用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法及系统，包括构建测站处的半天球格网模型，用于描述测站处天空各区域的障碍物遮挡情况；半天球格网模型的每个格网内包含一个可见度因子α，构建包含所有格网内可见度因子的矩阵A；采集测站处的3D环境模型数据，并对模型数据进行坐标系转换；解算测站处的半天球格网模型参数，得到矩阵A中每个可见度因子α，确定测站处天空各区域障碍物遮挡情况；在GNSS数据处理中采用描述测站处障碍物遮挡情况的半天球格网模型，检测并消除非直射信号，支持辅助改善多路径误差建模精度和有效性，提高定位结果精度。

【技术实现步骤摘要】
用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法及系统
本专利技术属于全球卫星导航系统领域，特别涉及一种适用于静态测站的，关于检测和消除GNSS非直射信号(NLOS)，辅助改善多路径误差建模的精度和有效性，提高定位解算结果精度的技术。
技术介绍
多路径效应是由来自卫星的直射、反射和衍射信号等进入接收机天线并发生干涉导致的现象，因其与卫星、接收机及测站环境均具有高度的相关性，现有改正方法在实际应用中均存在弊端，多路径误差也成为影响GNSS精密数据处理精度的主要误差源之一[1]。目前，针对多路径效应对GNSS定位精度的影响，在测站环境和接收机等硬件设备受限的条件下，主要从数据处理算法层面对多路径误差进行建模，或采用信号处理技术进行分析，通过分离多路径误差，削弱其对GNSS精密数据处理精度的影响。通常情况下，认为多路径效应是由直射信号与反射信号或衍射信号等叠加造成的，但实际上，反射信号或衍射信号也能够在直射信号无法被接收时进入接收机天线，这类信号被称为非直射信号(NLOS)[2]。由非直射信号导致的GNSS定位误差通常被归类为多路径效应，但与多路径误差相比它往往要大很多，因此需要采用不同的技术抑制或消除非直射信号[3]。WangLei等人提出可以采用3D城市模型或3D地图检测卫星直射信号的可见性，从而检测和抑制非直射信号和多路径效应[4]；此外，A.Bourdeau等人提出非直射信号的额外相位延迟可以被建模为与测站位置相关的函数，从而在直射卫星信号数量不足时提供降级的位置解[5]。但实际上，3D城市模型或3D地图的海量数据虽然能够满足动态应用中用户处于不同位置时的需求，但会占据大量的数据存储空间；而对于静态测站的GNSS精密数据处理来说，如此庞大的数据量完全是冗余的，并且3D城市模型/3D地图精度有限，在检测和消除卫星非直射信号时可能出现偏差。因此，上述方法并不适用于静态测站的GNSS精密数据处理。关于检测卫星可见性的方法，可以采用在计算机视觉领域较为成熟的线段平面碰撞检测(LineSegment-PlaneCollisionDetection)算法：将建筑模型的各个表面用无数三角形趋近表示，然后依次判断测站与卫星间的连线是否与构成建筑模型表面的每个三角形相交，从而判断该卫星在测站处是否可见。但3D城市模型/3D地图中的每个建筑模型大约由十万个几何表面构成，若对每颗卫星依次进行可见性检测，无论是实时还是事后的数据处理，都对设备的计算性能有着较高的要求[3]。WangLei等人提出：不必使用庞大的建筑模型数据直接计算每颗卫星的可见性，而是预先生成从测站角度观测的建筑模型边界，并用测站处的方位角和高度角表示。通过比较某颗卫星的高度角与测站相同方位处建筑模型边界的高度角，即可实时、高效地判断该卫星是否可见[3]。在静态测站处采用建筑模型边界检测卫星可见性的方法，有效避免了3D建筑模型大量冗余数据的问题，也为数据处理阶段节省了计算负荷。但建筑模型边界方法是基于建筑物与地面间不存在空隙的假设，实际情况却较为复杂：许多建筑模型内部存在允许卫星信号穿过的空洞，例如高架桥、拱门及雕塑，包括植物茂盛的树冠结构等，这些都会影响对于卫星可见性的判断，也是上述方法在使用时存在的弊端。参考文献[1]王亚伟,邹璇,唐卫明,崔健慧,李洋洋.削弱GNSS多路径效应的半天球格网点建模方法[J].测绘学报,2020,49(04):461-468.[2]BradburyJ,ZiebartM,CrossPA,etal.CodeMultipathModellingintheUrbanEnvironmentUsingLargeVirtualRealityCityModels:DeterminingtheLocalEnvironment[J].JournalofNavigation,2006,60(01):95-105.[3]WangL,GrovesPD,ZiebartMK.Multi-ConstellationGNSSPerformanceEvaluationforUrbanCanyonsUsingLargeVirtualRealityCityModels[J].JournalofNavigation,2012,65(3):459-476.[4]WangL,GrovesPD,ZiebartMK.GNSSShadowMatching:ImprovingUrbanPositioningAccuracyUsinga3DCityModelwithOptimizedVisibilityScoringScheme[J].Navigation,2013,60(3):195-207.[5]Bourdeau,A.,Sahmoudi,M.,andTourneret,J.-Y.,“TightIntegrationofGNSSanda3DCityModelforRobustPositioninginUrbanCanyons,”Proceedingsofthe25thInternationalTechnicalmeetingoftheSatelliteDivisionofTheInstituteofNavigation(IONGNSS2012),Nashville,TN,September2012,pp.1263–1269.
技术实现思路
针对全球卫星导航系统中静态测站GNSS精密数据处理精度受到非直射信号(NLOS)影响的问题，本专利技术提出了一种利用测站处的半天球格网模型检测并消除非直射信号，从而辅助改善多路径误差建模精度和有效性，提高定位解算结果精度的技术。为了实现上述目的，本专利技术提供一种用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法，包括以下步骤，步骤1，构建测站处的半天球格网模型，用于描述测站处天空各区域的障碍物遮挡情况；半天球格网模型的每个格网内包含一个可见度因子α(i,j)，构建包含所有格网内可见度因子的矩阵A，其中，i为格网在矩阵中的行序号，j为格网在矩阵中的列序号；步骤2，采集测站处的3D环境模型数据，并对模型数据进行坐标系转换；步骤3，解算测站处的半天球格网模型参数，得到矩阵A中每个可见度因子α(i,j)，确定测站处天空各区域障碍物遮挡情况；步骤4，采用描述测站处障碍物遮挡情况的半天球格网模型，检测并消除非直射信号，支持辅助改善多路径误差建模精度和有效性，提高定位结果精度。而且，步骤1中，构建测站处的半天球格网模型，实现如下，步骤1.1、以测站接收机天线相位中心为球心建立半天球，并将方位角、高度角分别作为半天球的经度L、纬度B进行格网划分；步骤1.2、对半天球格网模型进行范围参数设置，包括将格网经度圈按照方位角的范围设置为0°至360°，格网纬度圈的最小值设置为截止高度角B0，格网纬度圈的最大值设置为B1，高度角B1以上不存在障碍物遮挡；步骤1.3、设置半天球格网在经度和纬度方向的划分间隔d，表征模型的精细程度；步骤1.4、每个格网本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法，其特征在于：包括以下步骤，/n步骤1，构建测站处的半天球格网模型，用于描述测站处天空各区域的障碍物遮挡情况；半天球格网模型的每个格网内包含一个可见度因子α(i，j)，构建包含所有格网内可见度因子的矩阵A，其中，i为格网在矩阵中的行序号，j为格网在矩阵中的列序号；/n步骤2，采集测站处的3D环境模型数据，并对模型数据进行坐标系转换；/n步骤3，解算测站处的半天球格网模型参数，得到矩阵A中每个可见度因子α(i，j)，确定测站处天空各区域障碍物遮挡情况；/n步骤4，采用描述测站处障碍物遮挡情况的半天球格网模型，检测并消除非直射信号，支持辅助改善多路径误差建模精度和有效性，提高定位结果精度。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，构建测站处的半天球格网模型，用于描述测站处天空各区域的障碍物遮挡情况；半天球格网模型的每个格网内包含一个可见度因子α(i，j)，构建包含所有格网内可见度因子的矩阵A，其中，i为格网在矩阵中的行序号，j为格网在矩阵中的列序号；
步骤2，采集测站处的3D环境模型数据，并对模型数据进行坐标系转换；
步骤3，解算测站处的半天球格网模型参数，得到矩阵A中每个可见度因子α(i，j)，确定测站处天空各区域障碍物遮挡情况；
步骤4，采用描述测站处障碍物遮挡情况的半天球格网模型，检测并消除非直射信号，支持辅助改善多路径误差建模精度和有效性，提高定位结果精度。


2.根据权利要求1所述用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法，其特征在于：步骤1中，构建测站处的半天球格网模型，实现如下，
步骤1.1、以测站接收机天线相位中心为球心建立半天球，并将方位角、高度角分别作为半天球的经度L、纬度B进行格网划分；
步骤1.2、对半天球格网模型进行范围参数设置，包括将格网经度圈按照方位角的范围设置为0°至360°，格网纬度圈的最小值设置为截止高度角B0，格网纬度圈的最大值设置为B1，高度角B1以上不存在障碍物遮挡；
步骤1.3、设置半天球格网在经度和纬度方向的划分间隔d，表征模型的精细程度；
步骤1.4、每个格网内包含一个可见度因子α(i，j)，用包含所有格网内可见度因子的矩阵A描述测站处天空不同区域的障碍物遮挡情况，从而判断各区域内卫星的可见性。


3.根据权利要求1所述用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法，其特征在于：步骤2中，测站处的3D环境建模采用近景摄影测量、计算机视觉或激光雷达扫描等方式实现。


4.根据权利要求3所述用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法，其特征在于：测站处的3D环境建模采用三维激光雷达扫描方式实现时，实现方式如下，
步骤2.1、布设特征点并采集在WGS-84坐标系下的坐标；
步骤2.2、架设仪器对测站处的3D环境进行模型数据采集，并以点云的形式记录和呈现，将模型数据转换至WGS-84坐标系下；
步骤2.3、将3D环境模型数据的位置信息用测站处的方位角和高度角表示。


5.根据权利要求3所述用于静态测站的GNSS非直射信号检测消除方法，其特征在于：步骤3中，实现方式如下，
步骤3.1、将矩阵A中的每个可见度因子α(i，j)初始化为...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹璇，付睿男，王亚伟，唐卫明，李志远，李洋洋，冯瑾，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42