CN103941266A

CN103941266A - 一种基于互差的卫星完好性监测方法及系统

Info

Publication number: CN103941266A
Application number: CN201410132939.3A
Authority: CN
Inventors: 蔡成林; 邓克群; 李思敏; 邓仕超; 韦照川; 李志斌
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2014-03-30
Filing date: 2014-03-30
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-03-30
Also published as: CN103941266B

Abstract

本发明公开了一种基于互差的卫星完好性监测方法及系统，所述方法包括：卫星位置、钟差及卫星与接收机几何距离的解算；大气层延迟量、硬件通道延迟量的计算；伪距偏差量的计算；互差基准量的构造；检测量的建立；卫星完好性的判断。本发明能够及时、准确地检测出故障卫星，使得用户定位结果始终维持在4至8米的范围内，有效地降低了用户的定位误差，保证了用户的定位精度。

Description

一种基于互差的卫星完好性监测方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星导航系统中的卫星监测技术领域，具体涉及一种基于互差的卫星完好性监测方法及系统。

背景技术

卫星的完好性监测技术在动态、精密导航领域具有重要的意义。国内外学者就卫星完好性监测已经展开了大量的相关研究，其中接收机自主完好性监测在卫星的完好性监测方法中占有重要地位。当前，接收机自主完好性监测主要利用卫星冗余的观测伪距判断卫星的完好性信息，主要方法有伪距比较法、最小二乘残差法与奇偶空间法。伪距比较法要求当前可视卫星至少为5颗，根据观测伪距与实际距离的误差大小分析卫星的完好性，稳定性差，准确率较低；最小二乘残差法与奇偶空间法数学上原理相同，同样需要当前可视卫星至少为5颗，但二者的计算过程较为复杂，同时约束条件过多。上述方法均对可视卫星的几何分布有较高要求，需求一种计算简单、行之有效的卫星完好性监测新方法是当前面临的一个重要问题。

发明内容

鉴于现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于互差的卫星完好性监测方法及系统。本发明能够及时、准确地检测出故障卫星，使得用户定位结果始终维持在4至8米的范围内，有效地降低了用户的定位误差，保证了用户的定位精度。

下面阐述的是本发明的技术方案。

一种基于互差的卫星完好性监测方法，所述方法包括：

（1）利用双频定位接收机解算当前历元所有可视卫星的空间位置与钟差δt_s，根据已知的接收机精密测绘位置计算可视卫星与接收机间的几何距离r。

（2）利用双频接收机获得可视卫星B1、B2频点伪距及卫星的硬件通道延迟量T_gd，利用B1频点伪距根据Saastamoinen_Neill模型计算对流层延迟量T，利用B1、B2频点伪距根据双频电离层改正方法计算电离层延迟量I。

（3）从当前历元所有可视卫星的B1频点伪距中扣除可视卫星与接收机的几何距离r、卫星信号电离层延迟量I、对流层延迟量T、卫星钟差δt_s、硬件通道延迟T_gd，计算伪距偏差量Δρ，所述伪距偏差量的计算公式为：

Δρ⁽ⁱ⁾＝ρ_B1 ⁽ⁱ⁾-r⁽ⁱ⁾-I⁽ⁱ⁾-T⁽ⁱ⁾-δt_s ⁽ⁱ⁾-T_gd ⁽ⁱ⁾，其中i为卫星编号。

（4）从当前所有可视卫星的伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾中构建一个互差基准量Δρ_base，并将所有可视卫星的伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾对所述互差基准量Δρ_base作差，取对应差值作为检测量δ⁽ⁱ⁾，δ⁽ⁱ⁾∈[-10,10]米。

（5）对于卫星i(i∈α)：若检测量δ^(j)(j∈β)的值均在值域内，则卫星i工作正常；若检测量δ^(j)(j∈β)的值均超出值域，则卫星i工作异常；对于卫星j(j∈β)：若检测量δ^(j)(j∈β)的值在值域内，则卫星j工作正常，若检测量δ^(j)(j∈β)的值超出值域，则卫星j工作异常。其中：α为与计算基准量Δρ_base有关的卫星集合，β为与计算基准量Δρ_base无关的卫星集合。

一种基于互差的卫星完好性监测系统，包括：

利用双频定位接收机解算当前历元所有可视卫星的空间位置与钟差δt_s的装置；根据已知的接收机精密测绘位置计算可视卫星与接收机间的几何距离r的装置；利用双频接收机获得可视卫星B1、B2频点伪距及卫星的硬件通道延迟量T_gd的装置；利用B1频点伪距根据Saastamoinen_Neill模型计算对流层延迟量T的装置；利用B1、B2频点伪距根据双频电离层改正方法计算电离层延迟量I的装置；从当前历元所有可视卫星的B1频点伪距中扣除可视卫星与接收机的几何距离r、卫星信号电离层延迟量I、对流层延迟量T、卫星钟差δt_s、硬件通道延迟T_gd，计算伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾＝ρ_B1 ⁽ⁱ⁾-r⁽ⁱ⁾-I⁽ⁱ⁾-T⁽ⁱ⁾-δt_s ⁽ⁱ⁾-T_gd ⁽ⁱ⁾的装置，其中i为卫星编号；从当前所有可视卫星的伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾中构建一个互差基准量Δρ_base，并将所有可视卫星的伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾对所述互差基准量Δρ_base作差的装置。

附图说明

图1a、图1b描述了检测量δ的变化情况。

图2a、图2b分别描述了应用本发明方法前后用户经纬度上的定位误差。

图3a、图3b分别描述了应用本发明方法前后用户高程上的定位误差。

图4a、图4b分别描述了应用本发明方法前后可视卫星DOP值的变化情况。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面通过附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明提供的一种基于互差的卫星完好性监测方法，具体步骤如下：

1.卫星位置、钟差及卫星与接收机几何距离的解算：利用双频定位接收机解算当前历元所有可视卫星的空间位置与钟差δt_s，根据已知的接收机精密测绘位置计算可视卫星与接收机间的几何距离r。

2.大气层延迟量、硬件通道延迟量的计算：利用双频接收机获得可视卫星B1、B2频点伪距及卫星的硬件通道延迟量T_gd，利用B1频点伪距根据Saastamoinen_Neill模型计算对流层延迟量T，利用B1、B2频点伪距根据双频电离层改正方法计算电离层延迟量I。

3.伪距偏差量的计算：从当前历元所有可视卫星的B1频点伪距中扣除卫星与接收机的几何距离r，卫星信号电离层延迟量I，对流层延迟量T，卫星钟差δt_s，硬件通道延迟T_gd，得到伪距偏差量Δρ。

伪距偏差量的计算公式为：

Δρ⁽ⁱ⁾＝ρ_B1 ⁽ⁱ⁾-r⁽ⁱ⁾-I⁽ⁱ⁾-T⁽ⁱ⁾-δt_s ⁽ⁱ⁾-T_gd ⁽ⁱ⁾

其中:i为卫星编号。

4.互差基准量的构造：当前历元可视卫星数为n，定义伪距偏差数组Δρ＝[Δρ⁽¹⁾,Δρ⁽²⁾,Δρ⁽³⁾......Δρ⁽ⁿ⁾]，对数组Δρ升序排列后得到数组Δρ_asc：Δρ_asc＝[Δρ_asc ⁽¹⁾,Δρ_asc ⁽²⁾,...Δρ_asc ⁽ⁱ⁾,...Δρ_asc ⁽ⁿ⁾]

设定互差基准量Δρ_base，其值定义如下：

基准量Δρ_base代表了当前历元可视卫星间的包括接收机钟差在内的共有误差。

5.检测量的建立：当前历元可视卫星的伪距偏差量Δρ对互差基准量Δρ_base作差，取对应差值作为一检测量δ⁽ⁱ⁾，δ⁽ⁱ⁾就是伪距偏差Δρ⁽ⁱ⁾中扣除接收机钟差、观测噪声误差、部分多径效应误差、随机误差后的剩余量。设数组δ＝[δ⁽¹⁾,δ⁽²⁾...δ⁽ⁿ⁾]，则数组δ中的每个元素的取值范围将是固定且可定量的，其体现就是卫星伪距偏差Δρ⁽ⁱ⁾与基准量Δρ_asc间存在的多径效应误差及其它细微误差值的大小，δ⁽ⁱ⁾的值域为δ⁽ⁱ⁾∈[-10,10]米。

6.卫星完好性的判断：定义数组α为与计算基准量Δρ_base有关的卫星集合，数组β为与计算基准量Δρ_base无关的卫星集合。对卫星i(i∈α)，若检测量δ^(j)(j∈β)的值均在值域内，卫星i工作正常，检测量δ^(j)(j∈β)的值均超出值域，卫星i工作异常；对卫星j(j∈β),若检测量δ^(j)(j∈β)的值在值域内，卫星j工作正常，检测量δ^(j)(j∈β)的值超出值域，卫星j工作异常。

利用北斗接收机获得当前历元可视卫星的观测量、导航电文及电离层修正参数数据。从观测量数据获得可视卫星B1、B2频点伪距，根据导航电文计算卫星的空间位置及钟差。利用Saastamoinen_Neill模型计算对流层延迟量，利用双频电离层改正方法计算电离层延迟量。根据已知的接收机测绘坐标与卫星空间位置计算接收机与卫星间的几何距离。

当前历元所有可视卫星B1频点伪距扣除对应接收机与卫星间的几何距离、卫星钟差、对流层、电离层延迟量得到伪距偏差Δρ⁽ⁱ⁾(i为卫星号)并对伪距偏差数组Δρ进行排序计算基准量Δρ_base，所有可视卫星的伪距偏差Δρ⁽ⁱ⁾对基准量Δρ_base作差，获得各自检测量δ⁽ⁱ⁾的值，将卫星检测量δ⁽ⁱ⁾的值与其值域[-10，10]进行比较，若卫星检测量δ⁽ⁱ⁾在值域内，则判定该卫星正常，将该卫星加入到用户定位解算中；若卫星的检测量δ⁽ⁱ⁾超出其值域范围，而其他卫星的检测量δ⁽ⁱ⁾均在其值域内，则判定该卫星异常，将该卫星从用户的定位解算中排除。若除与基准量Δρ_base计算有关的卫星外，所有卫星的检测量δ⁽ⁱ⁾均超出值域范围，则与基准量计算有关卫星异常。图1反映了卫星检测量δ⁽ⁱ⁾实时值的变化情况，卫星异常时其检测量δ⁽ⁱ⁾超出了[-10，10]米的值域范围。图2、3反映了应用完好性算法前后，用户定位误差的变化情况，故障卫星造成的用户经纬度方向、高程方向上巨大的定位误差得到了有效的修正，用户定位精度获得有效保证。图4反映了应用完好性算法前后，可视卫星DOP的变化，可视卫星的DOP值并没有发生较大变化，处于DOP值增大量小于30%的可接受范围内。

由以上结果分析可得，采用基于互差的卫星完好性监测方法能够实时、有效地检测出异常卫星，应用本卫星完好性监测算法将故障星从定位解算中剔除后，极大降低了故障星给定位结果带来的误差，保证了用户定位精度。

仿真结果表明，应用本方法，将用户定位结果从纬度方向偏差最大至11817米，经度方向偏差最大至702米降低到经纬度偏差始终保持在4-8米，高程方向偏差最大至1668米降低到4米范围内，有效保证了用户的定位精度，对于卫星的完好性监测具有重要参考价值。

Claims

1.一种基于互差的卫星完好性监测方法，所述方法包括：

利用双频定位接收机解算当前历元所有可视卫星的空间位置与钟差δt_s，根据已知的接收机精密测绘位置计算可视卫星与接收机间的几何距离r；

利用双频接收机获得可视卫星B1、B2频点伪距及卫星的硬件通道延迟量T_gd，利用B1频点伪距根据Saastamoinen_Neill模型计算对流层延迟量T，利用B1、B2频点伪距根据双频电离层改正方法计算电离层延迟量I；

从当前历元所有可视卫星的B1频点伪距中扣除可视卫星与接收机的几何距离r、卫星信号电离层延迟量I、对流层延迟量T、卫星钟差δt_s、硬件通道延迟T_gd，计算伪距偏差量Δρ，Δρ⁽ⁱ⁾＝ρ_B1 ⁽ⁱ⁾-r⁽ⁱ⁾-I⁽ⁱ⁾-T⁽ⁱ⁾-δt_s ⁽ⁱ⁾-T_gd ⁽ⁱ⁾，其中i为卫星编号；

从当前所有可视卫星的伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾中构建一个互差基准量Δρ_base，并将所有可视卫星的伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾对所述互差基准量Δρ_base作差，取对应差值作为检测量δ⁽ⁱ⁾，δ⁽ⁱ⁾∈[-10,10]米；

对于卫星i(i∈α)：若检测量δ^(j)(j∈β)的值均在值域内，则卫星i工作正常；若检测量δ^(j)(j∈β)的值均超出值域，则卫星i工作异常；

对于卫星j(j∈β)：若检测量δ^(j)(j∈β)的值在值域内，则卫星j工作正常，若检测量δ^(j)(j∈β)的值超出值域，则卫星j工作异常；

其中：α为与计算基准量Δρ_base有关的卫星集合，β为与计算基准量Δρ_base无关的卫星集合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的互差基准量Δρ_base定义如下：

其中：n为当前历元可视卫星数，伪距偏差数组Δρ＝[Δρ⁽¹⁾,Δρ⁽²⁾,Δρ⁽³⁾......Δρ⁽ⁿ⁾]，

对数组Δρ升序排列后得到数组Δρ_asc＝[Δρ_asc ⁽¹⁾,Δρ_asc ⁽²⁾,...Δρ_asc ⁽ⁱ⁾,...Δρ_asc ⁽ⁿ⁾]。

3.一种基于互差的卫星完好性监测系统，包括：

利用双频定位接收机解算当前历元所有可视卫星的空间位置与钟差δt_s的装置；

根据已知的接收机精密测绘位置计算可视卫星与接收机间的几何距离r的装置；

利用双频接收机获得可视卫星B1、B2频点伪距及卫星的硬件通道延迟量T_gd的装置；

利用B1频点伪距根据Saastamoinen_Neill模型计算对流层延迟量T的装置；

利用B1、B2频点伪距根据双频电离层改正方法计算电离层延迟量I的装置；

从当前历元所有可视卫星的B1频点伪距中扣除可视卫星与接收机的几何距离r、卫星信号电离层延迟量I、对流层延迟量T、卫星钟差δt_s、硬件通道延迟T_gd，计算伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾＝ρ_B1 ⁽ⁱ⁾-r⁽ⁱ⁾-I⁽ⁱ⁾-T⁽ⁱ⁾-δt_s ⁽ⁱ⁾-T_gd ⁽ⁱ⁾的装置，其中i为卫星编号；

从当前所有可视卫星的伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾中构建一个互差基准量Δρ_base，并将所有可视卫星的伪距偏差量Δρ⁽ⁱ⁾对所述互差基准量Δρ_base作差的装置。