CN114690220A - 一种监测数据实时解算星历异常处理方法 - Google Patents

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刘奇
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赵健
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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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    • G01S19/37—Hardware or software details of the signal processing chain
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    • G01S19/27—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system creating, predicting or correcting ephemeris or almanac data within the receiver

Abstract

本发明公开了一种监测数据实时解算星历异常处理方法，它包括：步骤1、分别通过各个分析中心和GNSS变形监测的接收机获取实时广播星历数据；步骤2、将两种方式获取的实时广播星历数据分别通过动静态自适应Kalman滤波算法进行星历融合；步骤3、融合后进行存储，经过星历异常检验及处理，筛选最优星历，得到能在变形监测工程中实时使用的星历；解决了现有技术采用广播星历存在的大型工程中，总是会不可避免地遇到星历异常问题，而广播星历的误差会对GPS定位精度产生严重影响等技术问题。

Description

一种监测数据实时解算星历异常处理方法
技术领域
本发明属于数据处理技术，尤其涉及一种监测数据实时解算星历异常处理方法。
背景技术
全球卫星定位系统在如今各个领域中发挥着日益广泛的作用。为了根据GNSS卫星观测数据计算用户位置，必须精确明确卫星观测时刻的空间位置坐标。卫星星历是GNSS卫星在每个时刻的空间位置数据列表，可以分为广播星历和精密星历。其中广播星历为预报星历，可以用来计算出任意时刻的卫星位置及其速度。精密星历为事后星历，是全球卫星跟踪站汇总每个站的卫星数据后经过严密的计算得到的，其精度高于广播星历。
卫星星历是卫星定位的基础和前提，其精度将会直接影响到定位结果和准确度。GPS广播星历虽然精度较精密星历低，但因为其具有实时、易获取的特点，对于实时导航的用户而言是能够正常定位导航的前提。之前有学者已对广播星历的轨道误差做出了详细分析。目前广播星历已经被众多实时导航和定位用户所使用。
目前监测工程中广播星历实时获取主要有两种方式，一是接收网上各个分析中心的实时广播星历数据(包括products.igs-ip.net、 rt.igs.org等)，再将其融合得到广播星历实时融合流；二是将用于 GNSS变形监测的接收机本身接收到的星历融合得到的广播星历实时接收流。但是两种方式都存在不稳定因素，第一种广播星历实时融合流会不可避免地遇到网络延迟、播发延迟甚至网络传输故障问题；第二种广播星历实时接收流因为依赖于接收机，所以可能会遇到设备没电、设备网络信号不好甚至设备遭到人为破坏等问题。每一种问题对于实时变形监测工程来说都是致命的。此外，广播星历在上传、调制、下载的过程中也可能会遇到各种异常，不同接收机的性能差异和所在位置的不同也可能会造成广播星历的异常。在实时变形监测项目中，我们无法实时去分析哪个卫星星历出现异常。在实际应用中，总是会不可避免地遇到星历异常问题，而广播星历的误差会对GPS定位精度产生严重影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种监测数据实时解算星历异常处理方法，以解决现有技术采用广播星历，在大型工程中总是会不可避免地遇到星历异常问题，而广播星历的误差会对GPS定位精度产生严重影响等技术问题。
本发明技术：
一种监测数据实时解算星历异常处理方法，它包括：
步骤1、分别通过各个分析中心和GNSS变形监测的接收机获取实时广播星历数据；
步骤2、将两种方式获取的实时广播星历数据分别通过动静态自适应Kalman滤波算法进行星历融合；
步骤3、融合后进行存储，经过星历异常检验及处理，筛选最优星历，得到能在变形监测工程中实时使用的星历。
骤2所述通过动静态自适应Kalman滤波算法进行星历融合的方法包括：
步骤2.1、建立载波相位双差观测方程组，针对方程组的非线性，进行线性化；
步骤2.2、采用扩展卡尔曼滤波(Externed Kalman Filter，EKF) 的先验估计过程进行融合处理。
所述采用扩展卡尔曼滤波的先验估计过程进行融合处理的方法具体包括：
步骤2.1.1、若当前历元为首历元，则先验估计状态矩阵及协方差矩阵根据等式(1)、(2)进行更新；
Xk＝[xp，r yp，r zp，r N1 N2 ... NN]T (1)
Figure RE-GDA0003621469360000031
式中：xp，r、yp，r、zp，r为当前历元的监测站单点三维位置坐标；Sx、 Sy、Sz分别为状态矩阵三维坐标误差标准差，Ni为基于共视卫星i的单差整周模糊度初始值；
Figure RE-GDA0003621469360000032
为基于Ni的误差方差值；
步骤2.1.2、若当前历元为非首历元，且基于步骤2.1.5根据方差变化法判断当前历元未满足收敛要求，则将先验估计状态矩阵及协方差矩阵根据等式(3)、(4)进行更新；
Figure RE-GDA0003621469360000033
Figure RE-GDA0003621469360000034
其中，xk-1，r、yk-1，r、zk-1，r为k-1历元的三维位置估计值；
Figure RE-GDA0003621469360000035
表示 k-1历元状态后验估计的协方差矩阵；
步骤2.1.3、若当前历元为非首历元，且基于步骤2.1.5根据方差变化法判断当前历元满足收敛要求，则将先验估计状态矩阵及协方差矩阵根据等式(5)、(6)进行更新；
Xk＝[xp，r yp，r zp，r Nk-1，1 Nk-1，2 ... Nk-1，N]T (5)
Figure RE-GDA0003621469360000036
其中，Nk-1，i为k-1历元基于共视卫星i的单差整周模糊度估计值；
Figure RE-GDA0003621469360000037
为基于Nk-1，i的误差方差值；
步骤2.1.4、求解当前历元的三维位置固定解；
步骤2.1.5、对解算结果形成的时间序列进行收敛性判断；若当前历元判断收敛，则输出收敛结果；否则，进入下一历元解算。
步骤2.1.4所述求解当前历元的三维位置固定解的方法为：采用最小二乘模糊度平差算法(Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment algorithm,LAMBDA)搜索整周模糊度进行求解。
步骤2.1.5所述的收敛性判断通过方差变化法实现。
步骤3所述融合后进行存储，经过星历异常检验及处理的方法为接收到融合后的到广播星历实时融合流和广播星历实时接收流之后，验证其中是否有错误的卫星星历；采用求解标准单点定位的办法来验证星历异常问题，采用全球定位系统加北斗卫星导航系统的双系统实现。
所述采用求解标准单点定位的办法来验证星历异常问题，采用全球定位系统加北斗卫星导航系统的双系统实现的方法为：采用原始接收到的GPS+BDS双系统的星历组成伪距观测误差方程形成法方程，处理完成所有观测值的观测方程，然后解算法方程，若有解，判断解的历元数是否大于观测数据历元数的1/2及解的标准偏差是否小于 1000米；若满足则输出解；若不满足，则分别计算只有GPS或BDS 单系统的法方程，筛选出最优星历。
计算只有GPS或BDS单系统的法方程筛选出最优星历的方法为：若BDS有解，则接下来逐次移除GPS卫星来尝试双系统能否有解，如果双系统有解，则输出解作为筛选出的最优星历；若GPS有解，则接下来逐次移除BDS卫星来尝试双系统能否有解，如果双系统有解，则输出解作为筛选出的最优星历。
逐次移除GPS卫星或BDS卫星的方法为：采用基于ROOTA和健康状态标识的BDS卫星轨道机动快速探测方法，探测卫星轨道机动时段及调控时长，根据探测结果剔除相应的轨道卫星。
本发明的有益效果：
本发明一种监测数据实时解算星历异常处理方法，当变形监测系统实时应用发生星历异常时，通过单点定位解算，该方法通过计算不同来源的星历的单点定位解，以其可用性和精度指标作为判定标准，具体剔除异常的系统星历或异常的卫星；保证后续监测解算的顺利进行。
本发明的关键是在获取到不同渠道的星历并进行星历融合后，通过单点定位解及其可用性的判别筛选更好的星历，并根据实时的星历状态做出选择，即可进行后续的监测解算。
解决了现有技术采用广播星历存在的大型工程中，总是会不可避免地遇到星历异常问题，而广播星历的误差会对GPS定位精度产生严重影响等技术问题。
附图说明
图1为本发明变形监测星历处理流程示意图；
图2为本发明星历异常处理流程示意图。
具体实施方式
一种监测数据实时解算星历异常处理方法，它包括:
设计一种具有普遍适用性、能实时稳定运行的方法来解决这一问题，具体的实现流程如下：
(1)分别通过各个分析中心和GNSS变形监测的接收机获取实时广播星历数据；
(2)将两种方式获取的实时广播星历数据分别通过动静态自适应Kalman滤波算法进行星历融合，融合的具体步骤如下：
1)建立载波相位双差观测方程组，针对方程组的非线性，进行线性化；
2)采用扩展卡尔曼滤波(Externed Kalman Filter，EKF)的先验估计过程进行处理，分为3种情况：
①若当前历元为首历元，则先验估计状态矩阵及其协方差矩阵根据等式(1)、(2)进行更新；
Xk＝[xp，r yp，r zp，r N1 N2 ... NN]T (1)
Figure RE-GDA0003621469360000061
其中，xp，r、yp，r、zp，r为当前历元的监测站单点三维位置坐标；Sx、Sy、Sz分别为状态矩阵三维坐标误差标准差，Ni为基于共视卫星i的单差整周模糊度初始值；
Figure RE-GDA0003621469360000062
为基于Ni的误差方差值。
②若当前历元为非首历元，且基于步骤⑤，根据方差变化法判断当前历元未满足收敛要求，则将先验估计状态矩阵及其协方差矩阵根据等式(3)、(4)进行更新；
Figure RE-GDA0003621469360000063
Figure RE-GDA0003621469360000064
其中，xk-1，r、yk-1，r、zk-1，r为k-1历元的三维位置估计值；
Figure RE-GDA0003621469360000071
表示k-1 历元状态后验估计的协方差矩阵。
③若当前历元为非首历元，且基于步骤⑤，根据方差变化法判断当前历元满足收敛要求，则将先验估计状态矩阵及其协方差矩阵根据等式(5)、(6)进行更新；
Xk＝[xp，r yp，r zp，r Nk-1，1 Nk-1，2 ... Nk-1，N]T (5)
Figure RE-GDA0003621469360000072
其中，Nk-1，i为k-1历元基于共视卫星i的单差整周模糊度估计值；
Figure RE-GDA0003621469360000073
为基于Nk-1，i的误差方差值。
④采用最小二乘模糊度平差算法(Least-squares AMBiguity DecorrelationAdjustment algorithm，LAMBDA)搜索整周模糊度，得到当前历元的三维位置固定解；
⑤保存解算结果，对解算结果形成的时间序列通过方差变化法进行收敛性判断。若当前历元判断收敛，则输出收敛结果。否则，进入下一历元解算。
(3)将两种方式获取的实时广播星历数据分别融合存储，经过星历异常检验及处理，筛选最优星历，得到能在变形监测工程中实时使用的星历，具体步骤如下：
1)当接收到融合后的到广播星历实时融合流和广播星历实时接收流之后，首先要验证其中是否有错误的卫星星历。常用的星历异常探测方法有粗差探测法、一致性探测法、基于伪距OMC探测法等。其中粗差探测法可以有效捕捉到超出阈值的异常星历，但对于偏离真值但仍在阈值内的则不具备探测能力；一致性探测法可以对粗差探测法遗漏的异常数据进行实时探测，但前三个历元数据必须至少有一个历元正常；基于伪距OMC探测法可以应对前三个历元的数据都异常的情况，但必须要求观测到的卫星一半以上正常，并且实时应用性不足。
考虑到变形监测的实时性需要，本发明采用求解标准单点定位 (Standard PointPositioning,SPP)的办法来简单高效地验证星历异常问题。验证流程如图2所示，因为实际应用中多系统全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System，GNSS)星历异常检验过于复杂，本发明采用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)加北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)双系统实现。
2)首先，采用原始接收到的GPS+BDS双系统的星历组成伪距观测误差方程，形成法方程，处理完成所有观测值的观测方程，然后解算法方程，若有解，判断解的历元数是否大于观测数据历元数的1/2 及解的标准偏差是否小于1000米(这里的1/2和1000为人为设置的阈值，目的是排除星历错误但仍有解、部分时段星历错误但仍有解等其他情况)，若满足则输出解，作为筛选出的最优星历；若不满足，则分别计算只有GPS或BDS单系统的法方程，筛选出最优星历。
3)若BDS有解，则接下来逐次移除GPS卫星来尝试双系统能否有解，如果双系统有解，则输出解作为筛选出的最优星历；
4)若GPS有解，则接下来逐次移除BDS卫星来尝试双系统能否有解，如果双系统有解，则输出解作为筛选出的最优星历。
举例说明，若剔除G01、G02后SPP解算正常也能通过阈值检验，那么便可以输出有问题的卫星和解算结果。单GPS有解也是类似操作，但由于GPS卫星分轨道的特殊性，BDS的地球静止轨道卫星(GEO) 和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)存在较频繁的轨道机动，因此，需要探测轨道机动并剔除，本发明采用基于ROOTA和健康状态标识的 BDS卫星轨道机动快速探测方法，快速探测卫星轨道机动时段及调控时长，根据探测结果剔除相应的轨道卫星，然后同BDS有解计算方式一样进行解算。

Claims (9)

1.一种监测数据实时解算星历异常处理方法，它包括：
步骤1、分别通过各个分析中心和GNSS变形监测的接收机获取实时广播星历数据；
步骤2、将两种方式获取的实时广播星历数据分别通过动静态自适应Kalman滤波算法进行星历融合；
步骤3、融合后进行存储，经过星历异常检验及处理，筛选最优星历，得到能在变形监测工程中实时使用的星历。
2.根据权利要求1所述的一种监测数据实时解算星历异常处理方法，其特征在于：步骤2所述通过动静态自适应Kalman滤波算法进行星历融合的方法包括：
步骤2.1、建立载波相位双差观测方程组，针对方程组的非线性，进行线性化；
步骤2.2、采用扩展卡尔曼滤波(Externed Kalman Filter，EKF)的先验估计过程进行融合处理。
3.根据权利要求2所述的一种监测数据实时解算星历异常处理方法，其特征在于：所述采用扩展卡尔曼滤波的先验估计过程进行融合处理的方法具体包括：
步骤2.1.1、若当前历元为首历元，则先验估计状态矩阵及协方差矩阵根据等式(1)、(2)进行更新；
Xk＝[xp，r yp，r zp，r N1 N2 ... NN]T (1)
Figure FDA0003325794480000021
式中：xp，r、yp，r、zp，r为当前历元的监测站单点三维位置坐标；Sx、Sy、Sz分别为状态矩阵三维坐标误差标准差，Ni为基于共视卫星i的单差整周模糊度初始值；
Figure FDA0003325794480000022
为基于Ni的误差方差值；
步骤2.1.2、若当前历元为非首历元，且基于步骤2.1.5根据方差变化法判断当前历元未满足收敛要求，则将先验估计状态矩阵及协方差矩阵根据等式(3)、(4)进行更新；
Figure FDA0003325794480000027
(3)
Figure FDA0003325794480000023
其中，xk-1，r、yk-1，r、zk-1，r为k-1历元的三维位置估计值；
Figure FDA0003325794480000024
表示k-1历元状态后验估计的协方差矩阵；
步骤2.1.3、若当前历元为非首历元，且基于步骤2.1.5根据方差变化法判断当前历元满足收敛要求，则将先验估计状态矩阵及协方差矩阵根据等式(5)、(6)进行更新；
Xk＝[xp，r yp，r zp，r Nk-1，2 ... Nk-1，N]T (5)
Figure FDA0003325794480000025
其中，Nk-1，i为k-1历元基于共视卫星i的单差整周模糊度估计值；
Figure FDA0003325794480000026
为基于Nk-1，i的误差方差值；
步骤2.1.4、求解当前历元的三维位置固定解；
步骤2.1.5、对解算结果形成的时间序列进行收敛性判断；若当前历元判断收敛，则输出收敛结果；否则，进入下一历元解算。
4.根据权利要求1所述的一种监测数据实时解算星历异常处理方法，其特征在于：步骤2.1.4所述求解当前历元的三维位置固定解的方法为：采用最小二乘模糊度平差算法(Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment algorithm,LAMBDA)搜索整周模糊度进行求解。
5.根据权利要求3所述的一种监测数据实时解算星历异常处理方法，其特征在于：步骤2.1.5所述的收敛性判断通过方差变化法实现。
6.根据权利要求1所述的一种监测数据实时解算星历异常处理方法，其特征在于：步骤3所述融合后进行存储，经过星历异常检验及处理的方法为接收到融合后的到广播星历实时融合流和广播星历实时接收流之后，验证其中是否有错误的卫星星历；采用求解标准单点定位的办法来验证星历异常问题，采用全球定位系统加北斗卫星导航系统的双系统实现。
7.根据权利要求6所述的一种监测数据实时解算星历异常处理方法，其特征在于：所述采用求解标准单点定位的办法来验证星历异常问题，采用全球定位系统加北斗卫星导航系统的双系统实现的方法为：采用原始接收到的GPS+BDS双系统的星历组成伪距观测误差方程形成法方程，处理完成所有观测值的观测方程，然后解算法方程，若有解，判断解的历元数是否大于观测数据历元数的1/2及解的标准偏差是否小于1000米；若满足则输出解；若不满足，则分别计算只有GPS或BDS单系统的法方程，筛选出最优星历。
8.根据权利要求7所述的一种监测数据实时解算星历异常处理方法，其特征在于：计算只有GPS或BDS单系统的法方程筛选出最优星历的方法为：若BDS有解，则接下来逐次移除GPS卫星来尝试双系统能否有解，如果双系统有解，则输出解作为筛选出的最优星历；若GPS有解，则接下来逐次移除BDS卫星来尝试双系统能否有解，如果双系统有解，则输出解作为筛选出的最优星历。
9.根据权利要求7所述的一种监测数据实时解算星历异常处理方法，其特征在于：逐次移除GPS卫星或BDS卫星的方法为：采用基于ROOTA和健康状态标识的BDS卫星轨道机动快速探测方法，探测卫星轨道机动时段及调控时长，根据探测结果剔除相应的轨道卫星。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116559915A (zh) * 2023-07-10 2023-08-08 北京路凯智行科技有限公司 用于矿山卫星导航定位的卫星星历注入方法
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