一种基于卫星质量评估的稳健滤波方法技术

本发明专利技术涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种基于卫星质量评估的稳健滤波方法，包括步骤1：接收机实时采集导航电文；步骤2：单点定位获取接收机位置及信号质量评估参数；步骤3：进行卫星信号质量评估，判断观测矩阵是否满秩；步骤4：计算抗差因子，计算卡尔曼增益；步骤5：多历元联合观测，建立满秩的完整几何约束求解新预测值；步骤6：保留当前历元参数，进入下一历元解算。采用本发明专利技术的方案具有的优点是，可以用于降低卫星信号强度弱，多径效应等对定位精度的影响，提高持续定位解算能力。提高持续定位解算能力。提高持续定位解算能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于卫星质量评估的稳健滤波方法


[0001]本专利技术涉及卫星定位
，具体涉及一种基于卫星质量评估的抗差滤波及多历元联合观测插值的相对定位方法。

技术介绍

[0002]得益于北斗卫星导航系统全球组网，关于卫星的定位方案得到广泛应用。从伪距单点定位发展到载波相位差分定位(RTK)，再到网络RTK，定位精度最优可达毫米级。但是，受制于卫星信号的特定要求，卫星信号载波频率最终选择在特高频区间(UHF)。而在野外或城市峡谷等复杂环境中，卫星信号会面临树冠或高楼的遮挡，信号强度降低，卫星几何分布不均匀，多径效应等问题，卫星定位的精度会急剧恶化，甚至无法定位。
[0003]在卫星定位的流程中，卡尔曼滤波器是不可缺少的环节，针对卫星定位的特性，通常对卡尔曼滤波器进行相关改进，为解决非线性系统衍生出扩展卡尔曼(EKF)，为克服高维状态空间的精度下降问题，Haykin提出了容积卡尔曼(CKF)方法等。针对观测值误差和多径带来的野值问题，抗差卡尔曼滤波的概念被提出。杨元喜提出IGGIII模型可以针对不同的残差值，利用降权因子构建观测方差的等价权阵。关于抗差滤波的研究，大多集中于降权因子的不同计算方案，而在实际工况中，由于历元间信号的相关性，对于可见卫星数目不足以相对定位解算的情况，部分粗差会影响到其他观测值，造成异常降权现象。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于卫星质量评估的稳健滤波方法，旨在增强卡尔曼滤波的鲁棒性，降低野值出现的概率，在可见卫星不足解算的情况下提供持续输出结算结果的方案。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于卫星质量评估的稳健滤波方法，包括下列步骤：
[0006]步骤1：接收机实时采集导航电文；
[0007]步骤2：单点定位获取接收机位置及信号质量评估参数；
[0008]步骤3：进行卫星信号质量评估，判断观测矩阵是否满秩；
[0009]步骤4：计算抗差因子，计算卡尔曼增益；
[0010]步骤5：多历元联合观测，建立满秩的完整几何约束求解新预测值；
[0011]步骤6：保留当前历元参数，进入下一历元解算。
[0012]其中，在接收机实时采集导航电文过程中，使用多模单频接收机接收北斗、GPS卫星单频信号，并解码得到观测数据和导航电文，数据格式转换为RTCM3格式。
[0013]其中，在单点定位获取接收机位置及信号质量评估参数过程中，从观测数据中提取伪距和载波相位观测值，利用伪距单点定位得到接收机位置，获取各卫星的星地矢量，由此计算精度因子和卫星仰角，为卡尔曼滤波提供迭代初始值。
[0014]其中，在进行卫星信号质量评估，判断观测矩阵是否满秩过程中，依据PDOP和仰角
对卫星信号进行粗评估，其中PDOP阈值设为4，卫星仰角设为20
°
，对于筛选后的卫星判断观测矩阵是否满秩；若通过信号质量评估，进入权利要求1的步骤4，若未通过评估，认为当前历元观测值本身无法完成解算流程，跳过步骤4。
[0015]其中，对于计算抗差因子，计算卡尔曼增益的过程，包括步骤如下：
[0016]1)通过观测值和一步预测值获取伪距残差和载波相位残差，计算服从高斯分布的残差向量的马氏距离，对残差向量进行卡方检验；
[0017]2)将卡方检验量阈值设定为Huber损失函数的超参数，对残差向量的马氏距离归一化，与超参数比较后计算Huber损失函数得到更稳健的量测误差协方差矩阵；
[0018]3)使用新的误差协方差矩阵计算卡尔曼滤波增益，并更新状态估计值和状态均方误差矩阵，跳过步骤5。
[0019]其中，对于多历元联合观测，建立满秩的完整几何约束以求解新预测值的过程，包括步骤如下：
[0020]1)退出对滤波增益的计算，联合前N个历元观测数据的预测值和残差值分别堆叠得到新的量测矩阵以获得具有完整几何约束的卫星观测方程组；
[0021]2)使用拉格朗日插值法分别对预测值和残差做插值得到新的拟合值。假设前N个历元共有n个卫星观测值，构造出n
‑
1次基本多项式；
[0022]3)得到残差和预测值的拟合多项式曲线p(x)，进而得到当前历元各卫星的预测值X
k
，更新状态估计值和状态均方误差矩阵。
[0023]其中，在保留当前历元参数，进入下一历元解算的过程中，保留预测值和残差向量以备后续历元联合观测时提供量测数据，完成卡尔曼滤波量测更新的计算滤波增益部分，继续后续解算。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025]用于降低卫星信号强度弱，多径效应等对定位精度的影响，提高持续定位解算能力。提出针对复杂环境的改进滤波方案，在计算卡尔曼增益前先通过卫星质量评估，对信号质量不佳的观测值采用多历元联合观测以免污染后续历元解算；在量测协方差矩阵的定权部分，先计算残差向量的马氏距离，并依此对Huber损失函数的超参数进行调谐，可以在残差较大的部分获得更快的损失速度；本专利技术增强了卡尔曼滤波的鲁棒性，降低野值出现的概率；在可见星不足解算的情况下采用多历元联合观测，保证持续输出解算结果且减少对滤波增益的影响。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0027]图1为基于卫星质量评估的稳健滤波方法的流程示意图。
[0028]图2为基于具体的稳健滤波算法框图。
具体实施方式
[0029]本专利技术提供一种基于卫星质量评估的稳健滤波方法，增强卡尔曼滤波的鲁棒性，防止滤波发散，降低野值出现的概率；在可见卫星数目不足的情况下可以持续输出定位结
果且减小对卡尔曼滤波系统的影响。
[0030]下面结合本申请中的附图描述本申请的实施例。应理解，下面结合附图所阐述的实施方式，是用于解释本申请实施例的技术方案的示例性描述，对本申请实施例的技术方案不构成限制。
[0031]本申请实施例的目的在于解决在城市峡谷，树荫下等复杂环境下因为可见卫星不足、卫星分布集中及残差过大导致的定位流程中卡尔曼滤波发散问题，由于卫星质量差无法完成完整解算流程，本专利技术提出的多历元联合观测插值以避免污染观测协方差矩阵而影响后续历元解算。
[0032]请参阅图1，本申请提供一种基于卫星质量评估的稳健滤波方法，其步骤包括如下：
[0033]步骤1：接收机实时采集导航电文，具体表现为使用多模单频接收机接收北斗、GPS卫星单频信号，并解码得到观测数据和导航电文，数据格式转换为RTCM3格式；
[0034]步骤2：单点定位获取接收机位置及信号质量评估参数，从观测数据中提取伪距和载波相位观测值，利用伪距单点定位得到接收机位置，获取各卫星的星地矢量，由此计算精度因子和卫星仰角，为卡尔曼滤波提供迭代初始值；
[0035]步骤3：进行卫星信号质量评估，判断观测矩阵是否满秩，具体为依据PDOP和仰角对卫星信号进行粗评估，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星质量评估的稳健滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：接收机实时采集导航电文；步骤2：单点定位获取接收机位置及信号质量评估参数；步骤3：进行卫星信号质量评估，判断观测矩阵是否满秩；步骤4：计算抗差因子，计算卡尔曼增益；步骤5：多历元联合观测，建立满秩的完整几何约束求解新预测值；步骤6：保留当前历元参数，进入下一历元解算。2.如权利要求1所述的基于卫星质量评估的稳健滤波方法，其特征在于，在步骤1中，所述在接收机实时采集导航电文的过程中，使用多模单频接收机接收北斗、GPS卫星单频信号，并解码得到观测数据和导航电文，数据格式转换为RTCM3格式。3.如权利要求1所述的基于卫星质量评估的稳健滤波方法，其特征在于，在步骤2中，所述在单点定位获取接收机位置及信号质量评估参数的过程中，从观测数据中提取伪距和载波相位观测值，利用伪距单点定位得到接收机位置，获取各卫星的星地矢量，由此计算精度因子和卫星仰角，为卡尔曼滤波提供迭代初始值。4.如权利要求1所述的基于卫星质量评估的稳健滤波方法，其特征在于，在步骤3中，所述在进行卫星信号质量评估，判断观测矩阵是否满秩的过程中，依据PDOP和仰角对卫星信号进行粗评估，其中PDOP阈值设为4，卫星仰角设为20
°
，对于筛选后的卫星判断观测矩阵是否满秩；若通过信号质量评估，进入步骤4，若未通过评估，认为当前历元观测值本身无法完成解算流程，跳过步骤4。5.如权利要求1所述的基于卫星质量评估的稳健滤波方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴孟卓，纪元法，叶金才，孙希延，
申请(专利权)人：南宁桂电电子科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：