CN107505642B - 一种ins辅助的实时bds单频周跳探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种INS辅助的实时BDS单频周跳探测方法，该方法利用INS信息预报BDS观测历元上天线相位中心的位置，由广播星历计算相应历元的卫星位置，然后计算双差相位的预报值，将双差相位预报值与BDS实测双差值相比较，得到差值；利用其统计特性，构造检验统计量，计算出周跳探测的误探率，在确定误探率的情况下，由置信水平值与标准差选取合适的阈值，且阈值具有一定的自适应性；根据其差值与阈值的大小，判断有无周跳发生，若发生周跳，则利用参数估计的方法，自周跳发生的历元起引入新的模糊度参数来进行修复周跳，从而实现周跳的探测。

Description

一种INS辅助的实时BDS单频周跳探测方法

技术领域

本发明涉及北斗导航定位数据处理领域，尤其是一种INS辅助的实时BDS单频周跳探测方法。

背景技术

北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的卫星导航系统，将为全球用户提供定位、导航、授时及短报文通信服务。BDS在国家安全及社会生活各个领域扮演着越来越重要的角色，其在高精度定位领域的应用也越来越广泛。而载波相位观测值的周跳探测是BDS高精度定位数据处理的关键问题，周跳实时探测与修复的正确与否对高精度定位结果和可靠性影响巨大。目前，国内外多数论文和专利主要针对周跳的事后处理或者实时双频和三频的周跳探测方法提出解决方案，对于实时BDS单频周跳探测与修复方法研究甚少。

常见的GNSS单频载波相位周跳探测方法有多项式拟合法、高次差法、伪距相位组合法、多普勒法、小波滤波法和卡尔曼滤波法等。其中，多项式拟合法对于大周跳的探测效果较好，但其探测效果受到多项式类型、拟合次数以及截断误差等因素的影响；高次差法需要逐级做差，周跳探测无法实时进行，而且在探测的过程中放大了噪声，不适用于探测小周跳甚至近百周的周跳值；伪距相位组合法周跳的探测能力依赖于伪距观测量的精度，由于单频GPS机中伪距观测值精度较低，因此对于小周跳的探测能力较差；多普勒法探测周跳的精度与采样率有关，在低采样率的情况下不能探测出小周跳；小波滤波法可以方便地探测到发生周跳历元的突变点，但周跳的具体幅度还需通过其他方式配合探测；而传统的卡尔曼滤波法在当运动载体机动加速度较大时不能有效探测和修复周跳，甚至使得滤波发散。这些方法或多或少存在各种问题，要么不能实时探测，要么探测能力有限，导致周跳探测的精度和效率低，因此，有必要提出一种技术手段，解决上述问题。

发明内容

发明目的：为解决现有技术在进行单频周跳探测时要么不能实时探测，要么探测能力有限，从而导致周跳探测的精度和效率低的技术问题，本发明提供一种INS辅助的实时BDS单频周跳探测方法，利用INS短时间内相对定位精度较高的特点辅助解决单频BDS周跳无法实时探测、修复能力有限的问题，从而提高周跳探测的精度和效率。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提供以下技术方案：

一种INS辅助的实时BDS单频周跳探测方法，包括步骤：

(1)首先提取BDS单频载波相位时间差分观测量，即历元间观测量，再在历元间观测量的基础上进行星间求差，得到历元间和星间的双差观测量；

(2)根据INS高精度的导航结果计算双差观测量的预报值；

(3)用双差观测量减去双差观测量的预报值，得到一个周跳探测统计量δ；

(4)预先设置阈值T，若δ小于预设的阈值T，则表示没有周跳发生；否则，表示有周跳发生；

(5)当判断出周跳发生后，利用参数估计法，自周跳发生的历元起引入新的模糊度参数，并将其与来进行周跳的修复，包括步骤：

当判断出周跳发生的时刻和位置后，在发生周跳的历元后引入一个新的模糊度参数，并将其与待估参数一起重新进行结算，从而达到修复周跳的目的；待估参数为坐标。

进一步的，所述历元间和星间的双差观测量的计算公式为：

式中，

表示BDS的载波相位观测值；Δ_t表示历元间隔，t表示某一时刻；

表示卫星i和j之间星间求差。

进一步的，所述INS的导航结果包括：所测载体的位置参数、速度参数以及BDS的卫星星历信息。

进一步的，所述双差观测量的预报值的计算公式为：

式中，

表示利用INS预测的载波相位观测值。

进一步的，所述周跳探测统计量δ的计算公式为：

式中，

表示BDS载波相位双差观测值的观测误差；

表示INS预测的双差误差。

进一步的，所述步骤(4)中设置周跳检测阈值T的具体步骤为：

(6-1)构建检验统计量，取无周跳为零假设，在t时刻发生周跳为备选假设：

H₀：δ～N(0，σ²)

H_k：δ～N(k，σ²)

其中，H₀表示无周跳时的假设；H_k表示发生周跳时的假设，k表示周跳数；

(6-2)根据构建的检验统计量计算得到用于衡量周跳探测准确性的误探率；误探率存在两种情况：

当周跳探测发生误报时，误探率即为误报率，误报率的计算公式为：

当周跳探测发生漏检时，误探率即为漏检率，漏检率的计算公式为：

式中，P_FA表示周跳探测的误报率，P_MD表示周跳探测的漏检率，e为常数；

(6-3)确定周跳探测误探率后，计算周跳检测阈值为：

T＝ε_α·σ

其中，ε_α为置信水平α下的临界值，ε_α的值由周跳误探率决定；σ表示标准差，标准差由周跳未发生时探测统计量时间序列的均方根误差进行实时估计。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

通过INS信息的辅助，得到INS预报值与BDS实测值的差值，利用各自的统计特性，构造统计检验量，在确定周跳探测误探率的情况下，可快速有效地确定阈值，从而判断是否发生周跳；利用参数估计的方法，自周跳发生的历元起引入新的模糊度参数，从而实现周跳的修复。此过程从INS预报双差值到用统计方法确定阈值再到用参数估计方法修复周跳，可以实时高精度探测出BDS单频周跳，提高周跳探测的精度与效率；同时避免传统方法的局限，提高INS/BDS定位的精度与可靠性，也降低成本。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明的流程图，本发明的主要原理为：利用INS信息预报BDS观测历元上天线相位中心的位置，由广播星历计算相应历元的卫星位置，然后计算双差相位的预报值，将双差相位预报值与BDS实测双差值相比较，得到差值；利用其统计特性，构造检验统计量，计算出周跳探测的误探率，在确定误探率的情况下，由置信水平值与标准差选取合适的阈值，且阈值具有一定的自适应性；根据其差值与阈值的大小，判断有无周跳发生，若发生周跳，则利用参数估计的方法，自周跳发生的历元起引入新的模糊度参数来进行修复周跳，从而实现周跳的探测。

本发明的具体实施步骤如下：

步骤1：首先求提取得到BDS单频载波相位时间差分观测量，再在此基础上进行星间求差，得到历元间、星间双差观测量；即先经过时间差分得到历元间观测量，再经过星间求差得到的双差观测量；历元间求差是第一次求差，星间求差是第二次求差，所以叫双差。

双差观测量表示为

其中，

表示BDS的载波相位观测值；Δ_t表示历元间隔，t表示某一时刻；

表示卫星i和j之间的星间求差。

双差观测量的统计特性如下：

BDS的观测误差

一般可以看成零均值的高斯白噪声过程，即有：

表示BDS的观测误差

的均值为0，而BDS观测误差的协方差为：

其中，

为载波相位观测值噪声，

表示BDS的载波相位双差观测量的观测误差；已知φ表示载波相位的实际值，实际双差观测量为

则BDS载波相位双差观测量的观测误差计算公式为：

步骤2：利用INS高精度的导航结果，计算双差观测量的预报值。此处的导航结果是由BDS卫星星历信息和INS信息共同作用获得的，包括所测载体的位置参数、速度参数以及BDS的卫星星历信息等；所述INS信息主要包括陀螺仪测得的角速度和加速度计测得的加速度信息。

根据惯导输出的位置、速度以及BDS卫星星历，计算双差观测量的预报值为：

式中，

表示利用INS预测的载波相位观测值；Δ_t表示历元间隔，t表示某一时刻；

表示卫星i和j之间求差结果；双差观测量预报值的主要误差取决于INS的位置估计误差

其中，r_INS表示利用INS输出的位置参数，

表示INS的位置估计误差。假设前一个历元的INS位置估计误差经由BDS进行修正，而预测相关参数已经可靠估计出来，则可以认为INS预测位置估计误差的期望为零，其协方差矩阵由卡尔曼滤波估计，则：

故利用INS预报的双差误差可以写为

步骤3：用BDS时间、星间双差观测量减去INS预报的双差观测量，得到一个的周跳探测统计量，即：

步骤4：设置周跳检测阈值T，若δ小于预设的阈值T，则判定没有周跳发生；反之，则判定有周跳发生。

在实际中一般INS预测值与当前历元的观测数据不相关，由卡尔曼滤波性质可知，在周跳未发生时，决策量具有稳定的均值与方差：

E(δ)＝0

式中，E(δ)为δ的均差，σ²(δ)为δ的方差。由上面两式可以看出，如果没有周跳发生的情况下，δ可以看作是零均值的高斯白噪声序列，服从正态分布，反之不再是零均值的正态分布；基于此特性，设置周跳检测阈值T，探测周跳的发生情况。周跳检测阈值T的选取步骤为：

构造检验统计量，取无周跳为零假设，在t时刻发生周跳为备选假设：

H₀：δ～N(0，σ²)

H_k：δ～N(k，σ²)

其中k为周跳数；δ表示周跳探测统计量；H₀表示无周跳时的假设；H_k表示发生周跳时的假设。

周跳完备性探测取决于两个统计量：漏检率和误报率；其中，漏检率表示在模型有效的前提下，统计量超过周跳检测阈值导致误报的几率；误报率表示在模型有效的前提下，统计量超过周跳检测阈值导致误报的几率；

漏检率和误报率的计算公式为：

式中，P_FA表示误报率，P_MD表示漏检率；T为周跳检测阈值；

当k＝1时，得到最大漏检率。

在确定误探率的情况下可选择检测阈值。本发明自适应选择阈值的原理为：T＝ε_α·σ，其中，ε_α为置信水平α下的临界值，标准差σ由周跳未发生时探测统计量时间序列的均方根误差进行实时估计。

当选取的周跳误探率不同，相应地ε_α也会不同，从而导致检测阈值也不同，即根据目的不同可达到不同的结果。

步骤5：当判断出周跳发生后，需要对探测出的周跳进行修复；由于两相邻历元间的时间间隔相对较短，仪器偏差的变化完全可以忽略，这意味着周跳仍保持着其整数特性，因此可利用参数估计的方法，自周跳发生的历元起引入新的模糊度参数来进行周跳的修复。具体步骤如下：

当判断出周跳发生的时刻和位置后，在发生周跳的历元后引入一个新的模糊度参数，并将其与待估参数一起重新进行结算，从而达到修复周跳的目的；待估参数为坐标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种INS辅助的实时BDS单频周跳探测方法，其特征在于，包括步骤：

(1)首先提取BDS单频载波相位时间差分观测量，即历元间观测量，再在历元间观测量的基础上进行星间求差，得到历元间和星间的双差观测量：

其中，

表示BDS的载波相位观测值；Δ_t表示历元间隔，t表示某一时刻；

表示卫星i和j之间星间求差；

(2)根据INS高精度的导航结果计算双差观测量的预报值：

其中，

表示利用INS预测的载波相位观测值；

(3)用双差观测量减去双差观测量的预报值，得到一个周跳探测统计量δ：

式中，φ表示载波相位的实际观测值；

表示BDS载波相位双差观测值的观测误差；

表示INS预测的双差误差；

(4)设置周跳检测阈值T，若δ小于预设的周跳检测阈值T，则表示没有周跳发生；否则，表示有周跳发生；

(5)当判断出周跳发生后，利用参数估计法，自周跳发生的历元起引入新的模糊度参数，并进行周跳的修复，包括步骤：

当判断出周跳发生的时刻和位置后，在发生周跳的历元后引入一个新的模糊度参数，并将其与待估参数一起重新进行解算，从而达到修复周跳的目的；待估参数为接收机的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种INS辅助的实时BDS单频周跳探测方法，其特征在于，所述INS的导航结果包括：所测载体的位置参数、速度参数以及BDS的卫星星历信息。

3.根据权利要求2所述的一种INS辅助的实时BDS单频周跳探测方法，其特征在于，所述步骤(4)中设置周跳检测阈值T的具体步骤为：

(4-1)构建检验统计量，取无周跳为零假设，在t时刻发生周跳为备选假设：

H₀：δ～N(0，σ²)

H_k：δ～N(k，σ²)

其中，H₀表示无周跳时的假设；H_k表示发生周跳时的假设，k表示周跳数；

(4-2)根据构建的检验统计量计算得到用于衡量周跳探测准确性的误探率；误探率存在两种情况：

当周跳探测发生误报时，误探率即为误报率，误报率的计算公式为：

当周跳探测发生漏检时，误探率即为漏检率，漏检率的计算公式为：

式中，P_FA表示周跳探测的误报率，P_MD表示周跳探测的漏检率，e为常数；

(4-3)确定周跳探测误探率后，计算周跳检测阈值为：

T＝ε_α·σ

其中，ε_α为置信水平α下的临界值，ε_α的值由周跳误探率决定；σ表示标准差，标准差由周跳未发生时探测统计量时间序列的均方根误差进行实时估计。

Images