CN102176036B

CN102176036B - 一种系统时间偏差辅助多模卫星导航方法

Info

Publication number: CN102176036B
Application number: CN 201110027742
Authority: CN
Inventors: 李孝辉; 许龙霞; 张慧君; 薛艳荣
Original assignee: National Time Service Center of CAS
Current assignee: National Time Service Center of CAS
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102176036A

Abstract

本发明公开了系统时间偏差辅助多模卫星导航方法，包括以下步骤：步骤A1，算法启动，输入测量时间，读入导航系统类型、伪距测量值矩阵、卫星位置矩阵，并从程序上次运行保存的文件中读入系统时差历史值和上次解算位置输出值；步骤A2，判断系统的个数；如果只有一个系统，令时差修正标志为1，进入单系统解算过程，按照线性迭代方法解算接收机位置，输出位置结果；如果有两个系统参与解算，进入双系统解算过程；如果有三个系统参与解算，如果DOP值小于或等于6，进行三系统解算；步骤A3，将解算的位置结果输出，并将更新的系统时差历史值和本次解算输出位置保存，供下一次程序运行使用。

Description

一种系统时间偏差辅助多模卫星导航方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其是一种系统时间偏差辅助多模卫星导航方法。

背景技术

多模卫星导航技术是指把两种或两种以上的卫星导航系统以适当的方式组合在一起，利用其性能上的互补特性，以获得比单独使用任一系统时更高的导航性能。

多模卫星导航的概念在GPS和GLONASS建设时就已经出现，但一直没有充分发展，直到Galileo系统开始建设后，多模导航逐渐被人们重视，随着中国的COMPASS系统和其他卫星导航系统的规划和建设，多模导航将具有更大的发展空间。

在多模卫星导航中，由于不同的卫星导航系统的系统时间不同，虽然都溯源到协调世界时(UTC)，但由不同的系统溯得到的UTC的值是有偏差的，这个偏差称为系统时间偏差，简称系统时差。系统时差约几十纳秒的量级，并且随着时间的推移而变化，这是多模导航需要重点关注的一个问题。

系统时间偏差产生的原因

以GPS和Galileo系统为例，分析系统时间偏差产生的原因。

GPS系统有其独立的系统时间，称为GPS时(GPST)。与GPS一样，为支持系统运行，Galileo也建立参考时间尺度——Galileo系统时间(GST)。GPS系统时间(GPST)与GST均独立产生，GST驾驭到国际原子时(TAI)，GPST驾驭到美国海军天文台(USNO)保持的协调世界时(UTC(USNO))。从定义上讲，协调世界时(UTC)和国际原子时(TAI)相差整数秒，在后面我们就不区分这两种时间尺度。表2.1总结了GPST的特性和GST的设计要求。

表2.1GPS和Galileo的系统时间

由于GST和GPS时间都向UTC/TAI驾驭，按照GPS和Galileo系统的性能，由两个系统得到的UTC偏差在估计在57ns以内(95％)，偏差的不确定度在33ns以内(95％)。系统时差在用户端表现形式

从上面分析可以知道，不同的卫星导航系统之间的系统时间是不一致的，这种不一致性直接在用户端体现。

另外，对于一个多模导航的用户，在进行伪距测量时，由于各卫星导航系统的信号频率和调制方式不同，由于接收机群时延的变化，会有3～5纳秒的时延差，同时，对不同的系统如果采用不同的测距方式，测量的时延也会有几纳秒偏差。

考虑两种因素，在用户端观测到的系统时差与两个系统时间的偏差并不相同，用户端观测到的系统时差要附加3～5ns的偏差，这是由于接收机群时延和测距方式不同而引起的。在精密导航定位时，必须考虑这个因素。

系统时差对定位和定时的影响

对GPS和Galileo来说，GPST和GST的系统时差可能是几十纳秒的量级，这个偏差称为简写为GGTO。在双模导航接收机中，使用导航电文中广播的钟参数改正，测量的

即使把两个系统的伪距都改正到UTC，也会出现类似的问题。这里，GGTO可以被定义为两个系统对UTC的估计偏差，因为对UTC的估计不可能是完美的，GGTO必定存在。

GGTO引起测量偏差，测量偏差导致最终的定位误差和定时误差，如果两个系统组合的几何精度因子(DOP)是3，假定GGTO的值是33ns(10m)，则引起的定位偏差为：3×10＝30米。在一般定位中必须考虑这个量。

在多模导航中，系统时差对定位和定时的影响在几十米的量级。

系统时差对测速和校频的影响

如果不考虑定位和定时方面的误差传递，系统时差的变化率是影响测速和校频的因素，即两个系统时间的不同频率将会影响测速和校频，首先对两个系统的频率差进行估计。

根据Galileo的系统时间的参数，频率稳定度优于5×10^-15/天，频率准确度优于1×10^-13，假定其他卫星导航系统的系统时间的性能与此相差不大，可以知道，如果校频精度在1×10^-13以外，径向测速精度如果在3×10^-7以外，可以不考虑系统时间偏差的影响。

系统级和用户级两种处理方法

在多模导航应用中，系统时差的处理方式主要有两种，一种是系统级的方法，一种是用户级的方法。

系统级的方法由卫星导航系统自身(或第三方)，对几个卫星导航系统的时差进行监测，并在导航电文中广播(或通过其他通信手段广播)，用户使用广播的系统时差，将伪距统一到一个时间系统，然后使用和单模导航一样的手段进行定位和定时。这种情况下，用户仍然解算四个未知数(用户的三维位置，用户时间与系统时间的时差)。

用户级的方法是将系统时间偏差作为未知数进行解算。如果是双模导航，用户观测两个系统至少5颗卫星，解算五个未知数(用户的三维位置，用户时间与两个系统时间的时差)。如果是三模导航，用户需要观测三个系统至少6颗卫星，解算6个未知数(用户的三维位置，用户时间与三个系统时间的时差)。

两种处理方法的比较

系统级处理方法的优点是只需要观测4颗卫星，解算方法和普通的单模导航的方法相同，很多现成的算法都可以直接使用，尤其是单模导航方法经过几十年的发展，已经有非常的处理程序和软件，这一点就非常重要。

系统级处理的所遇到的主要问题是，系统时差对不同的接收机表现形式是不同的。即使广播的系统时间偏差准确，对不同的接收机来说，系统时间偏差仍然有3～5ns的不确定性。另外，在进行系统时间偏差监测时，无论使用接收机监测还是用卫星双向时间传递监测，都存在设备时延校准等难题，广播的系统时差精度一般不会好于6ns。因此，使用系统级处理方法时，如果不对接收机进行校准，获得的系统时差精度6ns～9ns，如果对接收级进行校准，考虑校准精度是2ns，则获得的系统时差精度约为7ns。也就是说，系统级处理的主要问题是需要对接收机进行校准，并且获得的系统时间偏差精度只有7ns。

用户级处理方法，将系统时差作为未知数解算，解算的系统时差是用户端表现的系统时差，不需要对接收机进行校准，但付出的代价的每增加一个导航系统，就需要多观测一颗卫星，使得DOP值增大，并且在多遮挡环境中，增加卫星观测个数的负担将是不可承受的。

由上面的分析可知，系统时差的两种方法主要区别在DOP和对定位精度的影响，下面从这两个方面进行详细分析。

两种处理方法对DOP值的影响

对与系统级处理方式和用户级处理方式，由于需要解算的未知数个数不同，将会导致DOP值的区别，分别就GPS、Galileo双模导航和GPS、Galileo、GLONASS三模导航的例子，对中国西边的乌鲁木齐和东边的上海两个地方的DOP值进行了分析。

为比较开阔环境和遮挡环境中DOP的变化情况，使用10截止角和30截止角两种

表3.1GPS和Galileo双模导航时DOP值比较

表3.2GPS、Galileo和GLONASS三模导航时DOP值比较

由表3.1和表3.2可以看出，对于双模导航和三模导航，系统级处理方法的DOP确实优于用户级处理方法。在开阔环境中，两种处理方法的DOP值差别较小，但在遮挡环境中，接收机端处理方式的DOP值恶化较快，在上海出现DOP值大于6的情况，这是GPS系统认为星座不可用的情况，但这时系统级处理方式的DOP值处于3～4之间，这时宜采用系统级处理方式。

两种处理方法对定位精度的影响

根据DOP值的分析，如果接收机能获取系统时差的真值，显然是使用系统级处理方法较好，但由于广播的系统时间偏差是有误差的，需要根据广播系统时差的误差，综合考虑各种因素对定位的影响，才能对两种处理方法进行综合比较，这里使用仿真的方法进行分析。

在仿真中，对可见星的伪距测量误差，GPS系统取方差为1.3m均值为0的正态分布的随机变量，Galileo系统取方差为1.05m均值为0的正态分布的随机变量，GLONASS系统取方差为1.6m均值为0的正态分布的随机变量；对广播的系统时差，误差值设为均值为0的正态分布的随机变量，方差分别为0ns、5ns和10ns；

同一天内对中国的五个站点(乌鲁木齐、临潼、长春、上海、昆明)，利用系统级处理方法和接收机端处理方法分析了定位误差的分布情况，仿真结果见表3.3和表3.4，定位误差用解算位置与真值距离的均方差表示，

表3.3截止角10°时定位结果比较

表3.4截止角30°时定位结果比较

从上面分析可见，两种处理方法对用户定位结果的影响相对复杂，基本上可以得到下面结论。

在开阔环境，用户级处理方法性能较好，即使广播的系统时差是真值，也只稍好于用户级处理方法。如果考虑广播的系统时差是有误差的，用户级处理方法优于系统级处理方法；

在遮挡环境，随着遮挡的加剧，用户级处理方法性能下降，三模导航时用户级处理方法和系统级处理方法的5ns系统时差误差性能相当，当双模导航时，用户级处理方法不如系统级处理方法。可见，遮挡是影响用户级处理方法性能的主要因素；

根据上面的分析可以知道，在开阔环境中，用户级处理方法要好于系统级处理方法，但在多遮挡环境中，这种优势就会随遮挡的加剧而消失。

对于用户级处理方法，将系统时差作为未知数解算，这样，每增加一个系统，定位解算需要的最小观测卫星个数就增加一颗，在开阔环境，这容易满足，但在多遮挡环境，这个条件就不一定能够满足。另外，在多遮挡环境，即使观测卫星个数满足系统时差解算条件，但几何精度因子并不一定合理，解算系统时差会引起几何精度因子增大，这就导致用户级处理方法在遮挡环境中性能下降。

发明内容

本发明为了提高用户级处理方法的在多遮挡环境中的性能，将用户级处理方法进行改进，提供一种系统时间偏差辅助多模卫星导航方法。

本发明采用以下技术方案：

一种系统时间偏差辅助多模卫星导航方法，包括以下步骤：

步骤A1，算法启动，输入测量时间，读入导航系统类型、伪距测量值矩阵、卫星位置矩阵，并从程序上次运行保存的文件中读入系统时差历史值和上次解算位置输出值；

步骤A2，判断系统的个数；

如果只有一个系统，令时差修正标志为1，进入单系统解算过程，按照线性迭代方法解算接收机位置，输出位置结果；

如果有两个系统参与解算，进入双系统解算过程；

如果有三个系统参与解算，如果DOP值小于或等于6，进行三系统解算，解算出的时差送入系统时差更新与保存模块，更新保存的系统时差数据，将解算出的位置数据输出；如果DOP值大于6但小于或等于39，进行系统时差外推辅助伪距修正，将系统伪距修正到单个系统的伪距，然后进行单系统位置解算，解算结果输出；如果DOP值大于39，表明卫星观测条件太差，不宜解算，成功解算标志为0，输出解算结果，退出程序；

步骤A3，在结束以前，将解算的位置结果输出，并将更新的系统时差历史值和本次解算输出位置保存，供下一次程序运行使用。

所述的系统时间偏差辅助多模卫星导航方法，所述双系统解算过程包括以下步骤：先计算DOP值，根据DOP的大小执行相应的操作；如果DOP值小于或等于6，进行双系统位置解算，解算出的时差送入系统时差更新与保存模块，更新保存的系统时差数据，将解算出的位置数据输出；如果DOP值大于6但小于或等于39，进行系统时差外推辅助导航：首先根据系统系统时差历史值进行时差外推，利用时差外推值进行伪距修正，然后进行单系统位置解算，解算结果输出；如果DOP值大于39，表明观测卫星条件太差，不适宜解算，成功解算标志为0，输出解算结果，退出程序。

时间偏差辅助多模卫星导航方法旨在解决上述问题。在多遮挡环境中，如果观测卫星个数满足系统时差解算条件并且几何精度因子合理时，就解算系统时差；如果只能观测四颗卫星，或者虽然观测卫星个数满足系统时差解算条件但几何精度因子较差时，使用系统时差外推值，减小对观测卫星个数要求或者通过减小未知数个数优化几何精度因子。

附图说明

图1为GGTO导致测量偏差；

图2为本发明时差辅助多模导航算法整体流程图；

图3为GPS系统时间和国家授时中心保持的标准时间之间的相对频率变化；

图4为两种算法的可用度。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

图2是本发明系统时间偏差辅助多模卫星导航方法整体设计。

步骤A1，算法启动，输入测量时间，读入导航系统类型、伪距测量值矩阵、卫星位置矩阵，并从程序上次运行保存的文件中读入系统时差历史值和上次解算位置输出值。

步骤A2，判断系统的个数；

如果只有一个系统，令时差修正标志为1，进入单系统解算过程，按照线性迭代方法解算接收机位置，输出位置结果。

如果有两个系统参与解算，进入双系统解算过程；按照双系统解算规则，先计算DOP值，根据DOP的大小执行相应的操作。如果DOP值小于或等于6，进行双系统位置解算，解算出的时差送入系统时差更新与保存模块，更新保存的系统时差数据，将解算出的位置数据输出；如果DOP值大于6但小于或等于39，进行系统时差外推辅助导航，首先根据系统系统时差历史值进行时差外推，利用时差外推值进行伪距修正，然后进行单系统位置解算，解算结果输出；如果DOP值大于39，表明观测卫星条件太差，不适宜解算，成功解算标志为0，输出解算结果，退出程序。

如果有三个系统参与解算，如果DOP值小于或等于6，进行三系统解算，解算出的时差送入系统时差更新与保存模块，更新保存的系统时差数据，将解算出的位置数据输出；如果DOP值大于6但小于或等于39，进行系统时差外推辅助伪距修正，将系统伪距修正到单个系统的伪距，然后进行单系统位置解算，解算结果输出；如果DOP值大于39，表明卫星观测条件太差，不宜解算，成功解算标志为0，输出解算结果，退出程序。

实施例2：系统时间偏差辅助导航方法分析

系统时差辅助导航方法最主要的贡献是增加DOP值的判断，在DOP值合理时，解算系统时差，在DOP值大于6时，观测条件较差，将系统时差外推值作为当前的系统时差值，当前需要解算的未知数个数减小，通过减少解算未知数的个数来优化几何精度因子，提高定位精度。

这种方法可行性主要集中在两个方面：1)多遮挡环境中接收机有没有时间接收到足够多的卫星；2)接收机进行自主系统时差外推的精度能否满足系统要求。

对第一个问题，主要考虑到多遮挡环境的变化特性。这个变化有两个因素，一个是接收机位置变化引起遮挡变化，例如都市内行走的用户，在两栋楼中间可能接收到的卫星数目较少，但行走到某栋楼的边缘遮挡就会减小很多，能收到足够的卫星。在繁忙的港口，遮挡的主要因素是行走的船只，船的相对位置是不停的改变的，肯定有船只的某个方向完全空出的时间，关键在于在船只空出的时间内那否捕捉到卫星并接收到导航电文进行解算，现在的接收机技术完全能满足这个条件。引起遮挡变化的另一个因素是卫星位置变化，卫星的空间位置是变化的，即使只接收一个导航系统，在不同时间接收到的卫星数目有很大变化，这是多遮挡环境的变化特性，这一点可以充分利用。

对第二个问题，关键在于卫星导航系统时差变化的特点。就GPS与GLONASS两个系统来说，图3画出了GPS系统时间和国家授时中心保持的标准时间之间的相对频率变化，对比近500天的数据可以看出，两者的相对频率偏差基本都小于0.5×10^-13，一天内变化约为4.3ns。根据这个数据，不同卫星导航系统之间的时间偏差也维持在同样的量级。这个变化小于GPS粗码的测距精度(10ns)，也小于Galileo广播的的系统时偏差精度(5ns)。可见，如果一天能对完成一次系统时差解算，可以利用这个时差外推进行辅助多模导航。

根据上面的分析，系统时差辅助导航方法在开阔环境与用户级处理方法相同，主要区别是在多遮挡环境中，由于增加了DOP值判断，在DOP值较差时能自动使用系统时差外推值作为已知条件，不但增加了系统的可用性，也可以提高定位精度。

仿真了GPS系统和Galileo系统双模导航时的情况，用中国区域的6个城市的接收机，分别用两种算法进行为期一天定位，为仿真多遮挡环境，截止角取30度。

图4是两种算法的可用度，系统时差辅助导航方法的可用度达到1，即在1天内所有都是可用的，而用户级系统时差处理方法的可用度除乌鲁木齐达到1外，其他城市的可用度均在1以下，这是系统时差辅助导航的第一个优势。

表5.1是两种算法在几个城市的定位结果，采用rms表征，从表中的可以看出，系统时差辅助导航方法的定位精度明显好于用户级时差处理方法的定位精度。

表5.1两种处理算法定位误差(rms)比较(单位：米)

仿真实验结果表明，系统时差辅助导航方法在提高可用性和改善定位精度方面有明显优势。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种系统时间偏差辅助多模卫星导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A2，判断系统的个数；

如果有两个系统参与解算，进入双系统解算过程；

2.根据权利要求1所述的系统时间偏差辅助多模卫星导航方法，其特征在于，所述双系统解算过程包括以下步骤：先计算DOP值，根据DOP的大小执行相应的操作；如果DOP值小于或等于6，进行双系统位置解算，解算出的时差送入系统时差更新与保存模块，更新保存的系统时差数据，将解算出的位置数据输出；如果DOP值大于6但小于或等于39，进行系统时差外推辅助导航：首先根据系统时差历史值进行时差外推，利用时差外推值进行伪距修正，然后进行单系统位置解算，解算结果输出；如果DOP值大于39，表明观测卫星条件太差，不适宜解算，成功解算标志为0，输出解算结果，退出程序。