一种面向智能终端的GNSS精密单点定位数据质量控制方法技术

本发明专利技术公开了一种面向智能终端的GNSS精密单点定位数据质量控制方法，首先基于双频信号对发射时间模糊度进行计算并修复，具体为提出一种根据GALILEO导航信号测距码结构，利用E5信号求解信号发射时间模糊度从而修复E1伪距的信号发射时间模糊度的方法，同时亦可以利用E1信号来修复部分卫星E5伪距可能存在的信号发射时间模糊度，最终得到完整的E1和E5伪距观测量；本发明专利技术的方法，用于对智能终端测量得到的伪距观测量进行粗差的有效检测与处理；还进行载波相位累积异常检测与修复以及测量连续性检测与处理；最后建立顾及接收机钟差不一致性的智能终端精密单点定位观测方程，基于卡尔曼滤波估计方法逐历元进行精密单点定位方程的解算处理，获得精确的定位结果。

【技术实现步骤摘要】
一种面向智能终端的GNSS精密单点定位数据质量控制方法
本专利技术涉及全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)精密定位关键技术，提出了面向智能终端GNSS精密单点定位(PrecisePointPositioning，PPP)的数据质量控制方法，用以提高智能终端特别是广大智能手机的GNSS定位性能。
技术介绍
通常情况下，伪距、载波相位、多普勒以及载噪比等是GNSS接收机提供的四种最基本的原始观测量，特别是伪距和载波相位，可用于实现不同精度等级的定位解算。并且，随着智能终端芯片技术的发展，目前的智能终端通常都具备同时接收和处理包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO以及中国北斗BDS等多个GNSS系统的单频或双频导航信号，从而生成单频或双频的GNSS原始观测量。然而，在现有条件下，以智能手机为代表的广大智能终端由于其采用线极化的GNSS接收天线以及内部基带信号处理模块性能较差，导致GNSS伪距和载波相位等原始观测量普遍噪声大、精度低、粗差多，同时载波相位周跳频繁，使得定位性能显著降低，一般仅可获得十米量级精度的定位效果，特别是在城市复杂环境下，其定位效果甚至更差。即使采用卫星导航高精度定位方法，如采用载波相位的实时动态定位技术RTK(Real-TimeKinematic)和精密单点定位技术PPP(PrecisePointPositioning)，甚至是最新发展的PPP-RTK定位技术等，在原始观测数据质量无法得到根本性改善的前提下亦难以实现高精度的定位效果。另外，除了线极化接收天线这一设计差别外，由于以广大智能手机为代表的智能终端在基带信号处理模块的设计上与传统的GNSS接收机也存在较大差异。在实际利用智能终端GNSS原始观测量的定位解算中发现，智能终端的GNSS伪距和载波相位观测量之间的接收机钟差项的特性并不一致；同时，对于支持双频信号跟踪能力的智能终端而言，不同频点上的观测量之间的接收机钟差特性也并不一致。因此，在实际利用智能终端GNSS原始观测量的定位解算中，如果仍按照常规的GNSS精密单点定位解算那样构建定位观测模型以及进行数据质量控制的话，将会很大程度上影响智能终端GNSS精密单点定位解算的性能，从而难以获得高精度的精密单点定位结果。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术依据智能终端的GNSS原始数据特点，提供了在智能终端上实现GNSS精密单点定位的数据质量控制与高精度定位解决方法，用以提高智能终端特别是广大智能手机的定位性能。一种面向智能终端的GNSS精密单点定位数据质量控制方法，包括如下步骤：步骤一、基于双频信号的卫星信号发射时间模糊度的计算与修复，具体为：S101、检测是否具备修复信号发射时间模糊度的条件，如果有，执行S102-S106；S102、根据E5a信号完整的信号发射时刻，根据如下公式逐一计算出各观测卫星的E1信号的信号发射时间模糊度：式中，E5aSvTimeNanosfull为当前卫星完整的E5信号发射时刻，E1TimeAmbiguityNanos为求出来的E1信号的信号发射时间模糊度值；S103、修复E1信号的信号发射时间模糊度得到完整的E1伪距值E1Pesudorangefull：E1SvTimeNanosfull＝E1SvTimeNanosamb+E1TimeAmbiguityNanos(2)E1Pesudorangefull＝(RxTimeNanos-E1SvTimeNanosfull)*10-9*c(3)S104、利用完整的E1信号发射时刻，根据如下公式逐一计算出各观测卫星的E5a信号的信号发射时间模糊度：式中，E1SvTimeNanosfull为当前卫星完整的E1信号发射时刻，E5aTimeAmbiguityNanos为求出来的E5a信号的信号发射时间模糊度值；S105、修复E5a信号的信号发射时间模糊度得到完整的E5a伪距值：E5aSvTimeNanosfull＝E5aSvTimeNanosamb+E5aTimeAmbiguityNanos(5)E5aPesudorangefull＝(RxTimeNanos-E5aSvTimeNanosfull)*10-9*c(6)S106、对经信号发射时间模糊度修复后的伪距进行正确性验证；步骤二、伪距测量粗差检测与处理，具体为：S201、根据伪距测量方差判断伪距测量效果，具体判断准则为：式中，为k时刻接收机对卫星s在频点f上的伪距测量方差；为k时刻接收机对卫星s在频点f上的信号发射时间的测量不确定度；c为光速；δ2为伪距测量方差的检测门限值；当此时的伪距测量方差不超过设定的检测门限时，保留该伪距观测量，否则将剔除该颗卫星的伪距观测量使其不再参与后续步骤；S202、基于伪距变化率及普勒信息的伪距粗差检测和处理：ΔRk＝(Pk-Pk-1)/(Tk-Tk-1)/λ-Dk式中，Pk和Pk-1分别为k和k-1时刻的原始伪距值；Dk为k时刻的多普勒观测值，Tk和Tk-1表示连续的采样历元；ΔRk为当前伪距率与多普勒之间的差值，δ3为伪距率误差的检测门限值；当此时的伪距率误差不超过设定的检测门限时，保留该卫星的观测量，否则标记为粗差并剔除该颗卫星的伪距观测量使其不再参与后续步骤；步骤三、载波相位累积异常检测与修复以及测量连续性检测与处理，具体为：S301、载波相位累积异常检测与修复，具体实现方式如下：ΔLi＝Lk-i+1-Lk-i,i＝1,2,3,4(13)Sx＝(S1+S2)-(S3+S4)(15)Lrepaired,k＝Lk-(Lk-Lflag)*2*flag(18)式中，k为历元时刻，Lk-i+1和Lk-i前后连续两个历元的载波相位，ΔLi为前后连续两个历元的载波相位差值，flag为载波相位累积异常发生标记，Lflag为发生载波相位累积异常时刻的载波相位值，Lrepaired,k为进行载波相位累积异常修复后的载波相位值，Dk为k时刻的多普勒观测值，且|Dk|＞50；当检测到发生载波相位累积异常时，依据公式(13)-(18)进行修复，直到载波相位计数恢复正常时结束；S302、针对智能终端载波相位测量连续性的检测与处理，具体为：首先充分利用安卓智能终端GNSS原始观测量接口信息，基于相位失锁标记法进行初次检测；然后基于伪距相位组合法对载波相位测量连续性进行二次检验，具体为：基于GNSS基本伪距和载波相位观测方程并忽略测量噪声，求得载波相位模糊度为：N＝(λΦ-P+2I)/λ(19)式中，Φ和P分别为当前历元时刻的载波相位测量值以及伪距测量值，λ为载波波长；I为电离层延迟量；N为以周数为单位的载波相位模糊度；将相邻历元间的载波相位模糊度值做差得到伪距相位组合法的周跳检测量△N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向智能终端的GNSS精密单点定位数据质量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、基于双频信号的卫星信号发射时间模糊度的计算与修复，具体为：/nS101、检测是否具备修复信号发射时间模糊度的条件，如果有，执行S102-S106；/nS102、根据E5a信号完整的信号发射时刻，根据如下公式逐一计算出各观测卫星的E1信号的信号发射时间模糊度：/n

【技术特征摘要】
1.一种面向智能终端的GNSS精密单点定位数据质量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、基于双频信号的卫星信号发射时间模糊度的计算与修复，具体为：
S101、检测是否具备修复信号发射时间模糊度的条件，如果有，执行S102-S106；
S102、根据E5a信号完整的信号发射时刻，根据如下公式逐一计算出各观测卫星的E1信号的信号发射时间模糊度：



式中，E5aSvTimeNanosfull为当前卫星完整的E5信号发射时刻，E1TimeAmbiguityNanos为求出来的E1信号的信号发射时间模糊度值；
S103、修复E1信号的信号发射时间模糊度得到完整的E1伪距值E1Pesudorangefull：
E1SvTimeNanosfull＝E1SvTimeNanosamb+E1TimeAmbiguityNanos(2)
E1Pesudorangefull＝(RxTimeNanos-E1SvTimeNanosfull)*10-9*c(3)
S104、利用完整的E1信号发射时刻，根据如下公式逐一计算出各观测卫星的E5a信号的信号发射时间模糊度：



式中，E1SvTimeNanosfull为当前卫星完整的E1信号发射时刻，E5aTimeAmbiguityNanos为求出来的E5a信号的信号发射时间模糊度值；
S105、修复E5a信号的信号发射时间模糊度得到完整的E5a伪距值：
E5aSvTimeNanosfull＝E5aSvTimeNanosamb+E5aTimeAmbiguityNanos(5)
E5aPesudorangefull＝(RxTimeNanos-E5aSvTimeNanosfull)*10-9*c(6)
S106、对经信号发射时间模糊度修复后的伪距进行正确性验证；
步骤二、伪距测量粗差检测与处理，具体为：
S201、根据伪距测量方差判断伪距测量效果，具体判断准则为：



式中，为k时刻接收机对卫星s在频点f上的伪距测量方差；为k时刻接收机对卫星s在频点f上的信号发射时间的测量不确定度；c为光速；δ2为伪距测量方差的检测门限值；当此时的伪距测量方差不超过设定的检测门限时，保留该伪距观测量，否则将剔除该颗卫星的伪距观测量使其不再参与后续步骤；
S202、基于伪距变化率及普勒信息的伪距粗差检测和处理：



式中，Pk和Pk-1分别为k和k-1时刻的原始伪距值；Dk为k时刻的多普勒观测值，Tk和Tk-1表示连续的采样历元；ΔRk为当前伪距率与多普勒之间的差值，δ3为伪距率误差的检测门限值；当此时的伪距率误差不超过设定的检测门限时，保留该卫星的观测量，否则标记为粗差并剔除该颗卫星的伪距观测量使其不再参与后续步骤；
步骤三、载波相位累积异常检测与修复以及测量连续性检测与处理，具体为：
S301、载波相位累积异常检测与修复，具体实现方式如下：
ΔLi＝Lk-i+1-Lk-i,i＝1,2,3,4(13)



Sx＝(S1+S2)-(S3+S4)(15)






Lrepaired,k＝Lk-(Lk-Lflag)*2*flag(18)
式中，k为历元时刻，Lk-i+1和Lk-i前后连续两个历元的载波相位，ΔLi为前后连续两个历元的载波相位差值，flag为载波相位累积异常发生标记，Lflag为发生载波相位累积异常时刻的载波相位值，Lrepaired,k为进行载波相位累积异常修复后的载波相位值，Dk为k时刻的多普勒观测值，且|Dk|＞50；当检测到发生载波相位累积异常时，依据公式(13)-(18)进行修复，直到载波相位计数恢复正常时结束；
S302、针对智能终端载波相位测量连续性的检测与处理，具体为：
首先充分利用安卓智能终端GNSS原始观测量接口信息，基于相位失锁标记法进行初次检测；
然后基于伪距相位组合法对载波相位测量连续性进行二次检验，具体为：
基于GNSS基本伪距和载波相位观测方程并忽略测量噪声，求得载波相位模糊度为：
N＝(λΦ-P+2I)/λ(19)
式中，Φ和P分别为当前历元时刻的载波相位测量值以及伪距测量值，λ为载波波长；I为电离层延迟量；N为以周数为单位的载波相位模糊度；将相邻历元间的载波相位模糊度值做差得到伪距相位组合法的周跳检测量△N为：



式中，Φi、Φi-1分别为当前历元和前一历元时刻的载波相位测量值，Pi和Pi-1分别为当前历元和前一历元时刻的伪距测量值；Ni和Ni-1分别为当前历元和前一历元时刻的载波相位模糊度值；λ为载波相位波长；δ6为伪距相位组合法的周跳检测门限值；当△N的绝对值大于设定的阈值δ6时判断为发生了周跳，否则未发生周跳；
步骤四、顾及接收机钟差不一致性的智能终端精密单点定位观测方程建立，具体为：
S401、针对使用单频伪距和载波相位观测量的单频精密单点定位的情况，对伪距和载波相位观测量分别各自引入一个独立的接收机钟差参数。此时的GNSS单频精密单点定位观测方程表示为：



式中，为接收机r对卫星s的伪距观测量；为以距离为单位的载波相位观测量；为在信号发射时刻的卫星与接收机二者天线相位中心之间的几何距离量；δtr,P为信号接收时刻的伪距观测量的接收机钟差；δtr,Φ为信号接收时刻的载波相位观测量的接收机钟差；δts为信号发射时刻的卫星钟差；为在卫星s至接收机r之间的信号传播路径上的电离层延迟误差量，它对伪距和载波相位的影响大小相等符号相反；为信号传播路径上的对流层延迟误差量；λ表示所接收信号的载波波长；为载波相位模糊度；分别为伪距以及载波相位的测量噪声以及其他未建模误差的综合项；对单频的伪距和载波相位观测量分别引入一个独立的接收机钟差参数，此时对某一GNSS系统而言将同时解算2个接收机钟差参数，一个为伪距接收机钟差参数δtr,P，另一个为载波相位接收机钟差参数δtr,Φ；在此情况下，当进行精密单点定位解算过程中的待估参数状态更新时，先按照常规标准伪距单点定位方法，解算得到第k个历元的智能终端接收机钟差的概略值，这里用δtr0,k来表示；进而利用当前估计的接收机钟差概略值，对待估的伪距和载波相位接收机钟差参数进行初始化，并设置接收机钟差参数为白噪声变化过程，以及相应的过程噪声方差值Q，具体如下：



式中，下标k|k-1表示第k个历元的伪距和载波相位接收机钟差参数的初值；(x)2为初始估计的伪距钟差概略值的方差；
S402、针对使用双频伪距和载波相位无电离层组合观测量的无电离层组合精密单点定位的情况，对两个频点上形成的无电离层组合伪距和载波相位观测量分别各自引入一个独立的无电离层组合接收机钟差参数；通过建立智能终端GNSS双频精密单点定位的无电离层组合模型的伪距和载波相位观测模型，从而消去观测量中的电离层延迟误差，此时的GNSS双频无电离层组合精密单点定位观测方程表示为：



式中，为接收机r对卫星s的在f1和f5两个信号频点上形成的无电离层组合伪距观测量；为接收机r对卫星s的在f1和f5两个信号频点上形成的无电离层组合载波相位观测量；为在信号发射时刻的卫星与接收机二者天线相位中心之间的几何距离量；δtr,P_IF为信号接收时刻的两个信号频点上的伪距观测量的无电离层组合接收机钟差；δtr,Φ_IF为信号接收时刻的两个信号频点上的载波相位观测量的无电离层组合接收机钟差；δts为信号发射时刻的卫星钟差；为两个信号频点上的无电离层组合伪距测量噪声；为两个信号频点上的无电离层组合载波相位测量噪声；对两个频点上形成的无电离层组合伪距和载波相位观测量分别各自引入一个独立的无电离层组合接收机钟差参数，即此时对某一GNSS系统而言将同时解算2个无电离层组合接收机钟差参数，包括1个无电离层组合伪距接收机钟差参数δtr,P_IF和1个无电离层组合载波相位接收机钟差参数δtr,Φ_IF；在此情况下，当进行精密单点定位解算过程中的待估参数状态更新时，先按照常规标准伪距单点...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪亮，李子申，王宁波，赵姣姣，周凯，袁洪，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11