一种基于惯性器件增强的多天线多径监测方法

1.本发明涉及一种基于惯性器件增强的多天线多径监测方法，属于卫星导航的完好性监测领域。


背景技术：

2.卫星导航具有成本低、性能高特点。对于包括低空无人机导航、无人驾驶等智能交通英语而言，卫星导航成为必须导航技术途径。但在城市、峡谷等环境下，多径可导致定位产生严重偏差，严重影响用户导航定位服务的完好性。
3.目前，gnss接收机可采用多相关器等硬件方法进行多径抑制与监测，应用成本高。另外，基于载噪比、伪距、载波等观测量的数据域的软件方法也普遍存在，但是性能受限。且多径有多种表现形式，基于单一硬件或软件方法无法取得良好的效果。
4.因此，构造一种低成本且高性能的多径监测装置与方法具备重要的研究意义和应用价值。


技术实现要素：

5.为了克服现有多径监测装置与方法不能同时解决低成本与高性能的问题，本发明提出一种基于惯性器件增强的多天线多径监测方法。
6.一种基于惯性器件增强的多天线多径监测方法，采用至少2套gnss接收设备、至少1个陀螺仪以及至少1套信息处理设备，其中每套gnss接收设备至少包括1个gnss天线和1个gnss接收机；该方法包括以下步骤：
7.(1)信息处理设备分别接收gnss接收设备上报的卫星观测量、星历以及陀螺仪上报的姿态信息；
8.(2)信息处理设备排除gnss观测量信号载噪比高于载噪比上限与低于载噪比下限的gnss卫星；
9.(3)信息处理设备对剩余的每一个gnss卫星配置1个计数器并置零，结合姿态信息依次计算任意2个卫星与2个gnss接收设备的载波相位双差残差绝对值，并与残差门限值进行比较，若超出残差门限值则将对应gnss卫星的计数器增1，执行本步骤直至完全遍历；
10.(4)信息处理设备对剩余的全部gnss卫星计数器结果进行归一化处理，得到各gnss卫星计数值，并与计数门限值比较；
11.(5)如果存在gnss卫星计数值超过计数门限值，则排除计数器结果最大的卫星，若卫星数大于等于4，则进入步骤(3)，否则检测结束；如果全部gnss卫星计数值均未超过计数门限值，则这些gnss卫星全部通过多径检测，进入步骤(7)；
12.(7)如果gnss卫星数量大于5，则执行接收机自主完好性监测，以进一步排除多径或其它异常，否则检测结束。
13.进一步地，所述2套gnss接收设备具有不同的相关间隔伪码跟踪环路。
14.进一步地，载波相位双差残差的计算方式为：
[0015][0016][0017]
式中，上标k、l代表gnss接收设备编号，下标i、j代表gnss卫星编号；代表包含整周模糊度的双差载波相位残差值；代表载波相位观测值；代表gnss接收设备的天线k到l的距离矢量，其距离在gnss天线时已经标定，其方向由陀螺仪提供的姿态信息得到；代表任意gnss接收设备到对应卫星的单位方向矢量，单位方向矢量由卫星位置与gnss接收设备位置确定，卫星位置由gnss接收设备上报的星历计算得到，gnss接收设备的位置由gnss接收设备上报位置得到；代表载波相位双差残差值；λ代表载波相位对应的波长；round代表四舍五入取整。
[0018]
进一步地，步骤(4)中归一化处理的方式为，将计数器的计数值除以接收到相应gnss卫星的gnss接收设备的数量。
[0019]
进一步地，步骤(7)中的接收机自主完好性监测为伪距比较法、最小二乘残差法或奇偶矢量法。
[0020]
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
[0021]
(1)本发明采用具有不同相关间隔的多个低成本通用型gnss接收设备取代了具有多相关器上报功能的高成本专用gnss接收设备，基于多个不同相关间隔gnss接收设备的载波相位残差监测方法实现了原有需要硬件多相关值多径监测与软件多天线残差监测的效果。
[0022]
(2)本发明基于载噪比实现了对反射型多径的监测；基于不同相关间隔的gnss载波相位实现了对直射信号与反射信号叠加的多径监测；基于raim实现了对上述多径监测漏检的补充，三种方法融合实现了对多径全面监测。
附图说明
[0023]
图1为本发明实施例中多天线多径监测方法的流程图。
具体实施方式
[0024]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0025]
一种基于惯性器件增强的多天线多径监测方法，该方法采用至少2套gnss接收设备、至少1个陀螺仪以及至少1套信息处理设备，其中每套gnss接收设备至少包括1个gnss天线和1个gnss接收机，gnss接收设备彼此具有不同的相关间隔伪码跟踪环路；包括以下步骤：
[0026]
(1)信息处理设备分别接收gnss接收设备上报的卫星观测量、星历与陀螺仪上报的姿态信息；
[0027]
(2)信息处理设备对排除gnss观测量信号载噪比高于载噪比上限与低于载噪比下限的gnss卫星，初步排除可能存在多径的卫星；
[0028]
(3)信息处理设备对每一个gnss卫星配置1个计数器并置零，结合姿态信息依次计
算任意2个卫星与2个gnss接收设备的载波相位双差残差绝对值，并与残差门限值进行比较，超出残差门限值则将对应gnss卫星计数器增1，执行计算过程直至完全遍历；残差门限制可根据实际应用需求设置为载波相位双差方差的倍数，一般设为3-6倍。
[0029]
载波相位双差残差的计算方式为：
[0030][0031][0032]
上式上标k、l代表gnss接收设备编号，下标i、j代表gnss卫星编号；上式中的所有参数采用相同的单位；代表包含整周模糊度的双差载波相位残差值；代表载波相位观测值；代表gnss接收设备的天线k到l的距离矢量，其距离在gnss天线时已经标定，其方向由陀螺仪提供的姿态信息得到；代表任意gnss接收设备到对应卫星的单位方向矢量，单位方向矢量可由卫星位置与gnss接收设备位置确定，卫星位置由gnss接收设备上报的星历计算得到，gnss接收设备的位置由gnss接收设备上报位置得到；代表载波相位双差残差值；λ代表载波相位对应的波长；round代表四舍五入取整运算，即返回与参数值差值最小的整数。
[0033]
(4)信息处理设备对全部gnss卫星计数器结果并进行归一化处理得到该gnss卫星计数值，即gnss卫星计数值等于gnss卫星计数值除以接收到该卫星的gnss设备的数量，并与计数门限值比较；
[0034]
(5)如果存在gnss卫星计数值超过计数门限值，则排除计数器结果最大的卫星，若卫星数大于等于4，则进入(3)，否则执行结束。计数门限值可根据实际应用需求设置为该卫星的载波相位双差值个数的倍数，倍数范围为0至1。
[0035]
(6)如果全部gnss卫星计数值均未超过计数门限值，则全部gnss卫星通过多径检测，进入下一阶段。
[0036]
(7)如果gnss卫星数量大于5，则执行伪距比较法、最小二乘残差法和奇偶矢量法任意一种raim算法进一步排除多径或其它异常，否则检测结束。
[0037]
为了描述方便，进一步缩小问题的规模，下面假定装置2套gnss接收设备、1个陀螺仪以及1套信息处理设备，2套gnss接收设备的相关间隔分别为0.2码片与1码片。问题规模的缩小并不影响本实例的示范过程。如图1所示，该方法的具体步骤为：
[0038]
(1)信息处理设备分别接收gnss接收设备上报的卫星观测量、星历与陀螺仪上报的姿态信息；
[0039]
(2)信息处理设备对排除gnss观测量信号载噪比高于载噪比上限与低于载噪比下限的gnss卫星，初步排除可能存在多径的卫星；
[0040]
(3)信息处理设备对每一个gnss卫星配置1个计数器并置零，结合姿态信息依次计算任意2个卫星与2个gnss接收设备的载波相位双差残差绝对值，并与残差门限值进行比较，超出残差门限值则将对应gnss卫星计数器增1，执行计算过程直至完全遍历；
[0041]
载波相位双差残差绝对值的计算过程为：
[0042]
[0043][0044]
上式上标k、l代表gnss接收设备编号，下标i、j代表gnss卫星编号；上式中的所有参数采用相同的单位；代表包含整周模糊度的双差载波相位残差值；代表载波相位观测值；代表gnss接收设备的天线k到l的距离矢量，其距离在gnss天线时已经标定，其方向由陀螺仪提供的姿态信息得到；代表任意gnss接收设备到对应卫星的单位方向矢量，单位方向矢量可由卫星位置与gnss接收设备位置确定，卫星位置由gnss接收设备上报的星历计算得到，gnss接收设备的位置由gnss接收设备上报位置得到；代表载波相位双差残差值；λ代表载波相位对应的波长；round代表取整运算，即返回与参数值差值最小的整数。
[0045]
(4)信息处理设备对全部gnss卫星计数器结果并进行归一化处理得到该gnss卫星计数值，即gnss卫星计数值等于gnss卫星计数值除以接收到该卫星的gnss设备的数量，并与计数门限值比较；
[0046]
(5)如果存在gnss卫星计数值超过计数门限值，则排除计数器结果最大的卫星，若卫星数大于等于4，则进入(3)，否则执行结束。
[0047]
(6)如果全部gnss卫星计数值均未超过计数门限值，则全部gnss卫星通过多径检测，进入下一阶段。
[0048]
(7)如果gnss卫星数量大于5，则执行伪距比较法、最小二乘残差法和奇偶矢量法任意一种raim算法进一步排除多径或其它异常，否则检测结束。
[0049]
下面，以上述方法为例，具体分析该方法的优势：
[0050]
该方法采用2个低成本的gnss接收设备，目前价格数百元至数千元，而具有多相关值上报的gnss接收设备目前几乎没有可采购的商业货架产品，订制产品需要数十万元；且本方法对反射为主的多径信号、直射反射叠加多径信号等多种类型多径信号均具有良好的监测作用。
[0051]
本发明方法并不限定于一种基于惯性器件增强的多天线多径监测方法，而是适用于任意使用类似方法的gnss领域的多径监测。
[0052]
总之，本发明通过低成本通用型gnss接收设备、陀螺仪以及信息处理设备，实现了与高成本专用gnss多相关器监测设备相同的多径监测能力，并且通过多种方法融合实现了对典型多径异常类型的全覆盖监测。本发明克服了现有技术不能同时解决低成本与高性能的问题，具有低成本、高性能、易实现的特点。
[0053]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。