CN106199659A - 基于模糊数学的gnss单站双频观测数据周跳探测及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法，通过确定历元间电离层延迟变化量和历元间MW组合观测值变化量的隶属度判断观测值是否有周跳发生，并对难以确定是否有周跳发生的观测值进行降权处理；本发明可有效解决以往周跳探测数据处理过程中阈值难以可靠确定的问题，进而改善GNSS精密数据处理的精度和可靠性。

Description

基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法

技术领域

本发明属于全球导航系统精密数据处理技术领域，涉及一种GNSS单站双频观测数据的周跳探测及处理方法，具体涉及一种基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法。

背景技术

目前，GNSS(Global Navigation Satellite System)双频/多频数据的周跳探测方法主要有TurboEdit方法、电离层残差法、MW(Melbourne-Wübbena)组合结合电离层总电子含量变化率等，但这些方法都存在各自的局限性。电离层残差法基于电离层变化比较缓慢的假设进行周跳探测，如果电离层较为活跃或者信号失锁的时间较长，此时周跳探测的可靠性不高([文献1、2])。TurboEdit方法存在以下几点不足：①当观测值存在多路径误差的影响、电离层比较活跃或者卫星高度角较低时，导致伪距观测噪声放大，这时TurboEdit方法对1-2周的小周跳可能不灵敏，导致漏探([文献3、4])；②受伪距观测值精度的影响，会导致周跳的误判([文献4、5])。MW组合结合电离层总电子含量变化率探测周跳是一种单站双频的GNSS数据预处理方法，在电离层活跃期也能够很好的探测周跳，但这种方法对于观测数据的采样率要求较高，仅适用于高采样率观测数据([文献6])。

现有GNSS周跳探测方法都是在数据处理时先设定某一阈值，该阈值可能是不变的也可能是变化的，若由观测数据得到的检测量大于给定阈值可判定该观测值有周跳发生。通过设定阈值的方式进行周跳探测可能导致如下两类问题：①如给定的阈值过大，则对小周跳的探测不灵敏；②如给定的阈值过小，可能将正常观测值误判为有周跳发生的观测值。

[文献1]张亮，岳东杰.相位减伪距法与电离层残差法探测和修复周跳[J].测绘工程,2014,02:36-38.

[文献2]张晋升，匡翠林，谢荣安.三差法探测周跳的影响因素分析[J].测绘工程,2014,03:18-23.

[文献3]王振杰，聂志喜，欧吉坤.一种基于TurboEdit改进的GPS双频观测值周跳探测方法[J].武汉大学学报(信息科学版),2014,09:1017-1021.

[文献4]Cai Changsheng,Liu Zhizhao,Xia Pengfei,et al.Cycle SlipDetection and Repair for Undifferenced GPS Observations under HighIonospheric Activity[J].GPS Solutions,2012,doi:10.1007/s10291-012-0275-7.

[文献5]吴继忠，施闯，方荣新.TurboEdit单站GPS数据周跳探测方法的改进[J].武汉大学学报(信息科学版),2011,01:29-33.

[文献6]Liu Zhizhao.A New Automated Cycle Slip Detection and RepairMethod for a Single Dual-frequency GPS Receiver[J].J Geod,2011,85:171–183.

[文献7]Bansal,S,Banerjee,P.Smoothing of GPS-based timing data bymoving average technique utilizing fuzzy logic[C],International Conference onSignal Processing and Integrated Networks.2014:306-310.

发明内容

针对现有GNSS双频/多频观测数据周跳探测方法的不足，本发明基于模糊数学理论提出了一套单站双频周跳探测及处理方法，对难以确定是否有周跳发生的观测值进行降权处理。本发明可有效解决周跳探测阈值难以可靠确定的问题，进而改善GNSS精密数据处理的精度和可靠性。

本发明所采用的技术方案是：一种基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取历元间电离层延迟变化量的隶属度；

步骤2：根据历元间电离层延迟变化量的隶属度确定发生周跳的观测值；

步骤3：获取历元间MW组合观测值变化量的隶属度；

步骤4：根据历元间MW组合观测值变化量的隶属度确定发生周跳的观测值。

作为优选，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：计算所有可视卫星的历元间电离层延迟变化量(ΔL_IF)_i；

(ΔL_IF)_i＝L_IF(t+1)-L_IF(t)；

其中，L_IF(t)、λ₁和λ₂分别为历元时刻t的L₁载波相位观测值、L₂载波相位观测值、无距离组合观测值、L₁载波相位波长和L₂载波相位波长；和L_IF(t+1)分别为历元时刻t+1的L₁载波相位观测值、L₂载波相位观测值和无距离组合观测值；

对于当前历元所有可视卫星的(ΔL_IF)_i，若前一历元不存在当前历元可视卫星信息，则往前遍历6个观测历元，如果仍获取不到对应的卫星信息，则该可视卫星失锁时间较长并将其标记为周跳；

对周跳检测量加权；观测值采用高度角定权，即P_i＝sin(ele_i)；将(ΔL_IF)_i分别和观测权相乘得到加权后的历元间电离层延迟变化量；其中ele_i表示卫星高度角；

步骤1.2：获取历元间电离层延迟变化量的最大值max、最小值min；

步骤1.3：获取历元间电离层延迟变化量的模糊加权均值；

隶属函数选取如公式(1)所示，由于σ的值不会对求取模糊加权均值产生影响，故σ的初始值取σ＝max-min。公式(1)中的mean从最小值min开始遍历，循环至最大值结束，循环步长为0.001m。每次循环可得到各个(ΔL_IF)_i的隶属度，按公式(2)可计算出所有隶属度的总和使达到最大值的mean值便为模糊加权均值。

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_i=e^{-\left|\frac{x_i-mean}{\mathrm{\σ}}\right|}& min\≤mean\≤max\end{array}---\left(1\right)$

式中，mean、σ和μ_i分别为模糊均值、均方根误差和观测值的隶属度；x_i为加权观测值，以(ΔL_IF)_i为例，x_i＝(ΔL_IF)_i·P_i。

$S_{{\mathrm{\μ}}_i}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_i---\left(2\right)$

式中，为所有观测值隶属度的总和，n为观测值数量。

步骤1.4：获取历元间电离层延迟变化量的均方根误差σ；

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[(x_i-mean){\mathrm{\μ}}_i(x_i-mean)\]}{n-1}};$

其中，mean、σ和μ_i分别为模糊均值、均方根误差和观测值的隶属度；x_i为加权观测值；n为观测值数量；

步骤1.5：获取历元间电离层延迟变化量的隶属度μ_i；

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_i=e^{-\left|\frac{x_i-mean}{\mathrm{\σ}}\right|}& min\≤mean\≤max\end{array}---\left(1\right)$

步骤1.1～1.4可得到模糊均值mean和均方根误差σ，将其代入至公式(1)便可得到历元间电离层延迟变化量的隶属度；

作为优选，步骤2中，当历元间电离层延迟变化量的隶属度小于指定的隶属度时，认为观测值有周跳发生，否则对观测值按下式进行降权处理；

$\stackrel{\‾}{P_i}={\left(P_i\right)}_0\·{\mathrm{\μ}}_i;$

式中，(P_i)₀和μ_i分别为观测值的原始权和隶属度；为周跳探测后获得的权。

作为优选，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：计算所有可视卫星的历元间MW组合观测值变化量(ΔMW)_i；

其中，P₁(t)、P₂(t)分别为历元时刻t的宽巷观测值、L₁频率上的伪距观测值和L₂频率上的伪距观测值，P₁(t+1)、P₂(t+1)分别为历元时刻t+1的宽巷观测值、L₁频率上的伪距观测值和L₂频率上的伪距观测值，f₁、f₂分别为L₁载波频率和L₂载波频率。

步骤3.2：利用获取历元间电离层延迟变化量隶属度μ_i的原理，确定历元间MW组合观测值变化量的隶属度。

作为优选，步骤4中，利用MW组合观测值辅助探测周跳的阈值为：隶属度小于周跳探测的阈值0.5且|(ΔMW)_i|>3.0周。

本发明通过构造历元间电离层延迟变化量和历元间MW组合观测值变化量两个周跳检测量，并对周跳检测量进行加权，将得到的周跳检测量进行排序，剔除周跳较大的观测值，提高算法效率。通过获得周跳检测量的模糊加权均值及均方根误差，确定历元间电离层延迟变化量和历元间MW组合观测值变化量的隶属度。当历元间电离层延迟变化量的隶属度小于指定的隶属度时，认为观测值有周跳发生，否则对观测值进行降权处理；当历元间MW组合观测值变化量的隶属度小于0.5且|(ΔMW)_i|>3.0周时，判断观测值有周跳发生，MW组合观测值受伪距观测值噪声影响，不能利用其隶属度对载波相位观测值进行加权。通过对难以确定是否有周跳发生的观测值进行降权处理，可有效解决以往周跳探测阈值难以可靠确定的问题，进而改善GNSS精密数据处理的精度和可靠性。

附图说明

图1：本发明实施例的流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法，通过确定历元间电离层延迟变化量和历元间MW组合观测值变化量的隶属度判断观测值是否有周跳发生，并对难以确定是否有周跳发生的观测值进行降权处理，本发明可有效解决以往周跳探测数据处理过程中阈值难以可靠确定的问题，进而改善GNSS精密数据处理的精度和可靠性。

其具体实现包括以下步骤：

步骤1：构造周跳检测量；

式(1)和式(2)分别为历元时刻t和t+1无距离组合观测值，式(2)-式(1)可得到历元间电离层延迟变化量(ΔL_IF)_i。

式(1)中L_IF(t)、λ₁和λ₂分别为历元时刻t的L₁载波相位观测值、L₂载波相位观测值、无距离组合观测值、L₁载波相位波长和L₂载波相位波长。

式(2)中和L_IF(t+1)分别为历元时刻t+1的L₁载波相位观测值、L₂载波相位观测值和无距离组合观测值。

式(3)和式(4)分别为历元时刻t和t+1的MW组合观测值，式(4)-式(3)可得到历元间MW组合观测值变化量(ΔMW)_i。将以上得到的(ΔL_IF)_i和(ΔMW)_i作为周跳检测量。

步骤2：对周跳检测量加权；

步骤1可得到当前历元所有可视卫星的(ΔL_IF)_i和(ΔMW)_i，若前一历元不存在当前历元可视卫星信息，则往前遍历6个观测历元，如果仍获取不到对应的卫星信息，认为该可视卫星失锁时间较长并将其标记为周跳。观测值采用高度角定权，即P_i＝sin(ele_i)。将(ΔL_IF)_i和(ΔMW)_i分别和观测权相乘便可得到加权后的周跳检测量。

步骤3：确定历元间电离层延迟变化量的隶属度；

[文献7]中所提及的方法可从一系列离散点中剔除粗差较大的野值，本发明采用类似的方法确定(ΔL_IF)_i的隶属度，具体步骤如下：

步骤3.1：获取历元间电离层延迟变化量的最大值和最小值。获取最小值和最大值的主要目的是为了剔除较大的周跳值，提高算法的效率。对历元间电离层延迟变化量进行升序排序，从最小值开始遍历，当与其临近值绝对值之差小于0.1m时，该值即为最小值min；从最大值开始遍历，当与其临近值绝对值之差小于0.1m时，该值即为最大值max。

步骤3.2：获取历元间电离层延迟变化量的模糊加权均值。隶属函数选取如公式(5)所示，由于σ的值不会对求取模糊加权均值产生影响，故σ的初始值取σ＝max-min。公式(5)中的mean从最小值min开始遍历，循环至最大值结束，循环步长为0.001m。每次循环可得到各个(ΔL_IF)_i的隶属度，按公式(6)可计算出所有隶属度的总和使达到最大值的mean值便为模糊加权均值。

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_i=e^{-\left|\frac{x_i-mean}{\mathrm{\σ}}\right|}& min\≤mean\≤max\end{array}---\left(5\right)$

式中，mean、σ和μ_i分别为模糊均值、均方根误差和观测值的隶属度；x_i为加权观测值，以(ΔL_IF)_i为例，x_i＝(ΔL_IF)_i·P_i。

$S_{{\mathrm{\μ}}_i}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_i---\left(6\right)$

式中，为所有观测值隶属度的总和，n为观测值数量。

步骤3.3：获取历元间电离层延迟变化量的均方根误差。步骤3.2中虽可以得到比较稳健的模糊加权均值，但公式(5)中的σ是随意给定的一个初值，属于待估参数，故历元间电离层延迟变化量的隶属度仍属于未知。根据公式(7)可计算出均方根误差σ，将计算得到的σ代入到方程(5)中便可得到新的隶属度μ_i，如此反复迭代直至前后两次σ小于0.001m。

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[(x_i-mean){\mathrm{\μ}}_i(x_i-mean)\]}{n-1}}---\left(7\right)$

步骤3.4：获取历元间电离层延迟变化量的隶属度。步骤3.1～3.3可得到模糊均值mean和均方根误差，将其代入至公式(5)便可得到历元间电离层延迟变化量的隶属度。

步骤4：将历元间电离层延迟变化量作为周跳检测量确定发生周跳的观测值。模糊数学上认为隶属度为0.5时最模糊，故取0.5作为周跳探测的阈值。当历元间电离层延迟变化量的隶属度小于0.5时，认为观测值有周跳发生，对隶属度大于等于0.5的观测值按公式(8)进行降权处理。

$\stackrel{\‾}{P_i}={\left(P_i\right)}_0\·{\mathrm{\μ}}_i---\left(8\right)$

式中，(P_i)₀和μ_i分别为观测值的原始权和隶属度；为周跳探测后获得的权。λ₁、λ₂分别为L₁、L₂观测值的波长，当L₁和L₂上发生周跳值的比例近似等于λ₂/λ₁时，无距离组合观测值对该组周跳最不敏感，故必须利用MW组合观测值对该类周跳组合进行探测。

步骤5：确定历元间MW组合观测值变化量的隶属度，同步骤3。

步骤6：将历元间MW组合观测值变化量作为周跳检测量确定发生周跳的观测值；

由于MW组合观测值受伪距观测值噪声影响，既不能只靠隶属度这个阈值判断观测值是否有周跳发生，也不能利用其隶属度对载波相位观测值进行加权。本发明利用MW组合观测值辅助探测周跳的阈值为：隶属度小于0.5且|(ΔMW)_i|>3.0周。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取历元间电离层延迟变化量的隶属度；

步骤2：根据历元间电离层延迟变化量的隶属度确定发生周跳的观测值；

步骤3：获取历元间MW组合观测值变化量的隶属度；

步骤4：根据历元间MW组合观测值变化量的隶属度确定发生周跳的观测值。

2.根据权利要求1所述的基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法，其特征在于，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：计算所有可视卫星的历元间电离层延迟变化量(△L_IF)_i；

(△L_IF)_i＝L_IF(t+1)-L_IF(t)；

其中，L_IF(t)、λ₁和λ₂分别为历元时刻t的L₁载波相位观测值、L₂载波相位观测值、无距离组合观测值、L₁载波相位波长和L₂载波相位波长；和L_IF(t+1)分别为历元时刻t+1的L₁载波相位观测值、L₂载波相位观测值和无距离组合观测值；

对于当前历元所有可视卫星的(△L_IF)_i，若前一历元不存在当前历元可视卫星信息，则往前遍历6个观测历元，如果仍获取不到对应的卫星信息，则该可视卫星失锁时间较长并将其标记为周跳；

对周跳检测量加权；观测值采用高度角定权，即P_i＝sin(ele_i)；将(△L_IF)_i分别和观测权相乘得到加权后的历元间电离层延迟变化量；其中ele_i表示卫星高度角；

步骤1.2：获取历元间电离层延迟变化量的最大值max、最小值min；

步骤1.3：获取历元间电离层延迟变化量的模糊加权均值mean、历元间电离层延迟变化量的均方根误差σ、历元间电离层延迟变化量的隶属度μ_i；

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\μ}}_i=e^{-\left|\frac{x_i-mean}{\mathrm{\σ}}\right|}& min\≤mean\≤max\end{array}---\left(1\right);$

$S_{{\mathrm{\μ}}_i}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_i---\left(2\right);$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[(x_i-mean){\mathrm{\μ}}_i(x_i-mean)\]}{n-1}}---\left(3\right);$

式中，mean、σ和μ_i分别为模糊加权均值、均方根误差和观测值的隶属度；x_i为加权观测值，以(△L_IF)_i为例，x_i＝(△L_IF)_i·P_i；S_μi为所有观测值隶属度的总和，n为观测值数量；

由于σ的值不会对求取模糊加权均值产生影响，故σ的初始值取σ＝max-min；公式(1)中的mean从最小值min开始遍历，循环至最大值结束，循环步长为0.001m；每次循环可得到各个(△L_IF)_i的隶属度，按公式(2)可计算出所有隶属度的总和使达到最大值的mean值便为模糊加权均值；

将模糊均值mean和均方根误差σ代入至公式(1)便可得到历元间电离层延迟变化量的隶属度。

3.根据权利要求2所述的基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法，其特征在于：步骤2中，当历元间电离层延迟变化量的隶属度小于指定的隶属度时，认为观测值有周跳发生，否则对观测值按下式进行降权处理；

$\stackrel{\‾}{P_i}={\left(P_i\right)}_0\·{\mathrm{\μ}}_i;$

式中，(P_i)₀和μ_i分别为观测值的原始权和隶属度；为周跳探测后获得的权。

4.根据权利要求2所述的基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法，其特征在于，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：计算所有可视卫星的历元间MW组合观测值变化量(△MW)_i；

其中，P₁(t)、P₂(t)分别为历元时刻t的宽巷观测值、L₁频率上的伪距观测值和L₂频率上的伪距观测值，P₁(t+1)、P₂(t+1)分别为历元时刻t+1的宽巷观测值、L₁频率上的伪距观测值和L₂频率上的伪距观测值，f₁、f₂分别为L₁载波频率和L₂载波频率；

步骤3.2：利用获取历元间电离层延迟变化量隶属度μ_i的原理，确定历元间MW组合观测值变化量的隶属度。

5.根据权利要求2所述的基于模糊数学的GNSS单站双频观测数据周跳探测及处理方法，其特征在于：步骤4中，利用MW组合观测值辅助探测周跳的阈值为：隶属度小于周跳探测的阈值0.5且|(△MW)_i|>3.0周。