CN105044733A - 一种高精度的导航卫星tgd参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的导航卫星TGD参数标定方法，直接修正导航卫星频间相位中心的垂向误差，对于水平误差，采用多站加权的方式，充分利用地面站的几何布局进行消除；参数标定过程不需要利用卫星质心位置以及质心与相位中心的位置关系，求解相位中心的位置，而且多站加权处理对卫星星下点坐标、电离层穿刺点坐标的精度要求不高，因此TGD参数标定精度不受卫星质心位置的工厂标定误差、在轨卫星的质心在卫星机械坐标系内的变化、卫星姿态测量误差以及卫星轨道测量误差的影响。将导航卫星频间相位中心分离引起的TGD估计误差降低至原来的5％～15％。根据相位中心实际分离的大小，可将相位中心分离引起的TGD估计误差控制在4cm以下甚至9mm以下。

Description

一种高精度的导航卫星TGD参数标定方法

技术领域

本发明涉及导航卫星在轨标定技术领域，尤其涉及一种高精度的导航卫星TGD参数标定方法。

背景技术

电离层延迟是用户接收机测量值的主要误差源之一。消除电离层延迟误差的最有效办法是组合两个频率的测量值，随之而来的问题是引入了导航卫星的通道间时延偏差(TGD)以及用户接收通道间时延偏差(IFB)。导航卫星TGD参数的精确标定对于用户的定位精度和授时精度具有重要意义。另外，卫星导航系统可用于测量电离层的总电子含量(TEC)，具有精度高、成本低的优点。该项技术中最重要的影响因素是导航卫星的TGD参数与地面站接收通道的IFB参数。

用户或地面站接收通道的IFB参数可通过共视导航卫星的方法事先标定，或者通过有线连接方式精确标定接收机的频间时延偏差，且通过无线方式标定用户或地面站天线的频间时延偏差。导航卫星在工厂电测阶段都进行信号发射通道时延的标定，由于发射通道所处的卫星内外环境不断变化，并且发射通道自身出现老化，发射通道时延不是一个固定值。部分GPS卫星的L1与L2频点通道时延差的在轨标定结果与地面测试结果相差1～3ns。部分GPS卫星TGD一年内的波动达到0.2～0.7ns，而十年内的变化达到3ns左右。

TGD参数的标定方法得到了大量研究，研究点主要集中在卫星TGD参数的标定方法，以及解决卫星TGD参数与接收机IFB参数的分离问题，例如论文《VariabilityofGPSSatelliteDifferentialGroupDelayBiases》(DavidS.Coco等，IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystem，1991年11月，第27卷第6期)、《Compass系统TGD与IFB分离解算方法》(吴晓莉等，第一届中国卫星导航学术年会论文集，2010年)、《基于三频数据的北斗卫星导航系统DCB参数精度评估方法》(樊家琛等，中国空间科学技术，2013年8月，第4期)。然而目前的TGD参数标定方法忽视了TGD参数的误差源及其对标定结果的影响。人们容易想到和解决伪码测量误差问题。实际上，由于卫星发射链路的色散效应，导航卫星天线在不同频率下的相位中心存在着一定的几何分离，这会影响TGD的标定精确度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种导航卫星TGD参数的精确标定方法，能够消除导航卫星天线频间相位中心分离引入的TGD参数标定误差，提高用户接收机的定位与授时精度和电离层总电子含量(TEC)的测量精度。

一种导航卫星TGD参数的精确标定方法，包括如下步骤：

步骤1、测量待测导航卫星的频率为f₁和f₂的导航天线的相位中心在垂直方向的距离v，其中，垂直方向为导航卫星指向地心的方向；

步骤2、选定n个地面站，其中n不小于3；各地面站所在的经度线和纬度线围成TGD参数标定观测区，其中，在选定的TGD参数标定时间段内，待测导航卫星的星下点轨迹落于所述观测区内；

步骤3、确定导航信号频率为f₁和f₂的导航天线在各个地面站接收通道内的传输时延之差，标记为τ_r1-τ_r2，即实现地面站接收通道IFB的标定；

步骤4、在TGD参数标定时间段内，各个地面站天线分别持续跟踪待测导航卫星，分别通过地面站接收机获得多个观测时刻下导航信号频率为f₁和f₂的导航天线的伪码测距值ρ₁和ρ₂；

步骤5、基于任意一个地面站的任意观测时刻建立观测方程：

$({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)-({\mathrm{\τ}}_{r1}-{\mathrm{\τ}}_{r2})+v/c=({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)+\mathrm{\κ}s(c_1+c_2\mathrm{\φ}+c_3{\mathrm{\λ}}_{cr}+c_4{\mathrm{\φ}}^2+c_5{\mathrm{\λ}}_{cr}^2+c_6{\mathrm{\φ\λ}}_{cr})---\left(1\right)$

其中，c为光速，τ₁和τ₂分别为导航信号频率为f₁和f₂的导航天线的发射通道时延，s是以导航卫星对地面站天线仰角为变量的倾斜因子，c₁,…,c₆是电离层模型系数，φ是电离层穿刺点的地理纬度，λ_cr是电离层穿刺点的太阳时角；

先将同一个地面站在多个观测时刻对应的(1)式表示的观测方程形成方程组，求解τ₁-τ₂；

然后求得基于该地面站的TGD参数估计值：其中

步骤6、根据星历计算在TGD参数标定时间段的中间时刻该导航卫星的星下点坐标，根据各个地面站地址以及地面站天线参数，求取各地面站天线的相位中心在地球海平面上投影点的坐标，分别计算所述导航卫星的星下点至各地面站天线投影点的距离；其中，用r_i表示所述星下点至第i个地面站对应的投影点距离；

步骤7、根据步骤5获得的各个地面站对应的TGD参数估计值以及步骤6获得的各地面站对应的星下点至投影点距离，求出最终的TGD参数估计结果：其中，表示第i个地面站对应的TGD参数估计值；然后用该最终估计结果T′_GD对导航卫星进行TGD参数标定。

较佳的，所述TGD参数标定时间段为1小时至4小时。

较佳的，所述倾斜因子其中R_e为地球半径，α为导航卫星对地面站天线的仰角，h_I为电离层中电子密度最大处的高度，取350km。

较佳的，所述太阳时角λ_cr的计算公式为：λ_cr＝λ_ef+T_e·ω_e，其中λ_ef是电离层穿刺点的地理经度，Te是观测时刻，ω_e为地球自转角速度。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明直接修正导航卫星频间相位中心的垂向误差。对于水平误差，则采用多站加权的方式，充分利用地面站的几何布局进行消除。参数标定过程不需要利用卫星质心位置以及质心与相位中心的位置关系，求解相位中心的位置，而且多站加权处理对卫星星下点坐标、电离层穿刺点坐标的精度要求不高，因此TGD参数标定精度不受卫星质心位置的工厂标定误差、在轨卫星的质心在卫星机械坐标系内的变化(由推进剂消耗等因素引起)、卫星姿态测量误差以及卫星轨道测量误差的影响。

(2)本发明将导航卫星频间相位中心分离引起的TGD估计误差降低至原来的5％～15％。根据相位中心实际分离的大小，可将相位中心分离引起的TGD估计误差控制在4cm以下甚至9mm以下。

(3)本发明新增的参数易于获得，且计算复杂度不大。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明卫星导航信号的生成、传播与接收链路。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

(1)在导航卫星工厂电测阶段，分别标定导航天线f₁和f₂频率相位中心的坐标，进一步计算二者在垂直方向的距离v和在水平方向的距离h。其中，垂直方向为在轨卫星指向地心的方向，与卫星机械坐标系的Z轴平行，f₁和f₂频率相位中心的Z坐标之差即为v，如果在轨卫星f₂频率相位中心高于f₁频率相位中心(即f₁频率相位中心的Z坐标大于f₂频率相位中心的Z坐标)，则v为正数，否则v为负数，如果二者高度相同(即Z坐标相等)，则v为零；水平方向与垂直方向正交，导航天线f₁和f₂频率相位中心在卫星机械坐标系XOY平面内的投影之间的距离即为h，h为正数或零。

(2)选定n个地面站参与该导航卫星的TGD参数标定，要求n不小于3。各地面站的最小纬度和最大纬度所在的纬度线之间、以及最小经度和最大经度所在的经度线之间包围的区域定义为TGD参数标定观测区，要求在TGD参数标定时间段(一般为1～4小时)内，卫星的星下点轨迹始终落于观测区内。

(3)事先标定各个地面站接收通道的IFB，即f₁和f₂频率导航信号在地面站接收通道(含天线)内的传输时延之差，标记为τ_r1-τ_r2。

地面站接收机IFB的标定方法比较成熟，参见《Compass系统TGD与IFB分离解算方法》、《基于三频数据的北斗卫星导航系统DCB参数精度评估方法》等。

(4)在TGD参数标定时间段内，各个地面站天线分别持续跟踪该导航卫星，分别通过地面站接收机获得多个观测时刻下f₁和f₂频率伪码测距值ρ₁和ρ₂。

(5)基于某个地面站某时刻的观测量建立方程， $({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)-({\mathrm{\τ}}_{r1}-{\mathrm{\τ}}_{r2})+v/c=({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)+\mathrm{\κ}s(c_1+c_2\mathrm{\φ}+c_3{\mathrm{\λ}}_{cr}+c_4{\mathrm{\φ}}^2+c_5{\mathrm{\λ}}_{cr}^2+c_6{\mathrm{\φ\λ}}_{cr}).$

本发明的观测方程中引入v/c，可消除相位中心在垂直方向的偏差对TGD参数标定精度的影响。c为光速，τ₁和τ₂分别为导航信号频率为f₁和f₂的导航天线的发射通道时延，c₁,…,c₆是电离层模型系数，φ是电离层穿刺点的地理纬度，λ_cr是电离层穿刺点的太阳时角，λ_cr＝λ_ef+T_e·ω_e，其中λ_ef是电离层穿刺点的地理经度，T_e是观测时刻，ω_e地球自转角速度；s是以卫星对地面站天线仰角为变量的倾斜因子，倾斜因子有不同的模型，可以使用其中R_e为地球半径，α为卫星对地面站天线的仰角，h_I为电离层中电子密度最大处的高度，可取350km。

电离层穿刺点是卫星与地面天线的连线与高度为h_I的球面的交点。已知卫星的位置坐标(可通过提取卫星播发的导航电文中星历参数，或者使用地面控制段生成的星历参数，进而计算求得)、地面站天线相位中心的位置坐标、电离层穿刺点的高度h_I，容易求得电离层穿刺点的位置坐标，进一步转换为地理纬度φ和经度λ_ef，而后根据λ_cr＝λ_ef+T_e·ω_e计算电离层穿刺点的太阳时角λ_cr。

同一个地面站多个时刻的观测方程形成方程组，求解τ₁-τ₂，进一步求得基于该地面站的TGD参数估计值，

(6)根据星历参数计算在TGD参数标定时间段的中间时刻该卫星的星下点坐标(即卫星在地球海平面上投影点的坐标)。根据各个地面站地址以及地面站天线参数，求取各地面站天线的相位中心在地球海平面上投影点的坐标。分别计算该星下点至各地面站天线投影点的距离，r_i表示第i个地面站对应的星下点至投影点距离；

(7)根据各个地面站估计的TGD参数，求出最终的TGD参数估计结果：其中，表示第i个地面站对应的TGD参数估计值，后用该最终估计结果T′_GD对导航卫星进行TGD参数标定。通过采用多站加权的方式，充分利用地面站的几何布局消除相位中心的水平误差对TGD参数标定精度的影响。

下面通过典型的仿真计算案例说明本发明的效果。

MEO卫星的轨道高度为21528km，地球半径取6378km。f₁频率值为1575.42MHz，f₂频率值为1268.52MHz。选取3个典型的地面监测站，分别为三亚站(位于北纬18°14′、东经109°31′)、喀什站(位于北纬39°28′、东经75°59′)、长春站(位于北纬43°50′、东经125°16′)。监测站围成的TGD参数标定观测区为北纬19°～43°、东经76°～125°。在TGD参数标定观测区内，分别在经度方向和纬度方向上以1°为步进设定卫星f₁频点相位中心C1在地表的投影。另外，在0°～360°范围内，以30°为步进设定相对于自C1向东向量的方位角，其中C2为卫星f₂频点相位中心。水平偏差h选取了典型的5mm和5cm，垂向偏差v选取了1cm、10cm、20cm、40cm的典型值。

按照传统方法和本发明的新方法，统计计算卫星相位中心分离引起的TGD参数估计RMS误差如下表所示，其中，考虑卫星天线在空间使用过程中出现的形变，分别给出了修正全部垂向偏差、95％的垂向偏差、90％的垂向偏差的结果。

从上表可以看出对于相位中心分离引起的TGD估计误差，传统方法达到厘米级甚至分米级，而本发明的标定方法可将其控制在厘米级甚至毫米级。按照修正95％的垂向偏差，相位中心分离引起的TGD估计误差可达到4cm以下甚至9mm以下，比传统方法减小了85％～95％。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种导航卫星TGD参数的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、测量待测导航卫星的频率为f₁和f₂的导航天线的相位中心在垂直方向的距离v，其中，垂直方向为导航卫星指向地心的方向；

步骤2、选定n个地面站，其中n不小于3；各地面站所在的经度线和纬度线围成TGD参数标定观测区，其中，在选定的TGD参数标定时间段内，待测导航卫星的星下点轨迹落于所述观测区内；

步骤3、确定导航信号频率为f₁和f₂的导航天线在各个地面站接收通道内的传输时延之差，标记为τ_r1-τ_r2，即实现地面站接收通道IFB的标定；

步骤4、在TGD参数标定时间段内，各个地面站天线分别持续跟踪待测导航卫星，分别通过地面站接收机获得多个观测时刻下导航信号频率为f₁和f₂的导航天线的伪码测距值ρ₁和ρ₂；

步骤5、基于任意一个地面站的任意观测时刻建立观测方程：

$({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)-({\mathrm{\τ}}_{r1}-{\mathrm{\τ}}_{r2})+v/c=({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)+\mathrm{\κ}s(c_1+c_2\mathrm{\φ}+c_3{\mathrm{\λ}}_{cr}+c_4{\mathrm{\φ}}^2+c_5{\mathrm{\λ}}_{cr}^2+c_6{\mathrm{\φ\λ}}_{cr})---\left(1\right)$

其中，c为光速，τ₁和τ₂分别为导航信号频率为f₁和f₂的导航天线的发射通道时延，s是以导航卫星对地面站天线仰角为变量的倾斜因子，c₁,…,c₆是电离层模型系数，φ是电离层穿刺点的地理纬度，λ_cr是电离层穿刺点的太阳时角；

先将同一个地面站在多个观测时刻对应的(1)式表示的观测方程形成方程组，求解τ₁-τ₂；

然后求得基于该地面站的TGD参数估计值：其中

步骤6、根据星历计算在TGD参数标定时间段的中间时刻该导航卫星的星下点坐标，根据各个地面站地址以及地面站天线参数，求取各地面站天线的相位中心在地球海平面上投影点的坐标，分别计算所述导航卫星的星下点至各地面站天线投影点的距离；其中，用r_i表示所述星下点至第i个地面站对应的投影点距离；

步骤7、根据步骤5获得的各个地面站对应的TGD参数估计值以及步骤6获得的各地面站对应的星下点至投影点距离，求出最终的TGD参数估计结果：其中，表示第i个地面站对应的TGD参数估计值；然后用该最终估计结果T′_GD对导航卫星进行TGD参数标定。

2.如权利要求1所述的一种导航卫星TGD参数的标定方法，其特征在于，所述TGD参数标定时间段为1小时至4小时。

3.如权利要求1所述的一种导航卫星TGD参数的标定方法，其特征在于，所述倾斜因子其中R_e为地球半径，α为导航卫星对地面站天线的仰角，h_I为电离层中电子密度最大处的高度，取350km。

4.如权利要求1所述的一种导航卫星TGD参数的标定方法，其特征在于，所述太阳时角λ_cr的计算公式为：λ_cr＝λ_ef+T_e·ω_e，其中λ_ef是电离层穿刺点的地理经度，Te是观测时刻，ω_e为地球自转角速度。