利用转发测距值和伪距值确定GEO导航卫星钟差的方法

摘要

本发明涉及一种利用转发测距值和伪距值确定GEO导航卫星上原子钟的钟差的方法，技术特征在于：通过激光测量或定轨计算得到GEO导航卫星转发器时延值、转发测距值、伪距测距值和同步转发测距值，将同步转发测距值转换成原始星地距离值并与伪距测距值进行电离层改正分别得到电离层改正的星地距离值和电离层改正的伪距测量值；计算得到实时GEO导航卫星钟差；通过事后精密定轨计算得到卫星转发器时延的实际值和事后精密GEO导航卫星钟差。本发明的方法可以提供时间间隔为每秒的钟差产品，提高导航定位系统的实时性精度。另外本发明所用计算方法简单，可以有效减少计算过程带来的误差。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用转发测距值和伪距值确定GEO导航卫星上原子钟的钟差的方法，涉及导航卫星测量定轨领域，属于天体测量与天体力学学科。

背景技术

导航卫星系统的定位精度的关键问题在于确定星载原子钟钟差及其变化。

目前确定导航卫星钟差的方法主要有三种：1)单程测距法，该方法利用测量的伪距值和轨道定位得到的卫星与同步站之间的距离值，两者求差，即可得到卫星钟差。2)双程测距法，采用若干雷达测量站和少数激光站进行测量从而得到卫星轨道，然后采用同单程测距相同的方法得到卫星钟差。3)直接时间比对法。主要采用双向测时的方法实现，从地面站送时标至卫星，在卫星上测量到达时间，同时卫星发射时标，在地面测量到达时间，比较这两个伪码测距值，可以得到卫星钟差。

GEO导航卫星由于卫星的几何跟踪条件受到局部测轨网的限制、卫星相对于地面的动力学约束信息较弱。由于测量机制的原因，即使多个观测站同时观测也很难将卫星钟差与测站钟差分离，确定卫星钟差成为一个技术难题，通常采用组差的方法获得卫星钟差，这会降低卫星钟差的确定精度。

上述方法存在观测设备数量多、计算方法复杂、计算结果受卫星定轨精度影响、得到导航卫星钟差结果慢的缺点。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种能实时得到GEO导航卫星钟差的方法。通过不含GEO导航卫星钟差的转发测距值与包含GEO卫星钟差伪距值相减得到导航卫星钟差。利用本发明计算卫星钟差可以实现单台站实时确定GEO导航卫星钟差，具有计算简单、钟差结果与卫星轨道无关、能够实现全天候不间断观测、并能减少观测设备的数量，降低构建测量系统的成本的优点。

技术方案

本发明的技术特征在于：以不含GEO导航卫星钟差的转发测距值为参考值，以包含GEO导航卫星钟差的伪距值为实测值，采用以下方法对转发测距值和伪距值进行处理，得到GEO导航卫星钟差，具体步骤如下：

步骤1：通过激光测量或定轨计算得到GEO导航卫星转发器时延值R，其值为信号从卫星接收天线相位中心经转发器转发后到达卫星发射天线相位中心的距离值，单位：m；

步骤2：将转发测距设备、伪距测距设备按照采样率1秒/次进行同时刻采样得到转发测距值C(t)，测量信号每秒触发，其值为转发测距信号从转发测距设备天线相位中心上行至卫星，经卫星转发器转发后下行至转发测距设备天线相位中心的距离值，单位：m；伪距测距值L(t)，测量信号每秒触发，其值为伪距测距信号从GEO导航卫星天线相位中心发出下行至伪距测距设备天线相位中心的距离值，单位：m；

步骤3：转发测距值与伪距值的时刻同步，利用下面公式计算得到与伪距值同一时刻的同步转发测距值C′(t)，其中c为光速，

$C^{\prime }\left(t\right)=C\left(t\right)+(C(t-1)-C\left(t\right))\times \frac{C\left(t\right)}{c}$

步骤4：利用下面公式将同步转发测距值C′(t)转换成原始星地距离值C″(t)，

$C^{\prime \prime }\left(t\right)=\frac{C^{\prime }\left(t\right)-R}{2}$

步骤5：将原始星地距离值C″(t)和伪距值L(t)进行电离层改正分别得到电离层改正的星地距离值C″′(t)和电离层改正的伪距值L′(t)，利用下面公式得到实时GEO导航卫星钟差S(t)，

S(t)＝C″′(t)-L′(t)

其中：C″′(t)＝C″(t)+ΔC″(t)

L(t)＝L(t)+ΔL(t)

${\mathrm{\Delta C}}^{\prime \prime }\left(t\right)=\frac{40.28}{f_C^2}\times \sec [\arcsin \left(\frac{C^{\prime \prime }\left(t\right)}{C^{\prime \prime }\left(t\right)+h}\cos E\right)\times \mathrm{VTEC}\left(t\right)$

$\mathrm{\Delta L}\left(t\right)=\frac{40.28}{f_L^2}\times \sec [\arcsin \left(\frac{L\left(t\right)}{L\left(t\right)+h}\cos E\right)\times \mathrm{VTEC}\left(t\right)$

f_C为转发测距所用无线电载波的频率，单位：Hz；

f_L为伪距测距所用无线电载波的频率，单位：Hz；

h为测站高程值，单位：米；

E为观测俯仰角，单位：度；

VTEC为无线电波穿刺点的电子含量浓度，单位：TECU；

步骤6：通过事后精密定轨计算得到卫星转发器时延的实际值R′(t)，利用下面公式得到事后精密GEO导航卫星钟差S′(t)，

$S^{\prime }\left(t\right)=\frac{C^{\prime }\left(t\right)}{2}+{\mathrm{\Delta C}}^{\prime \prime }\left(t\right)-L^{\prime }\left(t\right)-\frac{R^{\prime }\left(t\right)}{2}$

有益效果

本发明提出的利用转发测距值和伪距值确定GEO导航卫星钟差的方法，不受卫星的几何跟踪条件限制及GEO卫星相对于地面的动力学约束信息较弱的限制，可以实时确定GEO导航卫星钟差，目前IGS对GPS卫星的实时钟差产品时间间隔为15分钟，通过本方法可以提供时间间隔为每秒的钟差产品，提高导航定位系统的实时性精度。另外本发明所用计算方法简单，可以有效减少计算过程带来的误差。

具体实施方式

现结合实施例对本发明作进一步描述：

本实施例的测量系统包括七部分：地面时钟系统、转发测距设备、伪距测距设备、GEO导航卫星、数据处理中心和运行本发明确定导航卫星钟差的软件。

转发测距设备的工作原理与卫星双向时间比对工作原理相同。伪距测距设备的工作原理与GPS伪距接收机工作原理相同。

地面时钟系统为转发测距设备和伪距测距设备提供统一的时间和频率信号。

转发测距设备包括调制器、解调器、天线系统、数据采集计算机五部分。调制器产生中频伪码扩频信号；天线设备将中频伪码扩频信号混频至射频信号后发送至GEO导航卫星，接收GEO导航卫星转发的射频信号，并混频至中频信号；解调器解调天线接收的中频信号，通过伪码相关运算得到转发测距值；数据采集计算机记录并存储转发测距值。

伪距测距设备包括导航接收天线、导航接收机；导航接收天线接收卫星伪距信号并由导航接收机生成伪距值。

GEO导航卫星包括伪距发生单元和卫星转发器；伪距发生单元产生伪距信号、卫星转发器用于接收转发测距设备发送至卫星转发器的上行信号变频后向地球发送下行信号。

数据中心处理转发测距值及伪距值，得到GEO导航卫星钟差。

确定GEO导航卫星钟差软件是在DELPHI7平台上开发的软件。

本方法的实施方案：

利用转发测距设备和GEO导航卫星生成转发测距值，利用伪距测距设备和GEO导航卫星生成伪距值，数据处理中心和运行本发明确定GEO导航卫星钟差的软件对采集到的转发测距值和伪距值进行处理，得到导航卫星钟差，具体步骤如下：

步骤1：地面站时钟系统性能至少比星载原子钟性能高一个数量级，作为标准频率源；地面时钟系统为转发测距设备和伪距测距设备提供统一的时间和频率信号，此时转发测距设备采集到的转发测距值只与实际的信号传播时间相关，不包括卫星钟差影响；伪距测距设备采集到的伪距值不仅包括实际的信号传播时间相关，还包括导航卫星钟差；

步骤2：将转发测距设备和伪距测距设备进行零基线设置，这样设置可以减少测站位置不同带来的系统误差；

步骤3：通过激光测量或定轨计算得到GEO导航卫星转发器时延值R；

步骤4：同时对GEO导航卫星进行转发测距，并得到转发测距值C(t)，对GEO导航卫星进行伪距测距，并得到伪距测距值L(t)；

步骤5：将转发测距值C(t)同步到与伪距测距值L(t)的相同时刻，得到同步转发测距值C′(t)；

步骤6：将同步转发测距值C′(t)转换成原始星地距离值C″(t)，

步骤7：将原始星地距离值C″(t)和伪距测距值L(t)进行电离层改正分别得到电离层改正的星地距离值C″′(t)和电离层改正的伪距测量值L′(t)，

步骤8：计算得到实时GEO导航卫星钟差S(t)，

步骤9：通过事后精密定轨计算得到卫星转发器时延的实际值R′(t)，计算得到事后精密GEO导航卫星钟差S′(t)

由上述实施例可以看出，利用转发测距值和伪距值确定GEO导航卫星钟差的方法，主要利用GEO导航卫星上的转发器及地面上的转发式测距系统生成与GEO导航卫星钟差无关的转发测距值，并利用与GEO导航卫星钟差相关的伪距值通过相关运算得到GEO卫星钟差。

GEO导航卫星的星载原子钟由于工作环境恶劣、体积重量限制严格等原因导致性能较地面原子钟相差1～2个数量级，因原子钟性能差会导致导航定位精度变差，因此必须对导航卫星钟差进行校正，以往的单程测距法必须对卫星进行精密定轨才能得到卫星钟差。利用本方法由于可以将转发测距值与伪距值同步到同一时刻，此时转发测距值与伪距值与GEO卫星轨道无关，可以直接计算卫星钟差，具有实时性。雷达测量站精度低，激光站测量站受天气影响大；转发式测量站不受天气影响，采用高速率伪码可以提高测距精度，通过高频率的载波信号可以减低电离层时延。转发式数据采集设备、导航接收机数据采集设备零基线安置可以减小GEO卫星至地面接收设备的路径误差。

利用转发测距值和伪距值确定GEO导航卫星钟差的方法，最少只需一套地面时钟系统、转发测距设备、伪距测距设备就可以对GEO导航卫星进行全天观测，这样不仅可以减少观测设备数量、简化观测设备，还可以实时得到GEO卫星钟差及事后精密GEO导航卫星钟差。

可见，利用转发测距值和伪距值确定GEO导航卫星钟差的方法能大幅度提高GEO卫星钟差的实时性、简化计算、减少测量设备的数量和复杂度，并且可以在事后提供精密的卫星钟差结果，后端处理更加灵活。