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一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法

阅读：317发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种高精度 GNSS虚拟SNR加权定位方法，包括以下步骤：步骤一：GNSS监测空间特征点提取算法；步骤二：采用所观测到的多个卫星的方位及终端采集到的卫星信号质量问题进行曲面拟合；步骤三：利用步骤二获得的拟合系数重新计算RTK定位方程权函数。本发明基于GNSS信号与环境反馈特征来构建空间环境模型，并基于该模型进行传统GNSS 数据处理优化算法研究，提高复杂滑坡环境GNSS监测的可靠性、连续性和稳定性，为滑坡高效监测提供可靠、连续、稳定的技术保障和理论支撑。，下面是一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：
GNSS监测空间特征点提取算法：采用卫星广播星历计算出卫星坐标，然后利用n颗(4<＝n)卫星通过后方定位计算出监测终端的概略坐标，进而采用星站的坐标信息计算出卫星视线方面的方位信息；
步骤二：
采用所观测到的多个卫星的方位及终端采集到的卫星信号质量问题进行曲面拟合，拟合函数如下：
其中，(azi,ele)表示测站到卫星方向在观测值i时的卫星方位角和卫星高度角；aj(j＝
0,…，m-1)表示曲面拟合时的拟合系数；m表示系数的个数；k表示拟合阶数；fi(x，y)表示观测值SNR；矩阵的表达式可以表示为：
L＝AX+ε；
(2)
其中，
T
X＝[a0 … am-1] ,
其中，n表示观测值个数；最终系数矩阵可以采用最小二乘求解：
X＝(ATPA)-1(ATPL)，
(3)
Pi＝SNRi/max{SNRi}
步骤三：
利用步骤二获得的拟合系数重新计算RTK定位方程权函数：首先定位解算过程中计算的站星卫星方位信息通过公式(2)进行SNR反算，并采用新的权函数进行定位解算方程定权；具体权函数如下：
式中，SNR′i表示卫星在历元i通过公式(2)反算得出的拟合信噪比，SNRmax与SNRmin分别指监测环境下SNR中的最大值与最小值。
2.根据权利要求1所述的高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，其特征在于，采用卫星广播星历计算卫星坐标的方法为：根据GPS星的卫星广播星历得出大概的卫星位置；通过网络和人工蜂群算法获取计算模型；将收集的历史数据输入到计算模型中，得到最优误差补偿值；将大概的卫星位置与最优误差补偿值相加，得到精确的卫星位置，获得相应的卫星坐标。
3.根据权利要求1-2所述的高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，其特征在于，在所述步骤二中，采集卫星信号质量问题的方法为：利用天线接收卫星信号，并将卫星信号传输到信号处理器；信号处理器对卫星信号进行采样量化后分为相同的两路信号；信号处理器将一路采样量化后的信号进行实时预处理，经过预处理后的信号传输到信号质量探测器；信号处理器将另一路采样量化后的信号进行存储；信号质量探测器根据预处理后的信号对卫星信号的质量进行实时监测分析。
4.根据权利要求1-3所述的高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，其特征在于，所述的预处理步骤为：信号处理器产生伪码和载波，利用伪码的相关特性，对卫星信号的载波频移进行估计；根据载波频移与伪码频移之间的关系，估计得到伪码频移；对卫星信号的载波频移和伪码频移进行剥离，完成信号的预处理。
5.根据权利要求4所述的高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，其特征在于，在所述步骤三中，利用从不同方向收集的信噪比值来建立环境模型，该环境模型采用适当的算法来揭示卫星信号周围环境的影响，信噪比从每个频率的实时或独立于接收机的交换文件中计算和收集。
6.根据权利要求1-5所述的高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，其特征在于，为了满足监控的实时性要求，该方法中采用两个线程，一个线程用于位置，另一个线程用于建立和更新与信噪比相关的环境变换系数。
7.根据权利要求1-6所述的高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，其特征在于，在用于位置的线程中，数据流在无线网络中被转换到处理中心，然后被解码成观测、星历和信噪比；
所有的信噪比随后被收集到一个信噪比数据库中，并利用观测和星历实时计算卫星位置，然后导出观测值，用最小二乘法估计浮点数解；利用浮点数法，固定解可以用LAMBDA法求解。
8.根据权利要求7所述的高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，其特征在于，在另一个线程中，利用信噪比数据集，使用适当的间隔建立信噪比相关的环境模型；环境模型的变换系数将分别用于随机模型和部分模糊度固定方法中的用于位置的线程中。

说明书全文

一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地表勘测技术应用领域，尤其是涉及一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法。

背景技术

[0002] GNSS技术已经广泛应用于多个监测领域，特别是滑坡灾害变形监测。GNSS可用于实时滑坡监测的技术主要有：实时载波相位差分(RTK)、实时高精度单点定位(PPP)。RTK技术通过载波相位差分实时获取载体高精度变形信息，研究表明无遮挡环境下短基线实时差分监测精度可优于毫米级；PPP技术是基于精密误差改正信息实现单站定位的实时监测技术，但受轨道、大气等误差影响，该技术目前存在监测精度低、收敛慢等缺点。因此，RTK目前仍是实时高精度变形监测的重要技术手段。

[0003] GNSS-RTK通过双差组合算法能够有效消除卫星端、接收机端、大气等大部分相关误差。研究表明，通视监测环境下短基线RTK(<3km)可满足实时毫米级监测需求。然而，地质滑坡灾害往往发生于复杂环境，监测点周围存在较大地形起伏、植被葱郁，且位置偏僻等复杂因素。

[0004] 尽管GNSS-RTK技术可有效消除大部分相关误差，但由于复杂环境中地形、植被等因素因站间差异较大，其对GNSS的影响无法通过双差观测值模型很好消除。如起伏的地形会严重遮挡GNSS卫星信号，导致定位卫星几何构型较差；植被等地物的阻断会导致测距信号频繁失锁，造成相位观测值周跳频发；卫星信号受天线周围地物反射和衍射作用引发的多路径误差较大且因站而异，无法通过组差或误差建模的方法有效消除；不仅如此，周跳、多路径等的相互影响更会对GNSS技术产生综合效应。

[0005] 因此，地表复杂的遮挡环境是限制GNSS技术在滑坡监测领域中大规模应用的关键因素。目前，国内外针对GNSS监测地表空间环境建模的研究较少。

发明内容

[0006] 为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法。本发明基于GNSS信号与环境反馈特征来构建空间环境模型，并基于该模型进行传统GNSS 数据处理优化算法研究，提高复杂滑坡环境GNSS监测的可靠性、连续性和稳定性，为滑坡高效监测提供可靠、连续、稳定的技术保障和理论支撑。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤一：

[0009] GNSS监测空间特征点提取算法：采用卫星广播星历计算出卫星坐标，然后利用n颗(4<＝n)卫星通过后方定位计算出监测终端的概略坐标，进而采用星站的坐标信息计算出卫星视线方面的方位信息；

[0010] 步骤二：

[0011] 采用所观测到的多个卫星的方位及终端采集到的卫星信号质量问题进行曲面拟合，拟合函数如下：

[0012]

[0013] 其中，(azi，ele)表示测站到卫星方向在观测值i时的卫星方位角和卫星高度角；aj(j＝0,…，m-1)表示曲面拟合时的拟合系数；m表示系数的个数；k表示拟合阶数；fi(x，y)表示观测值SNR；矩阵的表达式可以表示为：

[0014] L＝AX+ε； (2)

[0015] 其中，

[0016]

[0017]

[0018] X＝[a0 … am-1]T，

[0019] 其中，n表示观测值个数；最终系数矩阵可以采用最小二乘求解：

[0020] X＝(ATPA)-1(ATPL)， (3)

[0021] Pi＝SNRi/max{SNRi}

[0022] 步骤三：

[0023] 利用步骤二获得的拟合系数重新计算RTK定位方程权函数：首先定位解算过程中计算的站星卫星方位信息通过公式(2)进行SNR反算，并采用新的权函数进行定位解算方程定权；具体权函数如下：

[0024]

[0025] 式中，SNR′i表示卫星在历元i通过公式(2)反算得出的拟合信噪比，SNRmax与SNRmin分别指监测环境下SNR中的最大值与最小值。

[0026] 优选的，采用卫星广播星历计算卫星坐标的方法为：根据GPS星的卫星广播星历得出大概的卫星位置；通过网络和人工蜂群算法获取计算模型；将收集的历史数据输入到计算模型中，得到最优误差补偿值；将大概的卫星位置与最优误差补偿值相加，得到精确的卫星位置，获得相应的卫星坐标。

[0027] 在上述任一方案中优选的是，在所述步骤二中，采集卫星信号质量问题的方法为：利用天线接收卫星信号，并将卫星信号传输到信号处理器；信号处理器对卫星信号进行采样量化后分为相同的两路信号；信号处理器将一路采样量化后的信号进行实时预处理，经过预处理后的信号传输到信号质量探测器；信号处理器将另一路采样量化后的信号进行存储；信号质量探测器根据预处理后的信号对卫星信号的质量进行实时监测分析。

[0028] 在上述任一方案中优选的是，所述的预处理步骤为：信号处理器产生伪码和载波，利用伪码的相关特性，对卫星信号的载波频移进行估计；根据载波频移与伪码频移之间的关系，估计得到伪码频移；对卫星信号的载波频移和伪码频移进行剥离，完成信号的预处理。

[0029] 在上述任一方案中优选的是，在所述步骤三中，利用从不同方向收集的信噪比值来建立环境模型，该环境模型采用适当的算法来揭示卫星信号周围环境的影响，信噪比从每个频率的实时或独立于接收机的交换文件中计算和收集。

[0030] 在上述任一方案中优选的是，为了满足监控的实时性要求，该方法中采用两个线程，一个线程用于位置，另一个线程用于建立和更新与信噪比相关的环境变换系数[0031] 在上述任一方案中优选的是，在用于位置的线程中，数据流在无线网络中被转换到处理中心，然后被解码成观测、星历和信噪比；所有的信噪比随后被收集到一个信噪比数据库中，并利用观测和星历实时计算卫星位置，然后导出观测值，用最小二乘法估计浮点数解；利用浮点数法，固定解可以用LAMBDA法求解。

[0032] 在上述任一方案中优选的是，在另一个线程中，利用信噪比数据集，使用适当的间隔建立信噪比相关的环境模型；环境模型的变换系数将分别用于随机模型和部分模糊度固定方法中的用于位置的线程中。

[0033] 本发明是根据多年的实际应用实践和经验所得，采用最佳的技术手段和措施来进行组合优化，获得了最优的技术效果，并非是技术特征的简单叠加和拼凑，因此本发明具有显著的意义。

[0034] 本发明的有益效果为：

[0035] 1.本发明基于GNSS信号与环境反馈特征来构建空间环境模型，并基于该模型进行传统GNSS数据处理优化算法研究，提高复杂滑坡环境GNSS监测的可靠性、连续性和稳定性，为滑坡高效监测提供可靠、连续、稳定的技术保障和理论支撑。

[0036] 2.本发明利用GNSS定位时，能够充分利用GNSS设备观测值本身对所处环境的空间感知能力，通过利用信号质量拟合后，构建拟合信噪比进行定位观测方程重新定权。保护构建拟合信噪比进行观测方程重新定权的权函数算法，该方法可拓展应用GNSS涉及到的SPP、PPP、RTK等多种定位技术。

[0037] 3.本发明在基于广播星历轨道误差周期性的规律上，避免了数学建模的各种困难，通过网络的强大自学习自适应性就能得到很好的精度。

具体实施方式

[0038] 下面将结合本申请的具体实施方式，对本申请的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本申请可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0039] 一种高精度GNSS虚拟SNR加权定位方法，包括以下步骤：

[0040] 步骤一：

[0041] GNSS监测空间特征点提取算法：采用卫星广播星历计算出卫星坐标，然后利用n颗(4<＝n)卫星通过后方定位计算出监测终端的概略坐标，进而采用星站的坐标信息计算出卫星视线方面的方位信息；

[0042] 步骤二：

[0043] 采用所观测到的多个卫星的方位及终端采集到的卫星信号质量问题进行曲面拟合，拟合函数如下：

[0044]

[0045] 其中，(azi，ele)表示测站到卫星方向在观测值i时的卫星方位角和卫星高度角；aj(j＝0,…,m-1)表示曲面拟合时的拟合系数；m表示系数的个数；k表示拟合阶数；fi(x,y)表示观测值SNR；矩阵的表达式可以表示为：

[0046] L＝AX+ε； (2)

[0047] 其中，

[0048]

[0049]

[0050] X＝[a0 … am-1]T，

[0051] 其中，n表示观测值个数；最终系数矩阵可以采用最小二乘求解：

[0052] X＝(ATPA)-1(ATPL), (3)

[0053] Pi＝SNRi/max{SNRi}

[0054] 步骤三：

[0055] 利用步骤二获得的拟合系数重新计算RTK定位方程权函数：首先定位解算过程中计算的站星卫星方位信息通过公式(2)进行SNR反算，并采用新的权函数进行定位解算方程定权；具体权函数如下：

[0056]

[0057] 式中，SNR′i表示卫星在历元i通过公式(2)反算得出的拟合信噪比，SNRmax与SNRmin分别指监测环境下SNR中的最大值与最小值。

[0058] 采用卫星广播星历计算卫星坐标的方法为：根据GPS星的卫星广播星历得出大概的卫星位置；通过网络和人工蜂群算法获取计算模型；将收集的历史数据输入到计算模型中，得到最优误差补偿值；将大概的卫星位置与最优误差补偿值相加，得到精确的卫星位置，获得相应的卫星坐标。

[0059] 在所述步骤二中，采集卫星信号质量问题的方法为：利用天线接收卫星信号，并将卫星信号传输到信号处理器；信号处理器对卫星信号进行采样量化后分为相同的两路信号；信号处理器将一路采样量化后的信号进行实时预处理，经过预处理后的信号传输到信号质量探测器；信号处理器将另一路采样量化后的信号进行存储；信号质量探测器根据预处理后的信号对卫星信号的质量进行实时监测分析。

[0060] 所述的预处理步骤为：信号处理器产生伪码和载波，利用伪码的相关特性，对卫星信号的载波频移进行估计；根据载波频移与伪码频移之间的关系，估计得到伪码频移；对卫星信号的载波频移和伪码频移进行剥离，完成信号的预处理。

[0061] 在所述步骤三中，利用从不同方向收集的信噪比值来建立环境模型，该环境模型采用适当的算法来揭示卫星信号周围环境的影响，信噪比从每个频率的实时或独立于接收机的交换文件中计算和收集。

[0062] 为了满足监控的实时性要求，该方法中采用两个线程，一个线程用于位置，另一个线程用于建立和更新与信噪比相关的环境变换系数。

[0063] 在用于位置的线程中，数据流在无线网络中被转换到处理中心，然后被解码成观测、星历和信噪比；所有的信噪比随后被收集到一个信噪比数据库中，并利用观测和星历实时计算卫星位置，然后导出观测值，用最小二乘法估计浮点数解；利用浮点数法，固定解可以用LAMBDA法求解。

[0064] 在另一个线程中，利用信噪比数据集，使用适当的间隔建立信噪比相关的环境模型；环境模型的变换系数将分别用于随机模型和部分模糊度固定方法中的用于位置的线程中。

[0065] 本发明基于GNSS信号与环境反馈特征来构建空间环境模型，并基于该模型进行传统GNSS数据处理优化算法研究，提高复杂滑坡环境GNSS监测的可靠性、连续性和稳定性，为滑坡高效监测提供可靠、连续、稳定的技术保障和理论支撑。

[0066] 本发明利用GNSS定位时，能够充分利用GNSS设备观测值本身对所处环境的空间感知能力，通过利用信号质量拟合后，构建拟合信噪比进行定位观测方程重新定权。保护构建拟合信噪比进行观测方程重新定权的权函数算法，该方法可拓展应用GNSS涉及到的SPP、PPP、RTK等多种定位技术。

[0067] 本发明在基于广播星历轨道误差周期性的规律上，避免了数学建模的各种困难，通过网络的强大自学习自适应性就能得到很好的精度。

[0068] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

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