CN115201872A - 一种基于选星的gnss伪距粗差探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法，根据卫星观测数据和星历获取卫星位置、第一测站坐标及信噪比，通过卫星位置及所述第一测站坐标计算卫星高度角；获取卫星高度角高于预设高度角阈值及信噪比高于预设信噪比阈值的卫星集，并根据信噪比从大到小排序来排序所述卫星集；当卫星集的卫星数值大于四；至少获取卫星集中的卫星进行定位，获取第二测站坐标；根据第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行伪距粗差探测。还公开了一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法系统。可以使得低成本设备在复杂环境下仍能提供较为精准的定位数据，提高了低成本设备的性能及使用范围。

Description

一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法及系统

技术领域

本发明涉及定位终端选星伪距粗差探测技术领域，特别涉及一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法及系统。

背景技术

在现有技术中，低成本设备在复杂环境下定位终端开机、过长隧道后首次定位或者定位终端长时间处于复杂环境等。在这几种情况下容易发生较大的偏移现象，且容易造成长时间偏移。

现有发明专利公开号CN110398758A的中国专利《实时钟差估计中的粗差探测方法、系统、设备及存储介质》、公开号CN108919321A的中国专利《一种基于尝试法的GNSS定位粗差探测方法》以及公开号CN110398758A的中国专利《实时钟差估计中的粗差探测方法、系统、设备及存储介质》都是在解决已有位置初值并通过位置初值获取到相对准确的残差序列后进行的粗差探测，然而未说明在没有位置初值时如何获取残差序列，如何进行粗差探测。而论文《基于等价方差-协方差的粗差探测敏感度分析及实现》、《观测数据中的粗差定位与定值算法》以及《粗差检测与抗差估计相结合的方法在动态相对定位中的应用》等对获取到残差序列后进行粗差探测的方法进行描述，但都未提及在初始历元未能获取测站初始值或者偏离较远时残差序列如何获取，如果以零值作为初值得到残差序列，那当前粗差探测的方法无法适用。综上所述，现有技术中，还未存在一种“首历元”进行粗差探测技术方案。

发明内容

基于上述情况，本发明提出了一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法。该方法的理论基础在于粗差与信噪比之间有一定的关联性，信噪比越高发生粗差的概率越低。在此基础上，首历元可通过信噪比选取一定数目的卫星 (初步认为大概率是干净的)进行无粗差探测的最小二乘单点定位，该单点定位成功则以该单点定位的结果作为初值对该历元所有卫星伪距观测值进行粗差探测，如失败则视为该历元定位失败，进行下一个历元定位解算。

本发明公开了一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法，根据卫星观测数据和星历获取卫星位置、第一测站坐标及信噪比，通过卫星位置及所述第一测站坐标计算卫星高度角；获取卫星高度角高于预设高度角阈值及信噪比高于预设信噪比阈值的卫星集，并根据所述信噪比从大到小排序来排序所述卫星集；判断所述卫星集的卫星数值是否大于四；若是，至少获取所述卫星集中排序前五的卫星进行无粗差单点定位，获取第二测站坐标；根据所述第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行伪距粗差探测。

当卫星信噪比相同时，按照所述高度角由高到低排序获取卫星集。

获取第二测站坐标前，需要采用3σ原则进行粗差探测，以使得残差序列可以满足正态分布。

对第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行粗差探测，可以获取第三测站坐标以及剔除含粗差的卫星观测数据。

获得第三测站坐标以及剔除含粗差的卫星观测数据包括：使用伪距残差计算公式获得v_i：

其中：v_i为GNSS设备观测到的第i颗星的伪距残差，(x_i,yi,z_i)为第i颗星的卫星位置，(x,y,z)为测站坐标的最小二乘迭代初值，δ为接收机钟差；再采用残差序列v_i计算序列的平均值vmean和标准差vstd，计算公式如下：

取残差序列v_i的中位值vm，其是将残差序列v_i从大到小排序，取第(n-1)/2位获得的；其中粗差判断准则为：当|v_i-vm|＞3*vstd时予以标记并剔除，以获取伪距观测值无粗差的卫星集，并基于该卫星集进行伪距最小二乘单点定位解算，获取第三测站坐标。

本发明还公开了一种基于选星的GNSS伪距粗差探测系统，包括卫星数据获取模块、卫星集筛选模块、定位处理模块以及粗差探测模块；各个模块信号连接；卫星数据获取模块根据卫星观测数据和星历获取卫星位置、第一测站坐标及信噪比，通过卫星位置及第一测站坐标计算卫星高度角；卫星集筛选模块获取卫星高度角高于预设高度角阈值及信噪比高于预设信噪比阈值的卫星集，并根据所述信噪比从大到小排序来排序所述卫星集；定位处理模块用于判断卫星集的卫星数值是否大于四；若是，至少获取卫星集中排序前五的卫星进行无粗差单点定位，获取第二测站坐标；根据第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行伪距粗差探测。

本发明公开的一些技术效果在于：针对低成本设备在复杂环境下定位终端开机、过长隧道后首次定位、长时间处于复杂环境下容易发生较大偏移问题，提出了一种选星粗差探测的方法。可以使得低成本设备在复杂环境下仍能提供较为精准的定位数据，提高了低成本设备的性能及使用范围。

附图说明

为更好地理解本公开的技术方案，可参考下列的、用于对现有技术或实施例进行辅助说明的附图。这些附图将对现有技术或本公开部分实施例中，涉及到的产品或方法有选择地进行展示。这些附图的基本信息如下：

图1是本发明的一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法实施例的流程示意图。

图2是本发明的一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法的实施效果图。

图3是本发明的一种基于选星的GNSS伪距粗差探测系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

下文将对本公开涉及的技术手段或技术效果作进一步的展开描述，显然，所提供的实施例仅是本公开的部分实施方式，而并非全部。基于本公开中的实施例以及图文的明示或暗示，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所能获得的所有其他实施例，都将在本公开保护的范围之内。

如图1所示，本实施例中的方法包括步骤:

S1、根据卫星观测数据(包括伪距、信噪比)和星历，获取卫星位置、第一测站坐标及信噪比，并根据卫星位置及第一测站坐标计算卫星高度角；

卫星及星历数据在使用前需要经过筛选。先确认是否有卫星高度角信息，如有则对观测到的卫星进行筛选，排除低于高度角20的卫星；同时排除北斗GEO卫星、短期内上个历元被标记为异常的卫星；主要目的是为了排除部分可疑卫星。卫星高度角计算对第一测站坐标的精度要求非常低，可直接采用所有卫星伪距观测值直接进行最小二乘单点定位解算已获取第一测站坐标；如是短基线,可考虑减少计算量甚至是可以用基准站位置作为第一测站坐标来计算卫星高度角；排除北斗GEO卫星的主要原因是通过星历计算的卫星位置精度相对偏低；而短期内被标记为粗差的卫星则是出于粗差连续性的考虑，一般粗差的发生是一个时间段内的，前面发生粗差，后面发生粗差的概率要比其他卫星高。这里的第一测站坐标(即测站概略三维坐标)，可直接通过对所有卫星伪距观测值进行单点定位，以用于卫星高度角和方位角信息的计算，此时对测站坐标的精度要求较小(偏离上百米或者是上千米对卫星高度角信息的计算影响较小)。

卫星观测数据筛选，原则如下：

1、先确认是否有卫星高度角信息，如有则对观测到的卫星进行筛选，排除低于高度角20的卫星，高度角越低的卫星发生粗差的概率越高。计算卫星高度角时需要有测站位置，此时对测站位置的精度要求非常低，可考虑直接采用所有卫星伪距观测值进行最小二乘单点定位来获取；

2、排除北斗GEO卫星，其通过广播星历获取的卫星位置精度相对偏低；

3、短期内被标记为粗差的卫星，粗差的发生有一定连续性，原存在粗差的卫星在后续产生粗差的概率较高

S2、获取所述卫星高度角高于预设高度角阈值及信噪比高于预设信噪比阈值的卫星集，并根据所述信噪比从大到小排序来排序所述卫星集；

为避免系统间偏差未估算时导致某个系统的卫星整体被判为粗差，首先分系统按照一定条件分别选取一些较优卫星(信噪比及卫星高度角都要高于预设阈值)，然后对选出来的卫星基于信噪比从高到低进行排序，同时排除信噪比低于30的卫星，形成卫星集。当筛选出来的卫星有信噪比相同时，则将其按卫星高度角由高到低排序，并最终获得对应的卫星集；针对系统间偏差而言，有些设备的系统间偏大，如未能估算系统间偏差，容易导致部分 GNSS系统所有卫星都被判为粗差，较优方案为选星时每个系统至少优先选一颗。通过根据观测到的卫星和星历，获得对应卫星位置、第一测站坐标以及相应设备的信噪比，将卫星位置及第一测站坐标进行坐标建模后可以获得对应的卫星高度角和方位角信息。

值得说明的是，在多系统单点定位解算时，需增加系统偏差待估参数，如GPS+BDS，则需增加BDS-GPS系统间偏差待估参数，如GPS+BDS+GAL则需增加BDS-GPS、GAL-GPS系统间偏差待估参数；伪距最小二乘单点在估算系统间偏差待估参数时必须要有相应系统的伪距观测值。根据部分设备的系统间偏差数值较大的现象，其卫星集在选星时应优先按不同卫星系统分别选择其中一颗信噪最高的卫星，然后再确保每个系统有对应卫星的情况下，按照信噪比高度排序依次选取组成卫星集。这样可以跟有效地提高起相应的准确率。

S3、判断所述卫星集的卫星数值是否大于四；若是，至少获取所述卫星集中排序前五的卫星进行无粗差单点定位，获取第二测站坐标；

为了获取一个相对准确的第二测站坐标，将满足定位的基础要求是卫星定位需估算的参数是xyz三维位置加接收机钟差，最少需要五颗卫星及卫星分布的几何构型满足经验值条件才能进行定位。同时，由于暂无法确切的知道哪一颗星可靠哪一颗星不可靠，为了减小选入了含粗差的卫星观测值的概率，则在此阶段在满足定位所需卫星数的基础上需要尽可能少的选择一些卫星参与此阶段的定位解算。这里的第二测站坐标(即测站相对准确的三维坐标)，通过S2步骤筛选的卫星集进行的单点定位，用于S3步骤对所有卫星进行粗差探测，要求测站坐标相对精确，不能有较大偏移(从经验来看至少 10m以内)，偏离太远会导致粗差探测模块误判或者是漏判；

具体可以判是否可选到五颗卫星，则对所选卫星高度角信息进行几何构型dop计算，确认是否满足dop需求，如是则进行下一步，如否则继续选星；对第一步选星进行无粗差探测的最小二乘单点定位，得到第二测站坐标。如定位失败则继续选星，成功则进行下一步；单点定位最少要五颗卫星才能定位，为了尽可能的避免选到含粗差的卫星，此时卫星数越少越好；所以按信噪比从大到小排序逐次增星，按照高度角由高到低排序获取卫星集。一方面可以减少选星是数量，提高整体定位速度及质量；另一方面可以减少对应的定位计算量。dop值计算和最小二乘单点都是常规的基础技术，具体可见谢钢《GPS原理与接收机设计》，此处不展开叙述。

当伪距观测值可靠时，参与解算的卫星数越多定位效果越好。但不排除有选择的卫星集几何构型不满足基本要求的。

S4、根据所述第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行伪距粗差探测。

此步骤主要是基于测站初始值对所有卫星观测值进行粗差剔除，然后进行单点定位以获取更可靠的设备坐标。

基于伪距残差序列的粗差探测是一种基础技术，但与上面的dop值计算和最小二乘有些不一样。此粗差探测是一种横向交叉的技术，需要注意粗差发生的概率，低成本设备伪距粗差发生的概率较大，甚至是在空旷环境中也会存在有含粗差的伪距观测值。而且低信噪比或者低高度角的卫星发生粗差的概率更高；粗差的影响，当粗差未被剔除时单点定位很容易出现上百米的误差，而以该偏离的值作为最小二乘迭代初值对下一个历元进行定位时，容易导致粗差探测模块误判和漏判，从而导致出现整段定位偏移的现象。然后通过基于统计学里的3σ原则对残差序列进行判断，将大于残差序列3σ的值判为粗差。

粗差剔除使用了伪距残差计算公式：

其中：v_i为GNSS设备观测到的第i颗星的伪距残差；(x_i,yi,z_i)为第i颗星的卫星位置，可由广播星历获取(获取方法为常规的基础技术)； (x,y,z)为测站坐标的最小二乘迭代初值，在S4步骤，可采用S3步骤获取到的第二测站坐标；δ为接收机钟差，此为待估参数，可以初值零或者上一个历元的值作为初值代入最小二乘方程组进行解算。如图2所示，左右分别是有没有开启本发明的一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法的实施效果图，左侧为未使用本发明方法的，其检测值出现一些偏移，并且出现部分断点。而右侧使用本发明方法的则相对连贯，且测试值稳定，未出现大的偏移。

以上方法主要目的在于获取一个相对可靠的第二测站坐标，使残差序列可以满足正态分布，采用3σ原则进行粗差探测，保障粗差探测的正确性。需要说明的是无法进行基于3σ原则伪距粗差探测的场景有两个：

1、测站坐标的最小二乘迭代初值在首次定位时一般是采用(0，0，0) 作为初值的，但此时残差普遍都很大，并不符合正态分布特性，此时无法采用3σ准则进行粗差探测；

2、过隧道后，用前一个有效历元作为测站坐标的最小二乘迭代初值则明显偏离较大，此时残差不符合正态分布，直接采用3σ原则对残差进行粗差探测很容易会误判漏判。

粗差剔除采用了残差序列v_i计算序列的平均值vmean和vstd，计算公式如下：

取残差序列v_i的中位值vm，先将残差序列v_i从大到小排序，取第(n-1)/2位即为中位值；

粗差判断准则，当v_i-vm＞3*vstd时，即第i颗星的伪距观测值为粗差，予以标记并剔除，以获取伪距观测值无粗差的卫星集，并基于该卫星集进行伪距最小二乘单点定位解算，以获取更可靠的第三测站坐标。这里的第三测站坐标(测站最终单点定位三维坐标)，经由S4步骤后得到的单点定位坐标 (10m以内，甚至有可能达到5m以内)。

值得说明的是，采用正态分布3σ原则对伪距进行粗差探测的前置条件：

残差符合正态分布，当初值偏离真实值较远时并不一定符合正态分布，正态分布3σ原则为：

数值分布在(μ-σ,μ+σ)中的概率为0.6826

数值分布在(μ-2σ,μ+2σ)中的概率为0.9545

数值分布在(μ-3σ,μ+3σ)中的概率为0.9973

如图3所示，本发明另一本实施例中的一种基于选星的GNSS伪距粗差探测系统:包括卫星数据获取模块、卫星集筛选模块、定位处理模块以及粗差探测模块；各个模块信号连接；卫星数据获取模块根据卫星观测数据和星历获取卫星位置、第一测站坐标及信噪比，通过卫星位置及第一测站坐标计算卫星高度角；卫星集筛选模块获取卫星高度角高于预设高度角阈值及信噪比高于预设信噪比阈值的卫星集，并根据所述信噪比从大到小排序来排序所述卫星集；定位处理模块用于判断卫星集的卫星数值是否大于四；若是，至少获取卫星集中排序前五的卫星进行无粗差单点定位，获取第二测站坐标；根据第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行伪距粗差探测。

一种基于选星的GNSS伪距粗差探测系统实施例的使用内容及条件与本发明方法实施例的使用内容接近，此处不做过多描述。

本领域技术人员可以理解的是，实施例中的全部或部分步骤，可以通过计算机程序来指令相关的硬件实现，该程序可以存储于计算机可读介质中，可读介质可以包括闪存盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取器、磁盘或光盘等各种可以存储程序代码的介质。在一个实施例中，本公开提出了一种计算机可读介质，计算机可读介质中存储有计算机程序，计算机程序由处理模块加载并执行以实现基于选星的GNSS伪距粗差探测方法。

在符合本领域技术人员的知识和能力水平范围内，本文提及的各种实施例或者技术特征在不冲突的情况下，可以相互组合而作为另外一些可选实施例，这些并未被一一罗列出来的、由有限数量的技术特征组合形成的有限数量的可选实施例，仍属于本公开揭露的技术范围内，亦是本领域技术人员结合附图和上文所能理解或推断而得出的。

另外，多数实施例的描述是基于不同的重点而展开的，未详述之处，可参见现有技术的内容或本文的其他相关描述进行理解。

再次强调，上文所列举的实施例，为本公开较为典型的、较佳实施例，仅用于详细说明、解释本公开的技术方案，以便于读者理解，并不用以限制本公开的保护范围或者应用。在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等而获得的技术方案，都应被涵盖在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于选星的GNSS伪距粗差探测方法，其特征在于：根据卫星观测数据和星历获取卫星位置、第一测站坐标及信噪比，通过所述卫星位置及所述第一测站坐标计算卫星高度角；获取所述卫星高度角高于预设高度角阈值及信噪比高于预设信噪比阈值的卫星集，并根据所述信噪比从大到小排序来排序所述卫星集；判断所述卫星集的卫星数值是否大于四；若是，至少获取所述卫星集中排序前五的卫星进行无粗差单点定位，获取第二测站坐标；根据所述第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行伪距粗差探测。

2.根据权利要求1所述的GNSS伪距粗差探测方法，其特征在于：所述卫星集在选星时应优先按不同卫星系统分别选择其中一颗信噪最高的卫星。

3.根据权利要求1所述的GNSS伪距粗差探测方法，其特征在于：获取所述第二测站坐标前需要筛选卫星数据，以使得残差序列可以满足正态分布。

4.根据权利要求1-3任一所述的GNSS伪距粗差探测方法，其特征在于：对所述第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行粗差探测，可以获取第三测站坐标以及剔除含粗差的卫星观测数据。

5.根据权利要求4所述的GNSS伪距粗差探测方法，其特征在于：所述获得第三测站坐标以及剔除含粗差的卫星观测数据包括：使用伪距残差计算公式获得v_i：

其中：v_i为测站观测到的第i颗星的伪距残差，(x_i,y_i,z_i)为第i颗星的卫星位置，(x,y,z)为测站坐标的最小二乘迭代初值，δ为接收机钟差；再采用残差序列v_i计算序列的平均值vmean和标准差vstd，计算公式如下：

取残差序列v_i的中位值vm，获取方法是将残差序列v_i从大到小排序，取第(n-1)/2位；其中粗差判断准则为：当v_i-vm＞3*vstd时予以标记并剔除，以获取伪距观测值无粗差的卫星集，并基于该卫星集进行伪距最小二乘单点定位解算，获取所述第三测站坐标。

6.一种基于选星的GNSS伪距粗差探测系统，其特征在于：包括卫星数据获取模块、卫星集筛选模块、定位处理模块以及粗差探测模块；各个模块信号连接；所述卫星数据获取模块根据卫星观测数据和星历获取卫星位置、第一测站坐标及信噪比，通过所述卫星位置及所述第一测站坐标计算卫星高度角；所述卫星集筛选模块获取所述卫星高度角高于预设高度角阈值及信噪比高于预设信噪比阈值的卫星集，并根据所述信噪比从大到小排序来排序所述卫星集；所述定位处理模块用于判断所述卫星集的卫星数值是否大于四；若是，至少获取所述卫星集中排序前五的卫星进行无粗差单点定位，获取第二测站坐标；根据所述第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行伪距粗差探测。

7.根据权利要求6所述的GNSS伪距粗差探测系统，其特征在于：当所述卫星信噪比相同时，按照所述高度角由高到低排序获取所卫星集。

8.根据权利要求6-7任一所述的GNSS伪距粗差探测方法，其特征在于：对所述第二测站坐标对当前历元所有观测卫星进行粗差探测，可以获取第三测站坐标以及剔除含粗差的卫星观测数据。

9.根据权利要求8所述的GNSS伪距粗差探测方法，其特征在于：所述获得第三测站坐标以及剔除含粗差的卫星观测数据包括：使用伪距残差计算公式获得v_i：

其中：v_i为测站观测到的第i颗星的伪距残差，(x_i,y_i,z_i)为第i颗星的卫星位置，(x,y,z)为测站坐标的最小二乘迭代初值，δ为接收机钟差；再采用残差序列v_i计算序列的平均值vmean和标准差vstd，计算公式如下：

取残差序列v_i的中位值vm，其是将残差序列v_i从大到小排序，取第(n-1)/2位获得的；其中粗差判断准则为：当|v_i-vm|＞3*vstd时予以标记并剔除，以获取伪距观测值无粗差的卫星集，并基于该卫星集进行伪距最小二乘单点定位解算，获取所述第三测站坐标。

10.一种计算机可读介质，计算机可读介质中存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序由处理模块加载并执行以实现权利要求1-5任一所述的GNSS伪距粗差探测方法。

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