CN103076618B - 一种星载测量型gnss接收机地面验证和性能评测方法 - Google Patents

Abstract

一种星载测量型GNSS接收机地面验证和性能评测方法，首先对星载测量型GNSS接收机产生的观测数据进行观测数据验证，验证完毕后，进一步利用几何学定轨法对星载测量型GNSS接收机进行定轨性能测试。对观测数据进行数据验证时主要包括观测数据的标准格式处理、观测数据类型完整性检查、不同导航卫星同一频率的观测值双差及同一导航卫星的不同频率观测值的单差计算对观测数据质量评估、无星历条件下零/短基线模式仿真数据观测对伪距和载波噪声进行评测四个环节。定轨性能测试时，通过求解线性化的观测方程并与理论值进行比较，获得星载测量型GNSS接收机的定轨精度。本发明方法可以直接、全面的对星载测量型GNSS接收机的性能进行评测。

Description

一种星载测量型GNSS接收机地面验证和性能评测方法

技术领域

本发明涉及一种高动态星载高精度测量型GNSS接收机的数据质量测试与评估方法。

背景技术

传统的定位型接收机由于测量精度低，已经无法满足目前卫星的高精度测定轨要求。高性能的星载测量型(定轨型)GNSS接收机通过导航信号的伪距和载波相位的测量，经过数据处理可以实现航天器厘米级精度的轨道测量，由此实现航天器的高精度定轨。随着GNSS技术的不断发展与完善，许多具有高精度定轨要求的航天器(例如资源卫星，测绘卫星等)都搭载有星载高精度测量型GNSS接收机。由于该接收机以导航信号本身为主要测量目标，与传统定位型GNSS接收机仅对导航电文进行处理的方式有极大的差异。测量型GNSS接收机重点对导航信号的伪距、载波相位和多普勒变化率等导航信号本身物理特性进行精密测量，从而提供足够的观测数据。由于GPS导航信号本身功率极低，且测量内容与普通接收机不同。因此，高精度测量型GNSS接收机无法采用传统的定位型GNSS接收机的验证方法进行性能评估。同时，由于航天器在轨道飞行速度极快(每秒超过7Km/s)。所以导航信号具有极高的动态多普勒特性，在地面测试中也无法进行有效的仿真。因此，高精度测量型GNSS接收机无法使用传统的外场差分测试方法进行GNSS接收机的地面性能验证。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可靠、全面，并能直接应用于星载测量型GNSS接收机的地面测试和性能评估方法。

本发明的技术解决方案是：一种星载测量型GNSS接收机地面验证和性能评测方法，首先对星载测量型GNSS接收机产生的观测数据进行观测数据验证，验证完毕后，进一步利用几何学定轨法对星载测量型GNSS接收机进行定轨性能测试；其中，对星载测量型GNSS接收机产生的观测数据进行测试验证的方法如下：

(1)识别和探测星载测量型GNSS接收机输出的观测值异常字符，记录观测值异常的位置，并将观测值异常字符所在的数据包剔除，将观测值全部正常的数据包依据RINEX标准数据格式输出；

(2)对步骤(1)的输出进行观测数据类型完整性检查，分别统计单个观测历元中星载测量型GNSS接收机所能观测到的各导航卫星的观测数据类型及各类型的观测数据个数，如果对于每一颗导航卫星均满足各类型的观测数据个数相同或者虽然各类型的观测数据不同但其中个数最大值和最小值之差不小于预设值，则进入下一步，否则判定星载测量型GNSS接收机性能不满足要求并结束评测；

(3)对步骤(1)的输出，将同一频率的观测值先在同一历元卫星间做差形成观测值双差，然后求取观测值双差与该历元的理论值双差的差值作为残差并与预设的残差阈值进行比较，如果残差不小于残差阈值则进入下一步，否则判定星载测量型GNSS接收机性能不满足要求并结束评测；

(4)对步骤(1)的输出，将同一导航卫星的相位观测值组成无几何距离影响的电离层组合观测值，求取该导航卫星不同频率下的电离层组合观测值的标准差并忽略电离层和多路径效应，得到同一导航星不同频率的观测值单差，如果单差的数量级在毫米级或以下则进入下一步，否则判定星载测量型GNSS接收机性能不满足要求并结束评测；

(5)将标准的GNSS接收机和星载测量型GNSS接收机置于同一仿真信号环境中，在两个频点上分别求取两个接收机的双差观测量，然后求取该两个频点对应的双差观测量的差值并与预设的标准差阈值进行比较，如果双差观测量的差值不小于预设的标准差阈值则判定GNSS接收机观测数据验证通过，否则判定星载测量型GNSS接收机性能不满足要求并结束评测；

对星载测量型GNSS接收机进行定轨性能测试的方法为：

(A)对星载测量型GNSS接收机的观测数据进行预处理，剔除粗差观测值、探测和定位周跳；

(B)对星载测量型GNSS接收机的伪距观测数据和载波观测数据进行数学建模，得到观测方程如下，

R^k(t_r，t_e)＝ρ^k(t_r，t_e)-(δt_r-δt_e)c+δ_ion+δ_trop+δ_tide+δ_rel+δ_multi1+ε_c

${\mathrm{\λ\φ}}^k(t_r,t_e)={\mathrm{\ρ}}^k(t_r,t_e)-(\mathrm{\δ}{t}_r-\mathrm{\δ}{t}_e)c+\mathrm{\λ}{N}_r^e-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ion}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{trop}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tide}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{rel}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{multi}1}+{\mathrm{\ϵ}}_p$

其中，R为伪距观测值，φ为相位观测值，t_e为GPS卫星k发射信号的时刻，t_r为接收机接收信号的时刻，c为光速，上标k表示不同的GPS卫星；ρ^k为卫星在t_e时刻与接收机在t_r时刻的距离，δt_r和δt_e分别表示接收机钟和卫星钟在时刻t_r和t_e的钟差，δ_ion为电离层改正，δ_trop为对流层改正，δ_tide为潮汐改正，δ_rel为相对论效应改正，δ_multi1为接收系统多径效应改正，λ为信号波长，ε_c和ε_p分别为测距和测相的观测值中残余的误差，表示载波相位的整周模糊度；

(C)对观测方程进行线性化并求解，得到星载测量型GNSS接收机测量得到的初始轨道数据；

(D)利用最小二乘准则对步骤(C)得到的初始轨道数据与理论轨道数据进行平差，将平差后得到的轨道数据与理论坐标做差，如果两者误差优于设定精度，则将该轨道数据作为定轨的结果；如果两者误差无法达到设定精度，则重复执行本步骤，直到两者误差满足设定的精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明提出了星载测量型GNSS接收机的观测数据验证方法，通过数据粗检、完整性验证、观测数据的双差处理等一系列操作，极大的提高了GNSS导航接收机的性能考核范围，对测量型GNSS接收机的功能和性能有了全面的性能评估手段，提高了测量型GNSS接收机对信号观测(伪距和载波相位)性能的验证能力。

2)利用最小二乘法，结合星载测量型GNSS接收机测量数据中的伪距和载波观测数据进行数学建模，求解几何学轨道参数，实现高精度轨道计算，在地面验证GNSS接收机的定轨性能，提高了地面验证系统的能力。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，在仿真器仿真环境下进行星载测量型GNSS接收机工作测试，将该接收机测量得到的各类观测数据进行初步整理，形成观测数据文件。

1)首先开展观测数据文件的格式检查工作，将星载测量型GNSS接收机产生的观测数据文件进行逐字符与ASCII码对比，发现异常字符时记录观测值异常位置并剔除，完成后将观测数据文件以国际标准RINEX2.1格式输出，确保数据文件的有效性。

2)开展数据完整性检查工作。将得到RINEX格式的数据观测文件进行分析，分别统计和计算单个观测历元中各卫星所有观测数据类型(包括载波、伪码、多普勒等信息)。以此类推，统计各个历元各个卫星的数据类型个数以揭示观测类型是否完整，理想情况下，同一卫星的各个观测类型数据相同。

在数据完整性检查结束后，需要分别开展两种性能判定：星载测量型GNSS接收机数据接收能力判定和接收机数据处理能力判定。

3)星载测量型GNSS接收机数据接收能力判定(观测值双差分析)。利用星载测量型GNSS接收机同一频率的观测值先在同一历元卫星间做差形成观测值双差，并计算观测数据精度。其具体方式是计算观测数据文件中不同导航星相同频率相同历元时刻的伪距/相位观测值，各自相减后形成然后形成观测数据的双差DD(obs)。同时，读取对应时刻的仿真器理论数据并将理论数据形成相应的双差DD(theory)，将两种双差文件再做差，得到接收机数据接收时的系统标准残差，该值主要体现接收系统的观测噪声，统计残差值得到星载测量型GNSS接收机的粗略观测噪声水平。

对于具体用户而言，标准残差是判定该接收机数据接收能力的标准，用户可以据自身特点自行设定，从而判定星载测量型GNSS接收机的数据接收能力。

4)数据接收处理能力判定(双频观测值单差分析)。数据处理能力包括两个部分：单差分析和双差分析。首先应进行单差分析，同一卫星的相位观测值组成无几何距离影响的电离层组合观测值(LG组合)仅仅包含电离层残差、多路径和初始模糊度常数的影响：

原理如下：

当不考虑电力层时：

其中，λ_i，N_i，i＝1，2分别为第i个频率上的载波、波长和模糊度参数，δ_ion1，δ_ion2，δ_multi1，δ_multi2分别为第1和2频率上的电离层和多路径参数。

在仿真数据中不模拟加入电离层和多路径效应，相应的无电离层和多路径的各弧段LG组合值为一常数，故其单差分析的标准差STD值代表了L1和L2频段上接收机观测值精度的一致性程度和相位观测噪声水平。

5)其次，开展观测值的双差分析。将标准的GNSS接收机和星载测量型GNSS接收机置于同一仿真信号环境中，在两个频点上分别求取两个接收机的双差观测量，进行无导航星历条件下组成双差观测值组合，然后求取该两个频点对应的双差观测量的差值并与预设的标准差阈值进行比较，直接评价伪距/载波噪声水平。

设星载测量型GNSS接收机A和标准GNSS接收机B形成观测基线，将任意一颗模拟导航星设为参考星1，s为另一同步观测模拟导航卫星。频率L1上的双差观测为：

$\▿\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{\mathrm{AB},L1}^{1s}\left(t\right)=-{(u_B^s\left(t\right)-u_B^1\left(t\right))}^T\mathrm{\Δr}\left(t\right)+{\mathrm{\λ}}_1\▿\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{AB},L1}^{1s}+n_{{\mathrm{\Φ}}^s}---\left(3\right)$

频率L2上的双差观测为

$\▿\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Φ}}}_{\mathrm{AB},L2}^{1s}\left(t\right)=-{(u_B^s\left(t\right)-u_B^1\left(t\right))}^T\mathrm{\Δr}\left(t\right)+{\mathrm{\λ}}_1\▿\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{AB},L2}^{1s}+n_{{\mathrm{\Φ}}^s}---\left(4\right)$

将(3)、(4)式直接做差即得仅含模糊度常数和观测噪声，统计其双差分析的标准差STD，可得到星载测量型GNSS接收机的数据处理精度。

结合第4和5部分单差分析和双差分析的标准差STD，可以对星载GNSS接收机的数据处理能力有一个全面的评估。对于具体用户而言，判定标准可以据自身特点自行设定，从而判定星载测量型GNSS接收机的数据处理能力。

上述五个步骤已经完成星载测量型GNSS接收机接收性能的评估，该型接收机的特点是利用观测数据实现卫星的精密定轨，因此，需要进一步利用几何学定轨法对星载测量型GNSS接收机进行精密定轨性能评估。

1)星载测量型GNSS接收机有效观测数据预处理。利用TURBOEDIT算法剔除观测数据文件中的粗差观测值，探测和定位周跳。

2)利用几何定轨的方法，对星载测量型GNSS接收机有效观测数据进行精密定轨的相关处理。首先完成观测参数的数学模型的建立，并利用相应的数学方法将观测模型线性化，利用几何定轨特点将多维方程转换线性方程。

(A)对星载测量型GNSS接收机的伪距和载波观测进行数学建模，

R^k(t_r，t_e)＝ρ^k(t_r，t_e)-(δt_r-δt_e)c+δ_ion+δ_trop+δ_tide+δ_rel+δ_multi1+ε_c

${\mathrm{\λ\φ}}^k(t_r,t_e)={\mathrm{\ρ}}^k(t_r,t_e)-(\mathrm{\δ}{t}_r-\mathrm{\δ}{t}_e)c+\mathrm{\λ}{N}_r^e-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ion}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{trop}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tide}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{rel}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{multi}1}+{\mathrm{\ϵ}}_p$

其中，R为观测的伪距，φ为相位观测值；t_e表示GPS卫星k发射信号的时刻，而t_r表示接收机接收信号的时刻t_e，c为光速，上标k用来表示不同的GPS卫星；在各种误差改正中，δt_r和δt_e分别表示接收机钟和卫星钟在时刻t_r和t_e的钟差，δ_ion为电离层改正，δ_trop、δ_tide和δ_rel分别为对流层，潮汐和相对论效应改正，δ_multi1接收系统多径效应改正，λ为信号波长，ε_c和ε_p则分别表示测距和测相观测值中残余的误差，表示载波相位的整周模糊度；

(B)对观测数据进行线性化处理

ρ^k为卫星在t_e时刻与接收机在t_r时刻的距离，可以写为：

${\mathrm{\ρ}}^k(t_r,t_e)={\mathrm{\ρ}}^k\left(t_r\right)+\frac{d{\mathrm{\ρ}}^k\left(t_r\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{\Δt}$

ρ^k(t_r)是卫星和接收机之间的几何距离，它可以表示为接收机的状态矢量(记作)和GPS卫星的状态矢量(记作)的函数，则GPS的伪距和载波相位方程可以统一地表示为：

$O=F({\stackrel{\→}{X}}_r,{\stackrel{\→}{X}}_e,\mathrm{\δ}{t}_r,\mathrm{\δ}{t}_e,N_r^e,{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ion}},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{trop}},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tide}},{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{rel}})$

这里，O表示观测值，F为一隐函数。表示所获得的观测值是卫星状态向量、测站状态向量、整周模糊度参数和多种物理改正量的函数。

对该方程依据数学模型进行线性化，得到线性化的观测方程表达式如下：

O＝F(Y)＝F(y₁ y₂…y_n)

这里，变量向量Y有n个变量，分别表示对上式的线性化可以通过将函数进行泰勒展开，作一阶近似(线性项)来完成：

$O=F\left(Y^0\right)+\frac{\∂F\left(Y\right)}{\∂Y}{|}_{Y^0}\mathrm{dY}+\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{dY}\right)$

其中Y⁰为初值向量，设F(Y⁰)为C，而ε表示函数的截断误差，则上述一阶线性项可以表达为：

$O-C=(\frac{\∂F}{\∂y_1}\frac{\∂F}{\∂y_2}\·\·\·\frac{\∂F}{\∂y_n}){|}_{Y^0}\·\left(\begin{array}{c}{\mathrm{dy}}_1\\ {\mathrm{dy}}_2\\ .\\ .\\ .\\ {\mathrm{dy}}_n\end{array}\right)+\mathrm{\ϵ}$

(C)求解上一步中的线性化的观测方程，得到星载测量型GNSS接收机的实际轨道计算结果，完成初始轨道的计算。

3)利用最小二乘原理，将初始轨道数据与理论轨道数据进行平差，剔除误差较大的观测数据，补充拟合后数据，形成新的拟合轨道。该轨道数据再次与理论轨道数据进行平差，若得到的误差无法满足精度要求，则对新的轨道数据反复进行最小二乘平差，循环往复，如果最后平差结果满足用户设定的精密定轨要求，则星载测量型GNSS接收机精密定轨能力达到设计要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种星载测量型GNSS接收机地面验证和性能评测方法，其特征在于：首先对星载测量型GNSS接收机产生的观测数据进行观测数据验证，验证完毕后，进一步利用几何学定轨法对星载测量型GNSS接收机进行定轨性能测试；其中，对星载测量型GNSS接收机产生的观测数据进行测试验证的方法如下：

(1)识别和探测星载测量型GNSS接收机输出的观测值异常字符，记录观测值异常的位置，并将观测值异常字符所在的数据包剔除，将观测值全部正常的数据包依据RINEX标准数据格式输出；

(2)对步骤(1)的输出进行观测数据类型完整性检查，分别统计单个观测历元中星载测量型GNSS接收机所能观测到的各导航卫星的观测数据类型及各类型的观测数据个数，如果对于每一颗导航卫星均满足各类型的观测数据个数相同或者虽然各类型的观测数据不同但其中个数最大值和最小值之差不小于预设值，则进入下一步，否则判定星载测量型GNSS接收机性能不满足要求并结束评测；

(3)对步骤(1)的输出，将同一频率的观测值先在同一历元卫星间做差形成观测值双差，然后求取观测值双差与该历元的理论值双差的差值作为残差并与预设的残差阈值进行比较，如果残差不小于残差阈值则进入下一步，否则判定星载测量型GNSS接收机性能不满足要求并结束评测；

(4)对步骤(1)的输出，将同一导航卫星的相位观测值组成无几何距离影响的电离层组合观测值，求取该导航卫星不同频率下的电离层组合观测值的标准差并忽略电离层和多路径效应，得到同一导航星不同频率的观测值单差，如果单差的数量级在毫米级或以下则进入下一步，否则判定星载测量型GNSS接收机性能不满足要求并结束评测；

(5)将标准的GNSS接收机和星载测量型GNSS接收机置于同一仿真信号环境中，在两个频点上分别求取两个接收机的双差观测量，然后求取该两个频点对应的双差观测量的差值并与预设的标准差阈值进行比较，如果双差观测量的差值不小于预设的标准差阈值则判定GNSS接收机观测数据验证通过，否则判定星载测量型GNSS接收机性能不满足要求并结束评测；

对星载测量型GNSS接收机进行定轨性能测试的方法为：

(A)对星载测量型GNSS接收机的观测数据进行预处理，剔除粗差观测值、探测和定位周跳；

(B)对星载测量型GNSS接收机的伪距观测数据和载波观测数据进行数学建模，得到观测方程如下，

R^k(t_r，t_e)＝ρ^k(t_r，t_e)-(δt_r-δt_e)c+δ_ion+δ_trop+δ_tide+δ_rel+δ_multil+ε_c

${\mathrm{\λ\φ}}^k(t_r,t_e)={\mathrm{\ρ}}^k(t_r,t_e)-({\mathrm{\δt}}_r-\mathrm{\δ}{t}_e)c+\mathrm{\λ}{N}_r^e-{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ion}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{trop}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{tide}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{rel}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{multil}}+{\mathrm{\ϵ}}_p$

其中，t_e为GPS卫星k发射信号的时刻，t_r为接收机接收信号的时刻，c为光速，ρ^k(t_r，t_e)为卫星k在t_e时刻与接收机在t_r时刻的距离，δt_r和δt_e分别表示接收机钟和卫星钟在时刻t_r和t_e的钟差，δ_ion为电离层改正，δ_trop为对流层改正，δ_tide为潮汐改正，δ_rel为相对论效应改正，δ_multil为接收系统多径效应改正，λ为信号波长，ε_c和ε_p分别为测距和测相的观测值中残余的误差，表示载波相位的整周模糊度；R^k(t_r，t_e)为GPS卫星k在t_e时刻发射信号而接收机在t_r时刻接收信号时的伪距观测值，φ^k(t_r，t_e)为GPS卫星k在t_e时刻发射信号而接收机在t_r时刻接收信号时的相位观测值；

(C)对观测方程进行线性化并求解，得到星载测量型GNSS接收机测量得到的初始轨道数据；

(D)利用最小二乘准则对步骤(C)得到的初始轨道数据与理论轨道数据进行平差，将平差后得到的轨道数据与理论坐标做差，如果两者误差优于设定精度，则将该轨道数据作为定轨的结果；如果两者误差无法达到设定精度，则重复执行本步骤，直到两者误差满足设定的精度。