确定全球卫星导航系统导航卫星频间偏差的方法

摘要

本发明公开了一种确定全球卫星导航系统导航卫星频间偏差的方法，涉及无线通讯，信号硬件延迟，导航定位与授时领域。该方法包括导航卫星和接收机综合频间偏差的确定以及导航卫星频间偏差的分离。本发明通过参数重整和局部电离层TEC建模得到了导航卫星和接收机的综合频间偏差，通过设计导航卫星和接收机频间偏差分离参考基准自适应选择准则，最终了确定导航卫星的频间偏差。本发明基于8个基准站确定的导航卫星频间偏差的稳定性整体上优于国际上利用近200个基准站确定的导航卫星频间偏差的稳定性，精度更为可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通讯，信号硬件延迟，导航定位与授时等领域。

背景技术

全球卫星导航系统英文名称为Global Navigation Satellite System，简称GNSS。其工作原理：由距地球表面2～4万公里在轨连续运行的多颗卫星(包括：中轨卫星和地球静止卫星等)不间断地发送L波段的无线电信号，无线电信号经过地球大气层到达地面被GNSS接收机捕获，通过对捕获的信号进行测量和处理可用于导航、定位和授时等领域。目前，全球卫星导航系统主要包括：美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALIEO和中国北斗系统。

全球卫星导航系统各个卫星上安装有信号产生器，信号产生器产生无线电信号再通过硬件通道装置发送至卫星天线，由天线向地面发射。不同频率的信号经过硬件通道时将产生不同的延迟，任意两个不同频率信号对应的延迟之差称为频间偏差，分为导航卫星频间偏差和接收机频间偏差。合理精确地确定其数值是实现基于GNSS监测/反演电离层活动必须要解决的关键技术，同时，对提高精密单点定位和时间同步精度也具有重要的作用。

目前，国际上进行卫星频间偏差确定和发布的机构主要有欧洲伯尔尼大学天文研究所(CODE)以及美国喷气推进实验室(JPL)等极少数欧美国家的科研单位，他们确定导航卫星频间偏差的方法都是基于全球分布的大量基准站(200个左右)实施的，然而，我国北斗全球卫星导航系统因受到军事、经济等诸多因素限制只能在全球范围内布设少数的基准站，目前国际上常用的方法均无法在基准站较少的情形下确定导航卫星的频间偏差。

发明内容

本发明的目的是：提供一种确定全球卫星导航系统导航卫星频间偏差的方法。该方法结合电离层薄层假说，首先，通过参数重整精确估计卫星和接收机综合频间偏差，进而，设计导航卫星和接收机频间偏差分离参考基准的自适应选择准则，精确确定了导航卫星频间偏差。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

1、导航卫星和接收机综合频间偏差的确定

GNSS双频无几何影响组合观测值是GNSS原始观测值的线性组合，其中仅包含有空间电离层对信号产生的延迟影响以及卫星和接收机频间偏差影响，由于卫星和接收机频间偏差线性相关导致其无法分离。本发明通过参数重整将卫星和接收机频间偏差当作一个参数处理，在电离层薄层假说的前提下，采用日固地磁坐标系下的广义三角级数模型模拟测站上空电离层变化，利用最小二乘方法逐测站实现卫星和接收机综合频间偏差的确定。

2、导航卫星频间偏差的分离

将1中求解的各测站卫星和接收机综合频间偏差参数当作观测量，进而设计了导航卫星和接收机频间偏差分离参考基准的自适应选择准则，采用最小二乘方法，实现了导航卫星频间偏差的精确确定。本发明的优点和效果

本发明方法由于采用逐测站估计卫星和接收机综合频间偏差，避免了大范围电离层建模，只需少数基准站，即可满足我国北斗全球卫星导航系统确定导航卫星频间偏差的要求，使用方便快捷。另外，本发明基于8-10个全球分布基准站确定全球卫星导航系统导航卫星频间偏差的精度和可靠性与国际上采用200个左右基准站确定的导航卫星频间偏差的精度和可靠性相当。

附图表说明

附图1：确定全球卫星导航系统导航卫星频间偏差的方法组成

附图2：导航卫星与接收机综合频间偏差的确定

附图3：导航卫星与接收机综合频间偏差的分离

附图4：本发明方法确定的导航卫星频间偏差(IGG)与国际上发布值(CODE、JPL)稳定性对比

其中，图4中，本发明方法确定的GPS导航卫星频间偏差优于国际发布值(CODE、JPL采用全球分布200个左右基准站，但

本发明方法仅采用全球分布8个测站)

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，确定全球卫星导航系统导航卫星频间偏差的方法包含导航卫星与接收机综合频间偏差的确定及导航卫星频间偏差的分离两大步骤，具体如下：

1、导航卫星与接收机综合频间偏差的确定

1.1)全球卫星导航系统原始观测数据的采集

采集全球卫星导航系统原始观测数据。全球卫星导航系统原始观测数据包含相位观测数据、码观测数据以及导航卫星星历。其中：相位观测值和码观测值如式(1)所示：

$P_{\mathrm{mi}}^j={\rho }_i^j+c·({\mathrm{dt}}^j-{\mathrm{dt}}_i)+d_{{\mathrm{trop}}_i}^j+d_{{\mathrm{ion}}_{\mathrm{mi}}}^j+c·(d_{{\mathrm{dcb}}_{\mathrm{mi}}}+d_{{\mathrm{dcb}}_m}^j)$(1)

$L_{\mathrm{mi}}^j={\rho }_i^j+c·({\mathrm{dt}}^j-{\mathrm{dt}}_i)+d_{{\mathrm{trop}}_i}^j-d_{{\mathrm{ion}}_{\mathrm{mi}}}^j+c·(d_{{\mathrm{dcb}}_{\mathrm{mi}}}+d_{{\mathrm{dcb}}_m}^j)-{\lambda }_m·N_{\mathrm{mi}}^j$

其中：为码观测值，为相位观测值，j为卫星伪随机号，i为接收机编号，m为频率编号。为第j号卫星与第i接收机之间的几何距离，c为光速，dt^j为第j号卫星的钟差，dt_i为第i接收机的钟差，为第j号卫星与第i接收机之间信号传播路径上的对流层误差，为第j号卫星与第i接收机之间信号传播路径上在第m个频率上的电离层误差，为第j号卫星第m个频率上的硬件延迟，为第i接收机第m个频率上的硬件延迟，λ_m为第m个频率信号的波长，为观测的整周模糊度。

式(1)中除λ_m、和之外，其他项均与频率无关。

由于电离层的弥散性质，与信号传播路径上的电子总含量TEC满足下面(2)式所示的关系：

$d_{{\mathrm{ion}}_{\mathrm{mi}}}^j=A·\frac{\mathrm{TEC}}{f_m^2}---\left(2\right)$

其中：A为一常数，取值为40.26×10¹⁶，TEC为信号传播路径上电子总含量，f_m为信号频率。

全球卫星导航系统原始观测值须满足双频(即：m＝2)、采样频率不低于30秒、高度截至角小于5度三个条件。

1.2)码和相位观测值的数据质量控制

将步骤1.1)采集到的原始观测数据采用拟准检定法进行粗差的检测和剔除、周跳的探测和修复，然后，采用相位平滑伪距方法对原始观测数据进行处理，得到新观测值新观测值较原始数据具有更高的精度。

1.3)组建无几何影响观测值

将步骤1.2)中得到的2个频率上新观测值按照下面(3)式组建无几何影响观测值：

${\tilde{P}}_{(1-2)i}^j\equiv {\tilde{P}}_{1i}^j-{\tilde{P}}_{2i}^j=A·\frac{f_2^2-f_1^2}{f_1^2·f_2^2}·{\mathrm{TEC}}_i^j+c·(S_{p12}^j+R_{\mathrm{ip}12})---\left(3\right)$

其中：为第j号导航卫星频间偏差，即：为第i接收机频间偏差，即：

该无几何影响观测值中仅含有导航卫星频间偏差接收机频间偏差以及电离层总电子含量三类未知参数。

1.4)利用导航卫星星历计算全球卫星导航系统卫星的位置

利用步骤1.1)中采集到的导航卫星星历计算出指定时刻全球卫星导航系统卫星的位置。

1.5)电离层薄层交叉点位置计算

按照电离层薄层假说理论，假定电离层电子总含量压缩至某一高度的薄层上，本发明中设定该高度为350KM。将导航卫星至接收机信号传播路径与该薄层的交点称为电离层薄层交叉点。结合全球卫星导航系统基准站的位置，用下面的(4)式与(5)式计算电离层薄层交叉点的位置：

①计算接收机与卫星连线在地心的夹角EA

其中：el为接收机与卫星之间的高度角，这是个精度满足要求的近似计算公式。

②计算电离层薄层交叉点的地心经度和纬度λ_ipp

其中：λ_p为接收机的地心经度和纬度；α为卫星相对于接收机的方位角。

1.6)确定导航卫星和接收机综合频间偏差步骤1.3)中可采用数学模型TEC(λ，t)进行模拟，本发明采用下面(6)式的广义三角级数函数模型进行模拟：

其中：λ_ipp为步骤1.5)中计算得到的电离层薄层交叉点的纬度；A_i是广义三角级数函数的系数，为待求参数；N为广义三角级数的阶数，取N₂＝2，N_I＝N_j＝1，N₃＝2，N₄＝3；t为地方时；secZ为投影函数，如式(7)：

把(6)式中的TEC(λ，t)代入(3)式中，(3)式由于导航卫星频间偏差和接收机频间偏差R_ipl2线性相关，无法进行同时求解，将与整合为一个参数，称之为综合频间偏差，采用最小二乘法进行求解，得到导航卫星与接收机的综合频间偏差。逐基准站求解

1.1)至1.6)的实施流程参见图2。

按照1.1)至1.6)逐基准站求解导航卫星与各个接收机的综合频间偏差其中j表示卫星伪随机编号，i表示接收机编号。

2、导航卫星与接收机综合频间偏差的

2.1)用导航卫星与接收机综合频间偏差组建法方程步骤1.6)中得到的中包含有导航卫星频间偏差和基准站接收机频间偏差R_ipl2，得到观测方程：

$\underset{(I·J)\times 1}{\left(\mathrm{sr}\right)}=\underset{(I·J)\times (I+J)}{B}·\underset{(I+J)\times 1}{x}---\left(8\right)$

其中：x为列向量，包含导航卫星频间偏差和接收机频间偏差R_ipl2两类参数；B为系数矩阵；(sr)为由组成的列向量，具体形式如(9)所示。

基于观测方程(8)组建的法方程为：

Nx＝W(10)

其中：N＝B^TB，W＝B^T(sr)，法方程系数阵N的秩亏数为1，为了解决法方程系数阵N的秩亏问题，必须引入一参考基准。

2.2)构造参考基准

①选择全部导航卫星的频间偏差参数构造初始参考基准；

②用频间偏差较稳定的导航卫星构造参考基准，参考基准的构造方法为：将频间偏差参数分为2组

$\underset{1\times u}{x^T}=[\underset{1\times u_1}{x^T},\underset{1\times u_2}{x^T}]---\left(11\right)$

其中：u为导航卫星和接收机频间偏差参数的总数，为频间偏差变化较稳定的部分导航卫星频间偏差参数，为其他频间偏差参数，u₁+u₂＝u。

根据选择的u₁个导航卫星，构造参考基准：

$\underset{1\times u}{S^T}\underset{u\times 1}{x}=F---\left(12\right)$

其中：S₁所有元素为0，S₂所有元素为1，F为参考基准约束值，在本发明方法中取为0。

2.3)联合平差处理

将(10)式与(12)式联列，由于增加参考基准(12)作为约束条件，可解决法方程秩亏问题，采用最小二乘法，得到导航卫星频间偏差参数估值及其协方差如(13)式所示。

$\left(\begin{array}{c}\hat{X}={(N+S{S}^T)}^{-1}W\\ D_{\hat{X}\hat{X}}={\sigma }_0^2{Q}_{\hat{X}\hat{X}}\end{array}\right)---\left(13\right)$

其中：G为S的标准化矩阵；

2.4)参考基准稳定性检核

基于2.3)中得到的导航卫星频间偏差的协方差，构造拟稳检核条件如式(13)所示：

|δx_j|＞C·σ_j(14)

其中：δx_j为第j个导航卫星频间偏差参数估值与前一次次迭代计算估值的差，σ_j为第j个导航卫星频间偏差参数估值对应的方差，C＝3.0；

如果有导航卫星频间偏差估值满足(14)式，则认为该导航卫星频间偏差不稳定，转到步骤2.2)②中，更新参考基准。

如果所有导航卫星频间偏差估值不满足(14)式，转到步骤2.5)；2.5)输出导航卫星频间偏差

确定步骤2.3)中得到导航卫星频间偏差估计值为全球卫星导航系统卫星的频间偏差。

步骤2.1)至步骤2.5)的实施流程参见图3。