CN111812687B - 高频动态多星座gnss数据周跳低时延解算方法 - Google Patents

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    • G01S19/43—Determining position using carrier phase measurements, e.g. kinematic positioning; using long or short baseline interferometry

Abstract

本发明公开了一种高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法，该方法包括逐颗卫星利用相位和伪距组合观测量对高频观测数据进行周跳初步修复，利用双频相位组合观测量对得到的周跳修复量初值进行小周跳修复，根据分别得到的周跳修复量计算最终的周跳。本发明基于高频观测数据的噪声特性，仅需利用单颗卫星的观测数据进行周跳探测与修复，且降低了周跳修复对伪距观测值的精度要求，具有复杂度低、计算效率高等优点，有利于算力资源受限的移动端超高频实时动态定位数据的在线处理。

Description

高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法
技术领域
本发明涉及周跳探测及修复技术领域，具体涉及一种高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法。
背景技术
高精度载波相位观测在精密定位和导航应用中起着重要的作用。但是地表观测GNSS信号相对较弱，易受干扰、遮挡等影响，载波相位观测值中会发生周跳。若周跳未能被准确的探测或修复，将导致整周模糊度参数失效，进而需要重新进行整周模糊度固定，影响GNSS导航定位的性能。在高动态RTK应用中，GNSS数据采集中周跳现象频繁发生，这直接影响动态定位在许多高速应用场景中的实用性，为此需要一种快速高效的低时延周跳修复方法。
目前，探测与修复周跳的方法主要有伪距相位组合法、电离层残差法、多项式拟合法、多普勒积分法、小波分析法、高次差法、卡尔曼滤波法等。试验证明这些方法都具有较好的探测及修复效果，但也存在不足之处。例如，伪距相位组合法，探测精度高、程序容易实现，但其探测能力主要取决于电离层延迟和多路径效应在历元间的变化以及伪距和载波相位观测噪声、载波波长大小等；电离层残差法是探测周跳很好的方法，但是传统的电离层残差法没有很好的解决周跳发生在哪个频率的问题，且对于组合周跳的问题一般需要一些辅助的方法联合求解；质量控制理论也用于周跳探测，通过整数最小二乘估计法可以获得更高的准确性，但由于需要进行搜索，周跳计算的算法复杂度高，周跳修复过程变得更加耗时。
自动驾驶、无人机等高速RTK应用场景需要实时处理超高频的GNSS数据，在这种情况下，低时延的周跳探测及修复至关重要。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法，包括以下步骤：
S1、逐颗卫星利用相位和伪距组合观测量对高频观测数据进行周跳初步修复；
S2、利用双频相位组合观测量对步骤S1得到的周跳修复量初值进行小周跳修复；
S3、根据步骤S1和步骤S2分别得到的周跳修复量计算最终的周跳。
优选地，所述步骤S1具体为：
利用相位和伪距组合观测量计算每颗卫星单个频率上的周跳初始修复量。
优选地，所述周跳初始修复量的计算公式为：
其中，δNi,p表示周跳初始修复量，δP表示历元间的伪距变化量，表示表示历元间的相位变化量，λ表示载波波长。
优选地，所述步骤S1中设定周跳初始修复量满足条件：
ε(δN1,p)<4.5
ε(δN2,p)<3.5
其中，ε(δNi,p)表示周跳初始修复量与真实周跳值之间的偏差，i表示载波序号。
优选地，所述步骤S2具体为：
根据步骤S1得到的周跳修复量初值，利用双频相位组合观测量计算单个频率上的小周跳，得到未完全修复的周跳值。
优选地，所述小周跳的计算公式为：
δNi`＝(e-(δO-MGF)d)βi
其中，δNi`表示小周跳，e＝{0,Sgn(δO-MGF)}，Sgn表示取符号运算，R(*)表示四舍五入取值运算，βi表示卫星系统相关项，/>f1和f2分别表示载波L1和L2的频率。
优选地，所述步骤S3中最终的周跳的计算公式为：
δNi＝R(δNi,p)+(e-(δO-MGF)d)βi
其中，δNi表示最终修复的周跳。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于高频观测数据的噪声特性，利用伪距与相位组合得到周跳初始修复量，再结合双频相位组合对初始修复量进行精确修复，仅需利用单颗卫星的观测数据进行周跳探测与修复，且降低了周跳修复对伪距观测值的精度要求，具有复杂度低、计算效率高等优点，有利于算力资源受限的移动端超高频实时动态定位数据的在线处理。
附图说明
图1为本发明的高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法流程示意图；
图2为本发明实施例中动态实验的运动轨迹示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本发明基于高频数据误差特征和伪距与相位组合，提出了一种高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法O-MGF(Observation based MGF)，包括以下步骤S1至S3：
S1、逐颗卫星利用相位和伪距组合观测量对高频观测数据进行周跳初步修复；
在本实施例中，本发明利用相位和伪距组合观测量计算每颗卫星单个频率上的周跳初始修复量。
计算单个频率上的周跳初始修复量的计算公式为：
其中，δNi,p表示周跳初始修复量；δP表示历元间的伪距变化量，可采用原始观测量或者参数估计量计算得到；表示表示历元间的相位变化量，λ表示载波波长。
本发明设定周跳初始修复量需要满足以下条件：
ε(δN1,p)<4.5
ε(δN2,p)<3.5
其中，ε(δNi,p)表示周跳初始修复量与真实周跳值之间的偏差， 表示周跳初始修复量对应的真实周跳值，i表示载波序号。
为了实现探测所有周跳，本发明设定伪距周跳探测结果与周跳真值差值需要满足以下条件：
即得到各卫星系统的伪距观测噪声需要满足以下条件：
S2、利用双频相位组合观测量对步骤S1得到的周跳修复量初值进行小周跳修复；
在本实施例中，本发明根据步骤S1得到的周跳修复量，利用双频相位组合观测量高效解算出双频相位数据中单个频率上的小周跳，得到未完全修复的周跳值。
本发明计算小周跳的计算公式为：
δNi`＝(e-(δO-MGF)d)βi
其中，δNi`表示小周跳，e＝{0,Sgn(δO-MGF)}，Sgn表示取符号运算，R(*)表示四舍五入取值运算，βi表示卫星系统相关项，/>
S3、根据步骤S1和步骤S2分别得到的周跳修复量计算最终的周跳。
在本实施例中，本发明根据步骤S1得到的周跳初始修复量和步骤S2得到的未完全修复的周跳值，计算得到最终的周跳。
最终的周跳的计算公式为：
δNi＝R(δNi,p)+(e-(δO-MGF)d)βi
其中，δNi表示最终修复的周跳。
由于e存在两个备选值{0,Sgn(δO-MGF)}，因此最终的周跳δNi也存在两个备选值，分别对应为δNi(1),δNi(2)。基于周跳的整数性质，本发明选择较小的DNI(δNi)对应的δNi作为最终修复值，表示为：
本发明基于高频观测数据的噪声特性，利用伪距与相位组合得到周跳修复量，仅需利用单颗卫星的观测数据进行周跳探测与修复，且降低了周跳修复对伪距观测值的精度要求。
下面本发明采用多星座GNSS数据实验对本发明的探测及修复方法的性能和效果进行具体说明。
本发明采用2019年9月11日实测的动态数据和2020年1月13日实测的静态数据进行O-MGF周跳实验分析，数据均为板卡实测的双频多星座20HZ的高频数据，卫星系统包括GPS、BDS和GLONASS，动态数据和静态数据用不同品牌的接收机采集,时长分别为30分钟和40分钟。动态数据的运动轨迹如图2所示。
本发明通过对动态实测数据相应历元处加模拟周跳来验证本文周跳修复算法的准确性及高效性。模拟周跳如下：模拟周跳历元间隔为0.25s，模拟历元数为5832个。各卫星f1频率依次模拟周跳大小为：[-16,-14,-12,-10,-4,-3,-2,-1,1,2,3,4,6,8,10,12]周。f2频率依次模拟周跳大小为：[-12,-9,-6,-3,-2,-1,1,2,3,6,9,12]周。分别用本发明方法(O-MGF)和HMW-GF(Hatch-Melbourne-Wübbena和Geometry-free)组合方法进行周跳探测和修复，并对比分析修复结果。测试过程使用相同的软硬件环境，且仅统计两种方法周跳探测与修复模块的耗时，统计结果如表1。
表1模拟周跳修复结果统计
从表1可以看出，本发明方法在各个系统探测周跳成功率均高于HMW-GF组合。尤其在GLONASS系统中，本发明方法更是达到了百分百的修复率，GPS、BDS系统修复成功率次之。
经过统计，本发明方法探测耗时1684ms，HMW-GF组合耗时101310ms，两者周跳处理平均每个历元的时间延迟分别为0.06ms和3.47ms。解算效率方面O-MGF方法比HMW-GF组合方法快60倍。
本发明利用实测的20Hz三星座GNSS(GPS/BDS/GLONASS)动态数据进行试验分析，结果表明：O-MGF方法的成功率约为99.998％；与HMW-GF方法相比，O-MGF方法解算速度提高了60倍。O-MGF方法的算法复杂度低，计算效率高，有利于算力资源受限的移动端超高频实时动态定位数据的在线快速处理。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、逐颗卫星利用相位和伪距组合观测量对高频观测数据进行周跳初步修复；其中周跳初始修复量满足条件：
ε(δN1,p)＜4.5
ε(δN2,p)＜3.5
其中，ε(δNi,p)表示周跳初始修复量与真实周跳值之间的偏差，i表示载波序号；
S2、利用双频相位组合观测量对步骤S1得到的周跳修复量初值进行小周跳修复；其中小周跳的计算公式为：
δNi`＝(e-(δO-MGF)d)βi
其中，δNi`表示小周跳，e＝{0,Sgn(δO-MGF)}，Sgn表示取符号运算，R(*)表示四舍五入取值运算，βi表示卫星系统相关项，/>f1和f2分别表示载波L1和L2的频率；
S3、根据步骤S1和步骤S2分别得到的周跳修复量计算最终的周跳。
2.根据权利要求1所述的高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
利用相位和伪距组合观测量计算每颗卫星单个频率上的周跳初始修复量。
3.根据权利要求2所述的高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法，其特征在于，所述周跳初始修复量的计算公式为：
其中，δNi,p表示周跳初始修复量，δP表示历元间的伪距变化量，表示表示历元间的相位变化量，λ表示载波波长。
4.根据权利要求3所述的高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
根据步骤S1得到的周跳修复量初值，利用双频相位组合观测量计算单个频率上的小周跳，得到未完全修复的周跳值。
5.根据权利要求4所述的高频动态多星座GNSS数据周跳低时延解算方法，其特征在于，所述步骤S3中最终的周跳的计算公式为：
δNi＝R(δNi,p)+(e-(δO-MGF)d)βi
其中，δNi表示最终修复的周跳。
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