CN107748372A - 基于gnss高精度系统的卫星钟差实时估计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统及方法：数据接收与读取子系统接收数据并实时读取数据，然后将数据存储并传输到实时数据预处理子系统；实时数据预处理子系统利用接收到的数据进行预处理，生成质量检查后的观测数据；精密卫星钟差实时解算子系统利用质量检查后的观测数据实时解算卫星钟差；精密卫星钟差实时短期预报子系统获取实时解算的卫星钟差后，利用高精度短期预报模型进行实时钟差预报；钟差产品及过程文件生成子系统获取实时预报钟差后，计算广播钟差的修正信息，并实时存储钟差产品和过程文件。本发明可以提高卫星钟差的精度和卫星钟差的更新频率，满足实时高精度定位的要求。

Description

基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星技术导航领域，具体涉及一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统及方法。

背景技术

在GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星定位系统)卫星钟差获取方面，IGS(International GNSS Service，国际GNSS服务组织)分析中心通过全球IGS站数据进行卫星轨道计算，同时估计出测站坐标、模糊度、对流层延迟和接收机钟差等参数，在估算卫星钟差时，轨道参数、测站坐标、模糊度参数和对流层延迟参数均当作已知值处理，仅估计接收机钟差和卫星钟差。利用这种方法估计的事后卫星钟差的精度可达0.1ns。但此方法是在计算轨道基础上估计卫星钟差，算法极为复杂，计算量大，且全球IGS跟踪站数据传输存在较长时延，实现实时估计卫星钟差存在较大困难。针对这些问题，国内外很多学者进行了深入研究，刘经南等人在分布式广域差分研究中提出利用若干个分布均匀的跟踪站伪距相位观测值与预报精密星历一起实时估计相对卫星钟差的方法，采用此法估计的钟差绝对精度优于10-7秒，相对精度为3-5ns(刘经南等，1999)。而美国的Hah和Kwon提出了利用IGS精密轨道数据和IGS跟踪站的观测数据，估计事后高采样率的精密钟差方法，其估计的30s采样率的精密钟差精度为0.1ns(S.C.Hah et.al，2001)。澳大利亚的Broderbauer教授也提出了基于连续跟踪站的卫星钟差实时计算模型，并首次引入二次多项式加周期项的钟差拟合模型，其计算的实时卫星钟差精度为1-2ns(Broderbauer et.al，2003)。但实时卫星精度较差，无法满足实时高精度定位的需求。

在GPS(Global Positioning System，全球定位导航系统)卫星钟差预测预报方面，IGS最早采用二次多项式模型进行快速星历卫星钟差短期预报，其预报精度较低。鉴于实时卫星钟差的重要性，很多学者进行了相关研究。国外学者Epstein等(Epstein.Met.al，2003)通过对在轨GPS Rb钟研究表明，用Kalman滤波对GPS星座卫星进行状态参数预报，预报时间为6小时以内，预报精度为8-9ns，当预报时间较长时，卡尔曼滤波预报精度较低。澳大利亚的Broederbauer和Weber(Broederbauer et.al，2003，2005)提出的附加周期项的二次多项式拟合模型，考虑了其预报钟差模型和钟差具有周期性的特点，预报6h钟差的精度达到了2ns。国内的侯俊等(侯俊，2006；郭海荣，2007；郑作亚，2007)提出基于TWSTFT的钟差预报方法，其改进的AR模型，预报6h钟差的精度为1ns。秦显平等(秦显平，2004；毛悦，2007；路晓峰，2008)提出利用SLR(卫星激光测距)及伪距数据进行卫星钟差预测预报，预报24h钟差的精度为2ns。目前，GPS卫星钟差存在的问题是卫星钟差模型多元化，短期预报精度较高，但长期、实时预报精度较低。

导航卫星观测量是以卫星和接收机的钟频信号为基准获得的，卫星钟差和轨道的精度一起决定系统所能提供服务的精度潜力。由于卫星轨道变化平缓可以预报，目前IGS利用全球跟踪站网生成的快速预报轨道精度已经达到5个厘米，完全可以满足实时精密定位的需求。与卫星轨道不同，即使取消了SA(Selective Availability)政策，卫星钟的不稳定部分仍然变化很快，精密单点定位对卫星钟差精度要求远远高于目前实时广播星历提供的钟差精度(2.5ns)，即使是目前IGS提供的超快速实时钟差精度也在1.5ns左右，依然无法满足实时精密定位的需求。

发明内容

为满足实时高精度定位的要求，必须建立卫星钟差实时估计系统，实时估计卫星钟差和高精度短期预报钟差，提高卫星钟差的精度和卫星钟差的更新频率。本发明针对卫星钟的不稳定部分仍然变化很快，精密单点定位对卫星钟差精度要求远远高于目前实时广播星历提供的钟差精度(2.5ns)，即使是目前IGS提供的超快速实时钟差精度也在1.5ns左右，依然无法满足实时精密定位的需求等技术问题，提出了一种基于GNSS高精度增强系统的卫星钟差实时估计系统及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，包括数据接收与读取子系统、实时数据预处理子系统、精密卫星钟差实时解算子系统、精密卫星钟差实时短期预报子系统、钟差产品及过程文件生成子系统；

数据接收与读取子系统接收数据并实时读取数据，然后将数据存储并传输到实时数据预处理子系统；

实时数据预处理子系统利用接收到的数据进行预处理，生成质量检查后的观测数据；

精密卫星钟差实时解算子系统利用质量检查后的观测数据实时解算卫星钟差；

精密卫星钟差实时短期预报子系统获取实时解算的卫星钟差后，利用高精度短期预报模型进行实时钟差预报；

钟差产品及过程文件生成子系统获取实时预报钟差后，计算广播钟差的修正信息，并实时存储钟差产品和过程文件。

进一步地，所述钟差产品包括精密卫星钟差实时解算子系统解算的卫星钟差、精密卫星钟差实时短期预报子系统预报的实时预报钟差和广播钟差的修正信息，所述过程文件包括中间信息和告警信息。

进一步地，数据接收与读取子系统接收的数据包括精密轨道数据、实时观测数据和辅助文件数据。

进一步地，数据接收与读取子系统读取的数据包括测站信息、卫星系统信息、计算参数和模型信息、基准钟信息、文件存贮路径信息。

进一步地，实时数据预处理子系统利用接收到的数据进行预处理包括实时进行数据粗差和周跳的探测，同时完成观测数据的质量检查，生成质量检查后的观测数据。

进一步地，精密卫星钟差实时解算子系统采用非差估计模型实时解算卫星钟差。

进一步地，精密卫星钟差实时短期预报子系统利用实时解算的卫星钟差来拟合高精度短期预报模型，同时结合相位跳变的影响，进而进行实时钟差预报。

进一步地，钟差产品及过程文件生成子系统利用广播钟差文件预报广播钟差，然后与实时预报钟差做差，获得广播钟差的修正信息。

进一步地，钟差产品及过程文件生成子系统生成、存储、显示所有阶段的日志信息和故障信息。

一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计方法，包括以下步骤：

数据接收与读取子系统接收数据并实时读取数据，然后将数据存储并传输到实时数据预处理子系统；

实时数据预处理子系统利用接收到的数据进行预处理，生成质量检查后的观测数据；

精密卫星钟差实时解算子系统利用质量检查后的观测数据实时解算卫星钟差；

精密卫星钟差实时短期预报子系统获取实时解算的卫星钟差后，利用高精度短期预报模型进行实时钟差预报；

钟差产品及过程文件生成子系统获取实时预报钟差后，计算广播钟差的修正信息，并实时存储钟差产品和过程文件；

实时输出相应的故障信息，定位故障信息。

本发明的有益效果在于，可以实时估计卫星钟差和高精度短期预报钟差，提高卫星钟差的精度和卫星钟差的更新频率，满足实时高精度定位的要求。

附图说明

图1是基于GNSS高精度增强系统的卫星钟差实时估计系统框架图。

图2是基于GNSS高精度增强系统的卫星钟差实时估计方法流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于GNSS高精度增强系统的卫星钟差实时估计系统及方法，解决了开展时间同步和快速定位研究中如何对卫星钟参数进行实时估计和短期预报的关键问题，可以提供高频率更新的高精度的卫星钟差，提高播发的SSR(State-SpaceRepresentation，状态空间表示信息)改正信息中钟差误差精度，从而提高终端定位服务精度，满足时间同步和实时高精度定位对于钟差的需求。下文中，结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

图1和图2分别是基于GNSS高精度增强系统的卫星钟差实时估计系统框架图及方法流程图，从图中可见，基于GNSS高精度增强系统的卫星钟差实时估计系统分为五个子系统，分别是数据接收与读取子系统、实时数据预处理子系统、精密卫星钟差实时解算子系统、精密卫星钟差实时短期预报子系统、钟差产品和过程文件生成子系统。五个子系统相互衔接和合作，最终架构成一个整体系统。

基于GNSS高精度增强系统的卫星钟差实时估计系统接收精密轨道数据、实时观测数据、广播星历数据、测站约束信息、地球自转参数、实时精密星历、精密钟差配置参数、DCB(Differential Code Bias，差分码偏差)等，并读取实时数据，将所有数据存储并传输到实时数据预处理子系统。实时数据预处理子系统利用接收到的数据接收与读取功能子系统传输的数据进行计算，生成质量检查后的观测数据文件。精密卫星钟差实时解算子系统利用上述质量检查后的观测数据实时计算卫星钟差。精密卫星钟差实时短期预报子系统获取实时解算的卫星钟差后，利用高精度短期预报模型进行实时钟差预报。钟差产品及过程文件生成子系统获取实时预报钟差后，计算广播钟差的修正信息，并实时存储钟差产品和过程文件。最后，基于GNSS高精度增强系统的卫星钟差实时估计系统能够实时输出相应的故障信息，定位故障信息。

各子系统的功能如下所述：

1、数据接收与读取子系统：该子系统主要完成按时获取精密轨道数据、实时观测数据和其他辅助文件数据，同时要读取系统的配置信息，具体包括测站信息、卫星系统信息、计算参数和模型信息、基准钟信息、文件存贮路径信息等，将接收到的数据存放在相应数据结构体下，可以随时读取，并依次传递给实时数据预处理子系统、精密卫星钟差实时解算子系统、精密卫星钟差实时短期预报子系统、钟差产品和过程文件生成子系统；

2、实时数据预处理子系统：该子系统主要对原始GNSS观测数据有效性进行检测，实时进行观测数据粗差和周跳的探测同时完成数据观测质量控制等功能；

3、精密卫星钟差实时解算子系统：该子系统主要是利用实时数据预处理后的伪距、载波、卫星天线相位中心数据、地球自转参数数据等，采用非差估计模型实时计算卫星钟差；

4、精密卫星钟差实时短期预报子系统：该子系统主要是利用实时解算的卫星钟差来拟合实时钟差预报模型，同时顾及相位跳变的影响，进而进行实时钟差短期预报。精密卫星钟差实时短期预报子系统主要包括无效钟差及粗差探测、钟差预报模型拟合、相位跳变探测和实时钟差短期预报；

5、钟差产品及过程文件生成子系统：该子系统主要是利用广播钟差文件预报广播钟差，然后与实时预报钟差做差，获得广播钟差修正信息。针对精密卫星钟差实时解算子系统和精密卫星钟差实时短期预报子系统计算的钟差产品及过程文件(包括中间信息、报警信息)，钟差产品及过程文件生成子系统将其标准化输出到指定目录文件夹中。另外，钟差产品及过程文件生成子系统将生成、存储、显示所有阶段的日志信息和故障信息。钟差产品及过程文件生成子系统主要包括广播钟差及修正信息计算、产品标准格式输出、日志信息记录、故障信息记录等功能。

本发明核心处理代码优选利用C语言，便于系统代码移植。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，包括数据接收与读取子系统、实时数据预处理子系统、精密卫星钟差实时解算子系统、精密卫星钟差实时短期预报子系统、钟差产品及过程文件生成子系统；

数据接收与读取子系统接收数据并实时读取数据，然后将数据存储并传输到实时数据预处理子系统；

实时数据预处理子系统利用接收到的数据进行预处理，生成质量检查后的观测数据；

精密卫星钟差实时解算子系统利用质量检查后的观测数据实时解算卫星钟差；

精密卫星钟差实时短期预报子系统获取实时解算的卫星钟差后，利用高精度短期预报模型进行实时钟差预报；

钟差产品及过程文件生成子系统获取实时预报钟差后，计算广播钟差的修正信息，并实时存储钟差产品和过程文件。

2.如权利要求1所述的一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，所述钟差产品包括精密卫星钟差实时解算子系统解算的卫星钟差、精密卫星钟差实时短期预报子系统预报的实时预报钟差和广播钟差的修正信息，所述过程文件包括中间信息和告警信息。

3.如权利要求1所述的一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，数据接收与读取子系统接收的数据包括精密轨道数据、实时观测数据和辅助文件数据。

4.如权利要求1所述的一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，数据接收与读取子系统读取的数据包括测站信息、卫星系统信息、计算参数和模型信息、基准钟信息、文件存贮路径信息。

5.如权利要求1所述的一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，实时数据预处理子系统利用接收到的数据进行预处理包括实时进行数据粗差和周跳的探测，同时完成观测数据的质量检查，生成质量检查后的观测数据。

6.如权利要求1所述的一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，精密卫星钟差实时解算子系统采用非差估计模型实时解算卫星钟差。

7.如权利要求1所述的一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，精密卫星钟差实时短期预报子系统利用实时解算的卫星钟差来拟合高精度短期预报模型，同时结合相位跳变的影响，进而进行实时钟差预报。

8.如权利要求1所述的一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，钟差产品及过程文件生成子系统利用广播钟差文件预报广播钟差，然后与实时预报钟差做差，获得广播钟差的修正信息。

9.如权利要求1所述的一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计系统，其特征在于，钟差产品及过程文件生成子系统生成、存储、显示所有阶段的日志信息和故障信息。

10.一种基于GNSS高精度系统的卫星钟差实时估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据接收与读取子系统接收数据并实时读取数据，然后将数据存储并传输到实时数据预处理子系统；

实时数据预处理子系统利用接收到的数据进行预处理，生成质量检查后的观测数据；

精密卫星钟差实时解算子系统利用质量检查后的观测数据实时解算卫星钟差；

精密卫星钟差实时短期预报子系统获取实时解算的卫星钟差后，利用高精度短期预报模型进行实时钟差预报；

钟差产品及过程文件生成子系统获取实时预报钟差后，计算广播钟差的修正信息，并实时存储钟差产品和过程文件；

实时输出相应的故障信息，定位故障信息。