CN111239786B - 一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法 - Google Patents

一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，包括以下步骤：构建宽巷模糊度的计算式、判断是否发生周跳、判断周跳值对计算值的影响、利用相位观测值平滑计算、根据TECR值得到历元周跳和计算原始载波相位观测值的周跳；本发明采用MW组合方法消除了大气电离层和对流层延迟误差、站星几何距离、卫星和接收机钟差，并具有较长的波长，非常适合于处理动态环境下的周跳问题，并采用未发生周跳的连续相位观测值计算电离层变化率，来探测周跳，消除站星几何距离的影响，并顾及电离层变化影响，适合于动态环境的周跳探测，从而方便整周模糊度的解算。

Description

一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法
技术领域
本发明涉及无人驾驶技术领域，尤其涉及一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法。
背景技术
近年来，随着智能汽车领域的不断发展以及自动控制领域技术的不断成熟，汽车的自动控制技术研究越来越受到人们的关注，在实际行驶中，无人驾驶车辆应当具备在不同道路及气象条件下进行定位行驶的能力，在无人驾驶GNSS相对定位中，要使用载波相位观测值实现厘米级的高精度定位，需要解决好整周模糊度确定这个关键问题，整周模糊度确定的前提是模糊度有效时段中没有周跳，如果在该时段上存在未能探测到的周跳，则将导致模糊度解算错误，所以，载波相位观测值中周跳的探测是高精度定位数据处理的关键环节；
载体处于运动状态时，整周模糊度确定及周跳探测的复杂性表现在以下几个方面：GNSS观测环境多变、信噪比低、多路径影响复杂、周跳的发生更加频繁；载体运动状态的复杂多变将导致相位观测值的变化规律不明显，致使基于站星几何变化规律的周跳探测方法将不再适用；随着动态条件下测站之间基线长度的增加，具有强空间相关性的电离层延迟将难以通过双差得到很好的消除；高动态条件下，观测值受到的电离层延迟误差变化快，使得周跳的探测更为困难，采用传统的周跳探测和修复方法容易出现周跳漏判和误判问题，因此，本发明提出一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，该方法采用MW组合方法消除了大气电离层和对流层延迟误差、站星几何距离、卫星和接收机钟差，并具有较长的波长，非常适合于处理动态环境下的周跳问题，并采用未发生周跳的连续相位观测值计算电离层变化率，从而方便整周模糊度的解算。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，包括以下步骤：
步骤一：构建宽巷模糊度的计算式
利用伪距和相位构建MW组合得到如下宽巷模糊度的计算式：
Figure GDA0002933223500000021
式中：
Figure GDA0002933223500000022
和
Figure GDA0002933223500000023
分别为不同频率上的相位观测值(以周为单位)；ρL1和ρL2分别为不同频率上的伪距观测值(以m为单位)；LWL为宽巷组合(以m为单位)；λWL为宽巷波长；
步骤二：判断是否发生周跳
采用如下平滑算法计算宽巷模糊度及其方差：
Figure GDA0002933223500000024
式中：
Figure GDA0002933223500000025
为宽巷模糊度的平均值；k和k-1分别表示当前历元和前一历元；σ2为宽巷模糊度的方差，当周跳发生时，宽巷模糊度将发生跳变，据此可判断是否发生周跳，周跳判断式如下：
Figure GDA0002933223500000031
当NWL(k)满足式(6.3)时，则认为历元k发生了周跳；
步骤三：判断周跳值对计算值的影响
将短时间内的电离层变化率(TECR)值认为是一个常数，历元k-1的电离层TEC通过下式进行计算：
Figure GDA0002933223500000032
式中：
Figure GDA0002933223500000033
f1和f2为对应的载波频率；bi和Bp分别为接收机端和卫星端的信号频率间偏差，在一段时间内认为是常量，历元k的TECR计算值为：
TECR(k)＝(TEC(k)-TEC(k-1))/Δt (6.5)
式(6.5)中模糊度参数和频率间偏差参数被消去，当历元k发生周跳时，该计算值将受到周跳值的影响；
步骤四：利用相位观测值平滑计算
假定历元k前相位观测值并未发生周跳，利用式(6.5)计算历元k之前所有历元的TECR，利用前面历元计算的TECR信息预测当前历元的TECR，假定计算了k-2和k-1历元的TECR，则历元k的TECR预测值TECR(k)通过以下两式计算：
Figure GDA0002933223500000034
Figure GDA0002933223500000035
实际计算时，TECR(k-1)、TECR(k-2)用前面历元的相位观测值逐步进行平滑计算，进而得到精度更高的TECR(k-1)和TECR(k-2)；
步骤五：根据TECR值得到历元周跳
将TECR计算值和TECR预测值差值的阈值取为0.15TECU/s，根据计算的TECR(k)值得到历元k的周跳，计算式为：
Figure GDA0002933223500000041
步骤六：计算原始载波相位观测值的周跳
假定由MW组合探测得到的宽巷组合的周跳值为a，利用TECR探测得到的周跳值λ1ΔN1(k)-λ2ΔN2(k)为b，则原始观测值的周跳计算公式为：
Figure GDA0002933223500000042
式中：a为整数，b为实数，式(6.9)求得的实数值ΔN1，ΔN2去整，分别得到两个频率上的整周跳变值，进而对观测值进行测定。
进一步改进在于：所述步骤二中，采用平滑算法计算宽巷模糊度及其方差的目的是：削弱噪声的影响。
进一步改进在于：所述步骤四中，利用前面历元计算的TECR信息预测当前历元的TECR的依据是：在短时间内电离层TECR的变化是平缓的。
进一步改进在于：所述步骤四中，TECR(k-1)、TECR(k-2)用前面历元的相位观测值逐步进行平滑计算是为了减小其测量噪声。
进一步改进在于：所述步骤五中，根据短时间内TECR的变化较为平缓、理论上不发生周跳的情况，当前历元的TECR计算值和TECR预测值之间的差异值很小，因此，当二者差异值超过一定的阈值时，则认为该历元发生了周跳，通常，电离层平静期时，电离层TEC变化率约为0.01TECU/s；电离层活跃期时则达到0.03TECU/s以上，顾及测站的动态特性与数据采样间隔，将TECR计算值和TECR预测值差值的阈值取为0.15TECU/s。
本发明的有益效果为：本发明采用MW组合方法消除了大气电离层和对流层延迟误差、站星几何距离、卫星和接收机钟差，并具有较长的波长，非常适合于处理动态环境下的周跳问题，并采用未发生周跳的连续相位观测值计算电离层变化率(TECR)，由于TECR在短时间内是平缓变化的，周跳的发生将使计算的电离层TECR的平缓性受到破坏，因此可以根据这一特点来探测周跳，且利用此方法同样可消除站星几何距离的影响，并可顾及电离层变化影响，适合于动态环境的周跳探测，从而方便整周模糊度的解算。
附图说明
图1为本发明的TECR和MW宽巷组合观测值周跳探测流程图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1所示，本实施例提供了一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，包括以下步骤：
步骤一：构建宽巷模糊度的计算式
利用伪距和相位构建MW组合得到如下宽巷模糊度的计算式：
Figure GDA0002933223500000061
式中：
Figure GDA0002933223500000062
和
Figure GDA0002933223500000063
分别为不同频率上的相位观测值(以周为单位)；ρL1和ρL2分别为不同频率上的伪距观测值(以m为单位)；LWL为宽巷组合(以m为单位)；λWL为宽巷波长；
步骤二：判断是否发生周跳
削弱噪声的影响，采用如下平滑算法计算宽巷模糊度及其方差：
Figure GDA0002933223500000064
式中：
Figure GDA0002933223500000065
为宽巷模糊度的平均值；k和k-1分别表示当前历元和前一历元；σ2为宽巷模糊度的方差，当周跳发生时，宽巷模糊度将发生跳变，据此可判断是否发生周跳，周跳判断式如下：
Figure GDA0002933223500000066
当NWL(k)满足式(6.3)时，则认为历元k发生了周跳；
步骤三：判断周跳值对计算值的影响
将短时间内的电离层变化率(TECR)值认为是一个常数，历元k-1的电离层TEC通过下式进行计算：
Figure GDA0002933223500000067
式中：
Figure GDA0002933223500000068
f1和f2为对应的载波频率；bi和Bp分别为接收机端和卫星端的信号频率间偏差，在一段时间内认为是常量，历元k的TECR计算值为：
TECR(k)＝(TEC(k)-TEC(k-1))/Δt (6.5)
式(6.5)中模糊度参数和频率间偏差参数被消去，当历元k发生周跳时，该计算值将受到周跳值的影响；
步骤四：利用相位观测值平滑计算
假定历元k前相位观测值并未发生周跳，利用式(6.5)计算历元k之前所有历元的TECR，由于在短时间内电离层TECR的变化是平缓的，因此利用前面历元计算的TECR信息预测当前历元的TECR，假定计算了k-2和k-1历元的TECR，则历元k的TECR预测值TECR(k)通过以下两式计算：
Figure GDA0002933223500000071
Figure GDA0002933223500000072
实际计算时，TECR(k-1)、TECR(k-2)用前面历元的相位观测值逐步进行平滑计算，以减小其测量噪声，进而得到精度更高的TECR(k-1)和TECR(k-2)；
步骤五：根据TECR值得到历元周跳
根据短时间内TECR的变化较为平缓、理论上不发生周跳的情况，当前历元的TECR计算值和TECR预测值之间的差异值很小，因此，当二者差异值超过一定的阈值时，则认为该历元发生了周跳，通常，电离层平静期时，电离层TEC变化率约为0.01TECU/s；电离层活跃期时则达到0.03TECU/s以上，顾及测站的动态特性与数据采样间隔，TECR计算值和TECR预测值差值的阈值取为0.15TECU/s，根据计算的TECR(k)值得到历元k的周跳，计算式为
Figure GDA0002933223500000081
步骤六：计算原始载波相位观测值的周跳
假定由MW组合探测得到的宽巷组合的周跳值为a，利用TECR探测得到的周跳值λ1ΔN1(k)-λ2ΔN2(k)为b，则原始观测值的周跳计算公式为：
Figure GDA0002933223500000082
式中：a为整数，b为实数，式(6.9)求得的实数值ΔN1，ΔN2去整，分别得到两个频率上的整周跳变值，进而对观测值进行测定。
该无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法采用MW组合方法消除了大气电离层和对流层延迟误差、站星几何距离、卫星和接收机钟差，并具有较长的波长，非常适合于处理动态环境下的周跳问题，并采用未发生周跳的连续相位观测值计算电离层变化率(TECR)，由于TECR在短时间内是平缓变化的，周跳的发生将使计算的电离层TECR的平缓性受到破坏，因此可以根据这一特点来探测周跳，且利用此方法同样可消除站星几何距离的影响，并可顾及电离层变化影响，适合于动态环境的周跳探测，从而方便整周模糊度的解算。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：构建宽巷模糊度的计算式
利用伪距和相位构建MW组合得到如下宽巷模糊度的计算式：
Figure FDA0002953453810000011
式中：
Figure FDA0002953453810000012
和
Figure FDA0002953453810000013
分别为不同频率上的相位观测值；ρL1和ρL2分别为不同频率上的伪距观测值；LWL为宽巷组合；λWL为宽巷波长；
所述相位观测值以周为单位，所述伪距观测值以m为单位，所述宽巷组合以m为单位；
步骤二：判断是否发生周跳
采用如下平滑算法计算宽巷模糊度及其方差：
Figure FDA0002953453810000014
式中：
Figure FDA0002953453810000015
为宽巷模糊度的平均值；k和k-1分别表示当前历元和前一历元；σ2为宽巷模糊度的方差，当周跳发生时，宽巷模糊度将发生跳变，据此可判断是否发生周跳，周跳判断式如下：
Figure FDA0002953453810000016
当NWL(k)满足式(6.3)时，则认为历元k发生了周跳；
步骤三：判断周跳值对计算值的影响
将短时间内的电离层变化率TECR值认为是一个常数，历元k-1的电离层TEC通过下式进行计算：
Figure FDA0002953453810000017
式中：γ＝f1 2/f2 2，f1和f2为对应的载波频率；bi和Bp分别为接收机端和卫星端的信号频率间偏差，在一段时间内认为是常量，历元k的TECR计算值为：
TECR(k)＝(TEC(k)-TEC(k-1))/Δt (6.5)
式(6.5)中模糊度参数和频率间偏差参数被消去，当历元k发生周跳时，该计算值将受到周跳值的影响；
步骤四：利用相位观测值平滑计算
假定历元k前相位观测值并未发生周跳，利用式(6.5)计算历元k之前所有历元的TECR，利用前面历元计算的TECR信息预测当前历元的TECR，假定计算了k-2和k-1历元的TECR，则历元k的TECR预测值TECR(k)通过以下两式计算：
Figure FDA0002953453810000021
Figure FDA0002953453810000022
实际计算时，TECR(k-1)、TECR(k-2)用前面历元的相位观测值逐步进行平滑计算，进而得到精度更高的TECR(k-1)和TECR(k-2)；
步骤五：根据TECR值得到历元周跳
将TECR计算值和TECR预测值差值的阈值取为0.15TECU/s，根据计算的TECR(k)值得到历元k的周跳，计算式为：
Figure FDA0002953453810000023
步骤六：计算原始载波相位观测值的周跳
假定由MW组合探测得到的宽巷组合的周跳值为a，利用TECR探测得到的周跳值λ1ΔN1(k)-λ2ΔN2(k)为b，则原始观测值的周跳计算公式为：
Figure FDA0002953453810000031
式中：a为整数，b为实数，式(6.9)求得的实数值ΔN1，ΔN2去整，分别得到两个频率上的整周跳变值，进而对观测值进行测定。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，其特征在于：所述步骤二中，采用平滑算法计算宽巷模糊度及其方差的目的是：削弱噪声的影响。
3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，其特征在于：所述步骤四中，利用前面历元计算的TECR信息预测当前历元的TECR的依据是：在短时间内电离层TECR的变化是平缓的。
4.根据权利要求1所述的一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，其特征在于：所述步骤四中，TECR(k-1)、TECR(k-2)用前面历元的相位观测值逐步进行平滑计算是为了减小其测量噪声。
5.根据权利要求1所述的一种无人驾驶定位测姿的载波相位整周模糊度测定方法，其特征在于：所述步骤五中，根据短时间内TECR的变化较为平缓、理论上不发生周跳的情况，当前历元的TECR计算值和TECR预测值之间的差异值很小，因此，当二者差异值超过一定的阈值时，则认为该历元发生了周跳，通常，电离层平静期时，电离层TEC变化率约为0.01TECU/s；电离层活跃期时则达到0.03TECU/s以上，顾及测站的动态特性与数据采样间隔，将TECR计算值和TECR预测值差值的阈值取为0.15TECU/s。
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