CN111142127B - 周跳探测方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及卫星导航领域，公开了一种周跳探测方法及其装置，该方法利用聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类；计算所述多个类中聚合度最高的类的平均值；若所述实际载波观测量与所述预测的载波观测量的差值与所述多个类中聚合度最高的类的平均值的差值大于阈值，则判定该历元的观测值发生周跳。根据本申请的周跳探测方法，由于在周跳探测过程中，考虑了钟跳的因素，因此有效避免了周跳误探的问题，使周跳探测更加准确，并且计算量较小。

Description

周跳探测方法及其装置
技术领域
本申请涉及卫星导航技术，特别涉及周跳探测技术。
背景技术
周跳(cycle slips)是指在全球导航卫星系统(GNSS)技术的载波相位测量中，由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断。
当接收机捕获卫星信号之后，只要跟踪不中断(失锁)，接收机便会自动给出在跟踪期间载波相位整周数的变化。
但是，实际过程中由于卫星信号被暂时阻挡或外界干扰因素的影响，经常引起卫星信号跟踪的暂时中断，从而产生周跳现象。
当周跳发生后，会严重降低载波相位测距精度，从而使实时动态(RTK)算法失去厘米级的测量精度。因此，正确的探测出周跳对于获得高精度的定位结果非常重要。
传统的单频周跳探测法，当接收机发生钟跳时，对观测值的影响会远大于一周，导致周跳的误探，所有的卫星都会错误的探测出周跳。而很多接收机会出现频繁的钟跳，因此，需要在接收机发生钟跳时避免周跳误探的情况发生。
传统的单频周跳探测的方法有很多：如高次差法，多项式拟合法，载波相位观测值历元间求差法。载波相位观测值历元间求差法的步骤如下：
首先，根据周跳检验量方程得到t时刻的周跳检验量,所述周跳检验量方程为相邻采样时刻的载波相位双差观侧值的差值。
然后，根根据周跳拟合方程得到t时刻的周跳拟合值,所述周跳拟合方程是根据m个无周跳的周跳检验量及n阶切比雪夫多项式得到的。
然后，若所述周跳检验量与所述周跳拟合值的差值不小于周跳阈值,则确定t时刻出现周跳。
但是，传统的高次差法、多项式拟合法在出现接收机钟跳时必然会出现误探，而载波相位观测值历元间求差法计算量非常大，在嵌入式平台上会消耗很长的计算时间。
发明内容
本申请的目的在于提供一种周跳探测方法及其装置，在接收机发生钟跳时，也能准确地探测出周跳，并且，计算量较小。
为了解决上述问题，本申请公开了一种周跳探测方法，包括：
利用聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类；
计算该多个类中聚合度最高的类的平均值；
若该实际载波观测量与该预测的载波观测量的差值与该多个类中聚合度最高的类的平均值的差值大于阈值，则判定该历元的观测值发生周跳。
在一优选例中，在该利用聚类算法将每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类之前，还包含以下步骤：
获取并存储多个历元的实际载波观测量；
对该存储的载波观测量进行多项式拟合，外推出预测的载波观测量；
获取并存储所有该预测的载波观测量与该实际载波观测量的差值；
计算每一个该预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，并对每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，按照距离进行从小到大排序。
在一优选例中，在该利用聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类的步骤中：利用k-mean聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和分为a,b,c三类，其中，该a类代表聚合度最高、该b类代表聚合度次高、该c类代表聚合度最低。
在一优选例中，获取并存储4个历元的实际载波观测量。
在一优选例中，该4个历元的载波观察量不含周跳。
在一优选例中，该a类的平均值代表钟跳的值。
在一优选例中，该阈值为3周。
本申请还公开了一种周跳探测装置，包括：
聚类模块，用于利用聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类；
平均值计算模块，用于计算该多个类中聚合度最高的类的平均值；
比较模块，用于对该实际载波观测量与该预测的载波观测量的差值与该多个类中聚合度最高的类的平均值的差值与阈值进行比较，若该实际载波观测量与该预测的载波观测量的差值与该多个类中聚合度最高的类的平均值的差值大于阈值，则判定该历元的观测值发生周跳。
在一优选例中，周跳探测装置还包括：
获取模块，用于获取并存储多个历元的实际载波观测量；
预测模块，用于对该存储的载波观测量进行多项式拟合，外推出预测的载波观测量；
差值计算模块，用于获取并存储所有该预测的载波观测量与该实际载波观测量的差值；
距离计算模块，用于计算每一个该预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，并对每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，按照距离进行从小到大排序。
本申请还公开了一种周跳探测设备，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行该计算机可执行指令时实现如前文描述的方法中的步骤。
本申请还公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如前文描述的方法中的步骤。
本申请实施方式中，由于在周跳探测过程中，考虑了钟跳的因素，因此有效避免了周跳误探的问题，使周跳探测更加准确，并且计算量较小。
进一步地，利用k-mean聚类算法将每一个“预测载波观测量与实际载波观测量的差值”与其它所有差值的距离之和分为三类，k值选为3的好处在于，计算出a类的数据最为可靠。
本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是根据本申请第一实施方式的周跳探测方法流程示意图；
图2是根据本申请第一实施方式的周跳探测方法流程参考图；
图3是根据本申请第二实施方式的周跳探测装置的结构示意图。
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，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
部分概念的说明：
载波相位观测量：载波相位观测量是接收机所接收的卫星载波信号与接收机振荡器产生的参考载波信号之间的相位差。载波相位观测量理论上是全球定位系统(GPS)信号在接收时刻的瞬时载波相位值。但实际上是无法直接测量出任何信号的瞬时载波相位值，测量接收到的是具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。下文中的“观测值”、“载波观测量”与“载波相位观测量”是同一个含义。
预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和：若共有n个观测量，每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值为δi，对于每一个δi，计算其与其他δi之差并取绝对值求和，即sumi＝|δi-δ1|+…+|δi-δi-1|+|δi-δi+1|+…+|δi-δn|。
下面概要说明本申请的部分创新点：
本申请中，由于在周跳探测过程中，考虑了钟跳的因素，因此有效避免了周跳误探的问题，使周跳探测更加准确，并且计算量较小。
进一步地，利用k-mean聚类算法将每一个“预测载波观测量与实际载波观测量的差值”与其它所有差值的距离之和分为三类，k值选为3的好处在于，计算出a类的数据最为可靠。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
本申请的第一实施方式涉及一种周跳探测方法，其流程如图1所示，其参考图如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤101：获取并存储四个历元的实际载波观测量。
需指出，获取并存储历元的具体数量，并没有特别的限定。在本申请其它实施例中，也可以取3个历元。在本实施例中，获取四个历元的载波观测量，能够使结果更加准确。
步骤102：对存储的载波观测量做多项式拟合，外推出预测的载波观测量。
需指出，本实施例中，必须保证这四个历元的载波观测量不含有周跳。
具体的，保证四个历元的载波观察量不含周跳的原因或好处在于，避免得到错误的观测量。因为，如果观测量含有周跳，将会造成拟合出来的观测量是错误的，无法进行周跳探测。
具体的，将四个历元的载波观测量代入下式：
Figure BDA0001852234730000051
式中，i＝1,2,…,m；m≥n+1。
其中，
Figure BDA0001852234730000052
表示载波相位观测量。
其中，a表示多项式的系数。
其中，t表示载波相位观测量对应的时刻。
用最小二乘法求出式中所有的多项式系数，将求得的多项式系数代入公式，外推出下一个历元的载波观测量。
需指出，多项式拟合处理是根据有周跳现象的发生将会破坏载被相位测量的观测值Int(p)+ap随时间而有规律变化的特性来探测的。GPS卫星的径向速度最大可达0.9km s,因而整周计数每秒钟可变化数千周。但如果在相邻的两个观测值间依次求差面求得观测值的一次差的话，这些一次差的变化就要小得多。
在一次差的基础上再求二次整、三次差、四次差、五次差时,其变化就小得更多了。此时就能发现有周跳现象的时段来。四次、五次差已趋近于零。多项式拟合正是基于这样的思想，且更易于算法实现。
步骤103：获取并存储所有预测载波观测量与实际载波观测量的差值。
步骤104：计算每一个“预测载波观测量与实际载波观测量的差值”与其它所有差值的距离之和，并对每一个“预测载波观测量与实际载波观测量的差值”与其它所有差值的距离之和，按照距离进行从小到大排序。
每一个“预测载波观测量与实际载波观测量的差值”与其它所有差值的距离之和可以解释为：若共有n个观测量，每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值为δi，对于每一个δi，计算其与其他δi之差并取绝对值求和，即sumi＝|δi-δ1|+…+|δi-δi-1|+|δi-δi+1|+…+|δi-δn|。
步骤105：利用k-mean聚类算法将每一个“预测载波观测量与实际载波观测量的差值”与其它所有差值的距离之和分为三类。
具体的，聚类算法，以及k值的选取，以及类的数量，可以根据经验或具体情况进行选取。
具体的，在本实施例中，根据经验将k值选为3，即利用k-mean算法分为三类，代表着三类数据：
a类是聚合度最高的，是最不可能发生周跳的一类。
b类是聚合度次高的，是可能发生也可能不发生周跳的一类。
c类是聚合度最低的，是最可能发生周跳的一类。
需指出，本实施例中，k值选为3的好处在于，计算出a类的数据最为可靠。
需指出，在本申请其它实施例中，k值并没有特定的限制，也可以将k选为其它值，例如，2，或者4，等等。
在确定了k值后，从n个“每一个“预测载波观测量与实际载波观测量的差值”与其它所有差值的距离之和”里面选取3个对象作为初始聚类中心，这三个对象分别为排序后的距离的第一个，中间一个和最后一个。
需指出，选取3个对象作为初始聚类中心的原因或好处在于，获得的数据最为可靠。
对于每一个距离(即，每一个差值与其它所有差值做差后的绝对值之和)，计算其与各个中心的距离：
dij＝||xi-μj||
注意，聚类中心是μ1,μ2,μ3。
输入样本D是所有的距离{x1,x2,…,xn,}。
输出类C是{C1,C2,…,Ck,}。
将计算出的xi的最小的dij标记出来，重新将xi归属到其对应的新的类Cj。
对于每一个类Cj,重新计算新的聚类的中心：
Figure BDA0001852234730000071
重复上面的过程直到收敛为止，即所有k个中心都不再变化或者没有对象被重新分配给不同的聚类。
需指出，这样做的好处在于，获得的计算结果更加精准。
具体的，聚类的思想即对于给定的类的个数与初始中心点，通过迭代改变样本和类的关系，使得每次处理后得到的新的划分方式比上一次要好，因此需要不断迭代。
步骤106：此时a类为聚合度最高的，求a类的平均值，则可以代表钟跳的值。换句话说，根据多个类中聚合度最高的类的平均值，确定钟跳的值。
需指出，本实施例中，将聚合度最高的a类代表钟跳的值，其原因在于，a类代表着聚合度最高的观测量，这些观测量是最不可能发生周跳的，因此可以代表钟跳的值。
步骤107：将实际的载波观测量与外推的载波观测量的差值减去a类的平均值并与阈值作比较。如果大于阈值，则可以判断该历元的观测值发生了周跳。
换句话说，若实际的载波观测量与外推的载波观测量的差值与多个类中聚合度最高的类的平均值的差值大于阈值，则判定该历元的观测值发生周跳。
需指出，上述阈值是预先设置的，例如，阈值可以根据接收机的运动速度进行设置，例如，可以是3周，或其它值。
本申请实施方式中，由于在周跳探测过程中，考虑了钟跳的因素，因此有效避免了周跳误探的问题，使周跳探测更加准确，并且计算量较小。
进一步地，利用k-mean聚类算法将每一个“预测载波观测量与实际载波观测量的差值”与其它所有差值的距离之和分为三类，k值选为3的好处在于，计算出a类的数据最为可靠。
进一步地，在本申请的另一个实施例中，还可以利用聚类的方法估计出接收机钟跳的值，然后在顾及钟跳的基础上再利用高次差法进行周跳探测。
具体的，高次差法与多项式拟合法的思想理论上是一致的，只是实现方式不同，而多项式拟合更易于计算机上算法的实现。
本申请的第二实施方式涉及一种周跳探测装置，其结构如图3所示，该周跳探测装置包括：
获取模块，用于获取并存储多个历元的实际载波观测量；
预测模块，用于对所述存储的载波观测量进行多项式拟合，外推出预测的载波观测量；
差值计算模块，用于获取并存储所有所述预测的载波观测量与所述实际载波观测量的差值；
距离计算模块，用于计算每一个所述预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，并对每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，按照距离进行从小到大排序。
聚类模块，用于利用聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类；
平均值计算模块，用于计算所述多个类中聚合度最高的类的平均值；
比较模块，用于对所述实际载波观测量与所述预测的载波观测量的差值与所述多个类中聚合度最高的类的平均值的差值与阈值进行比较，若所述实际载波观测量与所述预测的载波观测量的差值与所述多个类中聚合度最高的类的平均值的差值大于阈值，则判定该历元的观测值发生周跳。
需指出，第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，第一实施方式中的技术细节可以应用于本实施方式，本实施方式中的技术细节也可以应用于第一实施方式。
需要说明的是，本领域技术人员应当理解，上述周跳探测装置的实施方式中所示的各模块的实现功能可参照前述周跳探测方法的相关描述而理解。上述周跳探测装置的实施方式中所示的各模块的功能可通过运行于处理器上的程序(可执行指令)而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。本申请实施例上述周跳探测装置如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read OnlyMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。这样，本申请实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
相应地，本申请实施方式还提供一种计算机存储介质，其中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现本申请的各方法实施方式。
此外，本申请实施方式还提供一种周跳探测设备，其中包括用于存储计算机可执行指令的存储器，以及，处理器；该处理器用于在执行该存储器中的计算机可执行指令时实现上述各方法实施方式中的步骤。其中，该处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，简称“CPU”)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称“DSP”)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称“ASIC”)等。前述的存储器可以是只读存储器(read-only memory，简称“ROM”)、随机存取存储器(random access memory，简称“RAM”)、快闪存储器(Flash)、硬盘或者固态硬盘等。本发明各实施方式所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，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”或者其任何其它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它要素，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。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种周跳探测方法，其特征在于，包括：
利用聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类，其中，利用k-mean聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和分为a,b,c三类，其中，所述a类代表聚合度最高、所述b类代表聚合度次高、所述c类代表聚合度最低,并且，所述a类的平均值代表钟跳的值；
计算所述多个类中聚合度最高的类的平均值；
若所述实际载波观测量与所述预测的载波观测量的差值与所述多个类中聚合度最高的类的平均值的差值大于阈值，则判定该历元的观测值发生周跳。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述利用聚类算法将每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类之前，还包含以下步骤：
获取并存储多个历元的实际载波观测量；
对所述存储的载波观测量进行多项式拟合，外推出预测的载波观测量；
获取并存储所有所述预测的载波观测量与所述实际载波观测量的差值；
计算每一个所述预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，并对每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，按照距离进行从小到大排序。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，获取并存储4个历元的实际载波观测量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述4个历元的载波观察量不含周跳。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值为3周。
6.一种周跳探测装置，其特征在于，包括：
聚类模块，用于利用聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和根据大小分为多个类，其中，利用k-mean聚类算法将每一个预测的载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和分为a,b,c三类，其中，所述a类代表聚合度最高、所述b类代表聚合度次高、所述c类代表聚合度最低,并且，所述a类的平均值代表钟跳的值；
平均值计算模块，用于计算所述多个类中聚合度最高的类的平均值；
比较模块，用于对所述实际载波观测量与所述预测的载波观测量的差值与所述多个类中聚合度最高的类的平均值的差值与阈值进行比较，若所述实际载波观测量与所述预测的载波观测量的差值与所述多个类中聚合度最高的类的平均值的差值大于阈值，则判定该历元的观测值发生周跳。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：
获取模块，用于获取并存储多个历元的实际载波观测量；
预测模块，用于对所述存储的载波观测量进行多项式拟合，外推出预测的载波观测量；
差值计算模块，用于获取并存储所有所述预测的载波观测量与所述实际载波观测量的差值；
距离计算模块，用于计算每一个所述预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，并对每一个预测载波观测量与实际载波观测量的差值与其它所有差值的距离之和，按照距离进行从小到大排序。
8.一种周跳探测设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行所述计算机可执行指令时实现如权利要求1至5中任意一项所述的方法中的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1至5中任意一项所述的方法中的步骤。
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