CN103675854B - 基于北斗卫星的多通道授时拟合方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，它包括以下步骤：①卫星电文完好性监测单元根据单通道电文信息重播特性及多通道之间的时间信息比对结果，进行卫星电文完好性判断，剔除异常的电文信息；②在卫星时标容错处理单元中对卫星时标信号进行容错处理；在卫星时延拟合校正单元中对卫星时延信息进行校正处理；③处理后的卫星时标信号和卫星时延信息被送入本地钟差融合单元，所述的本地钟差融合单元对所有通道的本地钟差进行融合处理，使本地时标和卫星系统时标同步，从而获取卫星授时信号。本发明对卫星电文、卫星时标数据、卫星时延校正信息及本地钟差进行完好性及独创的融合处理方法进行处理，有效提高了多通道授时接收机授时性能的稳定性及准确性，提高了接收机的授时性能。

Description

基于北斗卫星的多通道授时拟合方法
技术领域
本发明涉及一种在“北斗一号”、“北斗二号”卫星导航系统中，对多通道授时信息进行拟合的方法。
背景技术
当前国内有许多基于“北斗一号”卫星导航系统的授时型接收机，这些接收机通常为多通道接收机，但在进行授时处理时，通常采用多通道接收卫星信号，以某单通卫星信号进行授时，或进行多通道信息拟合处理进行授时，但拟合方法比较简单，在接收到的卫星信号发生劣变或接收的卫星信号发生切换时，引起接收机授时性能劣变。随着“北斗一号”及“北斗二号”卫星导航系统的不断完善，发射的卫星数会更多，接收机的接收通道会更多，通道拟合问题显得更为重要。
北斗卫星导航系统的空间段由多颗卫星组成，北斗卫星接收机通常设计为多通道接收能力，每个通道均可接收不同卫星的信号，根据卫星信号对本地时标信号进行控制调整，从而获取与北斗时统同步的本地授时信号，由于接收机是多通道接收多颗卫星信号，因此对各通道卫星信号处理及对各个通道信号拟合处理，是影响授时性能的关键因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在保证授时接收机性能的稳定性、可靠性及授时精度的前提下，提供一种多通道卫星信号的拟合方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，它包括以下步骤：
①卫星电文完好性监测单元根据单通道电文信息重播特性及多通道之间的时间信息比对结果，进行卫星电文完好性判断，剔除异常的电文信息；
②在卫星时标容错处理单元中对卫星时标信号进行容错处理；在卫星时延拟合校正单元中对卫星时延信息进行校正处理；
③处理后的卫星时标信号和卫星时延信息被送入本地钟差融合单元，所述的本地钟差融合单元对所有通道的本地钟差进行融合处理，使本地时标和卫星系统时标同步，从而获取卫星授时信号。
在步骤①中，在收齐一个完整时间间隔内的单通道电文信息后，对这些重复播发的单通道电文信息进行差异性比对，如果这些单通道电文信息有差异，则认为此间隔接收的电文信息有错误；如果单通道电文信息无差异，卫星电文完好性监测单元对各通道间的电文信息再次进行比对，如果各通道相应电文信息均相等，则认为接收机接收正常，相应的电文信息参与后续拟合处理；如果各通道相应电文信息不相等，则相应的电文信息不参与后续拟合处理。
在步骤②中，卫星时标容错处理单元对卫星时标信号进行容错处理包括如下步骤：i、卫星时标容错处理单元首先对卫星时标和本地时标进行相位差值计算，得到伪距值；ii、用本次计算的伪距值减去上次计算的伪距值，如果所得结果大于设定门限则认为伪距异常，指示授时信号不可用。
卫星时标容错处理单元对卫星时标信号进行容错处理还包括步骤iii：将伪距异常前的伪距值定为基准伪距值；在发生伪距异常之后，用实时接收的伪距值减去基准伪距值，如果在设定时间内伪距差分值仍然大于设定门限，则认为伪距持续异常；反之，则认为伪距恢复正常，并用最新计算的伪距值替代基准伪距值。
在步骤②中，卫星时延拟合校正单元采用自适应门限的最小二乘拟合法对卫星时延信息进行校正处理，它包括如下步骤：
a、设定进行拟合处理的门限值；
b、如果拟合递推值和卫星时延信息的误差大于所设定的门限值，则此卫星时延观测值不参与拟合处理；反之，进行拟合处理。
步骤a中的进行拟合处理的门限值是这样获得的：根据卫星信号接收良好情况下的卫星时延抖动特征，选取门限的下限值；根据接收机授时性能指标确定门限的上限值；对拟合递推时延值和卫星时延观测值的误差值进行统计，如果在设定的时间内，此误差值连续大于之前的门限值，则增加门限值；如果此误差值连续小于之前确定的门限值，则减小门限值。
本地钟差融合单元对各通道本地钟差动态分配加权系数，并对加权平均后的本地钟差进行惯性滤波，使离差大的本地钟差通道在融合时分配的加权系数较小，使离差小的本地钟差通道分配的加权系数较大，从而使加权平均后的本地钟差数据更加接近通道互差较小的那些通道。
所述卫星时延拟合校正单元、卫星时标容错处理单元和本地钟差融合处理单元不仅适合北斗一代也适合北斗二代授时处理。
采用上述技术方案的本发明，对卫星电文、卫星时标数据、卫星时延校正信息及本地钟差进行完好性及独创的融合处理方法进行处理，有效提高了多通道授时接收机授时性能的稳定性及准确性，提高了接收机的授时性能。具体地说，它包括如下优点：
（1）采用冗余比对的方法对卫星电文进行完好行监测，检测异常电文数据，提高授时信号的准确性；
（2）采用基于基准伪距的差分判别方法对卫星时标数据进行检错处理，提高授时信号的准确性；
（3）采用自适应判别门限的最小二乘法对卫星时延信息进行拟合校正处理，提高了接收机授时性能；
（4）采用基于动态分配加权系数的加权平均及同时采用惯性滤波的本地钟差融合方法，提高了授时性能。
此发明提到的星时延拟合校正、卫星时标容错处理、本地钟差融合处理单元不仅适用于“北斗一号”卫星导航系统的授时处理，也适用于“北斗二号”卫星导航系统的授时处理。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
本发明提出一种基于包含卫星电文完好性监测单元、卫星时延拟合校正单元、卫星时标容错处理单元、卫星本地钟差融合单元的多通道授时拟合方法，本方法可有效提高卫星接收机授时设备的性能，北斗卫星多通道授时拟合方法的总体框图如附图1所示。
1）卫星电文完好性监测单元
卫星电文完好性监测单元根据单通道电文信息重播特性及多通道之间的时间信息比对，进行卫星电文完好性判断，剔除异常的电文信息。卫星信号经过接收机跟踪、解调、译码等操作，可获取卫星信号中的电文信息，电文中包含了卫星坐标、卫星速度、电离层参数信息的广播信息，这些信息每间隔一段时间进行变化，但在间隔时间段内信息进行重复播发，授时型接收机通常在基带处理模块指示本伪随机码与卫星伪随机码同步状态同步后，就利用解调到得电文信息进行授时处理。本单元采用了一种比对方法，在基带处理模块指示同步状态后，在收齐一个完整时间间隔内的信息后，对这些重复播发的卫星电文信息进行差异性比对，如果这些重播信息有差异，则认为此间隔接收的电文信息有错误，避免运用这个间隔的电文信息进行授时，造成授时错误。
根据上述方法对单通道电文处理后，本单元各通道间的电文信息再次进行比对，按照卫星电文信号格式的定义，各通道接收的某些电文信息是相同的，本单元对通道间的电文协议定义相同电文信息进行比对，如果相应电文信息均相等，则认为接收机接收正常，相应的电文信息可参与后续处理，反之则认为电文无效，不参与后续的拟合处理。
综上所述，经过对单通道电文信息及多通道间的电文信息比对后，剔除了错误的接收信息，提高授时设备授时的准确性和稳定性。
2）卫星时标容错处理单元
卫星时标信号在接收机处理中以伪距的方式体现，由于各种原因可能导致接收机伪距测量异常，如果用这些异常的伪距数据进行授时处理，则会造成授时性能异常，卫星时标容错处理单元能够实时对这些异常情况进行容错处理。
卫星信号经接收机捕获、跟踪、同步处理后，获取了卫星时标和本地时标的相位差值，此差值通常称为伪距，伪距与接收机的本地时钟及接收机恢复的卫星时标信号相关，在正常情况下伪距的差分值保持在一定门限内，如果接收机恢复的时标信号异常，则会造成伪距的异常，本单元采用一种改进的伪距差分判别方法，不但可以检测单点的伪距异常，也可检测持续一定时长的伪距异常情况，从而避免造成接收机授时异常。
i、接收机首先对伪距进行差分计算；ii、然后用本次计算的伪距值减去上次计算的伪距值，如果差分值大于设定门限则认为伪距异常，指示授时信号不可用。另外，为了检测伪距持续异常情况，即异常期间伪距差分值在设定门限内的情况，在伪距差分计算中，还包括iii：如果检测到差分值超门限，则保持异常前的那个伪距值不变，此伪距值称为基准伪距值，在异常期间，用实时接收伪距值减去基准伪距值，如果在设定时间段内伪距差分值均大于设定门限，则认为伪距异常；反之，则认为伪距恢复正常，并用最新计算的伪距值替代基准伪距值。
通过如上实时计算伪距差分值并进行检测，能够及时检测伪距性能的劣变，提高参与授时处理的伪距准确性，避免因伪距异常造成授时性能的劣变。
3）卫星时延拟合校正单元
卫星时延拟合单元对单通道的卫星时延进行处理，卫星时延信息通过卫星星历中的卫星坐标、上行时延、电离层参数及卫星接收机本地坐标计算得到，它反映了卫星时标信号在空间传输时延值，由于卫星星历的更新时间间隔比较长，需要对卫星时延值进行拟合处理，运用拟合曲线方程进行时延内插处理，本单元采用采用一种自适应门限的最小二乘法拟合法进行卫星时延的拟合处理。
在进行卫星时延最小二乘的拟合过程中，由于卫星轨控等因素，造成卫星时延观测值曲线离差变大，甚至会出现奇异点，如果所有的这些值参与拟合曲线的计算，会造成拟合曲线的偏移，造成授时性能劣变，但剔除过多的卫星时延观测值，拟合曲线同样会偏离实际的卫星时延曲线，造成授时性能劣变，因此并非所有卫星时延观测值都参与多项式系数的计算，因此需要设定门限值，如果拟合递推值和观测值的误差大于所设定的门限值，则此卫星时延观测值不参与拟合处理，反之，进行拟合处理，本单元采用了一种自适应方式确定的门限大小，合理选择参与拟合的卫星时延值，提高卫星时延的可用度和准确性，自适应门限的确定方法为：根据卫星信号接收良好情况下的卫星时延抖动特征，选取门限的下限值，根据接收机授时性能指标确定门限的上限值，对拟合递推时延值和时延值观测值的误差值进行统计，如果在设定的时间内，此误差值连续大于之前的门限值，则增加门限值，如果此误差值连续小于之前确定的门限值，则减小门限值，则此门限值能够根据设定时间内的误差值自适应调整，既剔除了短期卫星时延观测值的劣变值、奇异值，又可使拟合曲线和观测曲线的误差最小，提高接收机授时性能。
4）本地钟差融合单元
本地钟差融合单元对卫星接收机所有通道的本地钟差进行融合处理，各通道本地钟差等于其通道伪距、卫星时延及卫星分帧号修正值的差值，此差值反映了本地时标和北斗系统时的时间差，根据本地钟差值采用设定的控制算法可使本地时和系统时同步，从而获取卫星授时信号。
当接收机接收正常工作时，各通道计算的本地钟差的离散程度较小，如果因各种原因造成本地钟差偏差，如用来计算星地距离的本地坐标偏差较大或基带跟踪电路异常等，均会造成各通道本地钟差数据的异常，各个通道本地钟差间的偏差就发生变化，如果直接对各通道本地钟差进行算术平均的融合，则本地钟差异常的那个通道对融合后的本地钟差影响较大，则会造成授时信号有较大的抖动，本单元采用一种对各通道本地钟差动态分配加权系数，并对加权平均后的本地钟差进行惯性滤波的融合方法，使离差大的本地钟差通道在融合时分配的加权系数较小，使离差小的本地钟差通道分配的加权系数较大，使加权平均后的本地钟差数据更加接近通道互差较小的那些通道，使融合后的数据更加平稳，计算完加权系数并进行加权平均后，得到一个融合的本地钟差，为了进一步降低融合后的本地钟差的抖动特性，对融合后的本地钟差采用惯性滤波的方法进行处理，使本地钟差更加平滑，提高提高授时性能，具体实现的方法为：
先求各通道本地钟差的算术平均值：
计算各通道的加权系数：
由式2可得：
对加权平均的本地钟差进行惯性滤波：
N：卫星接收机的通道数；
xi：第i通道的本地钟差；
E：所有通道本地钟差的算术平均；
pi：第i通道的加权系数；
Tn：第n次融合后的本地钟差；
Tn-1：第n-1次融合的本地钟差；
α、β：惯性滤波系数。
通过如上方法对各通道本地钟差的融合，使不同接收性能的通道通过不同的加权系数参与通道的融合，使接收性能良好通道对融合的结果影响大，使接受性能异常通道对融合结果的影响小，同时又采用惯性滤波的方法，减小了融合后的本地钟差的变化，提高了接收机授时的精度和可靠性。

Claims (7)

1.一种基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，其特征在于，它包括以下步骤：
①卫星电文完好性监测单元根据单通道电文信息重播特性及多通道之间的时间信息比对结果，进行卫星电文完好性判断，剔除异常的电文信息；
②在卫星时标容错处理单元中对卫星时标信号进行容错处理；在卫星时延拟合校正单元中对卫星时延信息进行校正处理；
③处理后的卫星时标信号和卫星时延信息被送入本地钟差融合单元，所述的本地钟差融合单元对所有通道的本地钟差进行融合处理，使本地时标和卫星系统时标同步，从而获取卫星授时信号；所述融合处理方法为：本地钟差融合单元对各通道本地钟差动态分配加权系数，并对加权平均后的本地钟差进行惯性滤波，使离差大的本地钟差通道在融合时分配的加权系数较小，使离差小的本地钟差通道分配的加权系数较大，从而使加权平均后的本地钟差数据更加接近通道互差较小的那些通道。
2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，其特征在于，在步骤①中，在收齐一个完整时间间隔内的单通道电文信息后，对这些重复播发的单通道电文信息进行差异性比对，如果这些单通道电文信息有差异，则认为此间隔接收的电文信息有错误；如果单通道电文信息无差异，卫星电文完好性监测单元对各通道间的电文信息再次进行比对，如果各通道相应电文信息均相等，则认为接收机接收正常，相应的电文信息参与后续拟合处理；如果各通道相应电文信息不相等，则相应的电文信息不参与后续拟合处理。
3.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，其特征在于，在步骤②中，卫星时标容错处理单元对卫星时标信号进行容错处理包括如下步骤：
i、卫星时标容错处理单元首先对卫星时标和本地时标进行相位差值计算，得到伪距值；
ii、用本次计算的伪距值减去上次计算的伪距值，如果所得结果大于设定门限则认为伪距异常，指示授时信号不可用。
4.根据权利要求3所述的基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，其特征在于，卫星时标容错处理单元对卫星时标信号进行容错处理还包括步骤iii：将伪距异常前的伪距值定为基准伪距值；在发生伪距异常之后，用实时接收的伪距值减去基准伪距值，如果在设定时间内伪距差分值仍然大于设定门限，则认为伪距持续异常；反之，则认为伪距恢复正常，并用最新计算的伪距值替代基准伪距值。
5.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，其特征在于：在步骤②中，卫星时延拟合校正单元采用自适应门限的最小二乘拟合法对卫星时延信息进行校正处理，它包括如下步骤：
a、设定进行拟合处理的门限值；
b、如果拟合递推值和卫星时延信息的误差大于所设定的门限值，则此卫星时延观测值不参与拟合处理；反之，进行拟合处理。
6.根据权利要求5所述的基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，其特征在于：步骤a中的进行拟合处理的门限值是这样获得的：根据卫星信号接收良好情况下的卫星时延抖动特征，选取门限的下限值；根据接收机授时性能指标确定门限的上限值；对拟合递推时延值和卫星时延观测值的误差值进行统计，如果在设定的时间内，此误差值连续大于之前的门限值，则增加门限值；如果此误差值连续小于之前确定的门限值，则减小门限值。
7.根据权利要求1～6任一所述的基于北斗卫星的多通道授时拟合方法，其特征在于：所述卫星时延拟合校正单元、卫星时标容错处理单元和本地钟差融合处理单元不仅适合北斗一代也适合北斗二代授时处理。
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