CN109061687A - 一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，在静态相对定位模式下处理参考日的观测数据，获得适配后的DD载波相位残差；将DD残差转换成SD残差；对每个SD残差序列应用自适应阈值小波去噪法建立多径修正模型；使用双参考平移策略在随后的第2天从相同卫星的SD观测值中去除多径误差；获得校正的SD观测值，重建DD观测值以估算流动站的坐标。使用自适应阈值小波去噪从参考Day和双参考平移策略中提取精确的多径校正模型，有效减轻随后的第2天的多径。通过引入自适应阈值法，单差分残差RMS值的平均改善率可以达到常数阈值法的15.82％，以缓解静态短基线GNSS应用中的多径效应。

Description

一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法

技术领域

本发明一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，属于卫星导航定位技术领域。

背景技术

在全球卫星导航系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)中，单星系的导航服务已不能满足用户定位导航需求，且由于动态性、城市建筑物密集带来的多径效应和峡谷森林等复杂环境造成的遮挡大大影响了接收机定位导航的精度。尽管已经开发了各种基于软件和硬件策略的方法来缓解这种错误，但它们仍受到各种因素的限制，效果不理想。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，解决了卫星机动引起的轨道重复周期偏移方法的不足，以缓解静态短基线GNSS应用中的多径效应，可以提高三维定位精度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，包括如下步骤：

步骤一，在静态相对定位模式下处理参考日的观测数据，基于解决的整周模糊度和最终的基线矢量，获得适配后的DD载波相位残差；

步骤二，基于用于DD残差转换成SD残差的模型，获得每个卫星的SD残差；

步骤三，对每个SD残差序列应用自适应阈值小波变换去噪法建立多径修正模型；

步骤四，使用双参考平移策略在随后的第2天从相同卫星的SD观测值中去除多径误差，获得校正的SD观测值；

步骤五，通过步骤四中获得校正的SD观测值重建DD观测值，通过DD观测值估算流动站的坐标。

所述DD残差转换成SD残差的模型的传递矩阵为：

传递矩阵表示为：

其中w_i是卫星i的卫星相关加权因子；是两个接收机之间的SD残差，是两颗卫星的SD之间的差值；条件用于转换约束。

所述自适应阈值小波变换去噪法包括如下步骤：

首先，确定阈值的确切值，阈值函数定义为：

其中λ是阈值，J是分解层；

该函数表明估计小波的值小于λ；这个功能是连续的，以消除硬阈值法中的伪吉布斯现象；当接近w_j,k时，曲线是改进的阈值函数的渐近线；自适应阈值函数也可以解决软阈值法中的恒定偏差问题；

在该方法中使用自适应阈值，表示为：

式中N_J是当前层的长度，J是当前层的分解层；σ_J是当前层的噪声标准差；考虑到具体的多路径信号和层策略，根据Donoho和Johnstone的方法估计σ_J的当前层：

σ_J＝median{|N_J|}/0.6745

式中“中值”是小指波系数的中值绝对偏差。

所述双参考平移策略包括如下步骤：

首先，计算GPS卫星的轨道重复周期，同时在相应的时期建立高程和方位角EZ模型；

然后，使用轨道重复偏移时间来确定相应的历元，将高程和方位角的值与EZ模型进行比较，如果它们相同，通过多径模型纠正观察结果，如果不同，搜索最接近的EZ模型时期纠正观察结果。

所述GPS卫星的轨道重复周期可由下式得出：

T＝2×2π/n＝π/n

上述式中T代表轨道重复周期，n代表平均运动，而是地球的万有引力常数，符号a和Δn表示轨道椭圆的半长轴和n的平均运动的校正，通过广播星历实现；

确定重复周期后，后续日期之间的转换时间T_s通过以下公式计算：

T_s＝86,400-T

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明一种新的自适应阈值小波去噪和双参考平移策略ATDR方法，用于GNSS静态短基线后处理应用。

为了提取精确的多路径校正模型，采用了自适应阈值小波去噪法而不是常数阈值法。此外，考虑到轨道重复周期转换策略受卫星机动的影响，仰角精度和方位参考模型策略在很大程度上取决于叠加模型的分辨率和数据采样率，提出了双参考转移策略来减轻随后第2天的多路径。采用不同采样率和不同处理模式的两个短基线来评估所提出的方法的性能。首先使用实际的SD残差来评估自适应阈值小波去噪算法的性能。结果表明，自适应阈值AT方法在消除噪声方面比恒定阈值CT方法更有效。此外，还评估和分析了所提出的ATDR方法的定位性能，并将其与CTSR多径抑制方法进行了比较。实验结果表明，提出的ATDR方法可以提高三维定位精度。

对于具有30s数据采样率的单历元模式，本发明方法的精度约为37.73％，对于1s高数据采样率的连续模式，本发明方法能达到的精度约为31.22％，这比去除多径误差时的CTSR方法好得多。尽管我们专注于GPS卫星多路径缓解，但所提出的ATDR方法也可以类似的方式用于其他全球定位系统。此外，本研究的实验是在静态后处理定位模式的两个短基线上进行的；只有在这种情况下，多径效应才是主要的误差源。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为DOY每个GPS卫星的平均换档时间；

图3实验例为自适应阈值AT方法与恒定阈值CT法在消除噪声方面的对比图；

图4为实验例X，Y，Z三个方向上的定位精度数据图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，包括如下步骤：

步骤一，在静态相对定位模式下处理参考日的观测数据，基于解决的整周模糊度和最终的基线矢量，获得适配后的DD载波相位残差；

步骤二，基于用于DD残差转换成SD残差的模型，获得每个卫星的SD残差；

双差DD技术通常用于消除接收器和卫星之间的相对定位常见误差，如时钟，轨道，大气误差。DD载波相位线性观测方程可以在最小二乘准则下解析。一旦整数模糊度由LAMBDA确定，就可以估计最终的基线矢量。将整周模糊度和基线向量取回到DD线性观测方程中，可以实现包括多路径误差和随机噪声在内的拟合后DD残差。

然后，基于单差(SD)和双差(DD)之间的关系，DD残差可以通过具有独立约束的传递矩阵转换为SD残差。

所述DD残差转换成SD残差的模型的传递矩阵为：

传递矩阵表示为：

其中w_i是卫星i的卫星相关加权因子；是两个接收机之间的SD残差，是两颗卫星的SD之间的差值；条件用于转换约束。

步骤三，对每个SD残差序列应用自适应阈值小波变换去噪法建立多径修正模型；

小波变换的优点主要包括与傅里叶变换(FT)相比的两个方面：

(1)它可以同时研究频域和时域的信号。

(2)通过选择的母小波的平移和扩张可以显示出信号的局部信息。在实际应用中，为了便于计算机处理，连续小波变换必须离散化。

离散小波函数可以表示为：

ψ_j,k(t)＝a^-j/2ψ(a^-jt-kb)

离散小波变换系数由以下定义：

完成相应的处理后，信号可以通过以下方式重建：

此外，由于计算效率的原因，离散二进小波变换经常被引入到应用中。二元小波函数表示为：

ψ_j,k(t)＝2^-j/2ψ(2^-jt-k)

由于二进小波函数具有彼此正交的性质并被归一化为具有单位能量，所以重构的信号的性能是完美无缺的，并且其广泛用于各种应用中。

小波变换去噪方法中最重要的问题之一就是有效地找出阈值的确切值，有两种常用的方法，阈值：硬阈值和软阈值。然而，硬阈值方法将导致重构信号的振荡，因为小波系数不是连续在预设的阈值。另一方面，软阈值方法对于小波系数具有更好的连续性，但它可能导致恒定的偏差在估计的和原始的小波系数之间。

为了克服上述问题，引入自适应阈值去噪方法，所述自适应阈值小波变换去噪法包括如下步骤：

首先，确定阈值的确切值，阈值函数定义为：

其中λ是阈值，J是分解层；

该函数表明估计小波的值小于λ；这个功能是连续的，以消除硬阈值法中的伪吉布斯现象；当接近w_j,k时，曲线是改进的阈值函数的渐近线；自适应阈值函数也可以解决软阈值法中的恒定偏差问题；

传统方法中，对于不同的分解层，阈值是不变的。然而，事实上噪声小波系数将随着分解层的增加而减小，因此，较高分解层上的小波系数需要较小的阈值。考虑到传统的常数阈值对于小波变换去噪是有限的，在该方法中使用自适应阈值，表示为：

式中N_J是当前层的长度，J是当前层的分解层；σ_J是当前层的噪声标准差；由于以前关于未知环境的σ_J的知识是不可用的，考虑到具体的多路径信号和层策略，根据Donoho和Johnstone的方法估计σ_J的当前层：

σ_J＝median{|N_J|}/0.6745

式中“中值”是小指波系数的中值绝对偏差。

步骤四，使用双参考平移策略在随后的第2天从相同卫星的SD观测值中去除多径误差，获得校正的SD观测值；

实际应用中，主要有两种减轻后续第2天观测的多径的参考移动模型：轨道重复周期移动模型和仰角和方位参考模型。然而，轨道重复周期移动方法往往受卫星机动的影响，仰角和方位参考方法在很大程度上受叠加模型分辨率和数据采样率的影响。

考虑到上述不足，本发明提出了双参考移位策略来更准确有效地减少多径误差，所述双参考平移策略包括如下步骤：

首先，计算GPS卫星的轨道重复周期，同时在相应的时期建立高程和方位角EZ模型；

然后，使用轨道重复偏移时间来确定相应的历元，将高程和方位角的值与EZ模型进行比较，如果它们相同，通过多径模型纠正观察结果，如果不同，搜索最接近的EZ模型时期纠正观察结果。该策略避免了EZ模型高分辨率的建立，同时也解决了卫星机动引起的轨道重复周期偏移方法的不足。

实际上，在理想的情况下，对于高采样率的接收机，如果卫星机动没有发生，并且接收机是静态的而没有明显的位移，那么相同卫星的高度和方位应该在相邻日子高度一致。同样，相邻天线的EZ模型之间的时间延迟也应与轨道重复周期的移动时间在很大程度上一致。

所述GPS卫星的轨道重复周期可由下式得出：

T＝2×2π/n＝π/n

上述式中T代表轨道重复周期，n代表平均运动，而是地球的万有引力常数，符号a和Δn表示轨道椭圆的半长轴和n的平均运动的校正，通过广播星历实现；

确定重复周期后，后续日期之间的转换时间T_s通过以下公式计算：

T_s＝86,400-T。

步骤五，通过步骤四中获得校正的SD观测值重建DD观测值，通过DD观测值估算流动站的坐标。

为了提取精确的多路径校正模型，本发明采用了自适应阈值小波去噪法而不是常数阈值法。此外，考虑到轨道重复周期转换策略受卫星机动的影响，仰角精度和方位参考模型策略在很大程度上取决于叠加模型的分辨率和数据采样率，提出了双参考转移策略来减轻随后第2天的多路径。采用不同采样率和不同处理模式的两个短基线来评估所提出的方法的性能。首先使用实际的SD残差来评估自适应阈值小波去噪算法的性能。结果表明，自适应阈值AT方法在消除噪声方面比恒定阈值CT方法更有效。

实验例1

如图2所示，为DOY每个GPS卫星的平均换档时间。

对于同一颗卫星，尽管平均移动时间每天不同，但变化非常小。另外，由于G04卫星在此期间无效，因此此图不包括G04，G14和G22卫星。同时，G14和G22卫星在此期间处于机动状态，平均移动时间分别为229.0083(s)和176.9639(s)

实验例2

本发明还评估和分析了所提出的ATDR方法的定位性能，并将其与CTSR多径抑制方法进行了比较。

如图3所示，自适应阈值AT方法在消除噪声方面比恒定阈值CT方法更有效；

从X，Y，Z三个方向上的定位精度进行了数据分析，从图4中我们可以看出，本方法，在X方向上，将定位精度从0.15m提高至0.04m，在Y方向上，将定位精度从0.17m提高至0.12m，在Z方向上，将定位精度从0.14m提高至0.09m。很明显能看出ATDR算法的有效性。

实验结果表明，本发明提出的ATDR方法可以提高三维定位精度。

对于具有30s数据采样率的单历元模式，精度约为37.73％，对于1s高数据采样率的连续模式，精度约为31.22％，这比去除多径误差时的CTSR方法好得多。尽管我们专注于GPS卫星多路径缓解，但所提出的ATDR方法也可以类似的方式用于其他全球定位系统。此外，本研究的实验是在静态后处理定位模式的两个短基线上进行的；只有在这种情况下，多径效应才是主要的误差源。

本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。

Claims (5)

1.一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在静态相对定位模式下处理参考日的观测数据，基于解决的整周模糊度和最终的基线矢量，获得适配后的DD载波相位残差；

步骤二，基于用于DD残差转换成SD残差的模型，获得每个卫星的SD残差；

步骤三，对每个SD残差序列应用自适应阈值小波变换去噪法建立多径修正模型；

步骤四，使用双参考平移策略在随后的第2天从相同卫星的SD观测值中去除多径误差，获得校正的SD观测值；

步骤五，通过步骤四中获得校正的SD观测值重建DD观测值，通过DD观测值估算流动站的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，其特征在于，所述DD残差转换成SD残差的模型的传递矩阵为：

传递矩阵表示为：

其中w_i是卫星i的卫星相关加权因子；是两个接收机之间的SD残差，是两颗卫星的SD之间的差值；条件用于转换约束。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，其特征在于，所述自适应阈值小波变换去噪法包括如下步骤：

首先，确定阈值的确切值，阈值函数定义为：

其中λ是阈值，J是分解层；

该函数表明估计小波的值小于λ；这个功能是连续的，以消除硬阈值法中的伪吉布斯现象；当接近w_j,k时，曲线是改进的阈值函数的渐近线；自适应阈值函数也可以解决软阈值法中的恒定偏差问题；

在该方法中使用自适应阈值，表示为：

式中N_J是当前层的长度，J是当前层的分解层；σ_J是当前层的噪声标准差；考虑到具体的多路径信号和层策略，根据Donoho和Johnstone的方法估计σ_J的当前层：

σ_J＝median{|N_J|}/0.6745

式中“中值”是小指波系数的中值绝对偏差。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，其特征在于，所述双参考平移策略包括如下步骤：

首先，计算GPS卫星的轨道重复周期，同时在相应的时期建立高程和方位角EZ模型；

然后，使用轨道重复偏移时间来确定相应的历元，将高程和方位角的值与EZ模型进行比较，如果它们相同，通过多径模型纠正观察结果，如果不同，搜索最接近的EZ模型时期纠正观察结果。

5.根据权利要求4所述的一种基于自适应阈值和双参考平移策略的多径抑制方法，其特征在于，所述GPS卫星的轨道重复周期可由下式得出：

T＝2×2π/n＝π/n

上述式中T代表轨道重复周期，n代表平均运动，而是地球的万有引力常数，符号a和Δn表示轨道椭圆的半长轴和n的平均运动的校正，通过广播星历实现；

确定重复周期后，后续日期之间的转换时间T_s通过以下公式计算：

T_s＝86,400-T。