CN107783166A - Gps速度异常检测与修复的方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及卫星定位系统，公开了一种GPS速度异常检测与修复的方法及其系统。本发明中，GPS速度异常检测与修复的方法包括以下步骤：计算接收机的GPS速度；检测GPS速度是否异常；如果GPS速度异常，则检测各多普勒频移观测值是否合格；如果多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的第一阈值，则将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算接收机的GPS速度。如果GPS速度异常、多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的门限，则将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算GPS速度，能有效地减小GPS速度计算误差。

Description

GPS速度异常检测与修复的方法及其系统
技术领域
本发明涉及卫星定位系统，特别涉及一种GPS速度异常检测与修复的技术。
背景技术
GPS单点定位的伪距观测方程可写为：
式(1)中，上标n表示卫星编号；
ρ表示伪距观测值；
r表示卫星与接收机间的几何距离；
δtu和δt分别表示接收机钟差和卫星钟差；
I和T分别表示电离层延迟和对流层延迟；
ερ表示残余误差。
将式(1)对时间求导，得
式(2)中，δfu为未知的接收钟频漂，而δfn是可以根据卫星导航参数计算得到的卫星n的钟频漂。考虑到大气延时变化率和的值一般很小，它们在上式中忽略不计，也可以说是被包含到残余误差项中去了。式中几何距离变化率与速度之间的关系如下所示:
式(3)中，vn为卫星运行速度，ln代表卫星在用户处的单位观测矢量，未知的v＝[vxvy vz]T表示接收机速度。
多普勒频移观测量(多普勒频移观测值)表征卫星与接收机天线相对运动所造成的多普勒效应的大小，也就是载波相位变化率的瞬时观测值。在GPS多普勒观测中，存在如下的对应关系：
式(4)中，λ代表所观测频率的波长，fd代表多普勒频移观测量。
将式(3)、式(4)代入式(2)，整理后可得
式(5)中，等号左边为未知量v和δfu，等号右边除了残余误差外其他均为已知项。因此，如果GPS接收机有至少4个观测值，就可产生至少4个如式(5)所示的定速方程式，从而可以采用最小二乘方法求得GPS接收机速度v＝[vx vy vz]T并同时得到接收机钟漂δfu。
本发明的发明人发现，现有的技术中，仅通过对式(5)中的观测值残差进行探测来剔除残差过大的观测值，防止速度计算异常，但这种方法存在局限性：当观测卫星数较少时(如4-6颗)，即使所有观测值的残差均正常，GPS(Global Position System，全球定位系统)速度仍可能计算异常，这是由于此时观测卫星的DOP(Dilution of Precision，精度衰减因子)值过大，将正常的误差过度放大导致的速度计算异常。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GPS速度异常检测与修复的方法及其系统，能有效地减小GPS速度计算误差。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种GPS速度异常检测与修复的方法，包括以下步骤：
计算接收机的GPS速度；
检测GPS速度是否异常；
如果GPS速度异常，则检测各多普勒频移观测值是否合格；
如果多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的第一阈值，则将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算接收机的GPS速度，其中，(X,Y,Z)表示当前接收机坐标，ρ(R+A)表示接收机与地心坐标的距离，VX、VY和VZ为三个坐标方向的速度。
本发明的实施方式还公开了一种GPS速度异常检测与修复的系统，包括：
速度计算单元，用于计算接收机的GPS速度；
异常检测单元，用于检测速度计算单元输出的GPS速度是否异常；
异常原因排查单元，用于当异常检测单元检测GPS速度异常时，排查GPS速度异常的原因；
修复单元，用于当异常原因排查单元排查出多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的第一阈值时，将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算接收机的GPS速度，其中，(X,Y,Z)表示当前接收机坐标，ρ(R+A)表示接收机与地心坐标的距离，VX、VY和VZ为三个坐标方向的速度。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
如果GPS速度异常、多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的门限，则将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算GPS速度，能有效地减小GPS速度计算误差。
进一步地，利用观测值残差的验后中误差及已有速度信息进行综合判断，检测出当前计算的GPS速度是否存在异常。
进一步地，考察观测值残差与其中值的差值，若某一差值的绝对值超过设定阈值，则判定该观测值不合格，可予以剔除后重新计算GPS速度。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中一种GPS速度异常检测与修复的方法的流程示意图；
图2是本发明第二实施方式中一种GPS速度异常检测与修复的方法的流程示意图；
图3是本发明第三实施方式中一种GPS速度异常检测与修复的系统的结构示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种GPS速度异常检测与修复的方法。图1是该GPS速度异常检测与修复的方法的流程示意图。
具体地说，如图1所示，该GPS速度异常检测与修复的方法包括以下步骤：
在步骤101中，计算接收机的GPS速度。本发明各实施方式中的接收机指GPS接收机。
此后进入步骤102，检测GPS速度是否异常。
进一步地，优选地，在本实施方式中，在步骤102中，还包括以下子步骤：
将当前计算的GPS速度与接收机保存的GPS速度进行数值和方向方面的对比，如果各差值超过相应项预先设定的第二阈值，则判定当前计算的GPS速度异常。
此外，在本发明的其他某些实施方式中，在步骤102中，还可以包括以下子步骤：
计算多普勒频移观测值残差的验后中误差。
如果验后中误差大于预先设定的第三阈值，则判定GPS速度异常。若是，则进入步骤103；若否，则结束本流程。
在步骤103中，检测各多普勒频移观测值是否合格。
进一步地，优选地，在步骤103中，还包括以下子步骤：
将所述各多普勒频移观测值残差排序并取中值，计算该中值与各多普勒频移观测值残差的差值的绝对值；
逐一判断各绝对值是否均大于预设的第四阈值，若是，则判定该多普勒频移观测值不合格；
如果各绝对值均不大于预定的第四阈值，则判定所述多普勒频移观测值全部合格。
如果GPS速度异常，则检测各多普勒频移观测值是否合格。
若是，则进入步骤104；若否，则进入步骤106。
在步骤104中，检测DOP值是否超过预先设定的第一阈值。
若是，则进入步骤105；若否，则结束本流程。
在步骤105中，增加高程方向的速度约束方程：其中，(X,Y,Z)表示当前接收机坐标，ρ(R+A)表示接收机与地心坐标的距离，VX、VY和VZ为三个坐标方向的速度。
需要说明的是，在本发明的各实施方式中，该高程方向的速度约束方程也可以是方程的各种等效变换形式，而不仅仅局限于列举出的这一种形式。
此后返回步骤101，将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算接收机的GPS速度，其中，(X,Y,Z)表示当前接收机坐标，ρ(R+A)表示接收机与地心坐标的距离，VX、VY和VZ为三个坐标方向的速度。
进一步地，在本实施方式中，优选地，
观测方程为：其中，上标n为卫星的编号，ln为卫星在用户处的单位观测矢量，v＝[vx vy vz]T为接收机的GPS速度，δfu为接收机的钟频漂，vn为卫星运行速度，δfn为卫星的钟频漂，λ为所观测频率的波长，fd n为多普勒频移观测值，为残余误差。
需要说明的是，这只是本发明的一种优选的实施方式。在本发明的其他某些实施方式中，也可以是其他的观测方程，并不以此为限。
如果多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的第一阈值，则将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算接收机的GPS速度。
在步骤106中，剔除不合格的多普勒频移观测值。
此后进入步骤107，判断卫星数是否小于4颗。
若是，则结束本流程；若否，则返回步骤101。
需要说明的是，在本发明的其他某些实施方式中，步骤106和步骤107也可以没有。
如果GPS速度异常、多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的门限，则将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算GPS速度，能有效地减小GPS速度计算误差。
本发明在排除了观测值残差导致异常的原因后，进一步判断观测卫星的DOP值，如果DOP值超过一定阈值，则增加高程方向的速度约束方程(等效于增加了一颗地心处的观测卫星，有效减小了DOP值)，从而使GPS速度求解正确。
本发明第二实施方式涉及一种GPS速度异常检测与修复的方法的优选实施例。图2是该GPS速度异常检测与修复的方法的流程示意图。
1.高程方向的速度约束
在二维定位中，通常使用高程约束，约束方程可写为：
式(6)中，(X,Y,Z)表示当前接收机坐标，ρ(R+A)表示当前接收机与地心坐标的距离，VX、VY和VZ为三个坐标方向的速度。
式(6)对应的微分方程可表示为：
式(7)两边同时除以时间微分算子dt，得
式(8)可简化为：
式(9)即为高程方向的速度约束方程。
2.验后中误差
设由式(5)组成的误差观测方程组可写为：
Gx＝l-V (10)
其中G表示几何设计矩阵，x表示未知数向量，l表示观测值常数项向量，V表示观测值残差向量。则观测值的验后残差为：
验后单位权中误差为：
其中P为最小二乘平差是采用的权矩阵，n为观测值数目。则验后中误差表示为
其中DOP值一般采用PDOP(Position Dilution of Precision，位置精度衰减银子)和HDOP(Horizon Dilution of Precision，水平精度衰减因子)。
实施步骤：
该GPS速度异常检测与修复的方法主要包括以下实施步骤：
1.GPS接收机实时监测速度计算结果是否异常，具体结合如下两种方法判断：
(1)最小二乘计算速度后，根据式(11)-(13)计算验后中误差若和设定的阈值η1满足如下关系，则判定当前速度计算异常。
(2)如果接收机存有短时间内(如5秒内)的定速结果，则将当前计算的速度与保存的速度在数值、方向(heading)等方面进行对比，若差值超过相应项设定的阈值，则判定当前速度计算异常。
2.如果在步骤1中探测出速度计算异常，则从如下两个方面排查异常原因：
(1)将式(11)求得的观测值残差排序并取其中值M，如果M与各观测值残差的差值的绝对值满足式(15)时，则判定该观测值残差过大，该观测值不合格，应予以剔除。过程中，阈值η2应设置适当，防止过量探测。
(2)计算观测卫星的DOP值(PDOP和HDOP)，如果DOP值满足式(16)中任一条件时，则判定当前DOP值过大，其中，η3和η4为预先设定的阈值。
3.根据步骤2中的异常原因排查结果，分别可采用如下解决方案：
(1)至少存在一个观测值不合格，剔除不合格的观测值后，重新组建观测方程组并计算GPS速度，并再次从步骤1开始检测速度异常，如果速度计算正常，则退出计算，否则继续步骤2，循环往下……当卫星数不足4颗时，强制退出计算。
(2)如果观测值全部合格，且观测卫星的DOP值判定过大，则增加式(9)所示高程方向的速度约束方程(等效于增加了一颗地心处的观测卫星，能有效减小DOP值)，将约束方程与原有观测方程(即式(5))一起求解接收机速度，并再次回到步骤1判断计算速度的正确性，不管正确与否都退出计算。
本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable ArrayLogic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。
本发明第三实施方式涉及一种GPS速度异常检测与修复的系统。图3是该GPS速度异常检测与修复的系统的结构示意图。
具体地说，如图3所示，该GPS速度异常检测与修复的系统包括：
速度计算单元，用于计算接收机的GPS速度。
异常检测单元，用于检测速度计算单元输出的GPS速度是否异常。
优选地，该异常检测单元，可以将当前计算的GPS速度与接收机保存的GPS速度进行数值和方向方面的对比，如果各差值超过相应项预先设定的第二阈值，则判定当前计算的GPS速度异常。
此外，该异常检测单元，还可以计算多普勒频移观测值残差的验后中误差。如果验后中误差大于预先设定的第三阈值，则判定GPS速度异常。
异常原因排查单元，用于当异常检测单元检测GPS速度异常时，排查GPS速度异常的原因。
修复单元，用于当异常原因排查单元排查出多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的第一阈值时，将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算接收机的GPS速度，其中，(X,Y,Z)表示当前接收机坐标，ρ(R+A)表示接收机与地心坐标的距离，VX、VY和VZ为三个坐标方向的速度。
进一步地，在本实施方式中，优选地，
观测方程为：其中，上标n为卫星的编号，ln为卫星在用户处的单位观测矢量，v＝[vx vy vz]T为接收机的GPS速度，δfu为接收机的钟频漂，vn为卫星运行速度，δfn为卫星的钟频漂，λ为所观测频率的波长，fd n为多普勒频移观测值，为残余误差。
需要说明的是，这只是本发明的一种优选的实施方式。在本发明的其他某些实施方式中，也可以是其他的观测方程，并不以此为限。
进一步地，优选地，异常原因排查单元还包括：
观测值检测子单元，用于检测各多普勒频移观测值是否合格。
该观测值检测子单元，将所述各多普勒频移观测值残差排序并取中值，计算该中值与各多普勒频移观测值残差的差值的绝对值；逐一判断各绝对值是否大于预设的第四阈值，若是，则判定该多普勒频移观测值不合格；如果各绝对值均不大于预定的第四阈值，则判定所述多普勒频移观测值全部合格。
DOP值检测子单元，用于当观测值检测单元检测出多普勒频移观测值全部合格时，检测DOP值是否超过预先设定的第一阈值。
更进一步地，优选地，该GPS速度异常检测与修复的系统还包括：
剔除单元，用于剔除所述观测值检测单元检测出的不合格的多普勒频移观测值；
卫星数判断单元，用于根据所述剔除单元剔除后的数据判断所述卫星数是否小于4颗。
当卫星数不小于4颗时，速度计算单元根据剔除单元剔除后的数据重新计算接收机的GPS速度。
需要说明的是，在本发明的其他某些实施方式中，剔除单元和卫星数判断单元也可以没有。
第一和第二实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一和第二实施方式互相配合实施。第一和第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一和第二实施方式中。
需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的单元。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种GPS速度异常检测与修复的方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算接收机的GPS速度；
检测所述GPS速度是否异常；
如果所述GPS速度异常，则检测各多普勒频移观测值是否合格；
如果所述多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的第一阈值，则将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算接收机的GPS速度，其中，(X,Y,Z)表示当前接收机坐标，ρ(R+A)表示接收机与地心坐标的距离，VX、VY和VZ为三个坐标方向的速度。
2.根据权利要求1所述的GPS速度异常检测与修复的方法，其特征在于，所述观测方程为：其中，上标n为卫星的编号，ln为卫星在用户处的单位观测矢量，v＝[vx vy vz]T为接收机的GPS速度，δfu为接收机的钟频漂，vn为卫星运行速度，δfn为卫星的钟频漂，λ为所观测频率的波长，fd n为多普勒频移观测值，为残余误差。
3.根据权利要求1所述的GPS速度异常检测与修复的方法，其特征在于，在所述“检测所述GPS速度是否异常”的步骤中，还包括以下子步骤：
将当前计算的GPS速度与接收机保存的GPS速度进行数值和方向方面的对比，如果各差值超过相应项预先设定的第二阈值，则判定当前计算的GPS速度异常。
4.根据权利要求1所述的GPS速度异常检测与修复的方法，其特征在于，在所述“检测所述GPS速度是否异常”的步骤中，还包括以下子步骤：
计算所述多普勒频移观测值残差的验后中误差；
如果所述验后中误差大于预先设定的第三阈值，则判定GPS速度异常。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的GPS速度异常检测与修复的方法，其特征在于，在所述“检测各多普勒频移观测值是否合格”的步骤中，还包括以下子步骤：
将所述各多普勒频移观测值残差排序并取中值，计算该中值与各多普勒频移观测值残差的差值的绝对值；
逐一判断各绝对值是否大于预设的第四阈值，若是，则判定该多普勒频移观测值不合格；
如果各绝对值均不大于预定的第四阈值，则判定所述多普勒频移观测值全部合格。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的GPS速度异常检测与修复的方法，其特征在于，在所述“检测各多普勒频移观测值是否合格”的步骤之后，还包括以下步骤：
如果所述多普勒频移观测值不合格，则剔除该不合格的多普勒频移观测值，并按照剔除后的数据重新执行所述“计算接收机的GPS速度”的步骤，直到卫星数小于4颗。
7.一种GPS速度异常检测与修复的系统，其特征在于，包括：
速度计算单元，用于计算接收机的GPS速度；
异常检测单元，用于检测所述速度计算单元输出的GPS速度是否异常；
异常原因排查单元，用于当所述异常检测单元检测所述GPS速度异常时，排查GPS速度异常的原因；
修复单元，用于当所述异常原因排查单元排查出多普勒频移观测值全部合格，且DOP值超过预先设定的第一阈值时，将高程方向的速度约束方程与观测方程一起计算接收机的GPS速度，其中，(X,Y,Z)表示当前接收机坐标，ρ(R+A)表示接收机与地心坐标的距离，VX、VY和VZ为三个坐标方向的速度。
8.根据权利要求7所述的GPS速度异常检测与修复的系统，其特征在于，所述异常原因排查单元还包括：
观测值检测子单元，用于检测各多普勒频移观测值是否合格；
DOP值检测子单元，用于当所述观测值检测单元检测出所述多普勒频移观测值全部合格时，检测DOP值是否超过预先设定的第一阈值。
9.根据权利要求8所述的GPS速度异常检测与修复的系统，其特征在于，还包括：
剔除单元，用于剔除所述观测值检测单元检测出的不合格的多普勒频移观测值；
卫星数判断单元，用于根据所述剔除单元剔除后的数据判断所述卫星数是否小于4颗；
当所述卫星数不小于4颗时，所述速度计算单元根据所述剔除单元剔除后的数据重新计算接收机的GPS速度。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的GPS速度异常检测与修复的系统，其特征在于，所述异常检测单元，用于将当前计算的GPS速度与接收机保存的GPS速度进行数值和方向方面的对比，如果各差值超过相应项预先设定的第二阈值，则判定当前计算的GPS速度异常；
所述异常检测单元，还用于计算所述多普勒频移观测值残差的验后中误差；如果所述验后中误差大于预先设定的第三阈值，则判定GPS速度异常。
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