基于IGG-Ⅲ模型的SD-TDCP/INS紧组合周跳探测方法与流程

本发明涉及卫星导航与惯性导航组合定位，特别涉及一种基于igg-ⅲ模型的sd-tdcp/ins紧组合周跳探测方法。

背景技术：

1、当前，自动驾驶、移动机器人、移动测图等领域对高精度定位定姿的需求持续增加，连续、可靠、高精度的全球导航卫星系统/惯性导航系统（gnss/ins）组合导航技术备受关注。在复杂城市环境、树荫遮挡、电磁干扰等场景下，gnss信号质量易恶化，载波相位观测值中频繁发生周跳。若周跳未能被及时准确探测，将直接破坏整周模糊度的整数特性，导致载波相位观测值失效，进而严重恶化定位定姿性能。

2、在没有外界信息辅助的情况下，周跳探测主要依赖于gnss观测值自身，通过合理的数据处理构造能够准确反映周跳变化的检测量序列，从中探测周跳发生的位置和大小。现有技术中常用的周跳探测方法包括：多项式拟合法、相位减伪距法、多普勒积分法、电离层残差法、mw（melbourne-wübbena）组合法以及turboedit法等。

3、然而，上述传统方法均存在显著局限性。多项式拟合法、相位减伪距法和多普勒积分法仅能检测1周以上的大周跳，对1周以内的小周跳不敏感。电离层残差法适用于双频观测值，在高采样率情况下虽能探测1周周跳，但无法判断周跳发生在哪个频率，且当l1频率与l2频率周跳比值接近77/60时，该方法完全失效。mw组合法同样适用于双频观测值，能够探测1周周跳，但无法探测等值周跳，亦无法判断周跳发生的具体频率，必须与其他方法联合使用才能完成周跳探测与修复。turboedit法将电离层残差法与mw组合法相结合，可精确求解l1和l2各自具体的周跳大小，但继承了上述两种方法的固有缺陷，且计算流程复杂。

4、综上，现有周跳探测方法普遍存在以下共性缺陷：其一，多数方法仅能检测1周以上的周跳，对1周小周跳无能为力；其二，大量方法依赖于gnss双频观测值，在仅能提供单频观测值的低成本应用场景中无法适用；其三，现有方法在探测到周跳后，通常需要执行复杂的周跳修复流程，增加了系统运算负担和出错概率；其四，传统方法对粗差的抵抗能力较弱，在复杂环境下粗差易与周跳混淆，导致误判。

5、在gnss/ins组合导航系统中，惯性测量单元（imu）能够提供短期高精度导航信息，该信息可用于辅助gnss周跳探测。现有技术中虽已存在利用ins预测信息重建载波相位观测值并构造检测量的思路，但如何充分利用ins辅助信息，结合单频观测值实现小周跳探测，并同时抑制粗差干扰，仍是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种基于igg-ⅲ模型的sd-tdcp/ins紧组合周跳探测方法。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于igg-ⅲ模型的sd-tdcp/ins紧组合周跳探测方法，包括如下步骤：

3、s1、对惯性导航系统ins进行初始化，并对惯性测量单元imu原始数据进行误差补偿与机械编排，更新ins导航状态；

4、s2、根据卫星星历、ins先前时刻位置和当前时刻位置，计算ins预测的星间差分-历元间差分载波相位sd-tdcp观测值；

5、s3、根据卫星星历和全球导航卫星系统gnss单频载波相位观测值，通过历元间差分和星间差分构建实际观测的sd-tdcp观测值；

6、s4、计算所述ins预测的sd-tdcp观测值与所述实际观测的sd-tdcp观测值之间的观测残差；

7、s5、基于所述观测残差计算标准化新息，并将所述标准化新息代入igg-ⅲ模型计算方差膨胀因子，根据所述方差膨胀因子进行周跳探测与抗差处理：当所述标准化新息的绝对值大于第一阈值且小于等于第二阈值时，判定存在粗差并对相应观测值进行降权处理；当所述标准化新息的绝对值大于所述第二阈值时，判定存在周跳并直接剔除当前时刻含周跳的观测值；

8、s6、基于抗差处理后的sd-tdcp观测值构建观测模型及噪声方差阵，进行滤波更新，并将滤波估计的imu误差反馈至imu原始数据进行闭环校正，输出导航结果。

9、进一步的，所述ins采用车规级微机电系统mems-imu，采样频率为200hz；所述gnss采用单频观测值，采样频率为1hz。

10、进一步的，步骤s1中，所述ins初始化包括初始状态、先验协方差阵和系统噪声矩阵的初始化；所述机械编排包括对imu原始数据进行零偏误差和刻度系数误差补偿，并更新ins位置、速度和姿态。

11、进一步的，步骤s2中，所述ins预测的sd-tdcp观测值根据ins预测的用户位置与卫星位置之间的几何距离变化量计算得到，所述几何距离变化量通过相邻历元的视线向量与位置矢量运算确定。

12、进一步的，步骤s3中，所述实际观测的sd-tdcp观测值通过对原始单频载波相位观测值依次进行历元间差分和星间差分构建，其中历元间差分用于消除整周模糊度并保留周跳信息，星间差分用于消除接收机钟漂；

13、所述原始单频载波相位观测值的计算公式为：

14、；

15、其中，表示gnss原始载波相位观测值；上角标表示卫星；下角标表示用户；表示视线向量；和分别表示卫星和用户的位置；表示星历误差；和分别表示用户钟差和卫星钟差；和分别表示对流层和电离层延迟误差；表示载波相位波长；表示整周模糊度；表示观测值噪声。

16、进一步的，对所述原始载波相位观测值进行历元间差分，得到的历元间差分载波相位tdcp观测值的计算公式为：

17、；

18、其中，表示历元间差分载波相位观测值；和表示和时刻的相位观测值；和表示和时刻的视线向量；和表示和时刻的用户位置；和表示和时刻的卫星位置；和分别表示用户接收机钟漂和卫星钟漂；表示tdcp观测值噪声。

19、进一步的，对所述tdcp观测值进行星间差分，得到的星间差分-历元间差分载波相位sd-tdcp观测值的计算公式为：

20、；

21、其中，和分别表示第颗和第颗卫星；表示sd-tdcp观测值；和表示第颗和第颗卫星的tdcp观测值；和表示和时刻的第颗卫星的视线向量；和表示和时刻的第颗卫星的视线向量；和表示和时刻的第颗和第颗卫星的视线向量的差值；表示第颗和第颗卫星的钟漂的差值；表示sd-tdcp观测值噪声。

22、进一步的，步骤s2中，所述ins预测的sd-tdcp观测值的计算公式为：

23、；

24、其中，表示ins预测的sd-tdcp观测值；和分别表示和时刻ins预测的位置；

25、步骤s4中，所述观测残差的计算公式为：

26、；

27、其中，表示观测残差。

28、进一步的，步骤s5中，标准化新息的计算公式为：

29、；

30、其中，和表示预测状态及其协方差；表示观测模型；表示观测方差。

31、进一步的，步骤s5中，所述igg-ⅲ模型的分段函数表达式为：

32、；

33、其中，和表示阈值，通常根据经验获取，可取2，可取4；表示方差膨胀因子；当标准化新息大于时，则认为sd-tdcp观测值中存在周跳，对应观测值权重趋于零，直接剔除当前时刻含周跳的观测值；在后续时刻不存在周跳的情况下可正常使用，无需修复周跳。

34、进一步的，利用所述方差膨胀因子重新计算sd-tdcp观测值方差，计算公式为：

35、；

36、其中，表示膨胀后的观测值方差。

37、进一步的，步骤s6中，所述滤波更新采用卡尔曼滤波，基于抗差处理后的sd-tdcp观测值及其噪声方差阵构建量测方程，估计ins误差状态并反馈校正。

38、进一步的，对于被判定存在周跳的观测值，仅执行当前历元剔除操作，在后续历元无周跳的情况下，相应观测值恢复正常使用，无需执行周跳修复。

39、综上所述，本发明具有以下有益效果：

40、1、本发明利用ins短期高精度导航信息辅助构建sd-tdcp周跳检测量，结合单频gnss观测值即可实现周跳探测，完全摆脱了对双频观测值的依赖，显著降低了硬件成本，拓宽了应用场景；

41、2、本发明采用igg-ⅲ抗差模型对sd-tdcp/ins观测残差进行自适应处理，能够同时识别并分离周跳与粗差：对粗差进行降权处理，对周跳进行直接剔除。相较于传统方法仅能处理单一异常类型的局限，本发明的抗干扰能力显著增强；

42、3、本发明对于判定存在周跳的观测值，采取直接剔除策略而非复杂的周跳修复策略。由于sd-tdcp观测值本身已消除了整周模糊度，剔除当前历元异常观测值后，后续历元在无周跳情况下可立即恢复正常使用，无需执行周跳修复和模糊度重新初始化，简化了系统流程，提高了导航解算的连续性和实时性；

43、4、本发明采用车规级mems-imu与单频gnss构成紧组合系统，通过200hz高频imu数据与1hz gnss数据的融合，充分利用ins高采样率优势平滑gnss观测噪声，使得1周级别的小周跳在观测残差中得以凸显，显著提升了小周跳探测灵敏度；

44、5、本发明通过构建ins预测的sd-tdcp观测值与gnss实际观测的sd-tdcp观测值之间的残差序列，将周跳探测转化为异常值检测问题，物理意义明确，计算流程简洁，易于在嵌入式导航系统中实现。