車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法及系統技術方案

本發明專利技術公開了一種車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法，包括：將通過北斗衛星接收機接收的當前歷元的載波相位觀測值與上一歷元進行比較，獲得載波相位周跳檢測量；采用車載微慣性測量單元檢測獲得當前的車體姿態，通過車載里程計測量出車輛行進速度，計算出車輛在當前歷元與上一歷元之間的運動位移矢量；基于接收機至北斗衛星之間的單位視線矢量，將運動位移矢量轉換至對應的北斗衛星的載波相位變化值；計算獲得車載北斗載波相位的周跳值；在當前歷元的載波相位觀測值中扣除周跳值，實現對載波相位周跳的修復。本發明專利技術還提供了一種車載北斗載波相位周跳檢測與修復系統。實施本發明專利技術提供的技術方案，具有計算簡單、容易實施、可靠性高的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及定位導航
，尤其涉及一種車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法及系統。
技術介紹
全球衛星導航系統(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)由于能夠實現全球、全天候、高精度的定位導航，它的出現和快速發展，逐漸改變了人們日常生活和生產方式。作為中國的GNSS，北斗衛星導航系統又簡稱為北斗系統(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)。北斗系統是中國自主建設、獨立運行，與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統，可在全球范圍內全天候、全天時，為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務。無論是BDS還是GPS(GlobalPositioningSystem)，單點定位精度優于10米，若要實現更高精度的定位，一般需要采用差分技術。目前，精度最高的衛星導航定位方式為載波相位差分定位，或稱之為RTK(RealTimeKinematic)技術，其相對定位精度可達到毫米級，甚至更高。隨著BDS產業的發展，特別是車載應用對亞米級和厘米級定位精度的迫切需求，采用RTK或者地基、星基增強信號實現高精度定位均需要使用衛星信號的載波相位信息。采用載波相位實現精確定位的代價是復雜的整周模糊度解算技術和周跳檢測及修復技術。其中，整周模糊度解算技術目前研究成果豐富，已有較為成熟的技術方案；而由于產生周跳的原因較多且復雜，所以周跳檢測與修復方法仍然存在較多的技術問題。在載波相位相對定位應用中，要達到厘米級或者毫米級的精度必須保證參與計算的載波相位數據中沒有周跳，若發生周跳則必須進行可靠的周跳檢測及修復。在相對定位基線達到幾公里甚至更長的實際應用場合，由于多種原因不可避免地會產生周跳。具體地，產生周跳的原因可以為三類：第一類是由于衛星信號傳播至接收機天線的過程中存在較大的誤差或突變，例如惡劣的電離層延遲、明顯的多路徑干擾、載體的高速運動或者較低的衛星仰角，導致接收機接收到衛星信號的信噪比較低，影響了信號跟蹤環路的穩定性，從而形成周跳；第二類是由于衛星信號被各種障礙物例如高樓、樹木、山脈等的遮擋而產生周跳，這類在城市環境的車載應用中較為常見；第三類是由于接收機及天線的軟硬件原因導致對接收到的衛星信號處理不當，從而形成周跳。對于不同應用對象，在不同的環境條件下，周跳檢測與修復方法各不相同，主要分為兩類：一類僅采用衛星接收機的數據進行載波相位的周跳檢測，即采用載波相位的雙差或三差方程，對載波相位觀測值進行數理統計，判斷是否存在周跳。該類方法既可用于單頻接收機，也可用于多頻接收機，主要不足是可靠性有待于進一步提高。另一類采用輔助信息進行載波相位的周跳檢測，常用的方法是采用慣性測量單元(InertialMeasurementUnit,IMU)，通過慣性導航計算，得到短時間內高精度的相對位置速度信息，作為衛星信號的載波相位信息變化的參考值，從而實現載波相位周跳的檢測，該類方法對輔助信息的精度要求較高，受限于慣性測量單元的精度。對于車載系統應用而言，現有的車載衛星載波相位周跳檢測與修復方法存在計算量大、可靠性低、成本高等不足，難以滿足城市環境車載導航的高精度定位要求。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是，針對以上現有技術的不足，提供一種車載北斗載波相位周跳檢測與修復技術方案，降低載波相位周跳檢測與修復的計算量，提高周跳檢測成功率和容錯能力，周跳修復更為簡便。為解決以上技術問題，一方面，本專利技術實施例提供一種車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法，包括：將通過北斗衛星接收機接收的當前歷元的載波相位觀測值與上一歷元的載波相位觀測值進行比較，獲得載波相位周跳檢測量；采用車載微慣性測量單元檢測獲得當前的車體姿態，以及，通過車載里程計測量出車輛行進速度；根據當前的車體姿態、行進速度和車輛運動約束信息，計算出車輛在當前歷元與上一歷元之間的運動位移矢量；基于接收機至北斗衛星之間的單位視線矢量，將所述運動位移矢量轉換至對應的北斗衛星的載波相位變化值；根據所述載波相位周跳檢測量和所述北斗衛星的載波相位變化值，計算獲得車載北斗載波相位的周跳值；在當前歷元的載波相位觀測值中扣除所述周跳值，實現對當前歷元的車載北斗載波相位周跳的修復。優選地，所述根據當前的車體姿態、行進速度和車輛運動約束信息，計算出車輛在當前歷元與上一歷元之間的運動位移矢量，包括：根據當前的車體姿態、行進速度和車輛運動約束信息，構建組合導航濾波器；根據組合導航濾波器的誤差狀態方程計算出系統誤差狀態矢量，以及，根據組合導航濾波器的觀測方程，計算出速度誤差觀測矢量；根據所述系統誤差狀態矢量和所述速度誤差觀測矢量，計算出車輛在當前歷元與上一歷元之間的運動位移矢量。在一種可實現的方式中，所述組合導航濾波器的誤差狀態方程為：其中，系統誤差狀態矢量為X＝[δψ,δV,δR,bg,ba]T，δψ為失準角矢量，δV為速度誤差矢量，δR為位置誤差矢量，bg為三個軸的陀螺零漂，ba為三個軸的加速度計零偏，F為系統狀態矩陣：其中，ωiε為地球自轉角速度，Lati為車輛當前的緯度值，Vn為北向速度，Vε為東向速度，Vd為地向速度，r0為地球半徑，h為高程，為的反對稱矩陣，03×3為3×3維的零矩陣，為從載體坐標系至導航坐標系的方向余弦陣，fn為導航坐標系下的微加速度計輸出值，fn×為fn的反對稱矩陣，矩陣pv為：在一種可實現的方式中，所述根據組合導航濾波器的觀測方程，計算出速度誤差觀測矢量，包括：通過車載里程計測量當前車體前向速度，獲得里程計輸出速度值Vodo；采用車載微慣性測量單元檢測車體在導航坐標系中各個姿態方向的速度，包括北向速度Vn，東向速度Vε，地向速度Vd；根據從載體坐標系至導航坐標系的方向余弦陣將車體在導航坐標系各個姿態方向的速度進行坐標轉換，獲得車體前向速度車體側向速度和垂直向速度計算出在車體前向速度誤差dVx、車體側向速度誤差dVy、垂直向速度誤差dVz，獲得速度誤差觀測矢量Z＝[dVx,dVy,dVz]，其中，根據組合導航濾波器的觀測方程Z＝HX+ξ，計算獲得速度誤差觀測矢量與系統誤差狀態矢量X的關聯關系；其中，為測量系數矩陣；ξ為測量噪聲向量。優選地，所述基于接收機至北斗衛星之間的單位視線矢量，將所述運動位移矢量轉換至對應的北斗衛星的載波相位變化值，具體為：利用所述組合導航濾波器計算出車輛在單位時間的運動位移矢量：ΔP＝P(ti)-P(ti-1)；在當前歷元ti時刻獲得接收機至第j顆北斗衛星的單位視線矢量為hj(ti)；將車輛在單位時間的運動位移矢量轉換至對應的北斗衛星的載波相位變化值其中，P(ti-1)為組合導航濾波器在上一歷元ti-1時刻計算獲得的位移矢量，P(ti)為組合導航濾波器在當前歷元ti時刻計算獲得的位移矢量；norm()為求模運算，λ為對應的北斗衛星信號的波長。進一步地，根據所述載波相位周跳檢測量和所述北斗衛星的載波相位變化值，計算獲得車載北斗載波相位的周跳值，具體為：將所述載波相位周跳檢測量減去述北斗衛星的載波相位變化值；將計算獲得的差值進行取整運算，將得到的整數值作為車載北斗載波相位的周跳值。另一方面，本專利技術還提供了一種車載北斗載波相位周跳檢測與修復系統，包括：北斗衛星接收機，用于接收當本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法，其特征在于，包括：將通過北斗衛星接收機接收的當前歷元的載波相位觀測值與上一歷元的載波相位觀測值進行比較，獲得載波相位周跳檢測量；采用車載微慣性測量單元檢測獲得當前的車體姿態，以及，通過車載里程計測量出車輛行進速度；根據當前的車體姿態、行進速度和車輛運動約束信息，計算出車輛在當前歷元與上一歷元之間的運動位移矢量；基于接收機至北斗衛星之間的單位視線矢量，將所述運動位移矢量轉換至對應的北斗衛星的載波相位變化值；根據所述載波相位周跳檢測量和所述北斗衛星的載波相位變化值，計算獲得車載北斗載波相位的周跳值；在當前歷元的載波相位觀測值中扣除所述周跳值，實現對當前歷元的車載北斗載波相位周跳的修復。

【技術特征摘要】
1.一種車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法，其特征在于，包括：將通過北斗衛星接收機接收的當前歷元的載波相位觀測值與上一歷元的載波相位觀測值進行比較，獲得載波相位周跳檢測量；采用車載微慣性測量單元檢測獲得當前的車體姿態，以及，通過車載里程計測量出車輛行進速度；根據當前的車體姿態、行進速度和車輛運動約束信息，計算出車輛在當前歷元與上一歷元之間的運動位移矢量；基于接收機至北斗衛星之間的單位視線矢量，將所述運動位移矢量轉換至對應的北斗衛星的載波相位變化值；根據所述載波相位周跳檢測量和所述北斗衛星的載波相位變化值，計算獲得車載北斗載波相位的周跳值；在當前歷元的載波相位觀測值中扣除所述周跳值，實現對當前歷元的車載北斗載波相位周跳的修復。2.如權利要求1所述的車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法，其特征在于，所述根據當前的車體姿態、行進速度和車輛運動約束信息，計算出車輛在當前歷元與上一歷元之間的運動位移矢量，包括：根據當前的車體姿態、行進速度和車輛運動約束信息，構建組合導航濾波器；根據組合導航濾波器的誤差狀態方程計算出系統誤差狀態矢量，以及，根據組合導航濾波器的觀測方程，計算出速度誤差觀測矢量；根據所述系統誤差狀態矢量和所述速度誤差觀測矢量，計算出車輛在當前歷元與上一歷元之間的運動位移矢量。3.如權利要求2所述的車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法，其特征在于，所述組合導航濾波器的誤差狀態方程為：X·=FX;]]>其中，系統誤差狀態矢量為X＝[δψ,δV,δR,bg,ba]T，δψ為失準角矢量，δV為速度誤差矢量，δR為位置誤差矢量，bg為三個軸的陀螺零漂，ba為三個軸的加速度計零偏，F為系統狀態矩陣：F=-ωinn×03×303×3-Cbn03×3fn×03×303×303×3Cbn03×3pv03×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×303×3;]]>其中，ωiε為地球自轉角速度，Lati為車輛當前的緯度值，Vn為北向速度，Vε為東向速度，Vd為地向速度，r0為地球半徑，h為高程，為的反對稱矩陣，03×3為3×3維的零矩陣，為從載體坐標系至導航坐標系的方向余弦陣，fn為導航坐標系下的微加速度計輸出值，fn×為fn的反對稱矩陣，矩陣pv為：pv=1r0+h0001(r0+h)cos(Lati)000-1.]]>4.如權利要求2所述的車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法，其特征在于，所述根據組合導航濾波器的觀測方程，計算出速度誤差觀測矢量，包括：通過車載里程計測量當前車體前向速度，獲得里程計輸出速度值Vodo；采用車載微慣性測量單元檢測車體在導航坐標系中各個姿態方向的速度，包括北向速度Vn，東向速度Vε，地向速度Vd；根據從載體坐標系至導航坐標系的方向余弦陣將車體在導航坐標系各個姿態方向的速度進行坐標轉換，獲得車體前向速度車體側向速度和垂直向速度計算出在車體前向速度誤差dVx、車體側向速度誤差dVy、垂直向速度誤差dVz，獲得速度誤差觀測矢量Z＝[dVx,dVy,dVz]，其中，根據組合導航濾波器的觀測方程Z＝HX+ξ，計算獲得速度誤差觀測矢量與系統誤差狀態矢量X的關聯關系；其中，為測量系數矩陣；ξ為測量噪聲向量。5.如權利要求2所述的車載北斗載波相位周跳檢測與修復方法，其特征在于，所述基于接收機至北斗衛星之間的單位視線矢量，將所述運動位移矢量轉換至對應的北斗衛星的載波相位變化值，具體為：利用所述組合導航濾波器計算出車輛在單位時間的運動位移矢量：ΔP＝P(ti)-P(ti-1)；在當前歷元ti時刻獲得接收機至第j顆北斗衛星的單位視線矢量為hj(ti)；將車輛在單位時間的運動位移矢量轉換至對應的北斗衛星的載波相位變化值ΔΦMIMUj(ti)=norm(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：洪文朗，夏忠輝，張選，楊勇斌，鐘誠，
申請(專利權)人：惠州市組合科技有限公司，
類型：發明
國別省市：廣東;44