CN114002727A - 非组合载波相位历元间差分测速方法、系统、装置及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非组合载波相位历元间差分测速方法、系统、装置及介质，其中方法包括：获取卫星的观测数据，所述观测数据包括载波相位和卫星高度角；对获得的所述观测数据进行预处理和误差修正；根据修正后的所述载波相位的观测值构建非组合多频多系统的相位历元间差分法的测速观测方程，其中将电离层延迟误差作为估计参数；根据所述卫星高度角进行定权，构建随机模型；根据所述测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差。本发明基于原始的载波相位观测值，将电离层延迟误差参数化，结合卫星高度角，实现高精度接收机的速度估计，同时保留电离层延迟参数，为地球物理研究提供了观测数据，可广泛应用于卫星测量领域。

Description

非组合载波相位历元间差分测速方法、系统、装置及介质

技术领域

本发明涉及卫星测量领域，尤其涉及一种非组合载波相位历元间差分测速方法、系统、装置及介质。

背景技术

速度是描述物体运动状态的重要参数。全球卫星导航定位系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)的不断发展，提供了一种全新的高精度测速方法。相比于传统激光、声波、雷达测速等测速方法，GNSS测速具有全天候、实时连续、全球覆盖的特点，除了在智能交通、无人驾驶、精细农业等领域取得广泛应用之外，还被应用于同震位移监测、地表形变过程研究等多个领域。

GNSS测速主要有位置差分法、原始多普勒值法以及相位历元间差分法(Time-Differenced Carrier Phase，TDCP)。位置差分法是通过对定位结果求差获取速度，测速精度受定位结果影响较大；原始多普勒值法则通过构建速度观测模型解算载体瞬时速度，受多普勒观测值精度影响，其测速精度一般为cm/s至dm/s级，且部分低成本GNSS接收机无法输出该类型观测值；TDCP通过载波相位历元间差分，消除了模糊度参数，同时也消弱了大气延迟的影响，当采样率较高时(≥1Hz)测速精度可达mm/s级，已在车辆实时导航、海浪海啸测量以及地震位移监测等方面取得了广泛应用。

近年来，GPS现代化，BDS全球组网完成，GLONASS和Galileo不断完善，使得可见卫星数和信号频率大幅增加，不仅增强了卫星空间几何构型强度，同时也提高了参数解算的稳定性，有助于进一步提高GNSS测速精度。但是当前TDCP测速主要采用单频或双频无电离层组合的方法，不利于拓展至多频数据处理

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种非组合载波相位历元间差分测速方法、系统、装置及介质。

本发明所采用的技术方案是：

一种非组合载波相位历元间差分测速方法，包括以下步骤：

获取GNSS系统中卫星的观测数据，所述观测数据包括载波相位和卫星高度角；

对获得的所述观测数据进行预处理和误差修正；

根据修正后的所述载波相位的观测值构建非组合多频多系统的相位历元间差分法的测速观测方程，其中将电离层延迟误差作为估计参数；

根据所述卫星高度角进行定权，构建随机模型；

根据所述测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差。

进一步，所述对获得的所述观测数据进行预处理和误差修正，包括：

对所述观测数据进行质量探测，剔除信噪比低的观测数据以及含有周跳和粗差的观测数据；

采取对流层模型和卫星天线相位中心改正模型对所述观测数据进行误差修正，获得修正后的观测数据。

进一步，所述测速观测方程的表达式如下：

其中，s表示GNSS系统；i表示卫星号；r表示接收机；f表示载波频率；ΔL为历元间载波相位观测值之差；Δρ表示相邻历元卫星到接收机的几何距离变化量；c表示真空中的光速；Δt_r表示接收机钟速；Δt表示卫星钟速；ΔT为对流层延迟变化量；ΔI表示电离层延迟的变化量；

为电离层系数；Δε表示多路径和观测噪声；i∈[1,sn]，f_n∈[1,Fn]，sn表示卫星个数，Fn表示频率数。

进一步，相邻历元卫星到接收机的几何距离变化量Δρ的表达式如下：

式中，t_j、t_j-1代表相邻两个历元；

表示接收机r到第i号卫星的单位方向矢量；R^s,i、r分别第i号卫星与接收机r的坐标向量；Δr为接收机前后历元位置变化量。

进一步，构建的随机模型的表达式如下：

其中，e表示卫星高度角，α表示卫星截止高度角，thre表示阈值；α∈[0,thre]。

进一步，所述根据所述测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差，包括：

将电离层延迟误差作为待估参数，根据所述测速观测方程和随机模型，采用最小二乘估计方法获取接收机的三维速度以及电离层延迟的变化量。

进一步，将电离层延迟误差作为待估参数，则第i号卫星第f_n频率的误差观测方程如下：

其中，

表示第i号卫星第f_n频率上观测值残差；

表示第i号卫星第f_n频率上观测值与计算值之差；

表示第f_n频率的波长；待求参数包括接收机前后历元位置变化量Δr、前后历元种差变化量Δt_r、电离层延迟

当卫星数量达到4颗或者4颗以上时，可解算出待求参数，以获得接收机的位置变化量与电离层延迟的变化量。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种非组合载波相位历元间差分测速系统，包括：

数据采集模块，用于获取GNSS系统中卫星的观测数据，所述观测数据包括载波相位和卫星高度角；

数据修正模块，用于对获得的所述观测数据进行预处理和误差修正；

构建方程模块，用于根据修正后的所述载波相位的观测值构建非组合多频多系统的相位历元间差分法的测速观测方程，其中将电离层延迟误差作为估计参数；

构建模型模块，用于根据所述卫星高度角进行定权，构建随机模型；

速度求解模块，用于根据所述测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种非组合载波相位历元间差分测速装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明基于原始的载波相位观测值，将电离层延迟误差参数化，结合卫星高度角，实现高精度接收机的速度估计，提高测速精度及其稳健性，同时有效保留了电离层延迟参数，为地震监测等地球物理研究提供了更丰富的观测数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种非组合载波相位历元间差分测速方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中多频多系统载波相位历元差分测速方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种非组合载波相位历元间差分测速方法，包括以下步骤：

S1、获取GNSS系统中卫星的观测数据，观测数据包括载波相位和卫星高度角。

针对全球GNSS系统，采集多频多系统的GNSS伪距、载波相位等观测数据以及广播星历。

S2、对获得的观测数据进行预处理和误差修正。

其中，步骤S2包括步骤S21-S22：

S21、对观测数据进行质量探测，剔除信噪比低的观测数据以及含有周跳和粗差的观测数据。

在本实施例中，周跳探测采用经典的TurboEdit方法，选择信噪比高的观测数据参与后续参数解算。在进行载波相位历元间差分测速时，当前历元计算所需的广播星历数据块应与前一历元保持相同，以防止星历更换导致卫星轨道和钟差跳变。

S22、采取对流层模型和卫星天线相位中心改正模型对观测数据进行误差修正，获得修正后的观测数据。

采用Saastamoinen模型和igs天线文件分别改正对流层干延迟和天线相位中心偏差及其变化量。

S3、根据修正后的载波相位的观测值构建非组合多频多系统的相位历元间差分法的测速观测方程，其中将电离层延迟误差作为估计参数。

基于步骤S2误差修正后的载波相位观测值，构建非组合多频多系统TDCP测速观测方程：

其中，s表示GNSS系统；i表示卫星号；r表示接收机；f表示载波频率；ΔL为历元间载波相位观测值之差；Δρ表示相邻历元卫星到接收机的几何距离变化量；c表示真空中的光速；Δt_r表示接收机钟速；Δtⁱ表示卫星钟速；ΔT为对流层延迟变化量；ΔI表示电离层延迟的变化量；

为电离层系数；Δε表示多路径和观测噪声；i∈[1,sn],f_n∈[1,Fn],sn＝40表示卫星个数，Fn＝3表示频率数。

其中，式(1)中的

可以表示如下：

式中，t_j、t_j-1代表相邻两个历元；

表示接收机r到第i号卫星的单位方向矢量；R^s,i、r分别第i号卫星与接收机r的坐标向量；Δr为接收机前后历元位置变化量。

S4、根据卫星高度角进行定权，构建随机模型。

随机模型的表达式如下所示：

式中，e表示卫星高度角；α表示卫星截止高度角，α∈[0,thre]，thre＝30°表示阈值。

S5、根据测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差。

将电离层误差当做待估参数，采用最小二乘估计方法解算出载体(即接收机，用于接收卫星信号)三维速度与电离层参数。将电离层延迟误差作为待估参数，则第i号卫星第f_n频率的误差观测方程如下：

式中，

表示第i号卫星第f_n频率上观测值残差；

表示第i号卫星第f_n频率上观测值与计算值之差；；

表示第f_n频率的波长；待求参数包括载体位置变化量Δr、前后历元种差变化量Δt_r、电离层延迟

当观测卫星数量达到4颗及以上时，采用最小二乘估计方法则可解算出载体位置变化量与电离层延迟的变化量。

最后，进一步可求出历元t_j和t_j-1之间的平均速度vel。

式中，Δr为载体位置变化量；t_j、t_j-1代表相邻两个历元；vel为载体三维速度。

本实施例还提供一种非组合载波相位历元间差分测速系统，包括：

数据采集模块，用于获取GNSS系统中卫星的观测数据，所述观测数据包括载波相位和卫星高度角；

数据修正模块，用于对获得的所述观测数据进行预处理和误差修正；

构建方程模块，用于根据修正后的所述载波相位的观测值构建非组合多频多系统的相位历元间差分法的测速观测方程，其中将电离层延迟误差作为估计参数；

构建模型模块，用于根据所述卫星高度角进行定权，构建随机模型；

速度求解模块，用于根据所述测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差。

本实施例的一种非组合载波相位历元间差分测速系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种非组合载波相位历元间差分测速方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本实施例还提供一种非组合载波相位历元间差分测速装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图1所示方法。

本实施例的一种非组合载波相位历元间差分测速装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种非组合载波相位历元间差分测速方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。

本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种非组合载波相位历元间差分测速方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，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，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案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)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种非组合载波相位历元间差分测速方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取GNSS系统中卫星的观测数据，所述观测数据包括载波相位和卫星高度角；

对获得的所述观测数据进行预处理和误差修正；

根据修正后的所述载波相位的观测值构建非组合多频多系统的相位历元间差分法的测速观测方程，其中将电离层延迟误差作为估计参数；

根据所述卫星高度角进行定权，构建随机模型；

根据所述测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差。

2.根据权利要求1所述的一种非组合载波相位历元间差分测速方法，其特征在于，所述对获得的所述观测数据进行预处理和误差修正，包括：

对所述观测数据进行质量探测，剔除信噪比低的观测数据以及含有周跳和粗差的观测数据；

采取对流层模型和卫星天线相位中心改正模型对所述观测数据进行误差修正，获得修正后的观测数据。

3.根据权利要求1所述的一种非组合载波相位历元间差分测速方法，其特征在于，所述测速观测方程的表达式如下：

其中，s表示GNSS系统；i表示卫星号；r表示接收机；f表示载波频率；ΔL为历元间载波相位观测值之差；Δρ表示相邻历元卫星到接收机的几何距离变化量；c表示真空中的光速；Δt_r表示接收机钟速；Δt表示卫星钟速；ΔT为对流层延迟变化量；ΔI表示电离层延迟的变化量；

为电离层系数；Δε表示多路径和观测噪声；i∈[1,sn]，f_n∈[1,Fn]，sn表示卫星个数，Fn表示频率数。

4.根据权利要求3所述的一种非组合载波相位历元间差分测速方法，其特征在于，相邻历元卫星到接收机的几何距离变化量Δρ的表达式如下：

式中，t_j、t_j-1代表相邻两个历元；

表示接收机r到第i号卫星的单位方向矢量；R^s,i、r分别第i号卫星与接收机r的坐标向量；Δr为接收机前后历元位置变化量。

5.根据权利要求1所述的一种非组合载波相位历元间差分测速方法，其特征在于，构建的随机模型的表达式如下：

其中，e表示卫星高度角，α表示卫星截止高度角，thre表示阈值；α∈[0,thre]。

6.根据权利要求4所述的一种非组合载波相位历元间差分测速方法，其特征在于，所述根据所述测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差，包括：

将电离层延迟误差作为待估参数，根据所述测速观测方程和随机模型，采用最小二乘估计方法获取接收机的三维速度以及电离层延迟的变化量。

7.根据权利要求6所述的一种非组合载波相位历元间差分测速方法，其特征在于，将电离层延迟误差作为待估参数，则第i号卫星第f_n频率的误差观测方程如下：

其中，

表示第i号卫星第f_n频率上观测值残差；

表示第i号卫星第f_n频率上观测值与计算值之差；待求参数包括接收机前后历元位置变化量Δr、前后历元种差变化量Δt_r、电离层延迟

当卫星数量达到4颗或者4颗以上时，可解算出待求参数，以获得接收机的位置变化量与电离层延迟的变化量。

8.一种非组合载波相位历元间差分测速系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于获取GNSS系统中卫星的观测数据，所述观测数据包括载波相位和卫星高度角；

数据修正模块，用于对获得的所述观测数据进行预处理和误差修正；

构建方程模块，用于根据修正后的所述载波相位的观测值构建非组合多频多系统的相位历元间差分法的测速观测方程，其中将电离层延迟误差作为估计参数；

构建模型模块，用于根据所述卫星高度角进行定权，构建随机模型；

速度求解模块，用于根据所述测速观测方程和随机模型，计算接收机的三维速度以及电离层延迟误差。

9.一种非组合载波相位历元间差分测速装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-7任一项所述方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7任一项所述方法。

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