卫星测量值多路径误差检测算法，该算法包括以下步骤：

步骤1：对里程计本身输出的脉冲进行中断处理，通过计算拟合得到两个GNSS定位解算时刻间的接收机移动距离；

步骤2：解算当前时刻的卫星伪距测量值，并使用卫星测量值计算当前卫星伪距的测量误差；

步骤3：利用里程计得到的接收机行驶距离，结合接收机和卫星的历史运动状态，计算得到接收机与卫星距离误差的预测值；

步骤4：计算所得到的两个误差之间的差距，判断测量值是否存在较大的多路径误差。

进一步地，步骤3中所述的计算接收机与卫星距离误差的预测值算法，主要包括计算卫星在定位时间段内在接收机到卫星的观测向量方向上的位移d_s；计算接收机在定位时间段内在观测向量方向上的位移d_r；将两者相减得到接收机与卫星间距离的变化量d_R；拟合接收机与卫星间距离的变化率，并计算接收机与卫星间距离误差的预测值。

进一步地，步骤4中所述的判断卫星信号存在较大多路径误差的方法，具体如下：如果伪距误差测量值与距离误差的预测值之间的差距超过一定阈值，则提示该卫星信号多路径误差较大，不允许其参与定位。如果伪距误差测量值与距离误差的预测值之间的差距小于一定阈值，则提示该卫星测量值精度满足要求，允许其参与定位。

一种卫星测量值多路径误差检测装置，其特征还在于，所述装置包括：置于汽车内的卫星信号接收机和里程计，所述卫星信号接收机和里程计之间有线连接。

进一步地，所述卫星信号接收机由依次连接的多模天线，射频信号处理模块，数字信号处理模块以及定位解算模块构成。

更进一步地，所述数字信号处理模块包含里程计脉冲中断处理模块。

更进一步地，所述定位解算模块包含测量值多路径误差检测模块。

更进一步地，多模天线，负责接收来自卫星星座发出的射频信号，并将其传递给射频信号处理模块；

射频信号处理模块，将接收到的射频信号转换为数字中频信号，并送至数字信号处理模块；

数字信号处理模块，负责对中频信号进行捕获和跟踪，解调得到测量值和导航电文；

定位导航运算模块，负责对卫星测量值以及里程计输出的信息进行处理，并计算得到当前接收机的位置、速度和时间信息。

更进一步地，里程计脉冲中断处理模块，用于对里程计输出的时刻脉冲进行中断处理，与定位解算时刻进行对应得到两次定位解算时刻内的里程计整数采样时间段与非整数采样时间段。

更进一步地，测量值多路径误差检测模块，用于计算接收机与该卫星距离的预测误差和测量误差之间的差距，判断卫星测量值受多路径现象影响大小情况。

本发明提供了一种卫星测量值多路径误差检测装置及其方法,改装置将里程计与GNSS卫星接收机组合，将里程计的采集、处理和输出的时间信息与车载GNSS接收机存储的历史位置信息、速度信息相结合，可以对接收机获取到的卫星测量值进行检测，判断其是否含有很大的多路径误差。GNSS卫星接收机能识别接收到的卫星信号是否受到多路径现象的严重干扰，并将存在较大误差的测量值进行剔除，从而使定位结果更加准确。

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是本发明的一个较佳实施例的结合了里程计输出数据的卫星信号接收机的示意图；

图2是图1中所示卫星信号接收机101的内部模块图；

图3是接收机对卫星测量值进行多路径误差检测的流程图。

具体实施方式

如图1所示，是一个结合了里程计输出数据的卫星信号接收机的示意图。卫星信号接收机101被置于汽车内，同时接收来自卫星星座102和里程计103的信息，得到当前时刻的卫星测量值，并通过计算给出当前时刻自身的位置速度等信息。卫星信号接收机101同时可以在计算当前时刻自身位置速度信息之前对获取到的卫星测量值进行多路径误差检测，其具体过程在图3中介绍。

图2描述了图1中所示卫星信号接收机101的内部模块图。卫星信号接收机101由依次连接的多模天线201，射频信号处理模块202，数字信号处理模块203以及定位解算模块207构成。多模天线201负责接收来自卫星星座102发出的射频信号，并将其传递给射频信号处理模块202。射频信号处理模块202将接收到的射频信号转换为数字中频信号，并送至数字信号处理模块203。数字信号处理模块203负责对中频信号进行捕获和跟踪，解调得到测量值和导航电文。数字信号处理模块203包含里程计脉冲中断处理模块205。里程计脉冲中断处理模块205负责对外部输入的里程计脉冲204进行处理，处理的过程将在图3中的步骤301中介绍。

定位导航运算模块207负责对卫星测量值以及里程计输出的信息进行处理，并计算得到当前接收机的位置、速度和时间信息。接收机对卫星测量值的多路径误差检测模块206包含在定位解算模块207中，多路径误差检测的具体过程在图3中介绍。

图3描述了接收机对卫星测量值进行多路径误差检测的流程图。

首先，步骤301对里程计本身输出的脉冲进行中断处理，通过计算拟合得到两个GNSS定位解算时刻间的接收机移动距离。

如图2所示，里程计输出的脉冲信号送到卫星信号接收机101的里程计脉冲中断处理模块205，对外部输入的里程计脉冲204进行处理，处理后的数据与定位解算模块207中的定位解算时刻进行对应得到两次定位解算时刻内的里程计整数采样时间段与非整数采样时间段。由于在每个里程计采样时间段内输出脉冲间的汽车行驶距离S_od为定值，可以通过多路径误差检测模块206计算得到里程计在两个定位解算时刻间记录的汽车行驶距离。

在卫星信号接收机101完成上一时刻的定位解算后，会存储之前的定位解算结果。设当前定位解算时刻为k，则之前的定位解算时刻为k-1，k-2，以此类推。设某颗卫星在解算时刻的位置分别为Ps_k，Ps_k-1，接收机自身的位置分别为Pr_k-1，Pr_k-2。在测量时刻，从接收机指向该卫星的向量为LOS_k和LOS_k-1,并假定这两个向量保持平行。卫星的伪距测量值则为ρ_k和ρ_k-1，当前时刻的积分载波相位测量值为△φ_k。

步骤302，解算当前时刻的卫星伪距的测量误差，其算式为：

式中，T为两次定位时间的间隔。上式中采用积分载波相位测量值与载波波长的乘积来替代伪距的变化率与时间间隔的乘积。

在步骤303中，使用里程计得到的汽车行驶距离△s，以及接收机和卫星的历史信息计算卫星到接收机距离的预测误差。在计算中假设汽车在该测量时间段内的运行方向与上一时刻的运行方向保持一致。该方向矢量为

$\frac{{\mathrm{Pr}}_{k-1}-{\mathrm{Pr}}_{k-2}}{|{\mathrm{Pr}}_{k-1}-{\mathrm{Pr}}_{k-2}|}---\left(2\right)$

则在k-1到k的时间段内，接收机在LOS_k方向上前进的距离dr为

$\mathrm{dr}={\mathrm{LOS}}_k\·(\mathrm{\Δs}*\frac{{\mathrm{Pr}}_{k-1}-{\mathrm{Pr}}_{k-2}}{|{\mathrm{Pr}}_{k-1}-{\mathrm{Pr}}_{k-2}|})---\left(3\right)$

在k-1到k时间段内，卫星在LOSk方向上前进的距离可近似为

ds≈LOS_k·(Ps_k-Ps_k-1)   (4)

储存三个时间段内的dr与ds，计算得到三个时间段内，接收机相对该卫星距离的变化量dR：

dR_k＝dr_k-ds_k   (5)

使用与式(1)类似的算法，可以得到接收机与该卫星距离的预测误差：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{pre}}=d{R}_k-{\stackrel{.}{R}}_k*T\≈{\mathrm{dR}}_k-\frac{3}{2}{\mathrm{dR}}_{k-1}+\frac{1}{2}d{R}_{k-2}---\left(6\right)$

在上式中，采用后向差分算法对卫星与接收机间距离的变化率进行拟合。实际操作中可以采用其它算法。

在步骤304中，计算接收机与该卫星距离的预测误差ε_pre和测量误差ε_mea之间的差距。在卫星信号未受到多路径现象的明显干扰的情况下，这两个误差的差距应该小于某一阈值T_ε，阈值T_ε的取值可以根据环境中的经验数值来确定。如果两个误差的差值大于阈值T_ε，则进入步骤305，说明该测量值受到多路径现象的严重干扰。如果两个误差的差值小于阈值T_ε，则进入步骤306，说明该卫星测量值受多路径现象的影响较小，可用于正常定位。

在检查出存在严重多路径干扰的卫星测量值后，可以对其进行排除，从而保证使用测量值计算得到的接收机位置的准确性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。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 (10)

1.一种卫星测量值多路径误差检测算法，其特征在于，所述算法包括以下步骤：

步骤1：对里程计本身输出的脉冲进行中断处理，通过计算拟合得到两个GNSS定位解算时刻间的接收机移动距离；

步骤2：解算当前时刻的卫星伪距测量值，并使用卫星测量值计算当前卫星伪距的测量误差；

步骤3：利用里程计得到的接收机行驶距离，结合接收机和卫星的历史运动状态，计算得到接收机与卫星距离误差的预测值；

步骤4：计算所得到的两个误差之间的差距，判断测量值是否存在较大的多路径误差。

2.根据权利要求1所述的一种卫星测量值多路径误差检测算法，其特征在于，所述步骤3中所述的计算接收机与卫星距离误差的预测值算法，主要包括计算卫星在定位时间段内在接收机到卫星的观测向量方向上的位移d_s；计算接收机在定位时间段内在观测向量方向上的位移d_r；将两者相减得到接收机与卫星间距离的变化量d_R；拟合接收机与卫星间距离的变化率，并计算接收机与卫星间距离误差的预测值。

3.根据权利要求1所述的一种卫星测量值多路径误差检测算法，其特征还在于，所述步骤4中所述的判断卫星信号存在较大多路径误差的方法，具体如下：如果伪距误差测量值与距离误差的预测值之间的差距超过一定阈值，则提示该卫星信号多路径误差较大，不允许其参与定位；如果伪距误差测量值与距离误差的预测值之间的差距小于一定阈值，则提示该卫星测量值精度满足要求，允许其参与定位。

4.一种卫星测量值多路径误差检测装置，其特征在于，所述装置包括：置于汽车内的卫星信号接收机和里程计，所述卫星信号接收机和里程计之间有线连接。

5.根据权利要求4所述的一种卫星测量值多路径误差检测装置，其特征还在于，所述装置还包括：所述卫星信号接收机由依次连接的多模天线，射频信号处理模块，数字信号处理模块以及定位解算模块构成。

6.根据权利要求5所述的一种卫星测量值多路径误差检测装置，其特征在于：所述数字信号处理模块包含里程计脉冲中断处理模块。

7.根据权利要求5所述的一种卫星测量值多路径误差检测装置，其特征在于：所述定位解算模块包含测量值多路径误差检测模块。

8.根据权利要求5所述的一种卫星测量值多路径误差检测装置，其特征在于：

多模天线，负责接收来自卫星星座发出的射频信号，并将其传递给射频信号处理模块；

射频信号处理模块，将接收到的射频信号转换为数字中频信号，并送至数字信号处理模块；

数字信号处理模块，负责对中频信号进行捕获和跟踪，解调得到测量值和导航电文；

定位导航运算模块，负责对卫星测量值以及里程计输出的信息进行处理，并计算得到当前接收机的位置、速度和时间信息。

9.根据权利要求6所述的一种卫星测量值多路径误差检测装置，其特征在于：里程计脉冲中断处理模块，用于对里程计输出的时刻脉冲进行中断处理，与定位解算时刻进行对应得到两次定位解算时刻内的里程计整数采样时间段与非整数采样时间段。

10.根据权利要求7所述的一种卫星测量值多路径误差检测装置，其特征在于：测量值多路径误差检测模块，用于计算接收机与该卫星距离的预测误差和测量误差之间的差距，判断卫星测量值受多路径现象影响大小情况。