CN116482724B - 一种导航接收机高精度观测量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种导航接收机高精度观测量计算方法，通过对接收机跟踪通道连续采集得到的观测量值进行存储，针对存储值进行实时的加权滤波处理，得到新的观测量值，在不改变传统跟踪环路参数与结构的前提下，提高了伪距、多普勒和载波观测量值精度。本发明实现的导航接收机高精度观测量计算方法，可广泛应用于复杂场景下的高动态、高灵敏度卫星导航接收机中，具有广阔的推广应用前景。

Description

一种导航接收机高精度观测量计算方法
技术领域
本发明属于卫星导航应用领域，涉及一种导航接收机高精度观测量计算方法，用于实现高精度的导航观测量输出，可适用于复杂工作环境下的高动态、高灵敏度卫星导航接收机应用服务。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)具有全天候、连续性、高精度等特点，在测绘、交通、农业、林业、渔业、航天、航空等各个行业发挥着重要作用。目前，世界上已有的全球化卫星导航系统包括:美国GPS、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、我国的北斗卫星导航系统(BDS)、以及欧盟的伽利略(Galileo)卫星导航系统，多系统兼容互操作增加卫星导航系统的可用性和可靠性。
当卫星接收机处于高动态工作场景中，接收到的导航信号由于存在较大的速度、加速度和加加速度，使得信号跟踪环路的测量噪声变大，这时计算出来的伪距、载波和多普勒观测量误差较大。当接收机处工作在城市街道、丛林山谷等恶劣的工作环境下，面临着信号衰减较大，强弱变化频繁，甚至会出现短暂的信号中断，也会直接影响接收机跟踪环路的测量精度以及观测量计算精度。导航接收机导航定位精度与观测量精度直接相关，如何提高复杂应用环境下的卫星导航接收机观测量精度意义重大。
除此之外，在高轨航天器飞行器任务中，其运行轨道高度高于导航星座的轨道高度，导航星主瓣信号大部分被地球遮挡，高轨卫星导航接收机需要依靠导航星旁瓣信号接收来提高可用的导航星数量。接收机通过提高灵敏度来接收微弱的旁瓣信号，但低信噪比的微弱信号接收直接影响观测量的测量精度，进而影响导致定位精度。在复杂环境下高动态、高灵敏接卫星导航应用中，传统的方法直接对接收机跟踪跟踪进行设计与优化，来提高高动态、低信噪比下跟踪稳定性和测量精度。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供的一种导航接收机高精度观测量计算方法，在不改变传统跟踪环路参数与结构的前提下，针对输出的观测量进行加权处理，通过平滑滤波的方法提高观测量精度，有助于提高观测量计算精度，并且计算方法简单、实用性强、易于实现。
本发明的技术解决方案是：
一种导航接收机高精度观测量计算方法，包括以下步骤：
卫星导航接收机中跟踪通道执行伪码跟踪环路和载波环路跟踪，并以固定采样周期Ts连续采集跟踪通道中伪码环路和载波环路的测量值，计算出伪距、多普勒和载波观测量值。
将跟踪通道中连续M个观测时刻的观测量值存储，针对更新的每一组存储值进行加权滤波处理，得到tk观测时刻新的观测量yk。
所述的加权滤波处理方法，将M个点观测时刻记为(t1 t2 … tM)，对应的M个点观测值记为(y1 y2 … yM)。将M个点的观测量进行加权滤波处理，得到观测时刻为tk的观测量，提高了观测量计算精度。更新M个观测值后，重新执行上述步骤。
所述的通过对M个点观测量进行加权滤波处理，得到1个新的观测量，降低了观测量输出频率。
所述的观测时刻tk可设置，tk取值范围为t1≤tk≤tM内，或选取为t1之前，即t1-tk≤Δt，或者选取为tM之后，即tk-tM≤Δt。所述的Δt取值小于tM-tk。
所述的M个点观测时刻记(t1 t2 … tM)，取值与采样周期Ts有关，(t1 t2 … tM)向量中元素之间的时间间隔为1/Ts。
所述的加权滤波处理方法，根据M个观测值(y1 y2 …y M)及其对应的观测时刻(t1t2 … tM)，计算得到加权系数向量，将加权系数向量与由观测时刻tk得到的向量进行计算，生成tk时刻新的观测量值。
所述的加权系数向量仅与观测时刻(t1 t2 … tM)和新观测时刻tk有关，当(t1 t2… tM)和tk数值确定后，加权系数向量取值不变。
所述的加权系数向量，基于P阶多项式拟合方式生成，P大于1，加权系数为一维向量，其向量维度是P+1。所述的P阶多项式，P值选2。
卫星导航接收机处于卫星导航信号伪码和载波环路跟踪状态。其中，卫星导航信号包括北斗卫星导航信号、GPS导航信号、GLONASS导航信号以及Galileo导航信号中的一种或多种。
本发明通过对高频率采集的观测量值进行加权滤波处理，通过多个连续观测量值的计算来提高观测量精度，同时也降低了观测量输出频率。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果：
(1)本发明在不改变原有的卫星导航接收机跟踪环路参数和结构前提下，通过增加本发明提出的导航接收机高精度观测量计算方法，有效的提高了高动态、高灵敏度信号接收时的观测量精度精度，并且结构简单，占有资源小，具有较高的实用性；
(2)本发明所提到的导航接收机高精度观测量计算方法，将M个点的观测量进行加权滤波处理，得到一个新观测时刻的观测量。该新观测时刻可以根据具体场景进行设定，其设置值可以和存储的M点的观测时刻不同，具有较强的灵活性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的加权系数向量计算方法示意图。
具体实施方式
下面结合附件对本发明做进一步详细描述。
如图1所示的流程，卫星导航接收机工作时，首先通过信号捕获模块实现伪码相位和载波频率多普勒的搜索，然后进入进行伪码跟踪环路和载波跟踪环路，并以固定采样周期Ts采集跟踪通道中伪码环路和载波环路的测量值，并计算出伪距、多普勒和载波观测量值。接收机根据伪距和多普勒观测量值进行实时的导航定位解算，计算出采样时刻的位置和速度值。导航定位解算精度与观测量精度直接相关。
在接收机跟踪通道中采集测量值时，采样频率可以高于导航定位解算频率，如一些接收机导航定位解算频率为1Hz，即1s时间计算一次位置和速度结果。但跟踪通道观测量的采集可以设定较高的采样频率，如10Hz或者100Hz，即100ms或者10ms的完成一次测量值采集与计算。本发明通过对高频率采集计算的观测量值进行加权滤波处理，通过多个连续观测量值的计算来提高观测量精度，同时也降低了观测量输出频率。
本发明首先将接收机跟踪通道中连续M个观测时刻的观测量值存储，针对更新的每一组存储值进行加权滤波处理，得到tk观测时刻观测量。
所述的加权滤波处理方法，其计算过程如图1所示，将M个点观测时刻记为(t1 t2… tM)，对应的M个点观测值记为(y1 y2 … yM)。将M个点的观测量进行加权滤波处理，得到观测时刻为tk的新观测量yk，提高了观测量计算精度。
所述的观测时刻为tk可进行设置，tk取值可选取在范围为t1≤tk≤tM内，也可选取为t1之前，即t1-tk≤Δt，或者选取为tM之后，即tk-tM≤Δt，Δt取值小于tM-tk。
所述的加权滤波处理方法，具体见图2所示，根据M个观测值(y1 y2 … yM)及其对应的观测时刻(t1 t2 … tM)，计算得到加权系数向量，将加权系数向量与由观测时刻tk得到的向量进行计算，生成tk时刻新的观测量值。
加权系数向量是基于P阶(P大于1)多项式拟合方式生成，加权系数为一维向量值，其向量维度是P+1。
以二阶多项式为例，即P＝2，加权系数向量具体计算过程如下：
二阶多项式的具体表达式为：
f(t)＝b0+b1t+b2t2
针对接收机连续存储的M个点的观测量值，其计算过程如下：
利用矩阵表达方式，上式简化为：
令：
上式简化为：
Y＝HB
求解得到：
B＝(HTH)-1HTY
则tk时刻新的观测量值yk，其计算表达式为：
令则：
yk＝TkB
代入矩阵B表达式后：
yk＝Tk(HTH)-1HTY
令F＝Tk(HTH)-1HT，即加权系数向量，则：
yk＝FY
这表明在计算tk时刻的观测量值yk时，其结果仅与当前的M个点的观测量值和加权系数向量F有关。而F的取值与M个点的观测量值的采集时刻(t1 t2…tM)和待计算的新观测时刻tk有关，当(t1 t2 … tM)和tk确定后，F也就是随之确定。
所述的M个点观测时刻记为(t1 t2 … tM)，其特征在于所述(t1 t2 … tM)取值仅与采样周期Ts有关，(t1 t2 … tM)向量中元素之间的时间间隔为1/Ts。当(t1 t2 … tM)数值确定后，其取值不会随M个点的观测量值更新而变化。例如，当接收机观测量采样频率为10Hz，采样周期Ts为0.1s，M值为10，(t1 t2 … tM)取值为(0.1 0.2 … 1.0)。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种导航接收机高精度观测量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
卫星导航接收机中跟踪通道执行伪码跟踪环路和载波环路跟踪，并以固定采样周期Ts连续采集跟踪通道中伪码环路和载波环路的测量值，计算出伪距、多普勒和载波观测量值；
将跟踪通道中连续M个观测时刻的观测量值存储，针对更新的每一组存储值进行加权滤波处理，得到tk观测时刻新的观测量yk；
所述的加权滤波处理方法，将M个点观测时刻记为(t1 t2 … tM)，对应的M个点观测值记为(y1 y2 … yM)；将M个点的观测量进行加权滤波处理，得到观测时刻为tk的观测量；
通过对M个点观测量进行加权滤波处理，得到1个新的观测量，降低了观测量输出频率；
所述的加权滤波处理方法，根据M个观测值(y1 y2 … yM)及其对应的观测时刻(t1 t2… tM)，计算得到加权系数向量，将加权系数向量与由观测时刻tk得到的向量进行计算，生成tk时刻新的观测量值；
所述的加权系数向量仅与观测时刻(t1 t2 … tM)和新观测时刻tk有关，当(t1 t2 …tM)和tk数值确定后，加权系数向量取值不变；
所述的加权系数向量，基于P阶多项式拟合方式生成，P大于1，加权系数为一维向量，其向量维度是P+1。
2.根据权利要求1所述的一种导航接收机高精度观测量计算方法，其特征在于，所述的观测时刻tk可设置，tk取值范围为t1≤tk≤tM内，或选取为t1之前，即t1-tk≤Δt，或者选取为tM之后，即tk-tM≤Δt。
3.根据权利要求2所述的一种导航接收机高精度观测量计算方法，其特征在于，所述的Δt取值小于tM-tk。
4.根据权利要求1所述的一种导航接收机高精度观测量计算方法，其特征在于，所述的M个点观测时刻记(t1 t2 … tM)，取值与采样周期Ts有关，(t1 t2 … tM)向量中元素之间的时间间隔为1/Ts。
5.根据权利要求1所述的一种导航接收机高精度观测量计算方法，其特征在于，所述的P阶多项式，P值选2。
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