CN116931028B - 基于智能终端惯性导航的gnss数据处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法及装置，包括：获取GNSS原始观测值和IMU原始观测值；基于前一历元的GNSS原始观测值和IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；基于导航解和缺失频段对应的载波相位模糊度参数，对缺失频段进行补偿，得到缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值；其中，目标GNSS缺失观测值包括缺失伪距和缺失载波相位观测数据。本发明可以解决载波相位不连续问题和部分频段观测值数据缺失问题，从而进一步提高终端定位的精度。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，尤其是涉及一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法及装置。
背景技术
自智能终端开放GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）相关的应用程序接口以来，用户可直接获取终端输出的GNSS原始观测数据，实现更精确的定位服务。然而，由于持续运行的GNSS芯片会不断耗电，Android智能终端制造商使用了一种名为“占空比”的技术，开启该技术的智能终端只会在固定时间段内连续跟踪载波相位，导致载波相位信号不连续，获取的载波相位观测值存在缺失。此外，虽然智能终端已研发成功并应用双频GNSS芯片，但L5（L2）频段GNSS观测数据缺失现象频发。因此，目前智能终端定位通常采用单频伪距观测值进行定位。然而，伪距观测值中包含的较大噪声以及单频段数据量限制使智能终端定位精度停留在分米级，限制了智能终端高精度定位应用的发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法及装置，可以解决载波相位不连续问题和部分频段观测值数据缺失问题，从而进一步提高终端定位的精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，包括：
获取GNSS原始观测值和IMU原始观测值；
基于前一历元的所述GNSS原始观测值和所述IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；
基于所述导航解和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，对所述缺失频段进行补偿，得到所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值；其中，所述目标GNSS缺失观测值包括缺失伪距和缺失载波相位观测数据。
在一种实施方式中，基于前一历元的所述GNSS原始观测值和所述IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，包括：
通过GNSS导航处理器对前一历元的所述GNSS原始观测值进行解算，得到第一GNSS定位解算结果；
通过惯性导航处理器对所述第一GNSS定位解算结果和所述前一历元的所述IMU原始观测值进行解算，得到载体坐标系下的导航解，以及所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；
将所述导航解从所述载体坐标系转换至导航坐标系，以得到所述导航坐标系下的所述导航解。
在一种实施方式中，基于所述导航解和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，对所述缺失频段进行补偿，得到所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值，包括：
确定卫星高度角，并基于所述卫星高度角判断是否对缺失频段进行补偿；
如果是，则通过GNSS导航处理器对所述当前历元的所述GNSS原始观测值进行解算，得到接收机钟差、对流层延迟和所述当前历元内未缺失频段对应的载波相位模糊度参数；其中，所述未缺失频段为L1频，所述缺失频段为L2频；
通过预先构建的双频无电离层组合模型，基于外界辅助信息、所述接收机钟差、所述对流层延迟、所述未缺失频段对应的载波相位模糊度参数和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，确定所述缺失频段对应的GNSS缺失观测值；
如果基于所述导航解确定所述GNSS缺失观测值不满足预设条件，则更新所述导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，并基于更新后的所述导航解和更新后的所述缺失频段对应的载波相位模糊度参数，再次对所述缺失频段进行补偿，直至所述GNSS缺失观测值满足所述预设条件；
将满足所述预设条件的所述GNSS缺失观测值，确定为所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值。
在一种实施方式中，基于所述卫星高度角判断是否对缺失频段进行补偿，包括：
如果所述卫星高度角大于或等于预设高度角阈值，且存在所述L1频对应的所述GNSS原始观测值，且不存在所述L2频对应的所述GNSS原始观测值，则确定对所述缺失频段进行补偿。
在一种实施方式中，通过预先构建的双频无电离层组合模型，基于外界辅助信息、所述接收机钟差、所述对流层延迟、所述未缺失频段对应的载波相位模糊度参数和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，确定所述缺失频段对应的GNSS缺失观测值，包括：
将外界辅助信息、所述接收机钟差和所述对流层延迟，代入至预先构建的双频无电离层组合模型，得到无电离层组合伪距观测值和无电离层组合载波相位观测值；
根据所述L1频的频率和观测值、所述L2频的频率、所述无电离层组合伪距观测值和所述无电离层组合载波相位观测值，确定所述L2频对应的GNSS缺失观测值。
在一种实施方式中，如果基于所述导航解确定所述GNSS缺失观测值不满足预设条件，则更新所述导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，包括：
将补全后的全频率GNSS观测值输入至GNSS导航处理器，得到第二GNSS定位解算结果；
如果所述第二GNSS定位解算结果与所述导航解之间的差值绝对值小于预设差值阈值，则确定所述GNSS缺失观测值满足预设条件；
如果所述第二GNSS定位解算结果与所述导航解之间的差值绝对值大于或等于所述预设差值阈值，则确定所述GNSS缺失观测值不满足所述预设条件；
利用所述第二GNSS定位解算结果替换第一GNSS定位解算结果；
将所述第二GNSS定位解算结果输入至惯性导航处理器，以得到更新后的所述导航解和更新后的所述缺失频段对应的载波相位模糊度参数。
在一种实施方式中，所述方法还包括：
构建频率周跳探测模型；其中，所述频率周跳探测模型包括目标载波相位观测方程和位置信息虚拟观测方程，所述目标载波相位观测方程为当前历元与相邻历元间载波相位观测方程之差；
对所述频率周跳探测模型进行解算得到缺失频率的残差，基于所述缺失频率的残差估算周跳值；
如果所述残差的绝对值大于所述缺失频段对应的残差阈值，则确定所述当前历元存在周跳现象，以对所述GNSS原始观测值和/或所述目标GNSS缺失观测值进行优化。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理装置，包括：
观测值获取模块，用于获取GNSS原始观测值和IMU原始观测值；
预测模块，用于基于前一历元的所述GNSS原始观测值和所述IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；
补偿模块，用于基于所述导航解和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，对所述缺失频段进行补偿，得到所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值；其中，所述目标GNSS缺失观测值包括缺失伪距和缺失载波相位观测数据。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现第一方面提供的任一项所述的方法。
第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现第一方面提供的任一项所述的方法。
本发明实施例提供的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法及装置，首先获取GNSS原始观测值和IMU原始观测值；然后基于前一历元的GNSS原始观测值和IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；最后基于导航解和缺失频段对应的载波相位模糊度参数，对缺失频段进行补偿，得到缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值，目标GNSS缺失观测值包括缺失伪距和缺失载波相位观测数据。上述方法通过智能终端提供的IMU原始观测值，补偿卫星视野良好时缺失的GNSS伪距、载波相位观测数据，从而解决载波相位不连续问题和部分频段观测值数据缺失问题，以进一步提高终端定位的精度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，智能终端已经成为人们生活的必需品，智能终端定位服务势必会拥有越来越多的用户，应用范围也会越来越广泛。由于智能终端生产厂商采用的“占空比”技术产生的载波相位不连续问题和智能终端接收的L2频观测值常发生的数据缺失问题，导致智能终端定位通常采用单频伪距观测值进行计算，很大程度上限制了终端定位精度。基于此，本发明实施提供了一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法及装置，可以解决载波相位不连续问题和部分频段观测值数据缺失问题，从而进一步提高终端定位的精度。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法进行详细介绍，参见图1所示的一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤S102至步骤S106：
步骤S102，获取GNSS原始观测值和IMU原始观测值。
在一例中，可以根据智能终端搭载的GNSS芯片获取GNSS原始观测值；在一例中，可以根据智能终端搭载的惯性传感器获取IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）原始测量值，IMU原始测量值可以包括智能终端的速度和加速度；在一例中，还可以获取GNSS服务组织发布的精密星历、精密钟差等外界辅助信息。
在实际应用中，可以获取多个历元的GNSS原始观测值和IMU原始观测值。
步骤S104，基于前一历元的GNSS原始观测值和IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数。
示例性的，假设同一历元内包括L1频和L2频，若步骤S102获取的GNSS原始观测值中存在L1频对应的GNSS原始观测值，且缺失L2频对应的GNSS原始观测值，则L2频即为缺失频段。
在一种实施方式中，使用步骤S102中获取的GNSS原始观测值、IMU原始测量值构建多源数据驱动的智能终端位置速度预测模型，逐历元预测终端位置速度信息，该模型分为GNSS计算与惯导计算两部分。
具体的，首先利用某历元GNSS原始观测值计算的智能终端位置速度信息作为惯导计算的初值，控制惯导误差积累。然后利用同历元IMU原始测量值预测下一历元智能终端的导航解（包括：位置、速度）及载波相位模糊度参数。最后将导航解转换至导航坐标系下，便于GNSS观测值的计算。
示例性的，假设需要对当前历元内L2频的GNSS观测值进行补偿，则需要利用前一历元的IMU原始测量值预测当前历元智能终端的导航解（包括：位置、速度）及载波相位模糊度参数。
步骤S106，基于导航解和缺失频段对应的载波相位模糊度参数，对缺失频段进行补偿，得到缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值；其中，目标GNSS缺失观测值包括缺失伪距和缺失载波相位观测数据。
在一种实施方式中，针对GNSS观测数据缺失问题，本发明实施例构建基于智能终端惯性导航的GNSS缺失观测值精密补偿模型，该模型基于双频无电离层组合模型，辅以当前历元的GNSS原始观测值、外界辅助信息，以及步骤S104计算得到的导航坐标系下的智能终端位置速度、载波相位模糊度参数等预测信息实现卫星视野良好时缺失的GNSS伪距、载波相位观测数据的推算。
本发明实施例提供的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，通过智能终端提供的IMU原始观测值，补偿卫星视野良好时缺失的GNSS伪距、载波相位观测数据，从而解决载波相位不连续问题和部分频段观测值数据缺失问题，以进一步提高终端定位的精度。
为便于对前述实施例进行理解，本发明实施例提供了一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法的具体实施方式。
对于前述步骤S104，本发明实施例提供了一种基于前一历元的GNSS原始观测值和IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数的实施方式，参见如下步骤a至步骤c：
步骤a，通过GNSS导航处理器对前一历元的GNSS原始观测值进行解算，得到第一GNSS定位解算结果。
在一种实施方式中，对于任一历元，将该历元GNSS原始观测值输入至GNSS导航处理器，获得GNSS定位解算结果；
；
其中，、/>、/>分别为导航坐标系E、N、U三方向的终端位置，/>、/>、/>分别为E、N、U三方向的终端速度。
在具体实现时，若需要对当前历元内L2频进行补偿，则需要将前一历元的GNSS原始观测值输入至GNSS导航处理器，获得第一GNSS定位解算结果。
步骤b，通过惯性导航处理器对第一GNSS定位解算结果和前一历元的IMU原始观测值进行解算，得到载体坐标系下的导航解，以及当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数。
在一种实施方式中，将第一GNSS定位解算结果和同时刻的IMU原始观测值输入至惯性导航处理器，构建多源数据驱动的智能终端位置速度预测模型，获得下一历元的导航解/>及载波相位模糊度参数/>：
；
其中，、/>、/>分别为载体坐标系X、Y、Z三方向的终端位置，/>、/>、/>分别为X、Y、Z三方向的终端速度，j表示第j个频率，取值1、2。
在具体实现时，若需要对当前历元内L2频进行补偿，则需要将第一GNSS定位解算结果和前一历元的IMU原始观测值输入至惯性导航处理器，构建多源数据驱动的智能终端位置速度预测模型，获得当前历元的导航解/>及当前历元内L2频的载波相位模糊度参数/>。
步骤c，将导航解从载体坐标系转换至导航坐标系，以得到导航坐标系下的导航解。
在一种实施方式中，将载体坐标系b下的导航解转换到导航坐标系n下，表达式如下所示：
；
其中，为导航坐标系n下的导航解，/>为载体坐标系b下的导航解，/>为从载体坐标系b到导航坐标系n的旋转矩阵。至此，实现导航坐标系下的智能终端位置速度等信息预测。
对于前述步骤S106，本发明实施例提供了一种基于导航解和缺失频段对应的载波相位模糊度参数，对缺失频段进行补偿，得到缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值的实施方式，参见如下步骤1至步骤5：
步骤1，确定卫星高度角，并基于卫星高度角判断是否对缺失频段进行补偿。
在一种实施方式中，如果卫星高度角大于或等于预设高度角阈值，且存在L1频对应的GNSS原始观测值，且不存在L2频对应的GNSS原始观测值，则确定对缺失频段进行补偿。其中，未缺失频段为L1频，缺失频段为L2频。
在一例中，根据卫星高度角判断卫星视野良好时GNSS原始观测值是否存在数据缺失。本发明实施例将15°设置为卫星截至高度角（也即，预设高度角阈值），当某卫星高度角大于等于15°，且存在L1频伪距、载波相位观测值，且缺失L2频伪距、载波相位观测值时，执行步骤2，否则进行GNSS观测数据质量控制。
步骤2，如果是，则通过GNSS导航处理器对当前历元的GNSS原始观测值进行解算，得到接收机钟差、对流层延迟和当前历元内未缺失频段对应的载波相位模糊度参数。
在一种实施方式中，可以将待补偿的当前历元的GNSS原始观测值输入至GNSS导航处理器，以获得接收机钟差、对流层延迟/>、L1频对应的载波相位模糊度参数/>。其中，接收机钟差也即吸收了接收机伪距偏差的接收机钟差。
步骤3，通过预先构建的双频无电离层组合模型，基于外界辅助信息、接收机钟差、对流层延迟、未缺失频段对应的载波相位模糊度参数和缺失频段对应的载波相位模糊度参数，确定缺失频段对应的GNSS缺失观测值。
其中，外界辅助信息包括精密星历和精密钟差，精密星历用于获取卫星向量坐标，精密钟差用于获取吸收了卫星伪距偏差的卫星钟差/>。
在一种实施方式中，可以按照如下步骤3.1至步骤3.2确定缺失频段对应的GNSS缺失观测值：
步骤3.1，将外界辅助信息、接收机钟差和对流层延迟，代入至预先构建的双频无电离层组合模型，得到无电离层组合伪距观测值和无电离层组合载波相位观测值。
在一例中，将步骤2获取的接收机钟差、对流层延迟/>输入至双频无电离层组合模型，以构建基于智能终端惯性导航的GNSS缺失观测值精密补偿模型，求解无电离层组合伪距观测值/>、无电离层组合载波相位观测值/>，实现L2频GNSS观测值的推算。
在一例中，双频无电离层组合模型如下所示：
；
；
其中，表示无电离层组合伪距观测值，/>表示无电离层组合载波相位观测值，/>为终端与卫星间的几何距离。/>表示吸收了接收机伪距偏差的接收机钟差；/>表示吸收了卫星伪距偏差的卫星钟差；c表示光速。/>表示对流层延迟。/>表示无电离层组合频率波长，/>为包含了硬件延迟、初始相位偏差、接收机、卫星仪器偏差等的无电离层组合模糊度参数。/>表示未参数化与模型化的其它残余误差。
在一例中，终端与卫星间的几何距离的计算公式如下所示：
；
其中，为卫星向量坐标，为根据精密星历获取得到的；/>为接收机向量坐标，即当前历元的导航解/>。
步骤3.2，根据L1频的频率和观测值、L2频的频率、无电离层组合伪距观测值和无电离层组合载波相位观测值，确定L2频对应的GNSS缺失观测值。
在一种实施方式中，无电离层组合伪距观测值和无电离层组合载波相位观测值之间存在如下关系：
；/>；/>；
其中，、/>、/>、/>分别为L1、L2频的频率和波长。/>为根据精密钟差获取得到的，/>忽略不计。
对上述关系进行转换，可以得到L2频伪距和载波相位观测数据的计算公式：
；
；
其中，、/>为L1频的伪距和载波相位观测数据，/>、/>为L2频的伪距和载波相位观测数据，L1频的伪距和载波相位观测数据由中当前历元的GNSS原始观测值获取。
步骤4，如果基于导航解确定GNSS缺失观测值不满足预设条件，则更新导航解和当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，并基于更新后的导航解和更新后的缺失频段对应的载波相位模糊度参数，再次对缺失频段进行补偿，直至GNSS缺失观测值满足预设条件；
在一种实施方式中，可以按照如下步骤4.1至步骤4.5，执行如果基于导航解确定GNSS缺失观测值不满足预设条件，则更新导航解和当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数的步骤：
步骤4.1，将补全后的全频率GNSS观测值输入至GNSS导航处理器，得到第二GNSS定位解算结果。
在一例中，将L2频对应的伪距和载波相位观测数据、L1频对应的伪距和载波相位观测数据，输入至GNSS导航处理器，获得第二GNSS定位解算结果。
步骤4.2，如果第二GNSS定位解算结果与导航解之间的差值绝对值小于预设差值阈值，则确定GNSS缺失观测值满足预设条件。
在一例中，当小于预设差值阈值时，确定GNSS缺失观测值满足预设条件，并执行步骤5。示例性的，根据经验将此阈值设定为1m。
步骤4.3，如果第二GNSS定位解算结果与导航解之间的差值绝对值大于或等于预设差值阈值，则确定GNSS缺失观测值不满足预设条件。
在一例中，当大于或等于预设差值阈值时，确定GNSS缺失观测值不满足预设条件，并继续执行步骤4.4。示例性的，根据经验将此阈值设定为1m。
步骤4.4，利用第二GNSS定位解算结果替换第一GNSS定位解算结果。
在一例中，利用第二GNSS定位解算结果替换第一GNSS定位解算结果/>。
步骤4.5，将第二GNSS定位解算结果输入至惯性导航处理器，以得到更新后的导航解和更新后的缺失频段对应的载波相位模糊度参数。
在一例中，再次按照步骤a至步骤c，通过惯性导航处理器对替换后的第一GNSS定位解算结果进行解算，以对当前历元的导航解和L2频的载波相位模糊度参数进行更新。具体可参见前述步骤a至步骤c，本发明实施例对此不再进行赘述。
进一步的，在得到更新后的导航解和更新后的缺失频段对应的载波相位模糊度参数之后，可以重复执行步骤1至步骤4，得到更新后的GNSS缺失观测值。
进一步的，若更新后的GNSS缺失观测值仍不满足预设条件，则继续执行步骤a至步骤c和步骤1至步骤4，直至GNSS缺失观测值满足预设条件。
步骤5，将满足预设条件的GNSS缺失观测值，确定为缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值。
至此，实现卫星视野良好时缺失的L2频GNSS伪距、载波相位观测数据的补全。
在一种实施方式中，在确定目标GNSS缺失观测值之后，可以进一步对GNSS观测数据进行质量控制。在实际应用中，在确定目标GNSS缺失观测值之后，GNSS观测值具备双频数据。首先对其进行粗差剔除，然后对其进行周跳探测与修复，实现智能终端GNSS观测数据的质量控制。其中，双频GNSS观测数据通常采用电离层残差组合方法进行周跳探测，但电离层残差组合周跳探测法无法判断哪个频率发生周跳，当L1频和L2频周跳的比值接近77/60时，该方法可能失效，且解算时L1频和L2频周跳存在多种组合结果。针对该问题，本发明实施例构建智能终端GNSS具体频率周跳探测模型。该模型利用INS（Inertial NavigationSystem，惯性导航系统）计算得到的终端位置、速度、加速度等信息来辅助周跳探测，不仅能够提供短时高精度参数先验信息，提升方差矩阵的稳定性，而且可实现具体频率的周跳探测。
在具体实现时，可以参见如下步骤一至步骤三：
步骤一，构建频率周跳探测模型；其中，频率周跳探测模型包括目标载波相位观测方程和位置信息虚拟观测方程，目标载波相位观测方程为当前历元与相邻历元间载波相位观测方程之差。
在一例中，对载波相位观测方程进行历元间做差，得到目标载波相位观测方程：
；
其中，表示历元间电离层误差，/>表示j频率的周跳值，/>为终端与卫星间的几何距离差值，/>为接收机钟差差值，/>为卫星钟差差值，/>为对流层延迟差值，为无电离层组合频率波长差值，/>为其它残余误差差值。当历元间未发生周跳时，。在具体实现时，可以将当前历元L1频的载波相位观测方程与相邻历元L1频的载波相位观测方程之间做差，以及将当前历元L2频的载波相位观测方程与相邻历元L2频的载波相位观测方程之间做差。
在一例中，建立INS预测的高精度位置信息虚拟观测方程：
；
其中，代表INS信息预测的历元间终端与卫星几何距离的差值；/>代表待估的历元间终端与卫星几何距离的差值；/>代表INS预测误差。
将目标载波相位观测方程与高精度位置信息虚拟观测方程/>联立，构成智能终端GNSS具体频率周跳探测模型。
步骤二，对所述频率周跳探测模型进行解算得到缺失频率的残差，基于所述缺失频率的残差估算周跳值，以确定某频段是否发生周跳。
在一种实施方式中，可以基于智能终端GNSS具体频率周跳探测模型估算周跳值。本发明实施例采用如下公式方式估算周跳值/>：
；
其中，为经过抗差估计迭代计算得到的j频残差；/>为j频波长。
步骤三，如果残差的绝对值大于缺失频段对应的残差阈值，则确定当前历元存在周跳现象，以对GNSS原始观测值和/或目标GNSS缺失观测值进行优化。
在一种实施方式中，当时，本发明实施例认为周跳发生，对步骤二估算的周跳值/>四舍五入取整值获得估算的整周周跳值。
对整周周跳进行修复，实现智能终端GNSS观测数据的优化及质量控制。
本发明实施例将智能终端惯性导航计算得到的终端位置、速度、加速度等信息作为GNSS观测值质检约束条件，为智能终端提供更强的GNSS数据质量控制手段。
综上所述，本发明实施例提供的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，可以解决现有技术中存在的载波相位不连续问题和L2频观测值数据缺失问题。首先，利用智能终端搭载的GNSS芯片和惯性传感器获取GNSS原始观测值、IMU原始测量值构建多源数据驱动的智能终端位置速度预测模型，进行智能终端位置速度等信息的预测。其次，在上述预测结果的基础上，结合外界辅助信息构建基于智能终端惯性导航的GNSS缺失观测值精密补偿模型，对由于载波相位不连续问题、L2频观测值数据缺失问题及其他问题导致的卫星视野良好时GNSS缺失观测值进行补偿。最后，构建智能终端GNSS具体频率周跳探测模型，对由于载波相位不连续问题及其他问题导致的大小周跳进行探测及修复。该方法算法简单，易于程序实现，现有资源丰富，数据获取容易，可以为智能终端GNSS定位解算提供完善的双频观测数据，为智能终端使用载波相位观测值进行GNSS定位解算时提供稳定的应用环境，有效提升智能终端GNSS定位服务性能。
为便于理解，本发明实施例提供了基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法的另一种实施方式，参见图2所示的另一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤S202至步骤S208：
步骤S202，获取GNSS原始观测值、IMU原始测量值、外界辅助信息。具体的，获取智能终端GNSS原始观测值、智能终端惯性测量单元IMU输出的原始测量值、外界辅助信息；
步骤S204，构建多源数据驱动的智能终端位置速度预测模型。具体的，通过构建多源数据驱动的智能终端位置速度预测模型，实现终端位置速度的预测；
步骤S206，构建基于智能终端惯性导航的GNSS缺失观测值精密补偿模型。具体的，利用预测的终端位置速度信息与外界辅助信息构建基于智能终端惯性导航的GNSS缺失观测值精密补偿模型，推算卫星视野良好时缺失的GNSS伪距、载波相位观测数据，实现智能终端缺失GNSS观测数据的补全；
步骤S208，构建智能终端GNSS具体频率周跳探测模型。具体的，通过构建智能终端GNSS具体频率周跳探测模型，对各频率小周跳进行探测及修复，实现智能终端GNSS观测数据的质量控制。
综上所述，本发明实施例提供的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，至少具有以下特点：一方面，通过智能终端提供的惯性导航信息补偿卫星视野良好时缺失的GNSS伪距、载波相位观测数据，为智能终端GNSS定位解算提供更多的观测数据。另一方面，将智能终端惯性导航计算得到的终端位置、速度、加速度等信息作为GNSS观测值质检约束条件，为智能终端提供更强的GNSS数据质量控制手段。
在前述实施例的基础上，本发明实施例提供了一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理装置，参见图3所示的一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理装置的结构示意图，该装置主要包括以下部分：
观测值获取模块302，用于获取GNSS原始观测值和IMU原始观测值；
预测模块304，用于基于前一历元的GNSS原始观测值和IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；
补偿模块306，用于基于导航解和缺失频段对应的载波相位模糊度参数，对缺失频段进行补偿，得到缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值；其中，缺失伪距和缺失载波相位观测数据。
本发明实施例提供的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理装置，通过智能终端提供的IMU原始观测值，补偿卫星视野良好时缺失的GNSS伪距、载波相位观测数据，从而解决载波相位不连续问题和部分频段观测值数据缺失问题，以进一步提高终端定位的精度。
在一种实施方式中，预测模块304还用于：
通过GNSS导航处理器对前一历元的GNSS原始观测值进行解算，得到第一GNSS定位解算结果；
通过惯性导航处理器对第一GNSS定位解算结果和前一历元的IMU原始观测值进行解算，得到载体坐标系下的导航解，以及当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；
将导航解从载体坐标系转换至导航坐标系，以得到导航坐标系下的导航解。
在一种实施方式中，补偿模块306还用于：
确定卫星高度角，并基于卫星高度角判断是否对缺失频段进行补偿；
如果是，则通过GNSS导航处理器对当前历元的GNSS原始观测值进行解算，得到接收机钟差、对流层延迟和当前历元内未缺失频段对应的载波相位模糊度参数；其中，未缺失频段为L1频，缺失频段为L2频；
通过预先构建的双频无电离层组合模型，基于外界辅助信息、接收机钟差、对流层延迟、未缺失频段对应的载波相位模糊度参数和缺失频段对应的载波相位模糊度参数，确定缺失频段对应的GNSS缺失观测值；
如果基于导航解确定GNSS缺失观测值不满足预设条件，则更新导航解和当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，并基于更新后的导航解和更新后的缺失频段对应的载波相位模糊度参数，再次对缺失频段进行补偿，直至GNSS缺失观测值满足预设条件；
将满足预设条件的GNSS缺失观测值，确定为缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值。
在一种实施方式中，补偿模块306还用于：
如果卫星高度角大于或等于预设高度角阈值，且存在L1频对应的GNSS原始观测值，且不存在L2频对应的GNSS原始观测值，则确定对缺失频段进行补偿。
在一种实施方式中，补偿模块306还用于：
将外界辅助信息、接收机钟差和对流层延迟，代入至预先构建的双频无电离层组合模型，得到无电离层组合伪距观测值和无电离层组合载波相位观测值；
根据所述L1频的频率和观测值、所述L2频的频率、无电离层组合伪距观测值和无电离层组合载波相位观测值，确定L2频对应的GNSS缺失观测值。
在一种实施方式中，补偿模块306还用于：
将补全后的全频率GNSS观测值输入至GNSS导航处理器，得到第二GNSS定位解算结果；
如果第二GNSS定位解算结果与导航解之间的差值绝对值小于预设差值阈值，则确定GNSS缺失观测值满足预设条件；
如果第二GNSS定位解算结果与导航解之间的差值绝对值大于或等于预设差值阈值，则确定GNSS缺失观测值不满足预设条件；
利用第二GNSS定位解算结果替换第一GNSS定位解算结果；
将所述第二GNSS定位解算结果输入至惯性导航处理器，以得到更新后的导航解和更新后的缺失频段对应的载波相位模糊度参数。
在一种实施方式中，还包括优化模块，用于：
构建频率周跳探测模型；其中，频率周跳探测模型包括目标载波相位观测方程和位置信息虚拟观测方程，目标载波相位观测方程为当前历元与相邻历元间载波相位观测方程之差；
对所述频率周跳探测模型进行解算得到缺失频率的残差，基于所述缺失频率的残差估算周跳值；
如果残差的绝对值大于缺失频段对应的残差阈值，则确定当前历元存在周跳现象，以对GNSS原始观测值和/或目标GNSS缺失观测值进行优化。
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
本发明实施例提供了一种电子设备，具体的，该电子设备包括处理器和存储装置；存储装置上存储有计算机程序，计算机程序在被所述处理器运行时执行如上所述实施方式的任一项所述的方法。
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备100包括：处理器40，存储器41，总线42和通信接口43，所述处理器40、通信接口43和存储器41通过总线42连接；处理器40用于执行存储器41中存储的可执行模块，例如计算机程序。
其中，存储器41可能包含高速随机存取存储器（RAM，Random Access Memory），也可能还包括非不稳定的存储器（non-volatilememory），例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口43（可以是有线或者无线）实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
总线42可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器41用于存储程序，所述处理器40在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器40中，或者由处理器40实现。
处理器40可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器40中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器40可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器41，处理器40读取存储器41中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
本发明实施例所提供的可读存储介质的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。
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。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，其特征在于，包括：
获取GNSS原始观测值和IMU原始观测值；
基于前一历元的所述GNSS原始观测值和所述IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；
基于所述导航解和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，对所述缺失频段进行补偿，得到所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值；其中，所述目标GNSS缺失观测值包括缺失伪距和缺失载波相位观测数据；
基于所述导航解和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，对所述缺失频段进行补偿，得到所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值，包括：
确定卫星高度角，并基于所述卫星高度角判断是否对缺失频段进行补偿；
如果是，则通过GNSS导航处理器对所述当前历元的所述GNSS原始观测值进行解算，得到接收机钟差、对流层延迟和所述当前历元内未缺失频段对应的载波相位模糊度参数；其中，所述未缺失频段为L1频，所述缺失频段为L2频；
通过预先构建的双频无电离层组合模型，基于外界辅助信息、所述接收机钟差、所述对流层延迟、所述未缺失频段对应的载波相位模糊度参数和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，确定所述缺失频段对应的GNSS缺失观测值；
如果基于所述导航解确定所述GNSS缺失观测值不满足预设条件，则更新所述导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，并基于更新后的所述导航解和更新后的所述缺失频段对应的载波相位模糊度参数，再次对所述缺失频段进行补偿，直至所述GNSS缺失观测值满足所述预设条件；
将满足所述预设条件的所述GNSS缺失观测值，确定为所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值。
2.根据权利要求1所述的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，其特征在于，基于前一历元的所述GNSS原始观测值和所述IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，包括：
通过GNSS导航处理器对前一历元的所述GNSS原始观测值进行解算，得到第一GNSS定位解算结果；
通过惯性导航处理器对所述第一GNSS定位解算结果和所述前一历元的所述IMU原始观测值进行解算，得到载体坐标系下的导航解，以及所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；
将所述导航解从所述载体坐标系转换至导航坐标系，以得到所述导航坐标系下的所述导航解。
3.根据权利要求1所述的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，其特征在于，基于所述卫星高度角判断是否对缺失频段进行补偿，包括：
如果所述卫星高度角大于或等于预设高度角阈值，且存在所述L1频对应的所述GNSS原始观测值，且不存在所述L2频对应的所述GNSS原始观测值，则确定对所述缺失频段进行补偿。
4.根据权利要求1所述的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，其特征在于，通过预先构建的双频无电离层组合模型，基于外界辅助信息、所述接收机钟差、所述对流层延迟、所述未缺失频段对应的载波相位模糊度参数和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，确定所述缺失频段对应的GNSS缺失观测值，包括：
将外界辅助信息、所述接收机钟差和所述对流层延迟，代入至预先构建的双频无电离层组合模型，得到无电离层组合伪距观测值和无电离层组合载波相位观测值；
根据所述L1频的频率和观测值、所述L2频的频率、所述无电离层组合伪距观测值和所述无电离层组合载波相位观测值，确定所述L2频对应的GNSS缺失观测值。
5.根据权利要求1所述的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，其特征在于，如果基于所述导航解确定所述GNSS缺失观测值不满足预设条件，则更新所述导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，包括：
将补全后的全频率GNSS观测值输入至GNSS导航处理器，得到第二GNSS定位解算结果；
如果所述第二GNSS定位解算结果与所述导航解之间的差值绝对值小于预设差值阈值，则确定所述GNSS缺失观测值满足预设条件；
如果所述第二GNSS定位解算结果与所述导航解之间的差值绝对值大于或等于所述预设差值阈值，则确定所述GNSS缺失观测值不满足所述预设条件；
利用所述第二GNSS定位解算结果替换第一GNSS定位解算结果；
将所述第二GNSS定位解算结果输入至惯性导航处理器，以得到更新后的所述导航解和更新后的所述缺失频段对应的载波相位模糊度参数。
6.根据权利要求1所述的基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理方法，其特征在于，所述方法还包括：
构建频率周跳探测模型；其中，所述频率周跳探测模型包括目标载波相位观测方程和位置信息虚拟观测方程，所述目标载波相位观测方程为当前历元与相邻历元间载波相位观测方程之差；
对所述频率周跳探测模型进行解算得到缺失频率的残差，基于所述缺失频率的残差估算周跳值；
如果所述残差的绝对值大于所述缺失频段对应的残差阈值，则确定所述当前历元存在周跳现象，以对所述GNSS原始观测值和/或所述目标GNSS缺失观测值进行优化。
7.一种基于智能终端惯性导航的GNSS数据处理装置，其特征在于，包括：
观测值获取模块，用于获取GNSS原始观测值和IMU原始观测值；
预测模块，用于基于前一历元的所述GNSS原始观测值和所述IMU原始观测值，预测当前历元对应的导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数；
补偿模块，用于基于所述导航解和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，对所述缺失频段进行补偿，得到所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值；其中，所述目标GNSS缺失观测值包括缺失伪距和缺失载波相位观测数据；
补偿模块还用于：
确定卫星高度角，并基于所述卫星高度角判断是否对缺失频段进行补偿；
如果是，则通过GNSS导航处理器对所述当前历元的所述GNSS原始观测值进行解算，得到接收机钟差、对流层延迟和所述当前历元内未缺失频段对应的载波相位模糊度参数；其中，所述未缺失频段为L1频，所述缺失频段为L2频；
通过预先构建的双频无电离层组合模型，基于外界辅助信息、所述接收机钟差、所述对流层延迟、所述未缺失频段对应的载波相位模糊度参数和所述缺失频段对应的所述载波相位模糊度参数，确定所述缺失频段对应的GNSS缺失观测值；
如果基于所述导航解确定所述GNSS缺失观测值不满足预设条件，则更新所述导航解和所述当前历元内缺失频段对应的载波相位模糊度参数，并基于更新后的所述导航解和更新后的所述缺失频段对应的载波相位模糊度参数，再次对所述缺失频段进行补偿，直至所述GNSS缺失观测值满足所述预设条件；
将满足所述预设条件的所述GNSS缺失观测值，确定为所述缺失频段对应的目标GNSS缺失观测值。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求1至6任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现权利要求1至6任一项所述的方法。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| INS辅助整周模糊度单历元直接解法;甘雨;隋立芬;董明;刘乾坤;陈泉余;;武汉大学学报(信息科学版)(第10期);11379-1384 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116931028A (zh) | 2023-10-24 |
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