CN113568014B

CN113568014B - 多普勒周跳探测方法及系统

Info

Publication number: CN113568014B
Application number: CN202010350222.1A
Authority: CN
Inventors: 张希
Original assignee: Qianxun Spatial Intelligence Inc
Current assignee: Qianxun Spatial Intelligence Inc
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2040-04-28
Also published as: CN113568014A

Abstract

本申请涉及卫星定位技术领域，公开了一种多普勒周跳探测方法及系统。该方法包括：获取通过周跳标志为无整周跳的多个跟踪通道得到的多组载波相位观测量和多普勒观测量；根据当前历元和前一历元的载波相位观测量和多普勒观测量计算表征与跟踪通道对应的周跳长度和接收机调钟量的和的待检测量；将与多个跟踪通道对应的多个待检测量组成数据集并计算其原始中位数；计算各待检测量与该原始中位数的差值绝对值，当差值绝对值大于第一阈值时，将该待检测量作为离群点在数据集中剔除；根据剔除离群点后的数据集的中位数估计调钟量作为参考值，计算待检测量与参考值的差；根据待检测量与参考值的差判断待检测量对应跟踪通道的载波相位观测量发生周跳。

Description

多普勒周跳探测方法及系统

技术领域

本申请涉及卫星定位技术领域，特别涉及多普勒周跳探测技术。

背景技术

GNSS载波跟踪环路是一种易受干扰的、较为脆弱的环路，并且载波是一种不包含时间刻度的纯余弦波，因此在实际应用中，载波相位观测量时常会包含周跳。

在实际应用中，GNSS接收机跟踪通道输出的观测量信息有可能受到多种内部因素和/或外部因素的影响，例如观测量出现钟差调整等。因此，成功地探测出周跳，对于正确地估计载波相位模糊度，进而提高最终定位结果的精度至关重要。

作为GNSS观测量预处理的重要环节，现有的周跳探测方法形式多样，常见的有高次差法、历元间二次差及单差结合法、MW组合法、GF组合法等等。但是，这些方法通常对观测量的连续性、完整性有较高的要求。例如：高次差法要求至少有连续5个历元的载波相位观测量，在恶劣环境下，部分历元的载波观测量丢失时，该方法无法正常工作；历元间二次差及单差结合法同样要求至少3个历元的载波相位观测量，甚至需要计算不止1个历元的卫地距，并利用抗差最小二乘进行反复迭代，流程较为复杂，对数据的完整性以及处理器的计算能力都有较高要求；历元间二次差及单差结合法MW组合法、GF组合法则要求具有双频观测量，不适用于GNSS单频观测量。需要一种具有更强的异常处理能力的周跳探测方法以弥补上述各方法的不足。

发明内容

本申请的目的在于提供一种多普勒周跳探测方法及系统，可以有效消除调钟对载波相位观测量的不良影响，具有更强的异常处理能力，能够更大限度地保证周跳探测的正确性。

本申请公开了一种多普勒周跳探测方法，包括：

获取通过周跳标志为无整周跳的多个跟踪通道得到的多组载波相位观测量和多普勒观测量；

根据当前历元和前一历元的载波相位观测量和多普勒观测量计算表征与所述跟踪通道对应的周跳长度和接收机调钟量的和的待检测量；

将多个所述待检测量组成数据集并计算数据集的原始中位数；

计算所述待检测量与所述数据集的原始中位数的差值绝对值，当所述差值绝对值大于第一阈值时，将该待检测量作为离群点在数据集中剔除；

根据剔除离群点后的数据集的中位数估计调钟量作为参考值，计算所述待检测量与所述参考值的差；

当所述待检测量与所述参考值的差的绝对值大于第二阈值时，判断所述待检测量对应跟踪通道的载波相位观测量发生周跳。

在一个优选例中，所述计算所述待检测量与所述数据集的原始中位数的差值绝对值，当所述差值绝对值大于第一阈值时，将该待检测量作为离群点在数据集中剔除的步骤，进一步包括：

计算各个所述待检测量与所述数据集的原始中位数的差值绝对值，对计算得到的多个所述差值绝对值取中位数，基于所述多个差值绝对值的中位数获得所述第一阈值。

在一个优选例中，所述第二阈值与对应所述跟踪通道得到的载波相位观测量的载波波长成正比。

在一个优选例中，所述第二阈值根据对应所述跟踪通道的载波相位观测量的载波波长、卫星高度角、载噪比获得。

在一个优选例中，所述第二阈值为βⁱ(3·λⁱ)，其中λⁱ为对的第i个跟踪通道的载波波长，βⁱ为根据对应的第i个跟踪通道的卫星高度角、载噪比获得的比例系数。

在一个优选例中，所述多个跟踪通道中至少两个所述跟踪通道获得的载波相位观测量的波长不相同，并且对应于该至少两个所述跟踪通道的待检测量均变换为以米为单位的量。

本申请还公开了一种多普勒周跳探测系统用于根据前文描述的多普勒周跳探测方法进行载波相位观测量的周跳探测。

本申请实施方式中，至少包括以下有益效果：

基于周跳标志信息选用不包含整周跳的跟踪通道，同时仅根据选用的各跟踪通道前后两个历元的载波相位观测量和多普勒观测量计算表征与所述跟踪通道对应的周跳长度和接收机调钟量的和的待检测量来组成数据集，并基于剔除异常值后的数据集估计调钟量，将估计的调钟量作为参考值与各选用的跟踪通道的待检测量进行单差计算，根据计算的单差值判断对应跟踪通道的载波相位观测量的周跳情况，与传统的多普勒周跳探测方法相比，可以有效消除调钟对载波相位观测量的不良影响，具有更强的异常处理能力，能够更大限度地保证周跳探测的正确性，同时可以更大限度地保证导航滤波器稳定工作。

进一步地，在进行待检测量计算前，将各跟踪通道的周跳长度和调钟量均变换为以米为单位的量，适用性更广、兼容性更强，适用于各种卫星导航定位系统。

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多普勒周跳探测方法流程示意图。

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：

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。

下面概要说明本申请的部分创新点：

本申请的实施方式基于周跳标志信息对包含整周跳的载波相位观测量进行预筛除，避免了后续因过多载波相位观测量发生了整周跳而导致无法成功剔除异常值的问题。

进一步地，利用多普勒观测量和载波相位观测量的固有关系，仅需各跟踪通道的前后两个历元的多普勒观测量和载波相位观测量计算出的表征与各跟踪通道对应的周跳长度和接收机调钟量的和的待检测量就可以探测周跳，具有更强的异常处理能力，避免将调钟造成的载波相位观测量的不连续误判为周跳的发生。

进一步地，基于绝对中位差剔除各跟踪通道对应的待检测量组成的数据集中的异常值，使得剩余的正常值的聚拢特性将更为明显，有利于后续更准确地对调钟量进行估计，避免异常值的存在导致较大调钟量估计误差被引入，从而保证周跳的探测准确性。

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。

在卫星导航定位中，多普勒d可以表示载波相位的瞬时变化率，表示为如下式(1)：

其中，d的单位为m/s，的单位为m，t为观测时刻。虽然多普勒和载波相位具有上述关系，但多普勒却是一种相对独立于载波相位、非常稳定的观测量，不会因为载波相位发生周跳而变化。因此，可以将多普勒用于辅助周跳探测，其离散化模型表示为如下式(2)：

其中，n为周跳个数，λ为载波波长，Δt＝t_k-t_k-1，ε为噪声，k、k-1分别表示第k、k-1历元。令l表示n个周跳对应的长度，即l＝nλ，也即n＝l/λ，当|n|大于所设定的阈值时即为探测到周跳。

然而，在实际应用中，多数厂商会周期性地或非周期性地调整接收机时钟以保证与GPS时间的同步。按照调钟对观测量的影响不同，可以将其大致分为两类：第一类调钟和第二类调钟。其中，第一类调钟仅影响伪距观测量而不影响载波相位观测量，即在调钟发生时，仅各跟踪通道输出的伪距观测量发生大小相同的跳跃；而第二类调钟则同时影响伪距观测量和载波相位观测量，即在调钟发生时，伪距观测量和载波相位观测量均发生大小相同的跳跃。显然，第二类调钟造成的载波相位观测量的不连续，会使传统的多普勒周跳探测方法误探为有周跳发生。

为了解决上述问题，本申请的第一实施方式涉及一种多普勒周跳探测方法，其流程如图1所示，该方法包括以下步骤：

在步骤101中，获取通过周跳标志为无整周跳的多个跟踪通道得到的多组载波相位观测量和多普勒观测量。

具体的，接收机基带输出载波相位观测量时，会附带周跳标志LLI，LLI为0表示无半周跳及整周跳，LLI为1表示无半周跳有整周跳，LLI为2表示有半周跳无整周跳，LLI为3表示既有半周跳又有整周跳。所以，在步骤101中选取LLI为0或2的载波相位观测量，将已被标识为含有整周跳1和3的载波相位观测量进行筛除，以避免后续因过多载波相位观测量发生了整周跳而导致无法成功剔除异常值(即离散点)。

以GPS L1波段载波为例，其波长仅约19cm左右，半周跳不足10cm，对于消费级接收机而言，在基带之后的定位解算部分另行探测半周跳通常难以实现。所以，多普勒周跳探测只能用于探测基带漏掉的整周跳，即只对LLI为0或2的载波相位观测量进行探测。

之后，进入步骤102，根据当前历元和前一历元的载波相位观测量和多普勒观测量计算表征与该跟踪通道对应的周跳长度和接收机调钟量的和的待检测量。

可选地，本申请的该多个跟踪通道中至少两个该跟踪通道获得的载波相位观测量的波长不相同，并且对应于该至少两个该跟踪通道的待检测量均变换为以米(m)为单位的量。此时，不同系统不同频点间不再相对独立，而是共用一个数据集，也即数据集元素更多，剔除异常值并估算调钟量会更为准确。

可选地，本申请适用于单频点接收机、双频点接收机和全频点接收机等。

之后，进入步骤103，将多个该待检测量组成数据集并计算数据集的原始中位数。此时数据集没有剔除离群点，所以针对数据集计算的中位数称为原始中位数。

之后，进入步骤104，计算该待检测量与该数据集的原始中位数的差值绝对值。

之后，进入步骤105，判断当该差值绝对值是否大于第一阈值。

可选地，步骤105时，还包括以下步骤：

计算各个该待检测量与该数据集的原始中位数的差值绝对值，对计算得到的多个该差值绝对值取中位数，基于该多个差值绝对值的中位数获得该第一阈值。

如果该差值绝对值大于第一阈值，之后进入步骤106，即将该待检测量作为离群点在数据集中剔除以更新该数据集；如果该差值绝对值不大于第一阈值，之后直接进入步骤107。

可以理解，经上述步骤103～步骤106的异常值剔除后，数据集中剩余正常值的聚拢特性将更为明显，有利于后续更准确地对调钟量进行估计，避免异常值导致的较大调钟量估计误差被引入至所有卫星，从而保证小周跳的探测准确性。特别地，在进行步骤107的计算待检测量与参考值的差之前，通过异常值检测剔除可能含有周跳的跟踪通道，更大限度地保证周跳探测的正确性。

之后，进入步骤107，根据剔除离群点后的数据集的中位数估计调钟量作为参考值，计算该待检测量与该参考值的差。

之后，进入步骤108，判断该待检测量与该参考值的差的绝对值是否大于第二阈值。

如果该待检测量与该参考值的差的绝对值大于第二阈值，则之后进入步骤109，即判断该待检测量对应跟踪通道的载波相位观测量发生周跳；否则进入步骤110，即判断该待检测量对应跟踪通道的载波相位观测量未发生周跳。

可选地，步骤108中的第二阈值与对应该跟踪通道得到的载波相位观测量的载波波长成正比。在一个实施例中，第二阈值可以为α(3·λⁱ)，其中α为常数；但不限于此实施例。

可选地，步骤108中的第二阈值可以根据对应该跟踪通道的载波相位观测量的载波波长、卫星高度角、载噪比获得。在一个实施例中，第二阈值可以为βⁱ(3·λⁱ)，其中λⁱ为对应的第i个跟踪通道的载波波长，βⁱ为根据对应的第i个跟踪通道的卫星高度角、载噪比获得的比例系数；但不限于此实施例。

为了能够更好地理解本申请的技术方案，下面结合一个具体的例子来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本申请保护范围的限制。

该例子主要包括以下步骤：

首先，获取通过周跳标志为无整周跳的n个跟踪通道得到的多组载波相位观测量和多普勒观测量。

之后，根据当前历元k和前一历元k-1的载波相位观测量和多普勒观测量计算表征与n个跟踪通道对应的周跳长度和接收机调钟量的和的待检测量lⁱ+τ。具体的，将上述公式(2)所示的多普勒周跳探测的离散化模型改写为如下式(3)：

其中，lⁱ表示第i个跟踪通道的周跳长度，τ是调钟量，上标i表示对应第i个跟踪通道，共有n个跟踪通道，即i＝1,2,…,n。

那么，该第i个跟踪通道的待检测量可写成以下式(4)：

之后，将n个跟踪通道对应的n个待检测量组成数据集L＝(l¹+τ),(l²+τ),…,(lⁿ+τ)，基于绝对中位差(Median Absolute Deviation，MAD)对数据集L中的离群点(即异常值)进行检测。具体的，绝对中位差的具体表达式为如下式(5)：

MAD＝median(|(lⁱ+τ)-median(L)|) (5)

其中，MAD即为L的绝对中位差，median(L)表示数据集L的中位数，此时数据集没有剔除离群点，median(L)为数据集L的原始中位数。如公式5，通过计算各个待检测量lⁱ+τ与数据集的原始中位数median(L)的差值绝对值，对计算得到的多个差值绝对值取中位数得到MAD。

认为L服从正态分布，为保证正常值落在中间的50％区间内并且异常值落在两侧的50％区间内，则有如下式(6)：

其中，P(·)表示概率函数，μ为L的均值，σ为L的方差，Z为L的标准化形式，即Z服从标准正态分布。根据标准正态分布的特点，概率函数P(·)和概率分布函数Φ(·)有如下式(7)的关系：

又由如下式(8)：

Φ(-a)＝1-Φ(a) (8)

其中，式(8)中a为任一值，可知如下式(9)：

即得到如下式(10)：

由标准正态分布表可知，MAD/σ为0.6749，如果lⁱ+τ满足下式(11)条件，则判定为异常值，并将其从数据集L中剔除得到数据集L′，即计待检测量lⁱ+τ与数据集L的原始中位数median(L)的差值绝对值，当差值绝对值大于第一阈值，如时，将该待检测量作为离群点在数据集中剔除，这里b为与n负相关的比例因子。

之后，根据剔除离群点后的数据集的中位数估计调钟量作为参考值。具体的，按照单调递增顺序排列的剔除离群点后的数据集为单变量数据集L′＝τ¹,τ²,…,τ^n′，则调钟量τ的估计值有如下式(12)：

由于L′包含的单变量个数n′可能为奇数也可能为偶数，所以代表计算出来的中位数，它可能恰好等于某一跟踪通道的待检测量，也有可能对应两个跟踪通道的待检测量均值，具体如下式(13)、式(14)：

当n′为奇数时：

当n′为偶数时：

之后，计算该待检测量与该参考值的差。具体的改用lⁱⁱ表示第i个跟踪通道的该待检测量与该参考值的差，其具体形式为如下式(15)：

也即有如下式(16)：

之后，判断第i个跟踪通道的待检测量与该参考值的差的绝对值|nⁱλⁱ|是否大于第二阈值，第二阈值例如为βⁱ(3·λⁱ)，如果|nⁱλⁱ|大于βⁱ(3·λⁱ)，则判定第i个跟踪通道的载波相位观测量发生周跳，其中，其中λⁱ为第i个跟踪通道的载波波长，βⁱ为根据第i个跟踪通道的卫星高度角、载噪比获得的比例系数。本示例中，第二阈值βⁱ(3·λⁱ)与对应跟踪通道得到的载波相位观测量的载波波长λⁱ成正比。

本申请的第二实施方式涉及一种多普勒周跳探测系统，该多普勒周跳探测系统用于根据第一实施方式的多普勒周跳探测方法进行载波相位观测量的周跳探测。

并且，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，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”或者其任何其他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他要素，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，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。

Claims

1.一种多普勒周跳探测方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的多普勒周跳探测方法，其特征在于，所述计算所述待检测量与所述数据集的原始中位数的差值绝对值，当所述差值绝对值大于第一阈值时，将该待检测量作为离群点在数据集中剔除的步骤，还包括：

3.如权利要求1所述的多普勒周跳探测方法，其特征在于，所述第二阈值与对应所述跟踪通道得到的载波相位观测量的载波波长成正比。

4.如权利要求3所述的多普勒周跳探测方法，其特征在于，所述第二阈值根据对应所述跟踪通道的载波相位观测量的载波波长、卫星高度角、载噪比获得。

5.如权利要求4所述的多普勒周跳探测方法，其特征在于，所述第二阈值为βⁱ(3·λⁱ)，其中λⁱ为对应的第i个跟踪通道的载波波长，βⁱ为根据对应的第i个跟踪通道的卫星高度角、载噪比获得的比例系数。

6.如权利要求1所述的多普勒周跳探测方法，其特征在于，所述多个跟踪通道中至少两个所述跟踪通道获得的载波相位观测量的波长不相同，并且对应于该至少两个所述跟踪通道的待检测量均变换为以米为单位的量。

7.一种多普勒周跳探测系统，其特征在于，用于根据权利要求1-6中任意一项所述的多普勒周跳探测方法进行载波相位观测量的周跳探测。