一种GNSS接收机载波相位测量值错误检测方法

摘要

本发明提出一种GNSS接收机载波相位测量值错误检测方法，目的是提出一种快速有效的方法，解决传统方法不能直接对载波相位值进行检测、错误识别精度低的问题。包括以下步骤：接收卫星导航信号，提取卫星观测量，包括卫星载波相位测量值；对所述卫星观测量进行定位解算；对参与定位的卫星，计算接收机外部晶振频率值和接收机外部晶振频率标称值的差异，作为卫星检验量，用于判别卫星载波相位测量值是否正确；计算参与定位的每一颗卫星的速度解算残差；判定所述速度解算残差值最大或最小的卫星，为载波相位测量值出现错误的卫星；对所述载波相位测量值出现错误的卫星进行处理。

说明书

技术领域

本申请涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种对GNSS接收机在播出形象为测量值进行错误检测和排除的方法。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)能够在全球范围内为用户提供连续、实时、全天候的三维位置、速度和时间信息。GNSS在民用领域和军用领域都有着重要的作用，现已广泛应用于航空、航天、航海、通信、车辆导航、导弹制导、大地测量、野外救援、消费娱乐等诸多领域。

目前，对于载波相位测量值的合理性判别，一般是通过跟踪环路的锁定检测实现，如检查相关器的输出功率、判断信号载噪比、判断相关器得到的I支路和Q支路幅值是否符合载波环锁定的特征等。此类方法存在的主要问题是，错误检测速度较慢且只能识别粗大误差，难以满足接收机速度测量精度要求。载波相位测量值用于计算接收机速度，10Hz的载波相位测量误差可能会带来约为2m/s的速度误差，而接收机速度精度指标通常不会超过0.5m/s。通过跟踪环路的锁定检测无法及时识别出如此小量级的载波相位测量值错误从而导致接收机速度测量值超差。

发明内容

本发明提出一种GNSS接收机载波相位测量值错误检测方法，目的是提出一种快速有效的方法，解决传统方法不能直接对载波相位值进行检测、错误识别精度低的问题。

本申请实施例提供一种GNSS接收机载波相位测量值错误检测方法，包括以下步骤：

接收卫星导航信号，提取卫星观测量，包括卫星载波相位测量值；

对所述卫星观测量进行定位解算，得到接收机位置、卫星位置、接收机速度、钟漂；

根据所述卫星载波相位测量值、接收机位置、卫星位置、接收机速度，计算接收机外部晶振频率值；

对参与定位的卫星，计算接收机外部晶振频率值和接收机外部晶振频率标称值的差异，作为卫星检验量，用于判别卫星载波相位测量值是否正确。

优选地，还包括以下步骤：

对参与定位的多颗卫星分别计算卫星检验量；

根据接收机速度测量值精度确定门限值；

判断所述卫星检验量的最大值和最小值的差是否大于门限值；如果大于门限值，则判定卫星载波相位测量值出现错误。

进一步优选地，包括以下步骤：

计算参与定位的每一颗卫星的速度解算残差；

判定所述速度解算残差值最大或最小的卫星，为载波相位测量值出现错误的卫星。

作为本发明方法进一步优化的实施例，还包括以下步骤：

对所述载波相位测量值出现错误的卫星进行处理，包括

排除所述载波相位测量值出现错误的卫星，重新进行定位解算，或

放弃本次定位解算，对所述载波相位测量值出现错误的卫星，重新提取卫星观测量。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本发明提出的载波相位测量值错误检测和排除的检测量均来自于接收机数字基带处理过程中所用到的变量或其经过简单计算得到，简便易行，具有较强的可实施性和实用价值；本发明提出的方法与传统方法相比，在不明显增加实现复杂度的情况下，在检测精度和检测速度上均有所提高；本发明提出的方法适用于多种卫星导航系统，不仅仅适用于单GPS、单BD等单导航系统接收机，同样适用于接收多导航系统的多模接收机。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明方法适用的接收机处理架构；

图2为本发明方法的实施例流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本发明方法适用的接收机处理架构。GNSS接收机一般由天线、射频前端、数字基带处理和通讯接口四部分组成，如图1所示。天线完成对空间卫星导航射频信号的接收。射频前端主要包括放大、滤波、本振、混频、AGC、ADC等单元，输出数字中频信号。数字基带处理主要完成导航信号的捕获跟踪、解扩解调、原始观测量提取、定位解算等得到用户的实时位置、速度和时间信息。通讯接口主要完成外部指令的接收和测量信息的输出。

接收机利用跟踪环路得到的原始观测量包括电文、伪距、载波相位测量值等进行定位解算。跟踪环路包括载波跟踪环和码跟踪环。码跟踪环根据本地复制伪码的参数得到卫星信号的码相位和伪距测量值，载波跟踪环根据本地复制载波信号的参数得到卫星信号的多普勒频移和载波相位测量值。

当载波跟踪环处于锁定状态时，多普勒频移测量值f_d由下式得到：

f_d＝f_track-f_ref公式1

其中，f_track为载波跟踪环本地复制的中频载波频率，f_ref为接收机参考中频载波频率。

以米为单位的载波相位测量值φ即为积分多普勒，是多普勒频移对时间的积分：

其中，t_k、t_k+1表示相邻的观测历元，λ表示卫星信号载波波长，N_carr表示从t_k到t_k+1由载波环载波NCO得到的载波周期计数，Δt＝t_k+1-t_k。

卫星信号载波波长λ为常量。接收机参考中频载波频率f_ref和相邻观测历元间隔Δt由接收机设计情况决定，均为固定值。因此，对载波相位测量值φ的合理性判别等同于对载波周期计数N_carr的合理性判别。

图2为本发明方法的实施例流程图。本申请实施例提供一种GNSS接收机载波相位测量值错误检测方法，包括以下步骤：

步骤10、接收卫星导航信号，提取卫星观测量，包括卫星载波相位测量值；接收机提取N颗星的观测量信息，如电文、伪距、载波相位值等。

步骤20、对所述卫星观测量进行定位解算，得到接收机位置、卫星位置、接收机速度、钟漂。

其中，定位解算可采用现有的最小二乘法、卡尔曼滤波法，但并不局限于此两种方法。

例如，对N颗星进行定位解算，得到t_k时刻接收机位置(x^u，y^u，z^u)、速度钟差钟漂和卫星位置t_k+1时刻卫星位置

步骤30、根据所述卫星载波相位测量值、接收机位置、卫星位置、接收机速度，计算接收机外部晶振频率值。

对步骤30的解释：根据每颗星的载波相位测量值可以推算本振频率，根据外部晶振频率和本振频率的固定数学关系，可以推算外部晶振频率。

例如，计算t_k时刻接收机与卫星j距离为：

t_k+1时刻接收机与卫星j距离为：

其中，Δt＝t_k+1-t_k。

计算t_k时刻参与定位的卫星j多普勒

根据载波周期计数推算本振频率

其中，f_c表示卫星信号的载波频率设计值，表示从t_k-1到t_k时刻接收机中频载波周期计数。

根据本振频率得到外部晶振频率

其中，f_lo表示接收机本振单元本振频率设计值，f_xtal表示接收机外部晶振频率标称值。

步骤40、对参与定位的卫星，计算接收机外部晶振频率值和接收机外部晶振频率标称值的差异，作为卫星检验量，用于判别卫星载波相位测量值是否正确。

例如，设检验量x_j，表示为与f_xtal的差值：

由于所有卫星共用同一个外部晶振，通过检验量可初步判断是否存在异常卫星。作为优选方案，可以根据每颗星计算的外部晶振频率值的一致性来判断是否有卫星的载波相位测量值出错。因此，作为本发明优化的实施例。还包括以下步骤50～70：

步骤50、对参与定位的多颗卫星分别计算卫星检验量；

重复步骤10～50，计算所有参与定位的卫星的检验量x_j，j∈[1，N]。

步骤60、根据接收机速度测量值精度确定门限值；

门限值在接收机速度测量精度要求的基础上设定，例如，接收机速度测量值精度要求为v_T，则门限值x_T可设为：

步骤70、判断所述卫星检验量的最大值和最小值的差是否大于门限值；如果大于门限值，则判定卫星载波相位测量值出现错误。

例如，对载波相位测量值进行错误检测，根据接收机速度测量值精度要求，确定门限值为x_T，若满足

则判定载波相位测量值出现错误，否则判定载波相位测量值正确。

需要说明的是，使用x_j进行错误检测是由于x_j与速度测量值精度要求有直接的数学关系，便于设定x_j门限值x_T进行错误检测。进一步地，利用最小二乘法得到速度解算残差进行错误识别具有更高的识别可靠性，因此，作为本发明进一步优选的实施例，还包含步骤80。

步骤80、计算参与定位的每一颗卫星的速度解算残差；利用最小二乘残差法，计算每颗星的速度解算残差值，判定所述速度解算残差值最大或最小的卫星，为载波相位测量值出现错误的卫星。具体计算方法为：

计算t_k时刻卫星速度

其中表示地球自转角速度，为常量。

根据最小二乘残差法，计算参与定位卫星j速度解算残差

对载波相位测量值进行错误排除，若步骤70判定载波相位出现错误，则出现错误的载波相位测量值对应的卫星速度解算残差为或

最佳地，本发明还包括以下步骤：

步骤90、对所述载波相位测量值出现错误的卫星进行处理，包括：排除所述载波相位测量值出现错误的卫星，重新进行定位解算，或：放弃本次定位解算，对所述载波相位测量值出现错误的卫星，重新提取卫星观测量。

需要说明，故障检测和排除需要足够的信息量才能保证其准确性与可用性，因此，一般约定参与定位卫星颗数N≥6。另外，当出现载波相位错误的卫星数N≥2时，本方法可能会出现无法正确识别错误卫星，而错误检测则不受此限制。

还需要说明的是，本方法中错误检测和错误识别的含义不同。步骤40～70是错误检测，目的是确定N颗卫星中是否有错误；步骤80是用最小二乘法进行错误识别，目的是定位到具体出错误的卫星。错误检测的检验量为xj，而错误识别是取的最大值和最小值对应的卫星。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。