CN101059560B - 一种检测掩星双频gps接收机观测量测量误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全球定位系统GPS接收机领域，特别是针对双频掩星GPS接收机中各种观测量测量误差的方法。该掩星误差测量方法采用同一天线的两台掩星接收机，两台接收机是相同的两台待测接收机，也可是一台为已知测量量误差，一台为待测接收机，由两台接收机观测量双差值误差反推待测掩星接收机观测量的测量误差。方法包括：步骤1，GPS信号通过掩星接收机天线接收真实的GPS信号；步骤2，设置接收机的采样率；步骤3，对两接收机的数据进行分析；步骤4，在质量比较好的数据，求出高载噪比测量误差并求平均得

步骤5，求出该观测量的整体测量误差。

Description

一种检测掩星双频GPS接收机观测量测量误差的方法

技术领域

本发明涉及全球定位系统GPS接收机领域，特别是针对双频掩星GPS接收机中各种观测量测量误差的方法。

背景技术

GPS掩星观测，是利用掩星GPS接收机接收GPS卫星电波斜穿大气层信号，反演得到大气温度、密度、气压和电离层电子密度剖面的新技术，具有测量精度高、垂直分辨率高、全球覆盖、长期稳定和全天候及无须在轨定标等特点，其探测资料对于天文学、气候学、空间天气学以及测地学等具有重要的意义。

掩星GPS接收机是通过测量双频载波的相位，提取电波通过电离层和大气层的附加相位，然后反演出大气温、湿、压等信息，所以其观测量的测量误差对反演的结果质量影响很大，但由于GPS信号加噪声非常复杂，当前怎么样定量的得到掩星GPS接收机的观测量测量误差，对掩星GPS接收机的质量进行评估，还没有具体的测量标准和方法，本发明就是在这样的情况下提出了一个简单有效的测量掩星GPS接收机观测量测量误差的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量掩星GPS接收机各种观测量测量误差的方法。而对于掩星GPS接收机来说，其主要的观测量包括：C/A码伪距，P1码伪距，P2码伪距，L1载波相位，L2载波相位和L1、L2多普勒频移。

观测量的站际单差 $\mathrm{\Δ}{O}_{\mathrm{AB}}^j=O_B^j-O_A^j,$ 其表示接收机A和B，在某一历元同步观测某一卫星S^j的某一观测量O的差，它消除了卫星钟误差的影响，同时也可以明显地减弱如轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响。

观测量的双差为站星际双差 $\▿\mathrm{\Δ}{O}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}=O_{\mathrm{AB}}^j-O_{\mathrm{AB}}^i,$ 表示接收机A和B于某历元同步观测卫星Sⁱ、S^j的某一观测量O单差的差，其中取Sⁱ为参考星，其进一步消除了接收机钟差的影响。

采用如图1所示，利用同一个天线，通过分路器接入两台GPS接收机。如果两台接收机接收到的观测量求站际单差，则可以消除由于天线质量和多路径效应产生的误差，也消除了观测量中如轨道误差、大气折射等引起的误差，同时因为是同一颗星同一个天线，两接收机观测量真值应相等，做单差消去，而只留下了受接收机时钟差影响的误差和我们所要求的观测量测量误差。

两个接收机接收到的观测量如果再求站星际双差，则可以在单差的基础上再消除接收机时钟差的影响而只剩我们要的观测量测量误差，且双差的真值为0。

我们用统计标准差σ_o，即方差是σ_o ²来表示观测量O的测量误差，同一个接收机各通道的某观测量在同一载噪比下的观测误差一样，在一次观测时间内，如果始终有两颗卫星Sⁱ、S^j的观测量O保持相同的载噪比，即测量误差始终都一样，即 ${\mathrm{\σ}}_{o^i}={\mathrm{\σ}}_{o^j}={\mathrm{\σ}}_o.$

$\▿\mathrm{\Δ}{O}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}=O_{\mathrm{AB}}^j{-O}_{\mathrm{AB}}^i=O_B^j-O_A^j-(O_B^i-O_A^i)$

如果接收机A和B为同样的两台待测的接收机，那么 ${\mathrm{\σ}}_{{o_A}^i}={\mathrm{\σ}}_{{o_B}^i}={\mathrm{\σ}}_{{o_A}^j}={\mathrm{\σ}}_{{o_B}^j}={\mathrm{\σ}}_o.$ 根据误差传播定律，双差的方差 ${\mathrm{\σ}}_{{\▿\mathrm{\ΔO}}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}}^2=4{{\mathrm{\σ}}_o}^2.$ 所以，只要我们对接收到的数据进行双差，然后0为均值统计其σ _ΔOABij ²，那么相应观测量的统计标准差 ${\mathrm{\σ}}_o={\mathrm{\σ}}_{\▿\mathrm{\Δ}{O}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}}/2$         ①。

如果接收机A为待测，B为已知其观测量误差σ_oB的接收机。根据误差传播定律，双差的方差 ${\mathrm{\σ}}_{\▿\mathrm{\Δ}{O}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}}^2=2{{\mathrm{\σ}}_{o_B}}^2+2{{\mathrm{\σ}}_{o_A}}^2.$ 所以，只要我们对接收到的数据进行双差，然后0为均值统计其σ

_ΔOABij ²，那么相应观测量的统计标准差 ${\mathrm{\σ}}_{o_A}=\sqrt{({\mathrm{\σ}}_{\▿\mathrm{\Δ}{O}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}}^2-2{{\mathrm{\σ}}_{o_B}}^2)/2}$         ②。

在实际接收GPS信号的时候，一颗星接收信号载噪比从最高到最低大概有1到4个小时不等，在这么长的时间内，我们不可能找到载噪比始终相同变化的两个卫星。但我们通过对数据的分析得到两个规律：一是GPS卫星在接近成为掩星的时候载噪比下降非常迅速，而在其相当长的一段可视时间内其载噪比可保持较高的量(如C/A码载噪比为40db到50多db，P码为30多db)。二是观测量测量噪声随载噪比减小而迅速的变大，而在较高的一个载噪比范围内其测量噪声变化比较小，可看作相等(如C/A码载噪比为45db到50多db看作其相关观测量的观测噪声相等，P码为30多db看作其相关观测量的观测噪声相等)。

在实际中，我们可以很容易得到在一个较长时间内有两颗卫星的观测量能保持一个较高载噪比的数据，假设在较高载噪比的范围内对两颗卫星的测量误差一样，从而我们可以利用上述的方法①或②来求出较高载噪比的测量误差。

我们也可以很容易得到在一颗卫星Sⁱ的观测量载噪比由最高到最低，即由可视到发生掩星事件，最后消失的全过程中，有另一颗参考卫星S^j的观测量能保持可视并在一个较高载噪比范围的数据。

观测量双差公式为 $\▿\mathrm{\Δ}{O}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}=O_{\mathrm{AB}}^j-O_{\mathrm{AB}}^i=O_B^j-O_A^j-(O_B^i-O_A^i).$

σ_oA ⁱ表示接收机A接收卫星Sⁱ的某观测量O的标准差；σ_oB ⁱ表示接收机B接收卫星Sⁱ的某观测量O的标准差；因为卫星Sⁱ的观测量载噪比是由最高到最低变化的，σ_o为待求接收机某观测量O在载噪比由最高到最低的过程中整体的测量标准差，为我们所求的量。

σ_oA ^j表示接收机A接收卫星S^j的某观测量O的标准差；σ_oB ^j表示接收机B接收卫星S^j的某观测量O的标准差；因为卫星S^j的观测量载噪比始终都在一个较高的范围内，σ_高代表待测接收机某观测量O在高载噪比的情况下的测量误差，我们可以根据公式①或②所述的方法来计算得到。

如果接收机A和B为同样的两台待测的接收机，那么

根据误差传播定律，双差的方差

所以，只要我们对接收到的数据进行双差，然后以0为均值统计其σ

_ΔOABij ²，那么相应观测量的统计标准差

如果接收机A为待测，B为已知其观测量误差σ_oB的接收机。根据误差传播定律，双差的方差 ${\mathrm{\σ}}_{{\▿\mathrm{\ΔO}}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}}^2={{\mathrm{\σ}}_{o^{j}B}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{o^{j}A}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{o^{i}B}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{o^{i}A}}^2.$ 其中，σ_ojB ²为已知的B接收机较高载噪比的测量误差方差，σ_oiB ²为已知的B接收机观测量和所求误差相应载噪比的测量误差，σ_ojA ²为已求出的待求接收机高载噪比时的测量误差，σ_oiA ²为所求，所以，只要我们对接收到的数据进行双差，然后0为均值统计其σ

_ΔOABij ²，那么相应观测量的统计标准差

${\mathrm{\σ}}_{o^{i}A}=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{\▿\mathrm{\Δ}{O}_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{ij}}}^2-{{\mathrm{\σ}}_{o^{j}B}}^2-{{\mathrm{\σ}}_{o^{i}B}}^2-{{\mathrm{\σ}}_{o^{i}A}}^2}$                  ④。

以上为一颗卫星由可视到掩星直至失锁全过程的平均测量误差，我们还可以将数据按载噪比分别分析得到不同载噪比时的测量误差，而且我们可以多次测量求其平均误差；特别我们可以单独对掩星时的数据进行分析，得到发生掩星时的测量误差。

检测掩星双频GPS接收机观测量测量误差的方法，该掩星误差测量方法采用同一天线的两台掩星接收机，这两台接收机可以是相同的两台待测接收机，也可以是一台为已知测量量误差，一台为待测接收机，由两台接收机观测量双差值误差反推待测掩星接收机观测量的测量误差。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的测试掩星GPS接收机各种观测量测量误差的方法框图；

图2是本发明的测试掩星GPS接收机各种观测量测量误差的方法流程图。

具体实施方式

如图1，如果是测量静态的观测量测量误差则GPS信号是通过GPS掩星接收机的天线直接接受真实的GPS信号；如果测试高动态的观测量测量误差则GPS信号可以通过双频GPS信号模拟器输入，例如采用SPIRENT GSS7700GPS/SBAS Simulator双频GPS模拟器，可以模拟LEO高动态轨迹，及不同高度的LEO卫星轨道。包括：低噪声放大器、分路器、并列两个双频掩星GPS接收机、PC机。低噪声放大器、分路器、并列两个双频掩星GPS接收机、PC机依次顺序连接。

图2是测试掩星GPS接收机各种观测量测量误差的方法流程，其步骤如下：

步骤1，按图1连接好各部件，其中，GPS信号通过掩星接收机天线接收真实的GPS信号。利用两个接收机是相同的两个待测接收机接收GPS信号。GPS天线应架设在比较高且周围比较空旷的地方。

步骤2，设置接收机的采样率为10Hz，采样率越高越好，最少要1Hz，连续接收数据24小时左右。

步骤3，对两接收机的数据进行分析，挑出数据质量比较好的部分，或者可以利用相关软件修复数据的粗差，如周跳等等。

步骤4，在质量比较好的数据中各观测量都挑出三组或更多至少持续20分钟以上有两颗星载噪比维持在较高范围的数据，用公式①所述方法求出各观测量三组的高载噪比测量误差并求平均得

步骤5，在质量比较好的数据中各挑一组，有一颗星观测载噪比由最高到最低，直到消失的同时，还有一颗参考星的观测载噪比在高载噪比范围内的数据，用公式③所述方法求出该观测量的整体测量误差。

根据需要还可以求各载噪比下的各种观测量的测量误差，掩星时的观测误差，并可以多取几组来求平均。

Claims (3)

1.一种检测掩星双频GPS接收机观测量测量误差的方法，其步骤如下：

步骤1，GPS信号通过掩星接收机天线接收真实的GPS信号，利用同一天线的两台掩星接收机是相同的两个待测接收机接收GPS信号；

步骤2，设置接收机的采样率，采样率最少要1Hz；

步骤3，对两掩星接收机的数据进行分析，挑出数据质量比较好的部分，或者可以利用相关软件修复数据的粗差；

步骤4，在质量比较好的数据中各观测量都挑出三组至少持续20分钟以上有两颗星载噪比维持在较高范围的数据，即C/A码载噪比为40db至50多db，P码为30多db，用三组观测量双差的统计标准差求出三组观测量的高载噪比测量误差，并求平均得到平均高载噪比测量误差

步骤5，已知高载噪比测量误差后，在质量比较好的数据中各挑一组，所挑数据应包括一颗星观测载噪比由最高到最低，直到消失的同时，还有一颗参考星的观测载噪比在高载噪比范围内的数据，根据误差传播定理，对接收到的数据进行双差，然后0为均值统计其方差，得到相应的统计标准差，并求出观测量整体测量误差。

2.根据权利要求1所述的检测掩星双频GPS接收机观测量测量误差的方法，其特征在于，设置接收机的采样率为10Hz。

3.一种检测掩星双频GPS接收机观测量测量误差的方法，其步骤如下：

步骤1，GPS信号通过掩星接收机天线接收真实的GPS信号，利用同一天线的两台掩星接收机也可以是一台为已知测量误差，一台为待测接收机；

步骤2，设置接收机的采样率，采样率最少要1Hz；

步骤3，对两掩星接收机的数据进行分析，挑出数据质量比较好的部分，或者可以利用相关软件修复数据的粗差；

步骤4，在质量比较好的数据中各观测量都挑出三组至少持续20分钟以上有两颗星载噪比维持在较高范围的数据，即C/A码载噪比为40db至50多db，P码为30多db，用三组观测量双差的统计标准差求出三组观测量的高载噪比测量误差，并求平均得到平均高载噪比测量误差

步骤5，已知高载噪比测量误差后，在质量比较好的数据中各挑一组，所挑数据应包括一颗星观测载噪比由最高到最低，直到消失的同时，还有一颗参考星的观测载噪比在高载噪比范围内的数据，根据误差传播定理，接收到的数据进行双差，然后0为均值统计其方差，得到相应的统计标准差，并求出观测量的整体测量误差。

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