CN110927757A - 卫星观测数据的质控方法、装置及定位装置 - Google Patents

卫星观测数据的质控方法、装置及定位装置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及卫星定位技术领域，公开了一种卫星观测数据的质控方法，通过利用若干个历元的先验最小二乘法单点定位信息与卡尔曼滤波算法估计粗略定位坐标概率值作为先决条件；满足先决条件基础下，基于粗略坐标作为初始值，进行最小二乘法解算各颗卫星的残差，利用自适应阈值探测法检验伪距残差不符合要求的卫星观测数据。本公开的一些技术效果在于：提高了定位精度。

Description

卫星观测数据的质控方法、装置及定位装置
技术领域
本公开涉及卫星定位技术领域，特别涉及卫星观测数据的质控方法、装置及定位装置。
背景技术
在GPS定位中，选择空间位置合适的卫星是第一步，也是非常重要的一步。如果选择得不舍适，就会大大降低定位的精度；如果选择合适的卫星进行定位，则能大幅度提高定位的精度。现有的卫星选择方法主要包括：最佳几何精度因子法、最大矢端四面体体积法、最大正交投影法、综合法等，此外还有通过高度角、信噪比等方式进行卫星筛选。
现有的技术中，缺乏很好的解决方案来解决在动态下条件且卫星原始观测量数据质量不佳时如何检测误差大的数据进行卫星剔除从而提高定位精度的问题。
发明内容
为主要解决卫星观测数据筛选的技术问题，本公开在一方面提出了一种卫星观测数据的质控方法，包括以下步骤：获取任意n个连续历元的卫星观测数据，采用最小二乘法做定位解算，得到每一历元的定位坐标pls，并计算每一历元的所有卫星的伪距残差平方和
Figure BDA0002338966580000011
当前述每一历元的
Figure BDA0002338966580000012
均小于第一阈值时，采用卡尔曼滤波法做定位解算，得到前述相应历元的定位坐标pkg；当前述历元相应的|pls-pkg|均小于第二阈值时，采用卡尔曼滤波法计算第m个历元(m＞n)的定位解算结果作为初始位置pkgm，并用最小二乘法计算第m个历元所有卫星的伪距残差集合；根据前述伪距残差集合，设置伪距残差检测的第三阈值为Vth1，第四阈值为Vth2；当检测到第m个历元卫星的伪距残差均不大于Vth1和Vth2时，保留相应卫星观测数据，反之则剔除。
优选地，所述n为区间[4，6]。
优选地，所述第一阈值为区间[5，15]。
优选地，所述第二阈值为区间[10，15]。
优选地，所述的第三阈值Vth1为区间[|Vmid-4σ|，|Vmid+4σ|]，第四阈值Vth2为区间[|Vmean-4σ|，|Vmean+4σ|]，其中，Vmid是伪距残差集合的中位数，Vmean是伪距残差集合的平均值，σ是伪距残差集合的标准差。
特殊地，本公开还提出了一种基于卫星观测数据质控的定位方法，包括以下步骤：执行前述的步骤进行卫星观测数据筛选，得到筛选后的卫星观测数据；根据筛选后的卫星观测数据，进行最小二乘法定位解算。
相应地，本公开提出了一种卫星观测数据的质控装置，包括：先决条件判别模块，用于获取任意n个连续历元的卫星观测数据，采用最小二乘法做定位解算，得到每一历元的定位坐标pls和速度vls，并计算每一历元的所有卫星的伪距残差平方和
Figure BDA0002338966580000021
并当前述每一历元的
Figure BDA0002338966580000022
均小于第一阈值时，采用卡尔曼滤波法做定位解算，得到前述相应历元的定位坐标pkg和速度vkg；当前述历元相应的最小二乘法定位解算结果和卡尔曼滤波法定位解算结果误差均小于第二阈值时，采用卡尔曼滤波法计算第m个历元(m＞n)的定位解算结果作为初始位置pkgm；自适应残差探测筛选模块，用于以初始位置pkgm为基础，采用最小二乘法计算第m个历元所有卫星的伪距残差集合；根据前述伪距残差集合，设置伪距残差检测的第三阈值为Vth1，第四阈值为Vth2；当检测到第m个历元卫星的伪距残差不大于Vth1和Vth2时，保留相应卫星观测数据，反之则剔除。
相应地，本公开还提出了一种基于卫星观测数据质控的定位装置，包括射频前端处理模块、基带数字信号处理模块以及定位导航运算模块，其特征在于：所述定位导航运算模块用于进行卫星观测数据的质控；所述进行卫星观测数据的质控包括执行权利要求1所述的卫星观测数据的质控方法。
相应地，本公开还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现前述的卫星观测数据质控方法的步骤。
本公开的一些技术效果在于：由于利用若干连续历元的先验最小二乘法单点定位信息与卡尔曼滤波法计算概率位置的定位误差作为先决条件；满足先决条件基础下，获取初始位置，计算后续历元的最小二乘法定位解算残差，利用自适应探测法检验伪距残差波动大的卫星并剔除，从而提高定位精度。
具体实施方式
下文将对本公开涉及的技术手段或技术效果作进一步的展开描述，显然，所提供的实施例(或实施方式)仅是本公开意旨涵盖的部分实施方式，而并非全部。基于本公开中的实施例的明示或暗示，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所能获得的所有其他实施例，都将在本公开保护的范围之内。
在总体思路上，本公开提出了一种卫星观测数据的质控方法，包括以下步骤：获取任意n个连续历元的卫星观测数据，采用最小二乘法做定位解算，得到每一历元的定位坐标pls，并计算每一历元的所有卫星的伪距残差平方和
Figure BDA0002338966580000031
当前述每一历元的
Figure BDA0002338966580000032
均小于第一阈值时，采用卡尔曼滤波法做定位解算，得到前述相应历元的定位坐标pkg；当前述历元相应的|pls-pkg|均小于第二阈值时，采用卡尔曼滤波法计算第m个历元(m＞n)的定位解算结果作为初始位置pkgm，并用最小二乘法计算第m个历元所有卫星的伪距残差集合；根据前述伪距残差集合，设置伪距残差检测的第三阈值为Vth1，第四阈值为Vth2；当检测到第m个历元卫星的伪距残差均不大于Vth1和Vth2时，保留相应卫星观测数据，反之则剔除。
必须指出的是，本公开提出的卫星观测数据的质控方法，是基于在动态的连续的终端定位场景中，终端定位坐标是连续变动的。文中所述的某一历元的卫星观测数据，如无特殊说明，均指同一GNSS导航系统下的卫星观测数据。卫星观测数据包括有伪距观测量、载波相位观测量。
本公开提出的部分技术方案通过获取任意连续一段连续历元的卫星观测数据，通过比较同一历元的最小二乘法和卡尔曼滤波法的解算定位结果误差，来初步判断卫星观测数据的可靠性，从而获取可靠的初始坐标计算后续历元的最小二乘法的伪距残差；再通过伪距残差来进行当前卫星的观测数据筛选，剔除差的卫星观测数据，以最终提高定位精度。
更多地，在一些实施例中，获取任意n个连续历元的卫星观测数据，采用最小二乘法做定位解算，得到每一历元的定位坐标pls，并计算每一历元的所有卫星的伪距残差平方和
Figure BDA0002338966580000041
当前述每一历元的
Figure BDA0002338966580000042
均小于第一阈值时，采用卡尔曼滤波法做定位解算，得到前述相应历元的定位坐标pkg；当前述历元相应的|pls-pkg|均小于第二阈值时，采用卡尔曼滤波法计算第m个历元(m＞n)的定位解算结果作为初始位置pkgm，并用最小二乘法计算第m个历元所有卫星的伪距残差集合：根据前述伪距残差集合，设置伪距残差检测的第三阈值为Vth1，第四阈值为Vth2；当检测到第m个历元卫星的伪距残差不大于Vth1和Vth2时，保留相应卫星观测数据，反之则剔除。
具体地，在终端连续的动态运动中，通过终端上的接收机来获取任意一段连续历元的卫星观测数据。其中，每一个历元的卫星观测数据，可以先经过高度角、信噪比等筛选，也可以不经过高度角、信噪比等筛选处理。再就每一个历元的卫星观测数据来进行最小二乘法解算(均以地心坐标系的原点为初始坐标点，进行最小二乘法牛顿迭代解算。如无特殊说明，本文中提到的最小二乘法，均为最小二乘法牛顿迭代。)，得到每一历元的定位坐标pls，并计算每一历元的所有卫星的伪距残差平方和
Figure BDA0002338966580000051
这里的
Figure BDA0002338966580000052
Figure BDA0002338966580000053
其中，n为该历元下所获取某一GNSS系统(如GPS、BDS等)的卫星个数。当每一历元对应的
Figure BDA0002338966580000054
均小于第一阈值时，则初步判定当前历元的卫星观测数据是可靠的。另外，还可以通过最小二乘法得到接收机的卫星钟差；可以采用所有卫星的多普勒观测量组建多普勒方程解算接收机移动速度，从而得到终端移动速度vls。
接着，在前述获取的任意n个连续历元中，以第i个历元采用解算出的定位坐标pls和速度vls为输入项，采用卡尔曼滤波法解算第i+1个历元的定位坐标pkg、vkg。可以理解的，这里的1≤i≤n，且第1个历元因无前一历元的最小二乘法定位坐标，故无需进行它的卡尔曼滤波解算。
根据以上步骤，可以得到第i+1个历元的最小二乘法定位坐标pls(i+1)、卡尔曼滤波法定位坐标pkg(i+1)；计算|pls(i+1)-pkg(i+1)|，其中，1≤i≤n。这里，定位坐标相减取绝对值是分别比较在同一坐标系下对应的x轴、y轴、z轴的坐标值。
当第2个历元至第n个历元的最小二乘法定位坐标和卡尔曼滤波定位坐标均满足|pls-pkg|小于第二阈值时，采用卡尔曼滤波法计算第m个历元(m＞n)的定位解算结果作为初始坐标pkgm。
以初始坐标pkgm作为初始点，第m个历元所有的卫星伪距观测量参与伪距观测方程的组建并第一次采用最小二乘法解算各颗星伪距残差值为V1、V2、……Vk(设第m个历元有k个卫星)，得到第m个历元的伪距残差集合。可对第m个历元的伪距残差集合进行如下数据处理：分别计算平均值Vmean、中位值Vmid、标准差σ。其中，σ设置区间[k/3，k/2](设第m个历元有k个卫星)，当σ超出前述区间时，取临近的极值。即若计算出σ＝k，则取σ＝k/2。在一个实施例中，还可以先去掉最大值Vmax、最小值Vmin，再计算平均值Vmean、中位值Vmid、标准差σ。
接着，设置第三阈值Vth1为区间[|Vmid-4σ|，|Vmid+4σ|]、第四阈值Vth2为区间[|Vmean-4σ|，|Vmean+4σ|]。其中，Vmid是伪距残差集合的中位值，Vmean是伪距残差集合的平均值，σ是伪距残差集合的标准差。
接着，在逐个判断V1、V2、……Vk是否小于或等于Vth1和Vth2，若小于，则保留相应卫星观测数据，反之则剔除。
举例说明：设有4≤Vth1≤6，有5≤Vth2≤7，①当第m个历元的第k颗卫星的伪距残差Vk为3时，保留第k颗卫星的观测数据。②当第m个历元的第k颗卫星的伪距残差Vk为5时，保留第k颗卫星的观测数据。③当第m个历元的第k颗卫星的伪距残差Vk为7时，提出第k颗卫星的观测数据。
在一些实施例中，n为区间[4，6]。
在一些实施例中，第一阈值为区间[5，15]。
在一些实施例中，第二阈值为区间[10，15]。
另外的，在一些实施例中，还公开有一种基于上述卫星观测数据质控的定位方法：将前述经过筛选处理后的剩余卫星的伪距观测量进行最小二乘法解算，直到单点定位坐标收敛。此时的定位结果精度会更高，相对于原来不进行筛选而所有卫星观测数据参与解算；避免突发若干个卫星观测量精度差而影响定位解算。
在一些实施例中，如上述基于上述卫星观测数据质控的定位方法解算失败，则可能因为两种情况：1.信号质量太差，经过此误差检验方式仍不能解算成功；2.其他极端异常情况(比如可能初始坐标推算是错误的)导致错误自适应残差探测出错而剔除了正常卫星导致解算失败。对于任何一种解算失败的情况，尝试一遍回到原先采用所有卫星的伪距数据且初始坐标采用ECEF的0位置(不采用自适应残差探测)解算最小二乘法下的定位坐标，若成功则验证是初始坐标异常导致，状态自动恢复重新进行先决条件判别，结果输出本次解算成功的定位坐标。若仍然失败则代表确实本历元的观测量数据质量太差而无法进行解算，跳过，回到先决条件判别步骤继续递推下一历元的初始位置。
相应地，在一些实施例中，还公开有一种卫星观测数据的质控装置，包括：先决条件判别模块和自适应残差探测筛选模块。
先决条件判别模块，用于获取任意n个连续历元的卫星观测数据，采用最小二乘法做定位解算，得到每一历元的定位坐标pls和速度vls，并计算每一历元的所有卫星的伪距残差平方和
Figure BDA0002338966580000071
并当前述每一历元的
Figure BDA0002338966580000072
均小于第一阈值时，采用卡尔曼滤波法做定位解算，得到前述相应历元的定位坐标pkg和速度vkg；当前述历元相应的最小二乘法定位解算结果和卡尔曼滤波法定位解算结果误差均小于第二阈值时，采用卡尔曼滤波法计算第m个历元(m＞n)的定位解算结果作为初始位置pkgm；
自适应残差探测筛选模块，用于以初始位置pkgm为基础，采用最小二乘法计算第m个历元所有卫星的伪距残差集合；根据前述伪距残差集合，设置伪距残差检测的第三阈值为Vth1，第四阈值为Vth2；当检测到第m个历元卫星的伪距残差均不大于Vth1和Vth2时，保留相应卫星观测数据，反之则剔除。
相应地，在一些实施例中，还公开有一种基于卫星观测数据质控的定位装置，包括射频前端处理模块、基带数字信号处理模块以及定位导航运算模块，所述定位导航运算模块用于进行卫星观测数据的质控；所述进行卫星观测数据的质控，即是本公开前述的卫星观测数据的质控步骤。
在一些实施例中，还公开有一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现前述的卫星观测数据质控方法的步骤。本领域技术人员可以理解的是，实施例中的全部或部分步骤，可以通过计算机程序来指令相关的硬件实现，该程序可以存储于计算机可读介质中，可读介质可以包括闪存盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取器、磁盘或光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在符合本领域技术人员的知识和能力水平范围内，本文提及的各种实施例或者技术特征在不冲突的情况下，可以相互组合而作为另外一些可选实施例，这些并未被一一罗列出来的、由有限数量的技术特征组合形成的有限数量的可选实施例，仍属于本公开揭露的技术范围内，亦是本领域技术人员结合本文内容所能理解或推断而得出的。
另外，多数实施例的描述是基于不同的重点而展开的，未详述之处，可参见现有技术的内容或本文的其他相关描述进行理解。
再次强调，上文所列举的实施例，为本公开较为典型的、较佳实施例，仅用于详细说明、解释本公开的技术方案，以便于读者理解，并不用以限制本公开的保护范围或者应用。在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等而获得的技术方案，都应被涵盖在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.卫星观测数据的质控方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取任意n个连续历元的卫星观测数据，采用最小二乘法做定位解算，得到每一历元的定位坐标pls，并计算每一历元的所有卫星的伪距残差平方和
Figure FDA0002338966570000011
当前述每一历元的
Figure FDA0002338966570000012
均小于第一阈值时，采用卡尔曼滤波法做定位解算，得到前述相应历元的定位坐标pkg；
当前述历元相应的|pls-pkg|均小于第二阈值时，采用卡尔曼滤波法计算第m个历元(m＞n)的定位解算结果作为初始位置pkgm，并用最小二乘法计算第m个历元所有卫星的伪距残差集合；
根据前述伪距残差集合，设置伪距残差检测的第三阈值为Vth1，第四阈值为Vth2；
当检测到第m个历元卫星的伪距残差不大于Vth1和Vth2时，保留相应卫星观测数据，反之则剔除。
2.根据权利要求1所述的质控方法，其特征在于：
所述n为区间[4，6]。
3.根据权利要求1所述的质控方法，其特征在于：
所述第一阈值为区间[5，15]。
4.根据权利要求1所述的质控方法，其特征在于：
所述第二阈值为区间[10，15]。
5.根据权利要求1所述的质控方法，其特征在于：
所述的第三阈值Vth1为区间[|Vmid-4σ|，|Vmid+4σ|]，
所述的第四阈值Vth2为区间[|Vmean-4σ|，|Vmean+4σ|]，
其中，Vmid是伪距残差集合的中位数，Vmean是伪距残差集合的平均值，σ是伪距残差集合的标准差。
6.基于卫星观测数据质控的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
执行权利要求1至权利要求5任一权项所述的步骤进行卫星观测数据筛选，得到筛选后的卫星观测数据；
根据筛选后的卫星观测数据，进行最小二乘法定位解算。
7.卫星观测数据的质控装置，其特征在于，包括：
先决条件判别模块，用于获取任意n个连续历元的卫星观测数据，采用最小二乘法做定位解算，得到每一历元的定位坐标pls和速度vls，并计算每一历元的所有卫星的伪距残差平方和
Figure FDA0002338966570000021
并当前述每一历元的
Figure FDA0002338966570000022
均小于第一阈值时，采用卡尔曼滤波法做定位解算，得到前述相应历元的定位坐标pkg和速度vkg；当前述历元相应的最小二乘法定位解算结果和卡尔曼滤波法定位解算结果误差均小于第二阈值时，采用卡尔曼滤波法计算第m个历元(m＞n)的定位解算结果作为初始位置pkgm；
自适应残差探测筛选模块，用于以初始位置pkgm为基础，采用最小二乘法计算第m个历元所有卫星的伪距残差集合；根据前述伪距残差集合，设置伪距残差检测的第三阈值为Vth1，第四阈值为Vth2；当检测到第m个历元卫星的伪距残差均不大于Vth1和Vth2时，保留相应卫星观测数据，反之则剔除。
8.基于卫星观测数据质控的定位装置，包括射频前端处理模块、基带数字信号处理模块以及定位导航运算模块，其特征在于：
所述定位导航运算模块用于进行卫星观测数据的质控；
所述进行卫星观测数据的质控包括执行权利要求1所述的卫星观测数据的质控方法。
9.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5中任一所述的卫星观测数据质控方法的步骤。
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