一种GNSS接收机伪距阶梯跳跃的消除方法及系统与流程

一种gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法及系统
技术领域
1.本发明涉及卫星导航定位领域，特别是涉及一种gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法及系统。


背景技术：

2.目前，gnss接收机应用越来越广泛，在航拍、农业、植保、微型自拍、灾难救援等领域的应用，大大拓展了gnss接收机的用途。但是由于无论大地测量型或者导航型gnss接收机由于成本原因一般都配置价格较低的石英钟，石英钟的稳定度较低，慢慢会导致gnss接收机内部的时钟时间与gnss系统时间逐渐产生漂移，当gnss接收机内部的时钟时间与gnss系统时间差超过某一阈值时，gnss接收机会对内部的时钟时间进行调整，控制内部的时钟时间与gnss系统时间保持在一定的范围以内。
3.基于上述原因，每当gnss接收机进行调钟后，gnss接收机输出的伪距观测量将产生不连续性，即伪距观测量产生了阶梯跳跃变化。在gnss接收机数据处理过程中尤其在高精度定位授时处理中，伪距观测量的阶梯跳跃会影响定位授时的精度和效率。目前商用gnss接收机普遍存在周期性调钟问题。所以如果解决调钟后伪距观测量的阶梯跳跃对后续数据处理有着重要的作用与意义。因此，如何消除gnss接收机调钟引起的伪距阶梯跳跃成为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.基于此，本发明实施例提供一种gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法及系统，以实现gnss接收机输出的伪距观测量无阶梯变化。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法，包括：
7.采用钟差预报模型确定gnss接收机在t时刻的钟差是否发生跳变；所述钟差预报模型为采用历史时间段内的钟差数据构建的二次多项式模型；其中，t＞2；
8.若发生跳变，则确定gnss接收机在t时刻进行调钟，并根据t时刻的原始伪距观测量、t-1时刻的原始伪距观测量和t-2时刻的原始伪距观测量确定gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量；
9.对于t时刻之后的各个时刻，基于伪距观测量历元间变化量高度相关的特性，将对应时刻的伪距观测量历元间变化量叠加在上一时刻的调钟后的伪距观测量上，得到gnss接收机在t时刻之后的各个时刻的调钟后的伪距观测量。
10.可选地，所述采用钟差预报模型确定gnss接收机在t时刻的钟差是否发生跳变，具体包括：
11.获取gnss接收机在历史时间段内的钟差数据；所述钟差数据，包括：gnss接收机在历史时间段内的钟差和对应的观测误差；
12.根据所述钟差数据建立误差方程，并采用最小二乘估计原则对所述误差方程中的
参数进行估计，得到参数估计值；所述参数包括：参考时刻的钟差值、参考时刻的钟差速度和参考时刻的钟差漂移率；
13.采用参数估计值建立二次多项式模型，得到钟差预报模型；
14.采用钟差预报模型对gnss接收机在t时刻的钟差进行预报，得到t时刻的钟差预报值；
15.获取gnss接收机在t时刻的钟差测量值；
16.将t时刻的钟差预报值与t时刻的钟差测量值进行对比，确定gnss接收机是否发生跳变。
17.可选地，gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量的计算公式为：
[0018][0019]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t-1时刻的原始伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t-2时刻的原始伪距观测量。
[0020]
可选地，gnss接收机在t 1时刻的调钟后的伪距观测量的计算公式为：
[0021][0022]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t 1时刻的调钟后的伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量；表示t 1时刻的伪距观测量历元间变化量。
[0023]
可选地，t 1时刻的伪距观测量历元间变化量的计算公式为：
[0024][0025]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t 1时刻的原始伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的原始伪距观测量。
[0026]
本发明还提供了一种gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除系统，包括：
[0027]
跳变监测模块，用于采用钟差预报模型确定gnss接收机在t时刻的钟差是否发生跳变；所述钟差预报模型为采用历史时间段内的钟差数据构建的二次多项式模型；其中，t＞2；
[0028]
t时刻伪距阶梯跳跃消除模块，用于若发生跳变，则确定gnss接收机在t时刻进行调钟，并根据t时刻的原始伪距观测量、t-1时刻的原始伪距观测量和t-2时刻的原始伪距观测量确定gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量；
[0029]
t时刻之后伪距阶梯跳跃消除模块，用于对于t时刻之后的各个时刻，基于伪距观测量历元间变化量高度相关的特性，将对应时刻的伪距观测量历元间变化量叠加在上一时刻的调钟后的伪距观测量上，得到gnss接收机在t时刻之后的各个时刻的调钟后的伪距观测量。
[0030]
可选地，所述跳变监测模块，具体包括：
[0031]
历史数据获取单元，用于获取gnss接收机在历史时间段内的钟差数据；所述钟差
数据，包括：gnss接收机在历史时间段内的钟差和对应的观测误差；
[0032]
参数估计单元，用于根据所述钟差数据建立误差方程，并采用最小二乘估计原则对所述误差方程中的参数进行估计，得到参数估计值；所述参数包括：参考时刻的钟差值、参考时刻的钟差速度和参考时刻的钟差漂移率；
[0033]
钟差预报模型构建单元，用于采用参数估计值建立二次多项式模型，得到钟差预报模型；
[0034]
t时刻钟差预报单元，用于采用钟差预报模型对gnss接收机在t时刻的钟差进行预报，得到t时刻的钟差预报值；
[0035]
t时刻钟差测量单元，用于获取gnss接收机在t时刻的钟差测量值；
[0036]
比对单元，用于将t时刻的钟差预报值与t时刻的钟差测量值进行对比，确定gnss接收机是否发生跳变。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0038]
本发明实施例提出了一种gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法及系统，首先采用根据历史时间段内的钟差数据构建的二次多项式模型钟差预报模型，确定gnss接收机在t时刻的钟差是否发生跳变；若发生跳变，则根据前两个时刻的原始伪距观测量确定t时刻的调钟后的伪距观测量，以消除t时刻的伪距阶梯跳跃；对于t时刻之后的各个时刻，基于伪距观测量历元间变化量高度相关的特性，将对应时刻的伪距观测量历元间变化量叠加在上一时刻的调钟后的伪距观测量上，得到gnss接收机在t时刻之后的各个时刻的调钟后的伪距观测量，以消除t时刻之后各个时刻的伪距阶梯跳跃。本发明能消除gnss接收机调钟引起的伪距阶梯跳跃，实现gnss接收机输出的伪距观测量无阶梯变化。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本发明实施例提供的gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法的流程图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除系统的结构图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0043]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0044]
图1为本发明实施例提供的gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法的流程图。参见图1，本实施例的方法，包括：
[0045]
步骤101：采用钟差预报模型确定gnss接收机在t时刻的钟差是否发生跳变；所述
钟差预报模型为采用历史时间段内的钟差数据构建的二次多项式模型；其中，t＞2。
[0046]
步骤102：若发生跳变，则确定gnss接收机在t时刻进行调钟，并根据t时刻的原始伪距观测量、t-1时刻的原始伪距观测量和t-2时刻的原始伪距观测量确定gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量。
[0047]
gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量的计算公式为：
[0048][0049]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t-1时刻的原始伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t-2时刻的原始伪距观测量。
[0050]
步骤103：对于t时刻之后的各个时刻，基于伪距观测量历元间变化量高度相关的特性，将对应时刻的伪距观测量历元间变化量叠加在上一时刻的调钟后的伪距观测量上，得到gnss接收机在t时刻之后的各个时刻的调钟后的伪距观测量。调钟后的伪距观测量也可称之为“伪”伪距观测量。
[0051]
gnss接收机在t 1时刻的调钟后的伪距观测量的计算公式为：
[0052][0053]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t 1时刻的调钟后的伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量；表示t 1时刻的伪距观测量历元间变化量。
[0054]
t 1时刻的伪距观测量历元间变化量的计算公式为：
[0055][0056]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t 1时刻的原始伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的原始伪距观测量。
[0057]
本实施例中的原始伪距观测量即未进行调钟输出的伪距观测量。由于t时刻的钟差发生跳变，gnss接收机会在t时刻进行调钟，若此时依旧输出原始伪距观测量，则gnss接收机输出的伪距观测量将产生不连续性，即伪距观测量会产生阶梯跳跃变化，本实施例在发生跳变后，重新计算跳变发生时刻及之后各时刻的伪距观测量，得到的调钟后的伪距观测量(“伪”伪距观测量)，能消除gnss接收机调钟引起的伪距阶梯跳跃，实现gnss接收机输出的伪距观测量无阶梯变化。
[0058]
其中，步骤101，具体包括：
[0059]
1)构建钟差预报模型。二次多项式模型是对时间间隔相等的钟差数据进行拟合，参数为a0,a1和a2，根据最小二乘求出参数的估计值和从而建立钟差预报模型。具体的：
[0060]
获取gnss接收机在历史时间段内的钟差数据；根据所述钟差数据建立误差方程，并采用最小二乘估计原则对所述误差方程中的参数进行估计，得到参数估计值；采用参数估计值建立二次多项式模型，得到钟差预报模型。所述钟差数据，包括：gnss接收机在历史
时间段内的钟差和对应的观测误差。所述参数包括：参考时刻的钟差值、参考时刻的钟差速度和参考时刻的钟差漂移率。具体过程如下：
[0061]
以某一时刻t0为参考时刻，将t时刻的钟差值δt用下列二次多项式来表示：
[0062]
δt＝a0 a1(t-t0) a2(t-t0)2[0063]
其中，δt为t时刻钟差值，a0为参考时刻t0时刻的钟差值，a1为参考时刻t0的钟差速度，a2为参考时刻t0的钟差漂移率。a0,a1和a2的值是未知的，其为待估计的钟差参数。估计过程如下：
[0064]
设相对于历史时间段t1，t2，
…
，tj…
，tn的gnss接收机的钟差为x1，x2，
…
，xj…
，xn，观测误差为v1，v2，
…
，vj…
，vn，建立误差方程：
[0065]
xj vj＝a0 a1(t
j-t0) a2(t
j-t0)2；
[0066]
假设和为gnss接收机钟差参数a0,a1和a2的估计值，则有
[0067][0068]
其中
[0069]
根据最小二乘估计原则，得估计值：
[0070][0071]
利用计算得到的建立二阶多项式模型，即得到钟差预报模型。
[0072]
2)采用钟差预报模型对gnss接收机在t时刻的钟差进行预报，得到t时刻的钟差预报值
[0073]
同理，由钟差预报模型可以计算出t时刻之后的各时刻的钟差预报值，例如，t 1时刻的钟差预报值
[0074]
3)获取gnss接收机在t时刻的钟差测量值。
[0075]
4)将t时刻的钟差预报值与t时刻的钟差测量值进行对比，确定gnss接收机在t时刻的钟差是否发生跳变。
[0076]
在实际应用中，上述gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法的一个实现过程如下：
[0077]
步骤一、钟差跳变监测。钟差跳变监测采用二阶多项式模型拟合预报法，通过拟合历史有效钟差数据建立预报数学模型，对下一时刻的钟差进行拟合计算预报，并将预报值和测量值进行比对分析，确定gnss接收机时钟是否发生跳变。
[0078]
步骤二、实时接收gnss接收机机钟差测量值，将预报钟差值与测量钟差值进行对比分析，对gnss接收机时钟是否发生跳变进行监测，如果发生跳变，进行步骤三，如未发生跳变，结束判断。
[0079]
步骤三、识别出gnss接收机出现钟差跳变后，也就是gnss接收机进行调钟之后，假定t时刻接收机进行调钟，重新确定t时刻的伪距观测量，得到t时刻的调钟后的伪距观测量，具体计算公式在此不再赘述。
[0080]
步骤四、基于伪距观测量历元间变化量高度相关的特性，在gnss接收机调钟之后，
将卫星i的调钟后的新伪距观测量历元间变化量叠加在调钟之前的旧伪距观测量上，逐历元计算出一个“伪”伪距观测量，得到t时刻之后的各个时刻的调钟后的伪距观测量，具体计算公式在此不再赘述。
[0081]
经过上述处理，调钟后的伪距观测量即为最终输出的伪距观测量，以上算法对于gnss接收机在厘米级精度上的推广和应用具有较好的应用效果，将本实施例提出的方法应用于gnss接收机调钟处理，有助于解决伪距观测量的跳变问题。
[0082]
本实施例的gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除方法具有如下优点：
[0083]
1、本发明采用了二阶多项式模型对gnss接收机钟差进行了预报监测，适合目前商用接收机的时钟特性。
[0084]
2、本发明考虑在gnss接收机调钟后，将当前时刻的伪距观测量历元间变化量叠加在上一时刻的调钟后的伪距观测量上，逐历元计算出一个“伪”伪距观测量，从而防止了伪距观测量的大幅跳变,实现伪距观测量的连续一致。
[0085]
3、本发明算法简单可靠，尤其针对配置石英钟性能较差的gnss接收机，无需升级改造目前现有硬件配置设备，仅升级内部算法模块就可是实现gnss接收机输出的伪距观测量连续稳定。
[0086]
本发明还提供了一种gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除系统，图2为本发明实施例提供的gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除系统的结构图。参见图2，所述系统，包括：
[0087]
跳变监测模块201，用于采用钟差预报模型确定gnss接收机在t时刻的钟差是否发生跳变；所述钟差预报模型为采用历史时间段内的钟差数据构建的二次多项式模型，其中，t＞2。
[0088]
t时刻伪距阶梯跳跃消除模块202，用于若发生跳变，则确定gnss接收机在t时刻进行调钟，并根据t时刻的原始伪距观测量、t-1时刻的原始伪距观测量和t-2时刻的原始伪距观测量确定gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量。
[0089]
t时刻之后伪距阶梯跳跃消除模块203，用于对于t时刻之后的各个时刻，基于伪距观测量历元间变化量高度相关的特性，将对应时刻的伪距观测量历元间变化量叠加在上一时刻的调钟后的伪距观测量上，得到gnss接收机在t时刻之后的各个时刻的调钟后的伪距观测量。
[0090]
在一个示例中，所述跳变监测模块201，具体包括：
[0091]
历史数据获取单元，用于获取gnss接收机在历史时间段内的钟差数据；所述钟差数据，包括：gnss接收机在历史时间段内的钟差和对应的观测误差。
[0092]
参数估计单元，用于根据所述钟差数据建立误差方程，并采用最小二乘估计原则对所述误差方程中的参数进行估计，得到参数估计值；所述参数包括：参考时刻的钟差值、参考时刻的钟差速度和参考时刻的钟差漂移率。
[0093]
钟差预报模型构建单元，用于采用参数估计值建立二次多项式模型，得到钟差预报模型。
[0094]
t时刻钟差预报单元，用于采用钟差预报模型对gnss接收机在t时刻的钟差进行预报，得到t时刻的钟差预报值。
[0095]
t时刻钟差测量单元，用于获取gnss接收机在t时刻的钟差测量值。
[0096]
比对单元，用于将t时刻的钟差预报值与t时刻的钟差测量值进行对比，确定gnss
接收机是否发生跳变。
[0097]
在一个示例中，所述t时刻伪距阶梯跳跃消除模块202中gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量的计算公式为：
[0098][0099]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t-1时刻的原始伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t-2时刻的原始伪距观测量。
[0100]
在一个示例中，所述t时刻之后伪距阶梯跳跃消除模块203中gnss接收机在t 1时刻的调钟后的伪距观测量的计算公式为：
[0101][0102]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t 1时刻的调钟后的伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的调钟后的伪距观测量；dρ
ti 1
表示t 1时刻的伪距观测量历元间变化量。
[0103]
t 1时刻的伪距观测量历元间变化量的计算公式为：
[0104][0105]
其中，表示第i个卫星的gnss接收机在t 1时刻的原始伪距观测量；表示第i个卫星的gnss接收机在t时刻的原始伪距观测量。
[0106]
本实施例的gnss接收机伪距阶梯跳跃的消除系统，实现了gnss输出的伪距观测量无阶梯变化。考虑在gnss接收机调钟后，将当前时刻的伪距观测量历元间变化量叠加在上一时刻的调钟后的伪距观测量，逐历元计算出一个“伪”伪距观测量，从而防止了伪距观测量的大幅跳变,实现了伪距观测量的连续一致。
[0107]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0108]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。