CN102508268B - 一种地基导航信号观测数据生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基导航信号观测数据生成方法，步骤为(1)设定地面信标站的位置参数、时间参数和环境参数；(2)根据预设的用户卫星轨道类型、用户卫星的初轨和系统时间来设置卫星轨道，生成相应的轨道点位，之后设置每一个轨道点位对应的卫星速度信息(3)计算钟差参数；(4)计算电离层延迟量；(5)计算对流层延迟量；(6)计算地面信标站发射信号时刻的信标位置坐标(7)根据步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中得到的计算结果计算得到观测数据：伪距、伪距率和载波相位。本发明观测数据生成方法可运用到地基信号的射频信号生成中，为星载精密定轨接收机提供可靠的验证手段，提升在轨运行能力。

Description

一种地基导航信号观测数据生成方法

技术领域

本发明涉及一种地基导航信号观测数据生成方法，为地基导航接收机的研究和开发提供了必要条件。

背景技术

地基导航技术，作为高分辨率对地观测系统的核心技术，可以进行精密定轨，提升高精度卫星对地观测能力。当今的激光三维测绘卫星、干涉雷达卫星等对精密定轨提出了很高的要求。

目前国际上通过激光测轨、GPS等方式对卫星进行定轨。地基导航是通过多普勒精密测速技术对卫星轨道位置进行精确测定，并成功的把测速误差提升到毫米级，径向定轨误差提升到厘米级。

我国目前尚不具备卫星精密定轨系统，对基于地基导航的精密定轨技术处于研制开发阶段。对地基导航信号的模拟，为卫星的在轨测试提供了有效的验证手段，提升了地基导航设备的在轨运行质量，是目前比较认可的一种地基导航的研究手段。但是对于地基信号得生成技术的研究多处于实验室内的软件仿真状态，通过软件接收机进行解算，这种方法的缺点是不能真实再现实际的地基导航信号，不能对实际接收设备进行调试与测试，不能对地基导航接收机设备进行性能指标评价。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，本发明提出了一种地基导航信号生成方法，真正实现了用于精密定轨的地基导航数据以及物理射频信号模拟。

本发明所采用的技术解决方案：

一种地基导航信号观测数据生成方法，所述观测数据包括伪距、伪距率和载波相位，步骤如下：

(1)设定地面信标站的位置参数、时间参数和环境参数，其中，环境参数包括所述地面信标站所处位置的大气压力、温度和该信标站的工作状态；时间参数是指地面信标站开始工作的时间；根据地面信标站的位置参数、时间参数和环境参数生成导航电文；

(2)根据预设的用户卫星轨道类型、用户卫星的初轨和系统时间来设置卫星轨道，生成相应的轨道点位(X_u，Y_u，Z_u)，之后设置每一个轨道点位对应的卫星速度信息；

(3)通过公式 $d_{\mathrm{clk}}=(a_{f_0}+a_{f_1}(t-t_{\mathrm{start}})+a_{f_2}{(t-t_{\mathrm{start}})}^2)\×C$ 计算钟差参数d_clk；其中，为钟差，为钟漂，为钟漂变化率，为预设值；t为当前时刻，t_start为所述系统时间的起始时刻；C为光速；

(4)计算电离层延迟量d_ion；

(5)计算对流层延迟量d_trop；

(6)根据公式 $\left\{\begin{array}{c}{X}_s=X\cos \mathrm{\α}+Y\sin \mathrm{\α}\\ Y_s=-X\sin \mathrm{\α}+Y\cos \mathrm{\α}\\ Z_s=Z\end{array}\right.$ 计算得到地面信标站发射信号时刻的信标位置坐标(X_s，Y_s，Z_s)，其中，(X，Y，Z)为卫星接收信号时刻的地面标信站位置坐标，修正角度α＝ω_e(t_R-t_T)；ω_e为地球自转角速度；t_R-t_T为从地面信标站发射信号到卫星接收信号的时间差；

(7)根据步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中得到的计算结果通过如下方式计算得到观测数据：

根据公式 $\mathrm{\ρ}=\sqrt{{(X_s-X_u)}^2+{(Y_s-Y_u)}^2+{(Z_s-Z_u)}^2}+d_{\mathrm{ion}}+d_{\mathrm{trop}}+d_{\mathrm{clk}}$ 计算得到伪距ρ，

根据公式计算得到载波相位λ为信号载波波长。

根据 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=a1(\stackrel{\·}{\mathrm{Xs}}-\stackrel{\·}{\mathrm{Xu}})+a2(\stackrel{\·}{\mathrm{Ys}}-\stackrel{\·}{Y}u)+a3(\stackrel{\·}{\mathrm{Zs}}-\stackrel{\·}{\mathrm{Zu}})+{\stackrel{\·}{d}}_{\mathrm{clk}}$ 计算伪距率其中， $a_1=\frac{x_s-x_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}},$ $a_2=\frac{y_s-y_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}},$ $a_3=\frac{z_s-z_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}},$

和分别为用户卫星和地面信标站的速度，钟漂延迟量

${\stackrel{\·}{d}}_{\mathrm{clk}}=a_{f_1}(t-t_{\mathrm{start}})\×C;$

步骤(4)中所述计算电离层延迟量d_ion采用8参数Klobuchar电离层模型，具体方法为：

通过公式d_ion＝C×F×I_Z(t)计算电离层延迟量d_ion，

倾斜因子F＝1.0+16.0×(0.53-E)³，E为卫星高度角，

垂直方向延迟t为以秒为单位的接收机到卫星之间的连线与电离层交点处的地方时；A₁＝5×10^-9s为夜间值的垂直延迟常数，

A₂为白天余弦曲线的幅度，φ_M为穿刺点M的磁纬，φ_M＝φ_i+0.064cos(λ_i-1.617)，φ_i和λ_i为接收机到卫星之间的连线与电离层交点处的大地纬度和大地经度；A₃为余弦曲线极点的地方时，且A₃＝50400S，A₄为余弦曲线的周期且有

α₁、α₂、α₃、α₄、β₁、β₂、β₃、β₄为8参数Klobuchar电离层模型中的8个已知系数。

步骤(5)中所述计算对流层延迟量d_trop采用Hopfield对流层延迟模型，具体方法为：

通过公式 $d_{\mathrm{trop}}=\frac{K_d}{\sin {(E^2+6.25)}^{1/2}}+\frac{K_w}{\sin {(E^2+2.25)}^{1/2}}$ 计算对流层延迟，其中E为卫星高度角， $K_d=1.552\×{10}^{-5}\frac{P_s}{T_s}(h_d-h_s),$ P_s和T_s分别为地面信标站的大气压与热力学温度，h_d＝40136+148.72×(T_s-273.16)，h_s为地面信标站高度， $K_w=7.46512\×{10}^{-2}\frac{e_s}{{T_s}^2}(h_w-h_s),$ e_s为地面信标站处水汽分压。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明在原有对地基导航信号研究的基础上，建立了一种地基导航信号观测数据生成方法，并可运用到地基信号的射频信号仿真生成，为星载精密定轨接收机提供可靠的验证手段，提升在轨运行能力。

(2)本发明通过仿真场景设置、误差量计算、观测量与电文生成的流程把相应的数学模型转化成信号生成系统可识别的数据，保证了系统的健壮性，该数据生成方法也可作为算法验证的有力工具

(3)本发明采用统一灵活的电文处理手段，使得多频点、非整秒电文处理以及不同电文速率的调制应用，都能得到统一的处理。能够通过对载波频率的精确控制，获得高精度载波多普勒的仿真，提供高精度载波仿真方法。

附图说明

图1为地基导航方式示意图；

图2为地基导航信号生成方法流程；

图3为地基导航电文组帧方式；

图4为地基导航观测数据组帧方式；

图5地基导航电文处理方式；

图6地基导航信号源DSP部分处理结构图；

图7地基导航信号源FPGA部分处理结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步介绍。

图1是地基导航应用于卫星定轨的示意图，信号模拟覆盖卫星运动轨迹的信标站，星载接收机接收相应的信标信号，接收机要分别测量P、L、S频点的导航信号，其中一般的测量方法是，捕获跟踪P、L频点，并优选出一个频点的信号引导对S频点信号的捕获，并根据捕获到的三个频点的信号测量它们的多普勒频移，获得多普勒频移后，就可以根据选取P、S或L、S的频率，通过双频方式消除电离层影响。根据卫星运动模型以及测定的多普勒频移就可以获得星上接收机的轨道位置。

本地基导航信号数据生成方法的基础在于其可应用于射频信号的仿真应用，该信号的结构为BPSK方式调制，包括载波、伪码和导航电文三种信息分量，信号生成的表达式如下：

其中S_Z表示直达星信号，A表示振幅，C表示测距码，D表示导航电文，f_m表示载波频率，表示初相，τ(t)表示卫星信号到接收机的信号传输延迟，下标m表示卫星号，下标c表示测距码的相应量。

如图2所示，本发明提供了一种地基导航信号观测数据生成方法，观测数据包括伪距、伪距率和载波相位，步骤如下：

(1)设定地面信标站的位置参数、时间参数和环境参数，其中，环境参数包括所述地面信标站所处位置的大气压力、温度和该信标站的工作状态；时间参数是指地面信标站开始工作的时间；根据地面信标站的位置参数、时间参数和环境参数生成导航电文；

传输数据的组帧方式见图3，具体包括帧头、信标标志和信标状态(电压、电流，温湿压传感器、超稳晶振及3台发射机工作状态)；以2010年1月1日为起点的年、日和秒数；温度、湿度、气压等信息。其中，信标状态包括电压值、电流值；温度、湿度和压传感器；超稳晶振及3台发射机工作状态。

导航电文的发送周期设计为30秒，前10秒设计按导航电文编码格式1发送，中间10设计按导航电文编码格式2发送，后10秒设计按导航电文编码格式3发送，30秒为一个周期。

(2)根据预设的用户卫星轨道类型、用户卫星的初轨和系统时间来设置卫星轨道，生成相应的轨道点位(X_u，Y_u，Z_u)，之后设置每一个轨道点位对应的卫星速度信息；

(3)通过公式 $d_{\mathrm{clk}}=(a_{f_0}+a_{f_1}(t-t_{\mathrm{start}})+a_{f_2}{(t-t_{\mathrm{start}})}^2)\×C$ 计算钟差参数d_clk；其中，为钟差，为钟漂，为钟漂变化率，为预设值；t为当前时刻，t_start为所述系统时间的起始时刻；C为光速；

(4)计算电离层延迟量d_ion；

根据系统运算量和信号生成精度分析，采用8参数Klobuchar模型计算电离层延迟，能够模拟真实自然条件下电离层对电磁波传播的影响，与真实数据具有相同的变化趋势及比例关系，长期吻合程度达到60％以上。可根据如下叙述对电离层模型进行仿真：

通过公式d_ion＝C×F×I_Z(t)计算电离层延迟量d_ion，

倾斜因子F＝1.0+16.0×(0.53-E)³，E为卫星高度角，

垂直方向延迟t为以秒为单位的接收机到卫星之间的连线与电离层交点处的地方时；A₁＝5×10^-9s为夜间值的垂直延迟常数，

A₂为白天余弦曲线的幅度，φ_M为穿刺点M的磁纬，φ_M＝φ_i+0.064cos(λ_i-1.617)，φ_i和λ_i为接收机到卫星之间的连线与电离层交点处的大地纬度和大地经度；A₃为余弦曲线极点的地方时，且A₃＝50400S，A₄为余弦曲线的周期且有

α₁、α₂、α₃、α₄、β₁、β₂、β₃、β₄为8参数Klobuchar电离层模型中的8个已知系数。

(5)计算对流层延迟量d_trop；

对流层延迟量：模拟真实自然条件下对流层对电磁波传播的影响，可以实现与真实数据具有相同的变化趋势及比例关系，长期吻合程度达到60％以上，对六层延迟量生成有Hopfield对流层延迟模型、改进Hopfield对流层延迟模型、Saastamoinen对流层延迟模型、常数模型等，综合计算量和精度考虑采用Hopfield对流层延迟模型，具体仿真时根据相应模型进行，并且可以利用标准大气模型模拟大气中的温度、湿度、气压等参数。

对流层延迟量d_trop采用Hopfield对流层延迟模型，具体方法为：

通过公式 $d_{\mathrm{trop}}=\frac{K_d}{\sin {(E^2+6.25)}^{1/2}}+\frac{K_w}{\sin {(E^2+2.25)}^{1/2}}$ 计算对流层延迟，其中E为卫星高度角， $K_d=1.552\×{10}^{-5}\frac{P_s}{T_s}(h_d-h_s),$ P_s和T_s为地面信标站处大气压与热力学温度，h_d＝40136+148.72×(T_s-273.16)，h_s为地面信标站高度，

$K_w=7.46512\×{10}^{-2}\frac{e_s}{{T_s}^2}(h_w-h_s),$ e_s为地面信标站处水汽分压。

下面是地球自转数据生成：

(6)根据公式 $\left\{\begin{array}{c}{X}_s=X\cos \mathrm{\α}+Y\sin \mathrm{\α}\\ Y_s=-X\sin \mathrm{\α}+Y\cos \mathrm{\α}\\ Z_s=Z\end{array}\right.$ 计算得到地面信标站发射信号时刻的信标位置坐标(X_s，Y_s，Z_s)，其中，(X，Y，Z)为卫星接收信号时刻的地面标信站位置坐标，修正角度α＝ω_e(t_R-t_T)；ω_e为地球自转角速度；t_R-t_T为从地面信标站发射信号到卫星接收信号的时间差；

根据用户卫星轨道数据、地面信标站位置坐标和空间环境效应仿真数据，生成地面信标站信号的伪距、伪距率和载波相位观测数据。考虑到射频信号精度仿真需求，仿真出伪距率。观测数据组帧方式如图4，每20毫秒组成一包观测数据包，包含观测数据索引、时间和每个信标站的伪距参量、伪距率参量和载波参量。

(7)根据步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中得到的计算结果通过如下方式计算得到观测数据：

根据公式 $\mathrm{\ρ}=\sqrt{{(X_s-X_u)}^2+{(Y_s-Y_u)}^2+{(Z_s-Z_u)}^2}+d_{\mathrm{ion}}+d_{\mathrm{trop}}+d_{\mathrm{clk}}$ 计算得到伪距ρ，

根据公式计算得到载波相位λ为信号载波波长。

根据 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=a1(\stackrel{\·}{\mathrm{Xs}}-\stackrel{\·}{\mathrm{Xu}})+a2(\stackrel{\·}{\mathrm{Ys}}-\stackrel{\·}{Y}u)+a3(\stackrel{\·}{\mathrm{Zs}}-\stackrel{\·}{\mathrm{Zu}})+{\stackrel{\·}{d}}_{\mathrm{clk}}$ 计算伪距率其中， $a_1=\frac{x_s-x_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}},$ $a_2=\frac{y_s-y_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}},$ $a_3=\frac{z_s-z_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}},$

和分别为用户卫星和地面信标站的速度，钟漂延迟量 ${\stackrel{\·}{d}}_{\mathrm{clk}}=a_{f_1}(t-t_{\mathrm{start}})\×C.$

这样就得到了地基导航信号的观测数据，载波相位、伪距和伪距率。

地基导航电文通过DSP进行格式转换，由FPGA进行调制输出，见图5。DSP根据观测数据来维护地面信标站和时间信息，并控制地基导航信号功率，见图6。FPGA根据DSP的控制信息和观测量生成地基导航信号数字中频，见图7。地基导航数字中频仿真信号输出给DAC模块，经DAC生成模拟信号，通过上变频即可生成地基导航射频信号进行发射。该信号可用于地基导航接收设备的调试与测试。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种地基导航信号观测数据生成方法，所述观测数据包括伪距、伪距率和载波相位，其特征在于步骤如下：

(1)设定地面信标站的位置参数、时间参数和环境参数，其中，环境参数包括所述地面信标站所处位置的大气压力、温度和该信标站的工作状态；时间参数是指地面信标站开始工作的时间；根据地面信标站的位置参数、时间参数和环境参数生成导航电文；

(2)根据预设的用户卫星轨道类型、用户卫星的初轨和系统时间来设置卫星轨道，生成相应的轨道点位(X_u，Y_u，Z_u)，之后设置每一个轨道点位对应的卫星速度信息；

(3)通过公式计算钟差参数d_clk；其中，为钟差，为钟漂，为钟漂变化率，为预设值；t为当前时刻，t_start为所述系统时间的起始时刻；C为光速；

(4)计算电离层延迟量d_ion；

(5)计算对流层延迟量d_trop；

信标位置坐标(X_s，Y_s，Z_s)，其中，(X，Y，Z)为卫星接收信号时刻的地面信标站位置坐标，修正角度α=ω_e(t_R-t_T)；ω_e为地球自转角速度；t_R-t_T为从地面信标站发射信号到卫星接收信号的时间差；

(7)根据步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)和步骤(6)中得到的计算结果通过如下方式计算得到观测数据：

根据公式 $\mathrm{\ρ}=\sqrt{{(X_s-X_u)}^2+{(Y_s-Y_u)}^2+{(Z_s-Z_u)}^2}+d_{\mathrm{ion}}+d_{\mathrm{trop}}+d_{\mathrm{clk}}$ 计算得到伪距ρ，

根据公式

计算得到载波相位λ为信号载波波长；

根据 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=a_1({\stackrel{\·}{X}}_s-{\stackrel{\·}{X}}_u)+a_2({\stackrel{\·}{Y}}_s-{\stackrel{\·}{Y}}_u)+a_3({\stackrel{\·}{Z}}_s-{\stackrel{\·}{Z}}_u)+{\stackrel{\·}{d}}_{\mathrm{clk}}$ 计算伪距率其中， $a_1=\frac{X_s-X_u}{\sqrt{{(X_s-X_u)}^2+{(Y_s-Y_u)}^2{(Z_s-Z_u)}^2}},a_2=\frac{Y_s-Y_u}{\sqrt{{(X_s-X_u)}^2+{(Y_s-Y_u)}^2{(Z_s+Z_u)}^2}},$ $a_3=\frac{Z_s-Z_u}{\sqrt{{(X_s-Z_u)}^2+{(Y_s-Y_u)}^2{(Z_s-Z_u)}^2}}$

和分别为用户卫星和地面信标站的速度，钟漂延迟量 ${\stackrel{\·}{d}}_{\mathrm{clk}}=a_{f_1}(t-t_{\mathrm{start}})\×C.$

2.根据权利要求1所述的一种地基导航信号观测数据生成方法，其特征在于：步骤(4)中所述计算电离层延迟量d_ion采用8参数Klobuchar电离层模型，具体方法为：

通过公式d_ion=C×F×I_z(τ)计算电离层延迟量d_ion，

倾斜因子F=1.0+16.0×(0.53-E)³，E为卫星高度角，

垂直方向延迟τ为以秒为单位的接收机到卫星之间的连线与电离层交点处的地方时；A₁=5×10^-9s为夜间值的垂直延迟常数，

A₂为白天余弦曲线的幅度，φ_M为穿刺点M的磁纬，φ_M=φ_i+0.064cos(λ_i-1.617)，φ_i和λ_i为接收机到卫星之间的连线与电离层交点处的大地纬度和大地经度；A₃为余弦曲线极点的地方时，且A₃=50400S，A₄为余弦曲线的周期，α₁、α₂、α₃、α₄为8参数Klobuchar电离层模型中的4个已知系数。

3.根据权利要求1所述的一种地基导航信号观测数据生成方法，其特征在于：步骤(5)中所述计算对流层延迟量d_trop采用Hopfield对流层延迟模型，具体方法为：

通过公式计算对流层延迟，其中E为卫星高度角，P_s和T_s分别为地面信标站的大气压与热力学温度，h_d=40136+148.72×(T_s-273.16)，h_s为地面信标站高度， $K_w=7.46512\×{10}^{-2}\frac{e_s}{{T_s}^2}(h_w-h_s),$ e_s为地面信标站处水汽分压。