铁路基准网北斗、GNSS多星座数据质量控制方法与流程

铁路基准网北斗、gnss多星座数据质量控制方法
技术领域
1.本发明涉及的是铁路基准网高精度北斗/gnss卫星导航定位技术领域，具体涉及一种铁路基准网北斗、gnss多星座数据质量控制方法；


背景技术：

2.全球导航卫星系统(gnss)因其全天候、大范围和高精度定位的特点，现已成为高铁控制网建设的主要技术手段；北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，2020 年7月31日，我国北斗三号全球导航卫星系统正式开通，未来几年在国内导航定位位置服务等领域，以我国北斗系统为主，美国gps、俄罗斯glonass等系统为辅，最终形成“gnss+行业”的兼容发展模式将是大势所趋；随着我国铁路网和北斗产业的迅速发展，适合我国铁路行业位置基准和多用户、多元化信息服务的北斗/gnss铁路基准网技术已成为研究热点；为满足北斗/gnss铁路监测网动态高精度定位需求，快速可靠的实时监测网观测数据质量控制技术至关重要；北斗/gnss高精度定位采用毫米级观测精度的载波相位观测值，卫星信号被障碍物遮挡或者受到干扰时，会发生短时间失锁，导致相位观测值的整周计数发生跳变，即为周跳；据统计，相位观测值一周的跳变可导致定位结果产生东西向0.03-0.06m的偏差，南北向0.10-0.18m 的偏差，高程0.14-0.16m的偏差，这将极大影响铁路监测网的解算精度；此外在观测过程中由于人为操作不当、仪器故障或者恶劣环境影响等因素，观测数据中会存在不同程度的粗差，从而对监测网的定位结果产生影响；本发明主要针对铁路基准网北斗/gnss载波相位观测值的整周跳变以及粗差的数据质量控制问题而提出；
3.铁路基准网北斗/gnss载波相位观测值的数据质量控制包括相位整周跳变的探测修复以及异常观测值的剔除，由于相位整周跳变产生的直接原因在于北斗/gnss接收机仪器内部锁相环计数出错，因此相位整周跳变也可看作粗差；正确实时地重建相位整周跳变是gnss 载波相位测量必须解决的问题，当前方法有电离层残差法、伪距相位组合法、turboedit法、三频组合法、卡尔曼滤波法、改进的几何无关组合(mgf)法和最小二乘法，这些方法仍然存在一定的不足，表现在：(1)电离层残差法必须建立在电离层变化缓慢的前提条件下，该方法存在不敏感的相位整周跳变组合，且无法确定相位整周跳变在哪个频率上，需采用其他组合联合确定周跳发生的具体频率；(2)只要使用伪距观测值来确定相位整周跳变的方法，就会受伪距观测值精度的影响，而伪距观测值精度较低且在卫星高度角较低时易受多路径影响，从而影响对小周跳和低高度角卫星相位整周跳变的确定，如伪距相位法和turboedit法；(3)卡尔曼滤波法对大周跳的探测效果较好，而对小于三周的相位整周跳变处理效果较差，而三频组合法需要北斗/gnss接收机具有三个频率的数据观测能力且要同时观测到三个频率上的相位观测值；(4)改进的几何无关组合法已被证实在小周跳的探测和修复中能取得很好的效果，且不依靠伪距观测值便可实现单一频率上的小周跳修复，但该方法的适用频率组合有限，仅对特定的频率组合有效；(5)当有多颗卫星发生相位整周跳变时，最小二乘法无法直接定位整周跳变发生的位置，需要多次迭代计算才能确定
周跳，方法解算效率低，不利于快速实时铁路基准网数据的质量控制；本专利针对当前北斗/gnss数据质量控制方法在小周跳探测和解算效率上存在的不足，通过对改进的频率组合法进行拓展，提出了一种只使用双频载波相位观测数据的动态铁路基准网北斗/gnss多星座数据质量控制方法；


技术实现要素：

4.针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种铁路基准网北斗、gnss多星座数据质量控制方法，具有更高的解算效率和成功率，有利于提高铁路基准网北斗/gnss多星座数据预处理能力；
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：铁路基准网北斗、gnss多星座数据质量控制方法，包括以下步骤：
6.(1)采用最小生成树算法选择独立基线，形成解算边长最短的北斗、gnss铁路监测网；
7.(2)分别针对步骤1的基线，建立卫星测站载波相位双差观测值，并使用双频组合，利用载波相位的小数特性组成一种特殊的组合观测量进行相位整周跳变诊断；
8.(3)构建适用于北斗、gnss铁路基准网的数据质量检验因子，逐颗卫星进行数据质量检验，标记有粗差或相位整周跳变的卫星数据；
9.(4)对步骤3的标记数据进行相位整周跳变重构，利用伪距相位组合结合第一步构建的相位组合修复标记数据中的整周跳变；
10.(5)对步骤4处理后的数据重新构建数据质量检验因子，筛选出剩余的超限数据并进行剔除；
11.所述的步骤1由n个北斗/gnss基准站组成的铁路监测网，基线全部组合条数达到n(n-1)条；
12.所述的步骤2包括：独立基线两端测站r，s对同一时刻卫星
13.p，q进行观测可通过卫星间和测站间求差形成双差载波相位观测值；
[0014][0015]
其中表示卫星p和测站r之间的载波相位观测值，其余同理；
[0016]
下面使用的载波相位观测值即为双差观测值
[0017]
对于卫星双频载波相位观测值几何无关组合，经过历元间差分存在如下关系：
[0018][0019]
其中为双频几何无关组合量，为载波相位观测值，λi为载波波长，δni为相位整周跳变，δi
gf
为观测值组合电离层延迟，δε
gf
为观测值组合的噪声，δ表示历元间差分符号，下角标i代表所处不同频率载波；在双差模式下，短时间内电离层延迟变化微弱，忽略不计；上式简化如下：
[0020][0021]
忽略噪声项并对上式进行变换转化为如下：
[0022]
{δn1(f2/f
1-a1)}＝{δn
2-a1δn1+δφ
gf
(k)/λ2}
[0023]
其中a1为实数，其值的选择与所选频率组合特性有关，fi(i＝1，2)表示不同载波频率；{x}表示对函数x取小数部分运算：
[0024][0025]
上式[*]为向下取整运算；
[0026]
当δn1＜1/(f2/f
1-a1)时，
[0027]
δn1＝(-n1+δφ
gf
/λ2)f1/f2[0028]
上式n1为整数，其取整范围满足如下条件：
[0029][0030]
显而易见δn1具有n1个备选值，根据相位整周跳变的整数特性，更接近整数的备选值则为最终整周跳变；
[0031]
δn1＝r(δn1(k))，dni(δn1(k))
[0032]
＝min{dni(δn1(1))，dni(δn1(2))，
…
，dni(δn1(n1))}
[0033]
其中r(*)表示四舍五入运算，dni(*)表示*距离最近整数的距离；
[0034]
所述的步骤3包括：假设观测值的噪声不具有时间相关性，且电离层延迟对于高采样率数据的历元差分可以忽略，根据误差传播率可以得出δn1的误差特性如下：
[0035][0036]
其中σ1，σ2为双频载波相位观测中误差，根据经验假设σ1＝σ2＝1mm，则在置信概率为99.7％的情况下，取3倍为本方法的阈值，即：
[0037][0038]
所以当时，就认为数据包含粗差或者相位整周跳变，对这些数据进行下一步处理；
[0039]
所述的步骤4包括：根据δn1与频率组合的关系可以发现上述方法需要保证其相位整周跳变探测范围对bds、gps和glonass系统为[-4,4]，对galileo系统为[-6,6]；对于超出范围部分可以引入码伪距观测量计算得出，如下式：
[0040][0041]
其中δn
1，p
为相位整周跳变初值，δp为历元间码伪距变化量；δn
1，p
需满足以下条件：
[0042][0043]
上式码伪距观测值精度主要受低高度角卫星多路径效应影响，可通过设置卫星截
止高度角来保证，先利用δn
1，p
将整周跳变缩小至探测范围，再结合前述方法完成相位整周跳变重构，公式表示如下：
[0044]
δn1＝r(δn
1，p
)+r((-n1+δφ
gf，p
/λ2)f1/f2)
[0045]
其中为历元间的码伪距-相位几何无关组合变化量；
[0046]
所述的步骤5包括：经过步骤4整周跳变重构后的北斗/gnss观测数据，重新按照第二步的方法构建数据质量检验因子，检验重构后的数据是否满足：
[0047][0048]
如满足上式，则认为观测数据质量合格；如不满足，则认为观测数据中含有粗差和未处理的相位整周跳变，可将这些数据剔除；
[0049]
本发明具有以下有益效果：
[0050]
本发明方法首先利用最小生成树算法在多个北斗/gnss基准站间选择独立基线，构成效率较高的北斗/gnss基准站铁路监测网；然后在各个独立基线两端测站上对同时观测的两颗卫星作差形成精度较高的双差载波相位观测值，由于生成的基线较短，有利于削弱电离层等误差影响，提升方法的可靠性；利用双频北斗/gnss载波相位数据形成对小周跳敏感的整周跳变诊断量，根据其误差特性构建铁路基准网北斗/gnss数据质量检验因子，接着采用伪距结合载波相位观测值来探测与重建大相位整周跳变，并结合所提出的相位整周跳变处理组合观测量重建双频载波相位观测值中的小相位整周跳变；最后对重构后的相位载波数据重新利用数据质量检验因子排查，剔除超限的观测数据，以实现对铁路基准网北斗/gnss载波相位观测数据的整周跳变与粗差处理；该方法适用于bds、gps、glonass和galileo系统的双频载波相位的相位整周跳变与粗差探测，可用于当前所有频率上的导航卫星观测数据的动态诊断与融合重建；该方法可以快速并且准确的识别并重建同历元中发生的多个粗差以及相位整周跳变，可用于当前所有单一频率上的小周跳的探测与修复，弥补了改进的频率组合法对小周跳适用频率不足的缺陷和传统最小二乘在卫星数量不足或者同历元发生多个相位整周跳变与粗差时失效的不足；同时，所提方法具有很高的解算效率，可进行高效及时的铁路基准网北斗/gnss多星座数据质量控制；
具体实施方式
[0051]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明；
[0052]
本具体实施方式采用以下技术方案：铁路基准网北斗、gnss多星座数据质量控制方法，包括以下步骤：
[0053]
1.北斗/gnss基准站铁路监测网构建
[0054]
由n个北斗/gnss基准站组成的铁路监测网，基线全部组合条数达到n(n-1)条；假设监测网络中每个历元平均观测卫星数为
[0055]
m颗，则每个历元需要估计的双差模糊度个数为 (m-1)(n-1)n,时间复杂度为o(mn2),极大影响北斗 /gnss铁路监测网的实时运行效率；基于最小生成树算法选择监测网
中独立基线进行北斗/gnss铁路监测网构建，其他基线上的模糊度都可以由独立基线上的模糊度线性表示，与全组合基线构网方式相比，每个历元需要估计的双差模糊度个数减少为(m-1)(n-1)，时间复杂度为o(mn)，可大大提高铁路监测网的解算效率；同时，最小生成树所产生的边长最短，有利于消除空间相关误差，降低数据预处理难度，进而提升解算效率；
[0056]
2.铁路基准网北斗/gnss相位整周跳变诊断量构建
[0057]
独立基线两端测站r，s对同一时刻卫星p，q进行观测可通过卫星间和测站间求差形成双差载波相位观测值；
[0058][0059]
其中表示卫星p和测站r之间的载波相位观测值，其余同理；经过卫星间和测站间作差后的载波相位观测值消除了卫星钟差和接收机钟差影响，也削弱了大气误差的影响，因而具有更高的精度，为表示方便，下文所使用的载波相位观测值即为双差观测值对于卫星双频载波相位观测值几何无关组合，经过历元间差分存在如下关系：
[0060][0061]
其中为双频几何无关组合量，为载波相位观测值，λi为载波波长，δni为相位整周跳变，δi
gf
为观测值组合电离层延迟，δε
gf
为观测值组合的噪声，δ表示历元间差分符号，下角标i代表所处不同频率载波；在双差模式下，短时间内电离层延迟变化微弱，可以忽略不计；上式可简化如下：
[0062][0063]
忽略噪声项并对上式进行变换可转化为如下：
[0064]
{δn1(f2/f
1-a1))＝{δn
2-a1δn1+δφ
gf
(k)/λ2}
[0065]
其中a1为实数，其值的选择与所选频率组合特性有关，fi(i＝1，2)表示不同载波频率；{x}表示对函数x取小数部分运算：
[0066][0067]
上式[*]为向下取整运算；
[0068]
当δn1＜1/(f2/f
1-a1)时，
[0069]
δn1＝(-n1+δφ
gf
/λ2)f1/f2[0070]
上式n1为整数，其取整范围满足如下条件：
[0071][0072]
显而易见δn1具有n1个备选值，根据相位整周跳变的整数特性，更接近整数的备选值则为最终整周跳变；
[0073]
δn1＝r(δn1(k))，dni(δn1(k))
[0074]
＝min{dni(δn1(1))，dni(δn1(2))，...，dni(δn1(n1))}
[0075]
其中r(*)表示四舍五入运算，dni(*)表示*距离最近整数的距离；
[0076]
3.铁路基准网北斗/gnss数据质量检验因子构建
[0077]
对于上述方法性能具有较大影响的主要为载波相位观测量噪声，如果载波相位观测噪声过大则会造成选取错误的周跳候选值，故需要对上述方法进行质量检验因子构建，以保证其具有较高的成功率；假设观测值的噪声不具有时间相关性，且电离层延迟对于高采样率数据的历元差分可以忽略，根据误差传播率可以得出δn1的误差特性如下：
[0078][0079]
其中σ1，σ2为双频载波相位观测中误差，根据经验假设σ1＝σ2＝1mm，则在置信概率为99.7％的情况下，取3倍为本方法的阈值，即：
[0080][0081]
所以当时，就认为数据包含粗差或者相位整周跳变，对这些数据进行下一步处理；
[0082]
4.铁路基准网北斗/gnss相位整周跳变重构
[0083]
根据δn1与频率组合的关系可以发现上述方法需要保证其相位整周跳变探测范围对bds、gps和glonass系统为[-4,4]，对 galileo系统为[-6,6]；对于超出范围部分可以引入码伪距观测量计算得出，如下式：
[0084][0085]
其中δn
1，p
为相位整周跳变初值，δp为历元间码伪距变化量；δn
1，p
需满足以下条件：
[0086][0087]
上式码伪距观测值精度主要受低高度角卫星多路径效应影响，可通过设置卫星截止高度角来保证，先利用δn
1，p
将整周跳变缩小至探测范围，再结合前述方法完成相位整周跳变重构，公式表示如下：
[0088]
δn1＝r(δn
1，p
)+r((-n1+δφ
gf，p
/λ2)f1/f2)
[0089]
其中为历元间的码伪距-相位几何无关组合变化量；
[0090]
5.进一步处理相位整周跳变与粗差
[0091]
经过上步整周跳变重构后的北斗/gnss观测数据，重新按照第二步的方法构建数据质量检验因子，检验重构后的数据是否满足：
[0092]
如满足上式，则认为观测数据质量合格；如不满足，则认为观测数据中含有粗差和
未处理的相位整周跳变，可将这些数据剔除；
[0093]
本具体实施方式的数据动态诊断与融合重建方法可实时进行同时存在多个观测质量较差的卫星的粗差探测与整周跳变相位数据融合重建，并适用于北斗3的频率，方法具有更高的解算效率和成功率，有利于提高铁路基准网北斗/gnss多星座数据预处理能力；
[0094]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点；本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内；本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。