CN111751854A - Gnss单历元双差整周模糊度解算检核方法、接收机和塔吊机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及GNSS单历元双差整周模糊度解算检核方法、接收机和塔吊机。该方法包括：确定主频率信号和辅频率信号；建立主频率信号和辅频率信号的双差载波相位观测方程；利用辅频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的候选组；利用主频率信号的双差载波相位观测方程，对候选组进行显著性检验，从而确定为最优组；利用主频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的取整组；以及检核最优组和取整组的一致性。本发明为GNSS单历元双差整周模糊度快速确定提供一种可靠性强、简单且有效的检核算法，尤其是将GNSS接收机应用于建筑施工塔吊机安全监控领域，具有重要的意义。

Description

GNSS单历元双差整周模糊度解算检核方法、接收机和塔吊机

技术领域

本发明涉及将GNSS接收机应用于建筑塔机(建筑施工塔吊机或塔吊机)安全监控领域，尤其涉及GNSS单历元双差整周模糊度快速确定技术的解算检核。

背景技术

相对来说，GNSS伪距测量法精度低。因此，在高精度卫星定位领域，一般采用GNSS载波相位测量法。载波相位信号是周期性的正弦信号，而相位测量只能测量其不足一个波长的部分，因而存在整周不确定性的问题，即整周模糊度(也称整周未知数)的问题。整周模糊度的快速确定是高精度卫星实时动态定位的关键之一。

为了快速确定整周未知数，本领域的工作人员进行了各种努力，开发了各种方法，取得了很多成就。但是在实际工程应用实践中，尤其是对精度要求较高的建筑塔机安全监控应用领域，目前的方法仍然有改进的必要。

发明内容

本发明鉴于现有技术的以上情况作出，用以解决现有技术中存在的一项或更多项的问题，至少提供一种有益的选择。

根据本发明的一个方面，提供了一种GNSS单历元双差整周模糊度解算检核方法，所述方法包括：确定主频率信号和辅频率信号；建立主频率信号的双差载波相位观测方程和辅频率信号的双差载波相位观测方程；利用辅频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的候选组；利用主频率信号的双差载波相位观测方程，对所述候选组进行显著性检验，将通过显著性检验的候选组确定为最优组；利用主频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的取整组；以及检核所述最优组和所述取整组的一致性。

根据本发明的另一个方面，提供了一种GNSS接收机，用于GPS、BDS、GLONASS、Galileo系统、或多系统GNSS，其特征在于，其使用了以上所述的方法。多系统GNSS是指包含GPS、BDS、GLONASS、Galileo系统中的两个或更多个系统组合的GNSS系统。

根据本发明的又一个方面，提供了一种塔吊机，其使用以上所述的接收机，所述接收机安装在所述塔吊机的施工现场附近的基准站GNSS接收机和塔臂或塔身上的监控站GNSS接收机。

根据本发明的实施方式，不但可以快速解算整周未知数，还可以能够合理判断其正确性，能够有效提高GNSS系统的定位精度和定位可靠性。

附图说明

结合附图可以更好地理解本发明，附图是示意性的，不是对本发明的保护范围的限制。

图1示出了依据本发明的一种实施方式的将GNSS接收机应用于建筑塔机的GNSS单历元双差整周模糊度解算检核方法的示意性流程。

图2示出了依据本发明的一种实施方式的GNSS单历元双差整周模糊度解算检核装置的示意性方框图。

具体实施方式

图1示出了依据本发明的一种实施方式的将GNSS接收机应用于建筑塔机的GNSS单历元双差整周模糊度解算检核方法的示意性流程。如图1所示，依据本发明的一种实施方式的建筑塔机GNSS单历元双差整周模糊度解算检核方法首先在步骤S10确定主频率信号和辅频率信号。主频率信号主要用于定位，辅频率信号主要用于整周模糊度快速解算。根据一种实施方式，可以根据GNSS系统所对应的卫星定位系统，将GPS L1频率信号(第一频率信号)或BDS B1频率信号或GLONASS L1频率信号或Galileo E1频率信号确定为主频率信号，而将主频率信号之外的频率信号确定为辅频率信号。也可以是将单一系统(例如GPS系统的L1、L2或L5)的多个频率信号进行宽巷组合或窄巷组合或超宽巷组合等线性组合形成一个新的组合频率信号确定为主频率信号，而将主频率信号之外的频率信号确定为辅频率信号。根据一种实施方式，将观测量精度高的一个原始频率信号或经多个原始频率信号进行线性组合后形成一个新的组合频率信号确定为主频率信号。

根据一种实施方式，将GPS、GLONASS、BDS或Galileo系统的第一频率信号，或者所述第一频率信号与第二频率信号和/或第三频率信号进行多频率信号的线性组合而形成的组合频率信号，确定为主频率信号，而将所述主频率信号之外的第二频率信号或第三频率信号或组合频率信号确定为辅频率信号，GPS、GLONASS、BDS或Galileo系统的第一频率信号是GPS、GLONASS、BDS或Galileo系统的主要频率信号。

然后在步骤S20，构建主频率信号的双差载波相位观测方程和辅频率信号的双差载波相位观测方程。

根据一种实施方式，如下地建立主频率信号的双差载波相位观测方程和辅频率信号的双差载波相位观测方程：

其中，λ为频率信号的波长，包括主频率信号和辅频率信号的波长，当λ为主频率信号的波长时，建立的为主频率信号的双差载波相位观测方程，当λ为辅频率信号的波长时，建立的为辅频率信号的双差载波相位观测方程，

其中，下标b表示基准站，下标m表示监控站，上标i表示卫星高度角最大的参考卫星，上标j表示除所述参考卫星之外的卫星，j＝1,2,…,i-1,i+1,…,k，

表示双差载波相位观测值，

表示站星间距离观测值与卫地距差之差，

和

表示卫地距方向余弦系数，

和

为监控站m的三维坐标改正数，

表示双差整周模糊度，k是正整数，指本历元观测的卫星的总数。

接着，在步骤S30，利用辅频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的候选组。

根据一种实施方式，如下地确定主频率信号的双差整周模糊度的候选组：

首先，如下地计算辅频率信号的双差整周模糊度的初值：

其中，

表示辅频率信号f_Fu的双差整周模糊度的初值，

表示辅频率信号f_Fu的站星间距离观测值与卫地距差之差，

表示辅频率信号f_Fu的双差载波相位观测值，

为辅频率信号f_Fu的波长；

其次，利用所述初值，确定辅频率信号的双差整周模糊度的候选值：

针对卫星对i和j，

其中，i为参考卫星，j为除参考卫星之外的卫星，j＝1,2,…,i-1,i+1,…,k，E_Length指卫星对i和j的误差带的带长，根据一种实施方式，采用l倍GNSS单历元伪距差分观测值的中误差σ构建。

具体地，可以如下地确定：

其中，σ为GNSS单历元伪距差分观测值的中误差，

为辅频率信号的波长，l＝2～5，int(·)表示取整运算。

采用GNSS单历元伪距差分观测值的中误差σ构建，可以增加卫星对i和j的误差带的准确性，其中所述伪距差分观测值可以是单差观测值，也可以是双差观测值。

在上述公式中，

为辅频率信号f_Fu的双差整周模糊度的候选值，

w为候选值个数；

再次，利用如下地关系式，将

的

确定为主频率信号f_Zhu的双差整周模糊度的候选值：

其中：

其中，u为误差带，

为主频率信号f_Zhu经站星间双差后的残余误差及测量噪声，

为辅频率信号f_Fu经站星间双差后的残余误差及测量噪声，

为主频率信号的波长，

为辅频率信号的波长，

为辅频率信号f_Fu的双差整周模糊度的候选值，E_Wide指卫星对i和j的误差带的带宽。根据一种实施方式，可采用基准站b与监控站m之间形成的基线长度L_bm构建。根据一种实施方式如下地确定：

利用这种实施方式，由于使用了基线长度L_bm，可以更好地确定带宽，增加了卫星对i和j的误差带构建的准确性。

为主频率信号f_Zhu的双差整周模糊度候选值，

v为候选值个数；

最后，单历元所有的卫星对的主频率信号的双差整周模糊度的候选值如下地表示：

对所述候选值进行

组排列组合，获得单历元所有的卫星对的主频率信号的双差整周模糊度的候选组，t表示候选组总数。

然后，在步骤S40，利用主频率信号的双差载波相位观测方程，对所述候选组进行显著性检验，将通过显著性检验的候选组确定为为最优组。

根据一种实施方式，如下地确定主频率信号的双差整周模糊度的最优组：

首先，将主频率信号的双差整周模糊度的t组候选组依次代入主频率的双差载波相位观测方程中，根据最小二乘间接平差原理，对应的主频率信号的双差载波相位观测方程的误差方程为：

写成矩阵形式为：

其中，

下标b表示基准站，下标m表示监控站，上标i表示卫星高度角最大的参考卫星，上标j表示所述参考卫星外的卫星，j＝1,2,…,i-1,i+1,…,k，

为双差载波相位观测值，

为主频率信号的波长，

为主频率信号的双差整周模糊度的候选组；

为站星间距离观测值与卫地距差之差，

和

为卫地距方向余弦系数，

和

为监控站m的三维坐标改正数，

为双差载波相位观测值的残差，

为主频率的双差载波相位观测方程的常数项；

其次，根据最小二乘参数估计方法，如下地计算主频率信号的双差载波相位观测方程的单位权方差因子：

其中：k为单历元的观测卫星总数，P为单历元的双差载波相位观测值的权矩阵；

由t组候选组，可以计算获得t个单位权方差因子，用集合表示为

接着，对集合{Ω}进行从小到大排序，获得集合{Ω}＝{Ω₁ Ω₂…Ω_t}，构造显著性检验值：

将ratio>R的Ω₁所对应的双差整周模糊度的候选组确定为最优组，即

其中R＝1.8～3。

然后，在步骤S50，利用主频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的取整组。

根据一种实施方式，如下地确定主频率信号的双差整周模糊度的取整组：

首先，将所确定的主频率信号的双差整周模糊度的最优组代入主频率信号的双差载波相位观测方程，采用最小二乘参数间接平差方法，计算获得监控站m的三维坐标改正数，并将三维坐标改正数代回主频率信号的双差载波相位观测方程，如下地解算主频率信号的双差整周模糊度的实数解：

然后，将实数解按照“四舍六入、遇五奇进偶不进”原则取整运算，如下地获得主频率信号的双差整周模糊度的取整组：

其中，

为主频率信号的双差整周模糊度的整数组。

最后，在步骤S60，检核所述最优组和所述取整组的一致性。

根据一种实施方式，如下地检核主频率信号的双差整周模糊度的所述最优组与所述取整组的一致性：

针对单历元的卫星对i和j的双差整周模糊度，判断最优组中的

与取整组中

是否相等，j＝1,2,…,i-1,i+1,…,k；

如果

则判定为GNSS单历元双差整周模糊度解算检核通过，表示卫星对i和j的双差整周模糊度解算成功；

如果

则判定为GNSS单历元双差整周模糊度解算检核不通过，表示卫星对i和j的双差整周模糊度解算失败，删除卫星对i和j的双差载波相位观测方程，更新频率信号的双差载波相位观测方程，再次进行GNSS单历元双差整周模糊度解算检核。

本发明的一种GNSS单历元双差整周模糊度快速解算的检核方法可以应用于建筑塔机上，用于各种卫星定位的情况。在该种情况下，所述建筑塔机系统可包括基准站GNSS接收机和监控站GNSS接收机。监控站GNSS接收机可以设置在建筑塔机的塔臂或塔身上。基准站GNSS接收机和监控站GNSS接收机使用本发明的GNSS单历元双差整周模糊度解算检核方法可以提高快速解算出的双差整周模糊度的可靠性。

图2示出了依据本发明的一种实施方式的GNSS单历元双差整周模糊度解算检核装置的示意性方框图。如图2所示，依据本发明的一种实施方式的GNSS单历元双差整周模糊度解算检核装置包括：

主频率信号和辅频率信号确定单元100，确定主频率信号和辅频率信号；

双差载波相位观测方程建立单元200，建立主频率信号的双差载波相位观测方程和辅频率信号的双差载波相位观测方程；

候选组确定单元300，利用辅频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的候选组；

最优组确定单元400，利用主频率信号的双差载波相位观测方程，对所述候选组进行显著性检验，将通过显著性检验的候选组确定为最优组；

取整组确定单元500，利用主频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的取整组；以及

一致性检核单元600，检核所述最优组和所述取整组的一致性。

以上的单元分别执行前述的步骤S10、S20、S30、S40、S50、S60的操作，具体地，可以参见前面对应步骤的说明。以上的单元和装置可以分别或组合地由经过编程的独立的芯片、专门制造的芯片、现场可编程门阵列等硬件单独实现。也可以由具有计算处理能力的机器结合软件实现。

本发明的上述详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (10)

1.一种GNSS单历元双差整周模糊度解算检核方法，所述方法包括：

确定主频率信号和辅频率信号；

建立主频率信号的双差载波相位观测方程和辅频率信号的双差载波相位观测方程；

利用辅频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的候选组；

利用主频率信号的双差载波相位观测方程，对所述候选组进行显著性检验，将通过显著性检验的候选组确定为最优组；

利用主频率信号的双差载波相位观测方程，确定主频率信号的双差整周模糊度的取整组；以及

检核所述最优组和所述取整组的一致性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

将GPS、GLONASS、BDS或Galileo系统的第一频率信号，或者所述第一频率信号与第二频率信号和/或第三频率信号进行多频率信号的线性组合而形成的组合频率信号，确定为主频率信号，而将所述主频率信号之外的第二频率信号或第三频率信号或组合频率信号确定为辅频率信号，GPS、GLONASS、BDS或Galileo系统的第一频率信号是GPS、GLONASS、BDS或Galileo系统的主要频率信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如下地建立主频率信号的双差载波相位观测方程和辅频率信号的双差载波相位观测方程：

其中，λ为频率信号的波长，包括主频率信号和辅频率信号的波长，当λ为主频率信号的波长时，建立的为主频率信号的双差载波相位观测方程，当λ为辅频率信号的波长时，建立的为辅频率信号的双差载波相位观测方程，

其中，下标b表示基准站，下标m表示监控站，上标i表示卫星高度角最大的参考卫星，上标j表示除所述参考卫星之外的卫星，j＝1,2,…,i-1,i+1,…,k，

表示双差载波相位观测值，

表示站星间距离观测值与卫地距差之差，

和

表示卫地距方向余弦系数，

和

为监控站m的三维坐标改正数，

表示双差整周模糊度，k是正整数，指本历元观测的卫星的总数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如下地确定主频率信号的双差整周模糊度的候选组：

首先，如下地计算辅频率信号的双差整周模糊度的初值：

其中，

表示辅频率信号f_Fu的双差整周模糊度的初值，

表示辅频率信号f_Fu的站星间距离观测值与卫地距差之差，

表示辅频率信号f_Fu的双差载波相位观测值，

为辅频率信号f_Fu的波长；

其次，利用所述初值，确定辅频率信号的双差整周模糊度的候选值：

针对卫星对i和j，

其中，i为参考卫星，j为除参考卫星之外的卫星，j＝1,2,…,i-1,i+1,…,k，E_Length指卫星对i和j的误差带的带长，

为辅频率信号f_Fu的双差整周模糊度的候选值，

w为候选值个数；

再次，利用如下地关系式，将

的

确定为主频率信号f_Zhu的双差整周模糊度的候选值：

其中：

其中，u为误差带，

为主频率信号f_Zhu经站星间双差后的残余误差及测量噪声，

为辅频率信号f_Fu经站星间双差后的残余误差及测量噪声，λ_fZhu为主频率信号的波长，

为辅频率信号的波长，

为辅频率信号f_Fu的双差整周模糊度的候选值，E_Wide指卫星对i和j的误差带的带宽，

为主频率信号f_Zhu的双差整周模糊度候选值，

v为候选值个数；

最后，单历元所有的卫星对的主频率信号的双差整周模糊度的候选值如下地表示：

对所述候选值进行

组排列组合，获得单历元所有的卫星对的主频率信号的双差整周模糊度的候选组，t表示候选组总数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如下地确定主频率信号的双差整周模糊度的最优组：

首先，将主频率信号的双差整周模糊度的t组候选组依次代入主频率信号的双差载波相位观测方程中，根据最小二乘间接平差原理，对应的主频率信号的双差载波相位观测方程的误差方程为：

写成矩阵形式为：

其中，

下标b表示基准站，下标m表示监控站，上标i表示卫星高度角最大的参考卫星，上标j表示所述参考卫星外的卫星，j＝1,2,…,i-1,i+1,…,k，

为双差载波相位观测值，

为主频率信号的波长，

为主频率信号的双差整周模糊度的候选组；

为站星间距离观测值与卫地距差之差，

和

为卫地距方向余弦系数，

和

为监控站m的三维坐标改正数，

为双差载波相位观测值的残差，

为主频率信号的双差载波相位观测方程的常数项；

其次，根据最小二乘参数估计方法，如下地计算主频率信号的双差载波相位观测方程的单位权方差因子：

其中：k为单历元的观测卫星总数，P为单历元的双差载波相位观测值的权矩阵；

由t组候选组，可以计算获得t个单位权方差因子，用集合表示为

接着，对集合{Ω}中的元素进行从小到大排序，获得集合{Ω}＝{Ω₁ Ω₂…Ω_t}，构造显著性检验值：

将ratio>R的Ω₁所对应的双差整周模糊度的候选组确定为最优组，即

其中R＝1.8～3。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，如下地确定主频率信号的双差整周模糊度的取整组：

首先，将所确定的主频率信号的双差整周模糊度的最优组

代入主频率信号的双差载波相位观测方程，采用最小二乘参数间接平差方法，计算获得监控站m的三维坐标改正数，并将三维坐标改正数代回主频率信号的双差载波相位观测方程，如下地解算主频率信号的双差整周模糊度的实数解：

然后，将实数解按照“四舍六入、遇五奇进偶不进”原则取整运算，如下地获得主频率信号的双差整周模糊度的取整组：

其中，

为主频率信号的双差整周模糊度的整数组。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如下地检核主频率信号的双差整周模糊度的所述最优组与所述取整组的一致性：

针对单历元的卫星对i和j的双差整周模糊度，判断最优组中的

与取整组中

是否相等，j＝1,2,…,i-1,i+1,…,k；

如果

则判定为GNSS单历元双差整周模糊度解算检核通过，表示卫星对i和j的双差整周模糊度解算成功；

如果

则判定为GNSS单历元双差整周模糊度解算检核不通过，表示卫星对i和j的双差整周模糊度解算失败。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如下地确定E_Length：

其中，σ为GNSS单历元伪距差分观测值的中误差，

为辅频率信号的波长，l＝2～5，int(·)表示取整运算；

以及如下地确定E_Wide：

其中：L_bm为基准站b与监控站m之间形成的基线长度L_bm。

9.一种接收机，用于GPS、BDS、GLONASS、Galileo系统、或多系统GNSS，其特征在于，其使用权利要求1-8中任一项所述的方法。

10.一种塔吊机，其使用权利要求9所述的接收机，所述接收机安装在所述塔吊机的施工现场附近的基准站GNSS接收机和塔臂或塔身上的监控站GNSS接收机。

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