基于GNSS卫星观测数据的速度和加速度估计系统及实现方法

基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计系统及实现方法
技术领域
1.本发明涉及gnss卫星信号数据处理技术领域，具体为基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计系统及实现方法。


背景技术：

2.如今，全球导航卫星系统(gnss)因其全天候连续导航、定位和定时(pnt)能力而被广泛应用于高精度定位服务、经济发展、地球科学研究和其他应用。目前，超过120颗在轨gnss卫星被用作pnt服务的时间和空间参考，包括31颗gps、26颗galileo、27颗glonass和45颗bds(15颗bds-2和30颗bds-3)。multi-gnss凭借着其星座、信号和频率的“丰富性”等显著优势，为改善pnt服务的性能带来了巨大的成就和机遇。然而，由于不同的国家和地区建立了不同的导航系统，它们的坐标和时间系统、数据质量和发射频率都不同。因此，在高精度、高效率和高可靠性方面，处理gnss观测数据也面临着新的挑战，这已成为gnss大地测量学的研究核心。
3.借助高精度gnss观测，不仅可以获得飞行器的精确空间信息，还可以输出速度和加速度，然而，飞行器的速度和加速度在某些应用中更为重要，例如航空重力测量和飞机对接。虽然目前国际上对全球导航卫星系统观测的速度和加速度估计进行了广泛的分析和讨论，并且已经开发了一些用于高精度gnss定位的开源软件，例如rtk lib、ppp lib、go gps和itag_vad，但是这些软件仅可可以通过低精度处理获得速度，无法获得高精度的速度和加速度估计值，为此，我们提出基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计系统及实现方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计系统及实现方法，以解决上述背景技术中提出的无法获得高精度的速度和加速度估计值的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计的实现方法，具体包括以下步骤：
6.步骤1：采集gnss卫星信号中的观测数据并形成待解析数据，将该待解析数据输入至预先设置的数据解析程序中；
7.步骤2：所述数据解析程序解析所述待解析数据的中的参考站、移动站信息，通过数据融合以及预处理算法形成双差观测数据，并在校正检测后进行扫描以得到待处理数据；
8.步骤3：根据自适应稳健参数估计模型中移动站和参考站的设置模式对所述待处理数据进行处理，得到基于速度和加速度的估计结果。
9.作为优选，所述步骤1中预先设置数据解析程序的步骤具体包括：
10.步骤11：采用fortran90和c++计算机语言编写子程序函数；
11.步骤12：采用intel visual fortran composer xe软件对步骤11编写的子程序进
行编译，生成拥有可视化界面的可执行程序；
12.步骤13：在所述数据解析程序中预先将所需的观测、导航和其他系统文件下载并存储到“数据文件”中。
13.作为优选，所述观测数据包括gps、bds-2和bds-3三类卫星的信号数据。
14.作为优选，所述步骤2中得到待处理数据的具体步骤包括：
15.步骤21：在数据解析程序中进行参数配置，包括设置“控制文件”，在所述“控制文件”中进行参数编制、配置并进行定义，包括设置观测历元为5秒间隔，设置速度估计模式为pd、do和ed、加速度估计模式为do和ed，并设置解算模式为动态差分；
16.步骤22：运行所述数据解析程序并读取“控制文件”内容；
17.步骤23：根据读取的“控制文件”内容，程序读取所有相关文件，以获取数据文件中参考站、移动站的信息，并进行数据融合和预处理算法处理，形成双差观测数据，检测并校正观测质量控制、时钟跳变、常见卫星的误差；
18.步骤24：扫描整个双差观测数据和阵列，初始化未知参数和所有矩阵集。
19.作为优选，所述步骤3中得到基于速度和加速度的估计结果的具体步骤包括：
20.步骤31：利用移动站与基站之间的距离，自适应的变更参考站，并设置3个基站基站，对于基站1作为参考站时，双差观测方程可表示为：
[0021][0022]
当参考站变为基站2时，双差观测方程可表示为：
[0023][0024]
当参考站变为基站3时，双差观测方程可表示为：
[0025][0026]
在上述方程中，l，l'，l”是双差观测值；b、b'，b”是对应的系数矩阵；v,v'，v”表示残差矩阵；p、p'，p”表示权重矩阵。同时，x1、x2、x3、x4和x5表示未知参数；
△▽
n1，
△▽
n2和
△▽
n3是分别基于基准站基站1、基站2和基站3的双差模糊度；
[0027]
步骤32：对方程式(1)化简后，表示为：
[0028][0029][0030]
其中，x1和
△▽
n1包括在中；n
11
、n
12
、n
21
、n
22
、u1和u2的表达式来自正态方程；
[0031]
对方程式(5)简化后，表示为：
[0032][0033]
其中
[0034]
步骤33：设a1＝(e-j)b1,则有：
[0035][0036]
在方程式(7)中，部分参数被保留以估计下一阶段的参数；
[0037]
步骤34：根据方程式(2)，正态方程可以表示为：
[0038][0039]
其中，n'＝(b')
t
p'(b'),u'＝(b')
t
p'l'；
[0040]
步骤35：将方程(7)和(8)中都包含的公共参数x2叠加到一个解中，如下所示：
[0041][0042]
其中和是方程叠加后的正态矩阵和常数矩阵；
[0043]
步骤36：类似地，未知参数x4的正态方程可以表示为：
[0044][0045]
在方程式(10)中，a2的获取方式与a1相同；
[0046]
将m”＝(b”)
t
p”(b”),u”＝b”p”l”和方程式(10)中的x4组合起来，可得：
[0047][0048]
式中和是由公式(9)推导出的叠加系数和常数矩阵的表达式；
[0049]
步骤37：通过对等式(11)中的可变参数进行顺序调整求解x4，x5和
△▽
n3，并将其重新提交到等式(1)-(10)中，采用igg3模型的稳健算法进行参数估计得到估计结果；
[0050]
步骤38：将所有估计结果和摘要文件都存储在“结果文件”中，其中包括历元位置、速度和加速度信息，并显示所述估计结果。
[0051]
作为优选，基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计系统，用于实现基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计的实现方法，包括：
[0052]
gnss基站，用于gnss的信号采集，并将采集的数据传输给数据中心；
[0053]
数据中心，用于接收gnss基站发送的数据，开展数据质量分析，按标准格式生成数据文件，实现数据的归档和存储；
[0054]
数据处理模块，接收来自数据中心的数据，采用自适应稳健参数估计模型求解未知参数，参数估计采用了igg模型的稳健算法，以估计出速度和加速度指，并进行显示。
[0055]
作为优选，所述数据处理模块将处理数据传输到图像绘制模块与结果输出模块上；
[0056]
其中，所述显示设备对图像绘制模块与结果输出模块处理结果进行显示，所述gnss基站、数据中心、数据处理模块、显示设备、图像绘制模块与结果输出模块均由电源设备供电。
[0057]
作为优选，所述gnss基站包括：
[0058]
数据采集模块，其安装在gnss卫星跟踪站上，用于采集gnss卫星信号数据；
[0059]
数据传输模块，其安装在gnss卫星跟踪站和数据中心上，用于传输采集的gnss卫星信号数据。
[0060]
作为优选，所述数据采集模块由天线单元、主机单元和电源三部分组成；
[0061]
其中，所述数据传输模块的通讯协议采用串口和网络通讯。
[0062]
作为优选，所述数据中心包括：
[0063]
数据储存模块，用于接收数据传输模块传输的数据，进行预处理，并储存起来。
[0064]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0065]
(1)本发明提出的自适应更换参考站可提高移动站速度和加速度估计的精度，并且具有稳健性；
[0066]
(2)have_gnss系统中软件部分的当前版本是一个采用双差模式编程的后处理软件，用于处理gnss对多普勒、伪距和相位的观测，该软件只需稍加修改，即可调试并运行windows和linux系统；
[0067]
(3)have_gnss系统拥有位置推导(pd)、多普勒观测(do)和历元差分(ed)三种不同的数据处理模式，每种模式都可以获得不同的结果；
[0068]
(4)have_gnss系统的主要功能包括：支持gps、bds-2和bds-3及其组合，伪距单点定位，基于双差分解的运动学定位，基站和参考卫星的自适应选择，稳健估计与参数建模，支持速度和加速度估计，使用pd、do和ed模式(无组合策略)；支持调试日志和界面的可视化。
附图说明
[0069]
图1为本发明系统原理图；
[0070]
图2为本发明系统数据处理流程图；
[0071]
图3为本发明参考站自适应选择框架示意图；
[0072]
图4为本发明是本发明实例中基于have_gnss系统的x、y和z方向位置残差序列示意图；
[0073]
图5是本发明实例中基于have_gnss系统解算的速度残差示意图；
[0074]
图6是本发明实例中基于have_gnss系统解算的加速度残差示意图。
[0075]
图中：1、gnss基站；101、数据采集模块；102、数据传输模块；2、数据中心；21、数据储存模块；3、数据处理模块；4、电源设备；5、显示设备；6、图像绘制模块；7、结果输出模块。
具体实施方式
[0076]
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。
[0077]
请参阅图1，基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计系统，包括硬件和软件；
[0078]
(1)硬件包括数据采集设备、数据传输设备、gnss基站1、数据中心2、数据处理设备3以及电源设备4和显示设备5；
[0079]
数据采集设备用于采集bds/gps/glonass/galileo等gnss的信号，安装在gnss卫星跟踪站上，数据采集设备由天线单元、主机单元和电源三部分组成；
[0080]
数据传输设备用于传输gnss卫星数据，安装在gnss卫星跟踪站和数据中心上，数据传输设备的通讯协议采用串口和网络通讯；
[0081]
gnss基站1用于完成bds/gps/glonass/galileo等gnss的信号接收和测量、原始观测数据的采集，并将数据发送至数据中心2备份；
[0082]
数据中心2用于原始观测数据的收集与储存，它接收gnss卫星跟踪站发送的数据，开展数据质量分析，按标准格式生成数据文件，实现数据的归档和存储；
[0083]
数据处理设备用于对来自数据中心的数据进行解算处理，获得运动物体的高精度速度和加速度；
[0084]
电源设备4用于给各个硬件供电；
[0085]
显示设备5用于系统交互性操作和显示数据处理信息；
[0086]
(2)软件包括数据获取功能模块、数据处理功能模块、结果输出功能模块，这三个模块是由经由七个子模块分组实现，子模块包含数据采集模块101、数据传输模块102、人机交互模块、数据储存模块21、数据处理模块3、图像绘制模块6与结果输出模块7；
[0087]
数据获取功能模块运行于室外跟综站，安装在gnss基站1上，由数据采集模块与数据传输模块构成，通过数据采集设备和数据传输设备，在室外跟综站中完成gnss的信号采集，并将采集的数据传输给数据中心2；
[0088]
数据处理功能模块运行于室内一般图形工作站，由人机交互模块、数据储存模块21以及数据处理模块3构成，是整个系统的核心功能模块，该功能模块通过数据中心与数据处理设备，在室内一般图形工作站中完成gnss信号数据的预处理、储存与解算处理；
[0089]
结果输出功能模块运行于室内一般图形工作站，由人机交互模块、图像绘制模块6以及结果输出模块7构成，在室内一般图形工作站中完成gnss信号数据处理结果的图像绘制与输出；
[0090]
数据采集模块101用于采集gnss卫星信号数据；
[0091]
数据传输模块102用于将数据采集模块获得的数据传输到数据储存模块；
[0092]
人机交互模块用于显示系统各个模块的运行过程，便于用户使用以及对系统做响应的调整与改进；
[0093]
数据储存模块21用于将数据采集模块101获取的数据进行预处理，并储存起来；
[0094]
数据处理模块3用于从数据储存模块21获取预处理后的数据，进行数据处理，获得运动物体的高精度速度和加速度；
[0095]
图像绘制模块6用于将数据处理模块3的处理结果进行绘图显示，便于用户读取；
[0096]
结果输出模块7用于输出数据处理模块3得到的速度、加速度等结果，提供给用户。
[0097]
基于gnss卫星观测数据的速度和加速度估计的实现方法，具体包括以下步骤：
[0098]
步骤1：采用fortran90和c++计算机语言编写子程序函数并开发数据处理主程序；
[0099]
步骤11：采用fortran 90和c++计算机语言编写子程序函数；
[0100]
步骤12：采用intel visual fortran composer xe软件对步骤11编写的子程序进行编译，生成拥有可视化界面的可执行程序(制成的程序为have_gnss系统)；
[0101]
have_gnss系统处理卫星信号数据的主要流程，具体步骤如下：
[0102]
步骤2：在程序启动前，将所需的观测、导航和其他系统文件下载并存储到“数据文件”中；
[0103]
步骤21：选取在车辆上安装基站作为移动站，利用gnss基站1对移动站进行数据采集；
[0104]
步骤22：采集gps、bds-2和bds-3三类卫星的信号数据，从相应网站https://geodesy.noaa.gov/gps-toolbox/上获取导航和其他系统文件；
[0105]
步骤23：将获取的数据文件进行整理分类，储存在“数据文件”中；
[0106]
步骤3：在“控制文件”中编制并定义参数配置的控制文件；
[0107]
步骤31：在“控制文件”中设置观测历元为5秒间隔；
[0108]
步骤32：速度估计模式设置为pd、do和ed三种模式；
[0109]
步骤33：加速度估计模式设置为do和ed两种模式；
[0110]
步骤34：解算模式设置为动态差分模式；
[0111]
步骤4：运行程序并读取控制文件内容；
[0112]
步骤5：根据读取的控制文件内容，程序读取所有相关文件，如对流层延迟文件、导航文件、天线pco文件、地球潮汐改正文件、接收机时钟偏移改正文件和pcv文件等；
[0113]
步骤6：获取参考站、移动站以及其他轨道信息，并进行数据融合；
[0114]
步骤7：进行预处理算法，形成双差观测数据，检测并校正观测质量控制、时钟跳变、常见卫星和其他误差；
[0115]
步骤8：扫描整个观测值和阵列，初始化未知参数和所有矩阵集；
[0116]
步骤9：采用自适应稳健参数估计模型求解未知参数；
[0117]
步骤91：如图3所示为参考站自适应选择框架示意图，利用移动站与基站之间的距离，自适应的变更参考站，图3中展示了三个基站，分别为基站1、基站2以及基站3，对于基站1，双差观测方程可表示为：
[0118]
[0119]
步骤92：当参考站变为基站2时，双差观测方程可表示为：
[0120][0121]
步骤93：当参考站变为基站3时，双差观测方程可表示为：
[0122][0123]
在上述方程中，l，l'，l”是双差观测值；b、b'，b”是对应的系数矩阵；v,v'，v”表示残差矩阵；p、p'，p”表示权重矩阵。同时，x1、x2、x3、x4和x5表示未知参数；
△▽
n1，
△▽
n2和
△▽
n3是分别基于基准站基站1、基站2和基站3的双差模糊度；
[0124]
步骤94：对方程式(1)化简后，可以表示为：
[0125][0126][0127]
其中x1和
△▽
n1包括在中；n
11
、n
12
、n
21
、n
22
、u1和u2的表达式来自正态方程；
[0128]
步骤95：对方程式(5)简化后，可以表示为：
[0129][0130]
其中
[0131]
步骤96：设a1＝(e-j)b1,则有：
[0132][0133]
在方程式(7)中，部分参数被保留以估计下一阶段的参数；
[0134]
步骤97：根据方程式(2)，正态方程可以表示为：
[0135][0136]
其中，n'＝(b')
t
p'(b'),u'＝(b')
t
p'l'。
[0137]
步骤98：将方程(7)和(8)中都包含的公共参数x2叠加到一个解中，如下所示：
[0138][0139]
其中和是方程叠加后的正态矩阵和常数矩阵；
[0140]
步骤99：类似地，未知参数x4的正态方程可以表示为：
[0141][0142]
在方程式(10)中，a2的获取方式与a1相同；
[0143]
步骤910：将m”＝(b”)
t
p”(b”),u”＝b”p”l”和方程式(10)中的x4组合起来，可得：
[0144][0145]
式中和是由公式(9)推导出的叠加系数和常数矩阵的表达式。
[0146]
步骤911：通过对等式(11)中的可变参数进行顺序调整求解x4，x5和
△▽
n3，并将其重新提交到等式(1)-(10)中。同时，为了减少观测粗差的影响，参数估计采用了igg3模型的稳健算法；
[0147]
步骤10：将所有结果和摘要文件都存储在“结果文件”中，其中包括历元位置、速度和加速度信息；
[0148]
步骤11：输出结果：
[0149]
步骤111：将移动站得位置、速度以及加速度估计值残差绘制成图；
[0150]
步骤112：绘图结果如图4、5、6所示，由图4、5、6可知have_gnss系统可输出cm/s和cm/s2级速度和加速度，定位精度在cm级。
[0151]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。