CN116256782B - 一种基于双天线gnss单差算法的多路径误差消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法，该方法利用静态测站多路径误差的重复周期与GNSS卫星重访周期一致这一特性，根据广播星历计算各GNSS卫星的重访周期，在处理一机双天线GNSS观测数据时，先从当前数据前一重访周期的观测数据中获取单差载波相位观测值验后残差，从验后残差序列中提取多路径误差值，并以此多路径误差值为改正数，对当前周期的单差载波相位观测值进行多路径误差改正，使用改正后的单差观测值进行短基线定位，旨在消除或减弱当前周期观测值中的多路径效应影响，提高一机双天线GNSS单差载波相位定位精度。

Description

一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法

技术领域

本发明涉及导航卫星定位应用领域，特别是一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法。

背景技术

在使用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)进行定位时，卫星播发信号，GNSS接收机天线接收信号，所收到的信号中，一部分是直接到达接收机天线的信号(直射信号)，另一部分是经反射体(如地面和建筑物等)反射后到达天线的信号(反射信号)。反射信号与直射信号混合在一起，将使测定的卫星至接收机间的距离产生误差，从而导致定位的不准确，这一误差称为GNSS多路径误差或多路径效应。对于载波相位观测值，多路径造成的误差最大可达载波的四分之一波长，例如，对于GPS L1、L2载波，多路径误差最大可达5-6cm，因此，在高精度GNSS定位中，多路径误差必须加以改正。将GNSS接收机同时连接两个天线，称为一机双天线GNSS接收机，由于两个天线由同一个接收机时钟控制，因此能保持时间同步，对两个天线采集的GNSS观测值进行求一次差(天线间单差)，能达到传统接收机星间和站间双差的效果，并且与双差观测值相比，单差观测值噪声更小，有利于提高定位精度。在高精度定位领域，基于一机双天线GNSS接收机观测值的单差定位算法具有广阔的应用前景，然而，虽然在基线较短的情况下，对双天线GNSS载波相位观测值进行天线间求单差，可以有效消除接收机钟误差、卫星钟误差以及削弱大气延迟误差和卫星轨道误差等，但是对观测值进行各类求差(无论是单差还是双差)均无法消除或减弱多路径误差，因此，多路径效应成为制约一机双天线GNSS单差定位精度进一步提升的瓶颈问题，影响着其实际应用。

发明内容

本发明的目的在于：针对当前一机双天线GNSS高精度定位中多路径误差难以消除这一问题，本发明提供一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法，包括如下步骤：

S1、基于GNSS卫星名义轨道周期计算其重访地面站点所需运行的最少圈数；

S2、基于实际播发的GNSS广播星历，计算GNSS系统中各卫星的实际轨道周期，之后根据步骤S1得到的GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数，计算各GNSS卫星重访地面站点的周期；

S3、基于一机双天线GNSS观测数据，在两天线观测值间进行求差，获得两天线GNSS载波相位观测值的单差值，然后计算得到各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列；具体包括如下子步骤：

S301、基于一机双天线GNSS观测数据，对两天线载波相位观测值进行求单差，如下式：

其中，λ为GNSS载波的波长；下标t表示时刻，t＝t₁，t₂，t₃，...；上标i表示卫星号，i＝1，2，3，...；为两天线载波相位观测值的单差值；/>为两天线的站星距离单差值，基线解算时，将/>表示为两天线间基线向量(ΔX，ΔY，ΔZ)的线性关系式；ΔNⁱ为两天线整周模糊度的单差值，/>为两天线的多路径误差单差值；/>为随机误差或噪声；

S302、根据当前待处理数据的时间，确定其前一个重访周期的时间，提取前一个重访周期的一机双天线GNSS观测值和对应的星历数据，进行基线解算，获取整体基线向量解，并固定单差整周模糊度，然后将整体基线向量解和固定后的单差模糊度代入公式(1)，计算各卫星各时刻单差观测值验后残差，即前一重访周期残差时间序列如下式:

其中，为整体基线向量解回代后得到的站星距离单差值；/>为固定后的整周模糊度。

S4、对各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列进行去噪，获取多路径误差改正值序列；具体为：按如下公式对各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列进行去噪：

其中，为前一重访周期天线间单差载波相位观测值验后残差序列，

为多路径误差序列，/>为噪声序列；LPF(·)表示低通滤波函数，根据预设截止频率，将/>残差序列中频率高于截止频率的部分滤除，消除或减弱噪声；/>为滤波后的前一重访周期单差观测值残差序列，即当前周期中对应单差载波相位观测值的多路径误差改正值序列；

S5、对各卫星当前周期的单差载波相位观测值进行多路径误差改正，并用改正后的GNSS单差载波相位观测值解算双天线间的基线向量，包括如下子步骤：

S501、对各卫星当前周期的单差观测值进行多路径误差改正，如下式：

其中，T^si为卫星i相对地面站点的重访周期；为经过多路径误差改正后的单差载波相位观测值；/>为从t-T^si时刻单差观测值中提取的多路径误差值，λ为GNSS载波的波长，/>为在当前某一个时刻t两天线间卫星的单差载波相位观测值；

S502、将改正后的单差载波相位观测值代入公式(1)，进行双天线GNSS基线向量解算，得到经过多路径误差改正的基线向量序列(ΔX_t，ΔY_t，ΔZ_t)；

S503、将经多路径误差改正的基线向量序列(ΔX_t，ΔY_t，ΔZ_t)按站心地平坐标表示为：(ΔN_t，ΔE_t，ΔU_t)，其中，ΔN_t表示解得的t时刻基线南北向坐标分量，ΔE_t表示解得的t时刻基线东西向坐标分量，ΔU_t表示解得的t时刻基线垂向坐标分量。

进一步地，前述的步骤S1包括如下子步骤：

S101、按如下公式(6)计算GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N_cycle，取满足(6)式的N_day和N_cycle的最小正整数，若无满足(6)式的N_day和N_cycle的最小正整数，则执行步骤s102；

其中，代表GNSS卫星名义轨道周期，上标S表示GNSS系统，下标Nom表示名义值，86164为一个恒星日的秒数，一个恒星日为地球自转一周的时间，N_day是恒星日的数目；

S102、按如下公式(7)计算GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N-cycle，计算时取满足公式(7)的N_day和N_cycle的最小正整数：

其中，ΔT为预设阈值。

进一步地，前述的步骤S2具体包括如下子步骤：

S201、根据实际播发的GNSS广播星历，按如下公式计算GNSS系统各卫星的实际轨道周期

其中，为卫星轨道周期的计算值；上标S表示GNSS系统，上标i为卫星号，i＝1，2，3，...；下标Brd表示该周期值由广播星历计算得到，GM为地球引力常数，a为卫星轨道长半径，Δω为卫星在轨道运行平均角速度的修正量；

S202、根据GNSS卫星轨道周期及GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N_cycle，计算GNSS卫星重访地面站点的周期T^si，如下式：

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：本发明方法通过计算GNSS系统各卫星相对于地面站点的重访周期，从前一个重访周期的一机双天线GNSS单差载波相位观测值中提取多路径误差值，将其作为改正数，对当前周期单差载波相位观测值进行多路径误差改正，使用改正后的观测值进行一机双天线GNSS单差载波相位定位，该方法适用于GPS、BDS、GLONASS和GALILEO等各类GNSS系统。实验测试结果表明，与采用未经改正的观测值相比，采用经过本发明方法进行多路径误差改正的观测值，所解得的基线坐标在北、东、高(垂向)三个方向上的方差均能降低65％-75％，说明使用本发明方法进行多路径误差消除，可以有效提高一机双天线GNSS单差定位的精度，有望促进一机双天线GNSS接收机在高精度定位领域的应用。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为一机双天线GNSS单差载波相位定位得到的基线北方向坐标分量序列；图中，(a)为使用未经多路径误差改正的观测值解算得到的基线北方向坐标分量序列，(b)为使用经本发明方法进行多路径误差改正后的观测值解算得到的基线北方向坐标分量序列。

图3为一机双天线GNSS单差载波相位定位得到的基线东方向坐标分量序列；图中，(a)为使用未经多路径误差改正的观测值解算得到的基线东方向坐标分量序列，(b)为使用经本发明方法进行多路径误差改正后的观测值解算得到的基线东方向坐标分量序列。

图4一机双天线GNSS单差载波相位定位得到的基线垂向坐标分量序列；图中，(a)为使用未经多路径误差改正的观测值解算得到的基线垂向坐标分量序列，(b)为使用经本发明方法进行多路径误差改正后的观测值解算得到的基线垂向坐标分量序列。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所述。应当理解，本发明通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

参考图1所示的本发明流程图，本发明提供一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法，包括如下步骤：

S1、基于GNSS卫星名义轨道周期计算其重访地面站点所需运行的最少圈数；包括如下子步骤：

S101、按如下公式(6)计算GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数

N_cycle，取满足(6)式的N_day和N_cycle的最小正整数，若无满足(6)式的N_day和N_cycle的最小正整数，则执行步骤s102；

其中，代表GNSS卫星名义轨道周期，即卫星在惯性系中运行一圈所需时间的设计值，上标S表示GNSS系统，下标Nom表示名义值，86164为一个恒星日的秒数，一个恒星日为地球自转一周的时间，N-day是恒星日的数目；

S102、按如下公式(7)计算GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N_cycle，计算时取满足公式(7)的N_day和N_cycle的最小正整数：

其中，ΔT为预设阈值，实际计算时，ΔT可取2分钟，即120s，根据公式(7)可以确定某GNSS系统卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N_cycle。

S2、基于实际播发的GNSS广播星历，计算GNSS系统中各卫星的实际轨道周期，之后根据步骤S1得到的GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数，计算各GNSS卫星重访地面站点的周期；包括以下子步骤S201至步骤S202：

S201、根据实际播发的GNSS广播星历，按如下公式计算GNSS系统各卫星的实际轨道周期

其中，为卫星轨道周期的计算值；上标S表示GNSS系统，如GPS，BDS，GLONASS，GALILEO以及其他GNSS系统，上标i为卫星号，i＝1，2，3，...；下标Brd表示该周期值由广播星历计算得到，GM为地球引力常数，a为卫星轨道长半径，不同时刻的轨道长半径从广播星历中获取，Δω为卫星在轨道运行平均角速度的修正量，不同时刻的修正量从广播星历中获取；

S202、根据GNSS卫星轨道周期及GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N_cycle，计算GNSS卫星重访地面站点的周期T^si，如下式：

S3、基于一机双天线GNSS观测数据，在两天线观测值间进行求差，获得两天线GNSS载波相位观测值的单差值，然后计算得到各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列。包括以下子步骤S301至S302：

步骤S3包括如下子步骤：

S301、基于一机双天线GNSS观测数据，对两天线载波相位观测值进行求单差，如下式：

其中，λ为GNSS载波的波长；下标t表示时刻，t＝t₁，t₂，t₃，...；上标i表示卫星号，i＝1，2，3，…；为两天线载波相位观测值的单差值；/>为两天线的站星距离单差值，基线解算时，将/>表示为两天线间基线向量(ΔX,ΔY,ΔZ)的线性关系式；ΔNⁱ为两天线整周模糊度的单差值，/>为两天线的多路径误差单差值；/>为随机误差或噪声。通过多个时刻观测四颗以上的卫星，根据公式(1)可以解算出两天线间的基线向量和单差模糊度ΔNⁱ。

S302、根据当前待处理数据的时间，确定其前一个重访周期的时间，提取前一个重访周期的一机双天线GNSS观测值和对应的星历数据，进行基线解算，获取整体基线向量解，并固定单差整周模糊度，然后将整体基线向量解和固定后的单差模糊度代入公式(1)，计算各卫星各时刻单差观测值验后残差，即前一重访周期残差时间序列如下式：

其中，为整体基线向量解回代后得到的站星距离单差值；/>为固定后的整周模糊度。

S4、对各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列进行去噪，获取多路径误差改正值序列。具体为：

按如下公式对各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列进行去噪：

其中，为前一重访周期天线间单差载波相位观测值验后残差序列，

为多路径误差序列，/>为噪声序列；LPF(·)表示低通滤波函数，根据预设截止频率，将/>残差序列中频率高于截止频率的部分滤除，消除或减弱噪声；/>为滤波后的前一重访周期单差观测值残差序列，即当前周期中对应单差载波相位观测值的多路径误差改正值序列；

由于在序列中，多路径误差序列/>和噪声序列/>是混合在一起的，若直接使用前一重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列/>对当前周期单差观测值进行多路径误差改正，则在消除多路径误差的同时，还引入了噪声，影响改正效果。因此，需要对残差序列进行去噪，使用去噪后的残差序列对当前周期的单差观测值进行多路径误差改正。

S5、对各卫星当前周期的单差载波相位观测值进行多路径误差改正，并用改正后的GNSS单差载波相位观测值解算双天线间的基线向量。步骤S5包括如下子步骤：

S501、对各卫星当前周期的单差观测值进行多路径误差改正，如下式：

其中，T^si为卫星i相对地面站点的重访周期；为经过多路径误差改正后的单差载波相位观测值；/>为从t-T^si时刻单差观测值中提取的多路径误差值，λ为GNSS载波的波长，/>为在当前某一个时刻t两天线间卫星的单差载波相位观测值。

S502、将改正后的单差载波相位观测值代入公式(1)，进行双天线GNSS基线向量解算，得到经过多路径误差改正的基线向量序列(ΔX_t，ΔY_t，ΔZ_t)；

S503、将经多路径误差改正的基线向量序列(ΔX_t，ΔY_t，ΔZ_t)按站心地平坐标表示为：(ΔN_t，ΔE_t，ΔU_t)，其中，ΔN_t表示解得的t时刻基线南北向坐标分量，ΔE_t表示解得的t时刻基线东西向坐标分量，ΔU_t表示解得的t时刻基线垂向坐标分量。

在本实施例的计算中，GNSS系统选择GPS，GPS卫星的名义运动周期取43080s，GPS载波的波长取I1信号波长19cm，对残差序列低通滤波时所采用的截止频率为0.02Hz，为了证实发明方法的有效性，在使用经过本发明方法改正的观测值进行单差定位的同时，也使用未经改正的观测值进行单差定位，比较两者解得的各基线坐标分量序列。图2显示的是一机双天线GNSS单差定位解算的基线北方向坐标分量序列，在图2中，(a)为未经改正的观测值解算的结果，(b)为经过本发明方法多路径误差改正的观测值解算的结果，对比可知，使用本发明方法可以显著提高基线北方向坐标分量精度。图3显示的是一机双天线GNSS单差定位解算的基线东方向坐标分量序列，(a)为未经改正的观测值解算的结果，(b)为经过本发明方法多路径误差改正的观测值解算的结果，对比可知，使用本发明方法可以显著提高基线东方向坐标分量精度。图4显示的是一机双天线GNSS单差定位解算的基线垂向(高程向)坐标分量序列，(a)为未经改正的观测值解算的结果，(b)为经过本发明方法多路径误差改正的观测值解算的结果，对比可知，使用本发明方法可以显著提高基线垂向坐标分量精度。综合图2、图3和图4，可以表明，使用本发明方法可以有效消除多路径误差对一机双天线GNSS单差定位的影响，显著提高基线三维坐标精度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

虽然本发明已以较佳实施例阐述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、基于GNSS卫星名义轨道周期计算其重访地面站点所需运行的最少圈数；

S2、基于实际播发的GNSS广播星历，计算GNSS系统中各卫星的实际轨道周期，之后根据步骤S1得到的GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数，计算各GNSS卫星重访地面站点的周期；

S3、基于一机双天线GNSS观测数据，在两天线观测值间进行求差，获得两天线GNSS载波相位观测值的单差值，然后计算得到各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列；具体包括如下子步骤：

S301、基于一机双天线GNSS观测数据，对两天线载波相位观测值进行求单差，如下式：

其中，λ为GNSS载波的波长；下标t表示时刻，t＝t₁，t₂，t₃，...；上标i表示卫星号，i＝1，2，3，...；为两天线载波相位观测值的单差值；/>为两天线的站星距离单差值，基线解算时，将/>表示为两天线间基线向量(ΔX，ΔY，ΔZ)的线性关系式；ΔNⁱ为两天线整周模糊度的单差值，/>为两天线的多路径误差单差值；/>为随机误差或噪声；

S302、根据当前待处理数据的时间，确定其前一个重访周期的时间，提取前一个重访周期的一机双天线GNSS观测值和对应的星历数据，进行基线解算，获取整体基线向量解，并固定单差整周模糊度，然后将整体基线向量解和固定后的单差模糊度代入公式(1)，计算各卫星各时刻单差观测值验后残差，即前一重访周期残差时间序列如下式：

其中，为整体基线向量解回代后得到的站星距离单差值；/>为固定后的整周模糊度；

S4、对各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列进行去噪，获取多路径误差改正值序列；具体为：

按如下公式对各卫星当前重访周期的前一个重访周期天线间单差载波相位观测值的验后残差序列进行去噪：

其中，为前一重访周期天线间单差载波相位观测值验后残差序列，

为多路径误差序列，/>为噪声序列；LPF(·)表示低通滤波函数，根据预设截止频率，将/>残差序列中频率高于截止频率的部分滤除，消除或减弱噪声；/>为滤波后的前一重访周期单差观测值残差序列，即当前周期中对应单差载波相位观测值的多路径误差改正值序列；

S5、对各卫星当前周期的单差载波相位观测值进行多路径误差改正，并用改正后的GNSS单差载波相位观测值解算双天线间的基线向量，具体包括以下子步骤S501至S503：

S501、对各卫星当前周期的单差观测值进行多路径误差改正，如下式：

其中，T^si为卫星i相对地面站点的重访周期；为经过多路径误差改正后的单差载波相位观测值；/>为从t-T^si时刻单差观测值中提取的多路径误差值，λ为GNSS载波的波长，为在当前某一个时刻t两天线间卫星的单差载波相位观测值；

S502、将改正后的单差载波相位观测值代入公式(1)，进行双天线GNSS基线向量解算，得到经过多路径误差改正的基线向量序列(ΔX_t，ΔY_t，ΔZ_t)；

S503、将经多路径误差改正的基线向量序列(ΔX_t，ΔY_t，ΔZ_t)按站心地平坐标表示为：(ΔNt，ΔE_t，ΔU_t)，其中，ΔN_t表示解得的t时刻基线南北向坐标分量，ΔE_t表示解得的t时刻基线东西向坐标分量，ΔU_t表示解得的t时刻基线垂向坐标分量。

2.根据权利要求1所述的一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法，其特征在于，步骤S1包括如下子步骤：

S101、按如下公式(6)计算GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N_cycle，取满足(6)式的N_day和N_cycle的最小正整数，若无满足(6)式的N_day和N_cycle的最小正整数，则执行步骤S102；

其中，代表GNSS卫星名义轨道周期，上标S表示GNSS系统，下标Nom表示名义值，86164为一个恒星日的秒数，一个恒星日为地球自转一周的时间，N_day是恒星日的数目；

S102、按如下公式(7)计算GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N_cycle，计算时取满足公式(7)的N_day和N_cycle的最小正整数；

其中，ΔT为预设阈值。

3.根据权利要求2所述的一种基于双天线GNSS单差算法的多路径误差消除方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下子步骤：

S201、根据实际播发的GNSS广播星历，按如下公式计算GNSS系统各卫星的实际轨道周期

其中，为卫星轨道周期的计算值；上标S表示GNSS系统，上标i为卫星号，i＝1,2，3，...；下标Brd表示该周期值由广播星历计算得到，GM为地球引力常数，a为卫星轨道长半径，Δω为卫星在轨道运行平均角速度的修正量；

S202、根据GNSS卫星轨道周期及GNSS卫星重访地面站点所需运行的最少圈数N_cycle，计算GNSS卫星重访地面站点的周期T^si，如下式：