【基础知识】处理接收机原始GNSS数据时需要考虑的一些问题

大多数GNSS用户都只关心接收机提供的位置、速度和时钟（PVT）信息。事实上，大多商用GNSS接收机（比如在手机里或者交通工具里的接收机）只提供PVT信息和一些支撑信息（比如跟踪的卫星数量，精度衰减因子，对地航向等）。

然而，许多更加高端的接收机也提供了原始的测量数据，包括伪距，多普勒相移/频移（比如距离变化率），有时还包括载波相位。

这些原始的测量数据使更加有效的新数据处理方式成为可能，包括开发针对特定应用的数据处理引擎，高精度的差分处理，以及与惯性测量单元（IMUs）和其他的外部传感器更紧密的组合导航。

▌基础原理

不同接收机厂家生产的GNSS用户设备的不同之处在于：

（1）接收机钟差的最大可允许量级以及可调整的范围；

（2）多普勒和载波相位测量的符号规则。

▌时钟效应

接收机钟差指接收机估计的GNSS时间和真正GNSS时间（由卫星维持和传送）之间的差异。

这种偏差理论上是不受限的，但是所有制造商都尝试将它限定在一定范围内。

▌毫秒跳变

大部分接收机将时钟偏差限制在几个毫秒范围内，与接收机估计的时钟误差一致。一旦时钟误差超过一个预设的阈值，接收机将按照预设时钟偏差范围的毫秒数，向前或向后调整它的时间，然后将时钟偏差重置为接近于零—即所谓的毫秒跳变。

本文的重点是跳变对数据处理产生的影响，其中有三个主要问题：毫秒跳变的量级，对不同的测量的影响，对PVT解的影响。

首先，虽然这是处理原始GNSS数据中定时误差最常用的方法，不同厂商的接收机有不同的毫秒跳变的量级，从1毫秒到100毫秒不等。一旦将其乘以光速转化为距离单位，即使是一毫米的跳变也会在数据中被轻易识别出来，因为其会造成300km的距离误差，这将对位置解算产生不利影响。接收机软件应具备处理任意整数个毫秒跳变的能力。

其次，虽然在伪距和载波相位方程式中都有时钟偏差项，我们一般只能“看到”其伪距测量值的影响。对此最简单的解释是：载波相位是多普勒的积分，而多普勒本身与时钟漂移成正比。由于时钟漂移不受毫秒跳变的影响，故载波相位也不受其影响，除非毫秒跳变被“添加”到载波相位中。

如果使用载波平滑技术的话，将会在伪距上观测到毫秒跳变。如果你的软件不处理伪距和载波相位数据之间的差别，你可能会在无意间给平滑后的伪距引入很大的偏差。更重要的是，如果这些平滑滤波器（每个卫星一个）不是全部在稳定工作状态的话，各卫星偏差的量级将会不同，从而在PVT解算中导致跳变。

最后，是毫秒跳变如何影响PTV估计算法。毫秒跳变没有影响最小二乘估计，因为这样的估计不会使用历史信息。也就是说，被估计的时钟漂移将因为毫秒跳变的量级而改变。

相反，卡尔曼滤波器需要小心处理这些跳变，否则会发生大的位置跳变。卡尔曼滤波器的新息检测可以发现这些跳跃，但是，新息检测是在各卫星上独立实施的，所以盲目地应用将会在连续多个历元上剔除所有的测量。因为，我们需要处理由于接收机毫秒跳变导致的多个历元上伪距测量值的相同跳变。

▌时钟驾驭

毫秒跳变的替代方案让接收机进行时钟驾驭。在这种情况下，接收机通过调整内部晶体振荡器的频率使时钟漂移为零。这种情况下，接收机可以保持较小的时钟偏差（一般来说是几微秒或者更少）。

时钟驾驭解决了大部分毫秒跳变导致的相关问题。但是，基于时钟驾驭的数据处理软件不一定能很好的处理来自其他接收机的数据。

▌符号规则

接收机之间另一个主要的区别是多普勒或者载波相位测量的符号规则。这里不包括伪距测量，因为不管伪距是如何通过GNSS接收机产生的，从定义上都与几何距离成比例。

多普勒频移用来描述发射出的频率和接收到的频率之间的不同。然而，一家接收机厂商可能将多普勒频移定义为发射频率减去接收频率，而另一家可能采用相反的定义。这将会导致符号模糊的问题。符号模糊问题也可能是由于在接收机前端将无线电频率和负的中频混合产生，这需要在跟踪环路设计实现时做一些改变。符号模糊问题的根源不是非常重要。

此外，由于载波相位是多普勒频移的时间积分，符号模糊经常会导致载波相位的变化。换句话说，如果一颗卫星的伪距随着时间变化，载波相位将会以相同的比率增加或者减少（忽略电离层的发散效应）。

尽管前文所提到的，RINEX（Receiver Independent Exchange接收机独立交换）数据格式定义了载波相位随负的多普勒频移而变化，仍然要对这个符号模糊问题高度重视。

这些符号差异的影响取决具体的情况：

首先，多普勒的符号可能影响接收机的速度计算。

其次，载波相位的符号和伪距在使用载波相位和伪距来定位时很重要，对伪距的载波平滑也很重要。在这两种应用中，伪距和载波相位应该同时增加或减少，接收机软件应处理伪距和载波相位趋势相反的情况。

再次，如果使用多普勒频移来辨认载波相位的跳周，需要处理多普勒和载波相位的相对符号。

最后，任何将伪距与载波相位组合起来的应用都需要妥善处理符号关系，比如利用伪距测量值减去载波相位测量值（转化为距离单位）来近似求得伪距噪声和多路径的影响等。

【总结】本文介绍了不同GNSS接收机原始数据之间的差别，数据处理软件可以处理这些差别，否则接收机的PVT解算结果可能存在一些较大的意想不到的误差。

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