CN107966722A - 一种gnss钟差解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GNSS钟差解算方法，解决GNSS钟差解算的计算效率问题，它包含5个步骤，通过历元间差分消除载波相位的非差模糊度参数，大幅度减少未知参数，显著提高计算效率；通过引入过程噪声因子，调节星间差分载波相位观测量和非差伪距观测量在钟差解算中的权重，避免出现伪距观测量饱和问题。本发明适用于事后和实时的GNSS钟差解算，特别适用于高采样实时钟差解算。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航定位领域，具体涉及一种GNSS钟差解算方法。
背景技术
卫星钟差信息是利用导航卫星系统(GNSS)进行定位和授时的基础信息。卫星钟差的精度很大程度上决定了GNSS定位和授时的精度。众所周知，高精度卫星钟差通常采用多个测站的非差伪距和载波相位观测量解算得到，相位观测量精度高，在解算高精度卫星钟差中起主要作用。由于非差相位观测量中包含有模糊度参数，未知参数数量多，计算量大，这种方法常用于事后解算采样率较低(如采样间隔为300秒)的钟差。不适合用于解算高采样的钟差，更不适合用于实时解算钟差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种GNSS钟差解算方法，解决了公知方法计算效率低的缺陷。
为了达到上述目的，本发明逐历元输入观测数据，每个历元的数据处理包括以下步骤：
步骤一，模块M01进行数据预处理，探测出载波相位的周跳，剔除发生周跳、包含粗差或高度角较低的数据，并将结果发送至模块M02；
步骤二，模块M02根据接收到模块M01的结果构建非差双频消电离层组合伪距和载波观测模型，并将非差双频消电离层组合伪距观测量发送至模块M06，载波观测量型发送至模块M03和模块M04；
步骤三，模块M03估计测站的对流层天顶湿延迟，并发送至模块M04和模块M06；
步骤四，模块M04采用历元间差分的消电离层组合载波相位观测量估计历元间的钟差变化量和协方差矩阵，并发送至模块M05；
步骤五，模块M05进行钟差预报；
步骤六，模块M06利用非差消电离层组合伪距观测量和模块M05输出的钟差预报信息解算当前历元的钟差。
步骤二中，模块M02对观测量进行精确建模，得到仅包含接收机和卫星钟差、对流层天顶湿延迟和非差消电离层组合模糊度三种未知参数的非差双频消电离层组合伪距和载波观测量。
步骤三中，模块M03以n×τ为间隔对载波相位观测量进行重新采样，以重采样后的历元间差分载波相位作为观测量，解算测站的对流层天顶湿延迟。
步骤四中，模块M04采用模块M03输出的对流层天顶湿延迟信息对载波相位观测量进行改正，利用仅包含钟差历元间变化量的历元间差分消电离层组合载波相位观测量，解算得到历元间的钟差变化量和对应的协方差矩阵。
步骤五中，模块M05进行钟差预报包括以下两个步骤：
第一步，钟差预报：前一历元模块M06输出的钟差估值加上当前历元模块M04输出的钟差变化量的估值即得到当前历元的钟差预报值，计算公式如下：
其中X表示包含所有钟差参数的向量，即X＝[δ1,…δm,δ1,…δn]T；为预报值；为前一历元t-τ时刻的估值，由模块M06计算得到；为模块M04解算得到历元t-τ和t之间钟差变化量的估值；
第二步，由下式计算钟差预报值的协方差矩阵：
其中和分别为对应于和的协方差矩阵；s为过程噪声抑制因子，取值范围1～0；和分别由模块M06和模块M04计算得到。
步骤六中，利用非差消电离层组合伪距观测量和模块M05输出的钟差预报信息解算当前历元的钟差的具体方法如下：
第一步，采用模块M03输出的对流层天顶湿延迟对非差消电离层组合伪距观测量进行改正得到仅包含钟差信息的观测量。
第二步，以第一步改正后的伪距作为观测量，以模块M04输出的钟差预报值及其协方差矩阵作为先验信息，解算得到当前历元的钟差参数估值及其协方差矩阵。
与现有技术相比，本发明通过对载波相位观测量进行历元间差分消除模糊度参数，大幅度减少未知参数数量，显著提高计算效率；通过引入过程噪声抑制因子，调节历元间差分载波相位和非差伪距观测量在钟差解算中的权重，保证了钟差解算的精度，同时避免出现伪距观测量饱和问题。
附图说明
图1是本发明所述一种GNSS钟差解算方法流程图；
图2是本发明实施例中参数s不同取值的钟差解算结果与IGS最终钟差产品差值的RMS对比图；
图3是本发明实施例中参数s不同取值的钟差解算结果与IGS最终钟差产品互差的STD对比图；
图4是公知的采用非差观测量的钟差解算中每个历元的数据处理耗时的序列图；
图5是本发明的钟差解算中每个历元的数据处理耗时序列图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，逐历元输入观测数据，对每个历元输入的观测数据，按以下步骤进行处理：
步骤一，模块M01综合采用MW组合、消电离层组合和电离层残差组合观测量探测伪距及相位观测量中的粗差，探测当前历元与前一历元的相位数据是否发生周跳，剔除发生周跳、包含粗差或高度角过低(例如小于10°)的观测数据。
步骤二，模块M02对观测量进行建模。得到仅包含接收机和卫星钟差、对流层天顶湿延迟和非差消电离层组合载波相位模糊度三种未知参数的非差双频消电离层组合伪距和载波观测量。观测方程表示如下：
式中(t)表示观测历元时刻；和分别为接收机r对卫星s的消电离层组合伪距和相位观测值；δr和δs分别为以距离为单位的接收机r和卫星s的钟差参数；为利用已知的卫星轨道、测站坐标、卫星姿态模型、卫星和接收机天线相位中心偏置、对流层干延迟模型、测站潮汐形变模型、相位缠绕效应等数据和模型计算得到的信号传播延迟，是已知量；为测站r的对流层天顶湿延迟参数，为映射函数。为非差模糊度参数，ξP和ξL为测量噪声、多径和其它未模型化的误差的总和。按照下式计算伪距和载波相位的测量噪声方差：
其中和分别表示伪距和载波相位的标准差，σ0为单位权标准差，由伪距测量精度确定，通常可以取1m，e为观测量的高度角。
步骤三，模块M03以n×τ为间隔对载波相位观测量进行重新采样，以重采样后的历元间差分载波相位作为观测量，估计测站的对流层天顶湿延迟，观测方程表示如下：
其中，Δ[·](t,t-n×τ)＝Δ[·](t)-Δ[·](t-n×τ)，未知参数还包括接收机和卫星的钟差变化量。重采样间隔n×τ可取2～10分钟。
采用Kalman滤波方法进行参数估计，对流层天顶延迟初值设为0，先验精度为0.5m，采用随机游走模型模拟，过程噪声功率谱密度取钟差变化量参数初值取0，先验精度为108m，采用白噪声模型模拟，过程噪声方差取大于1016m2的值。选择一个测站或卫星的钟作为基准，将其钟差变化量约束为零。
滤波的观测更新，通常需要多次迭代，以剔除历元间差分观测数据可能存在的粗差，保证对流层天顶湿延迟估值的质量。
步骤四，模块M04采用历元间差分的消电离层组合载波相位观测量估计历元间的钟差变化量和协方差矩阵，所用的观测方程表示如下；
其中Δ[·](t)＝Δ[·](t)-Δ[·](t-τ)；τ为观测量的采样间隔，也是需要解算的卫星钟差的采样间隔；为步骤三输出的对流层天顶湿延迟的估值，这里为已知值；Δδr(t)和Δδs(t)为需要解算的未知参数：接收机和卫星钟差的历元间变化量。
采用Kalman滤波方法进行参数估计，钟差变化量参数的初值取为0，先验精度为108m，采用白噪声模型模拟，过程噪声方差取大于1016m2的值。选择一个测站或卫星的钟作为基准，将其钟差变化量约束为零。
同步骤三一样，这一步的观测更新也需要多次迭代，以剔除历元间差分观测数据可能存在的粗差，保证历元间钟差变化量估值的质量。
步骤五，模块M05利用前一历元模块M06的输出结果和当前历元模块M04的输出结果进行钟差及其协方差矩阵的预报，包括：
A.钟差预报，公式如下：
其中X表示包含所有钟差参数的向量，即X＝[δ1,…δm,δ1,…δn]T；为预报值；为前一历元t-τ时刻的估值，由M06模块计算得到；为M04模块解算得到历元t-τ和t之间钟差变化量的估值；当t＝0时，有
B.由下式计算钟差预报值的协方差矩阵：
其中和分别为对应于和的协方差矩阵；s为过程噪声抑制因子，取值范围1～0；和分别由模块M04和模块M06计算得到；当t＝0时，有α通常可取α＞1018的值，E为单位矩阵。
这一步中，s的取值对获得高精度的钟差解算结果至关重要。图2和图3显示了过程噪声抑制因子s取不同值时，按天统计的钟差解算结果与IGS最终产品互差的RMS和STD值。
步骤六，模块M06利用非差消电离层组合伪距观测量和模块M05输出的钟差预报信息解算当前历元的钟差，具体步骤如下：
1)采用模块M03输出的对流层天顶湿延迟的估值对非差伪距观测量进行改正得到仅包含当前历元钟差信息的观测量，观测方程如下：
2)以1)改正后的伪距作为观测量，以模块M05输出的钟差预报值及其协方差矩阵作为先验信息，采用带有先验约束的最小二乘方法进行参数估计，得到当前历元的钟差参数的估值及其协方差矩阵计算公式如下。
其中为对应于观测量的设计矩阵，维数为1×m，m等于向量X的列数，对应未知参数δr和δs的系数分别为1和-1，对应其它钟差参数的系数皆为0，表示遍历当前历元所有测站和卫星的有效观测数据。这一步骤需要多次迭代，以剔除包含在伪距观测量中的粗差，确保钟差解算结果的质量。
在步骤三和四中，两个历元之间发生周跳的数据不能用于构建历元间差分观测量。
在步骤三、四和六中，参数估计时需要进行多次迭代，每次迭代后计算验后残差，如果残差超限，则剔除对应的观测数据，重新解算未知参数，直到没有新的残差超限的观测为止。
Claims (6)
1.一种GNSS钟差解算方法，其特征在于，逐历元输入观测数据，每个历元的数据处理包括以下步骤：
步骤一，模块M01进行数据预处理，探测出载波相位的周跳，剔除发生周跳、包含粗差或高度角较低的数据，并将结果发送至模块M02；
步骤二，模块M02根据接收到模块M01的结果构建非差双频消电离层组合伪距和载波观测模型，并将非差双频消电离层组合伪距观测量发送至模块M06，载波观测量发送至模块M03和模块M04；
步骤三，模块M03估计测站的对流层天顶湿延迟，并发送至模块M04和模块M06；
步骤四，模块M04采用历元间差分的消电离层组合载波相位观测量估计历元间的钟差变化量和协方差矩阵，并发送至模块M05；
步骤五，模块M05进行钟差预报；
步骤六，模块M06利用非差消电离层组合伪距观测量和模块M05输出的钟差预报信息解算当前历元的钟差。
2.根据权利要求1所述的一种GNSS钟差解算方法，其特征在于，步骤二中，模块M02对观测量进行精确建模，得到仅包含接收机和卫星钟差、对流层天顶湿延迟和非差消电离层组合模糊度三种未知参数的非差双频消电离层组合伪距和载波观测量。
3.根据权利要求1所述的一种GNSS钟差解算方法，其特征在于，步骤三中，模块M03以n×τ为间隔对载波相位观测量进行重新采样，以重采样后的历元间差分载波相位作为观测量，解算测站的对流层天顶湿延迟。
4.根据权利要求1所述的一种GNSS钟差解算方法，其特征在于，步骤四中，模块M04采用模块M03输出的对流层天顶湿延迟信息对载波相位观测量进行改正，利用仅包含钟差历元间变化量的历元间差分消电离层组合载波相位观测量，解算得到历元间的钟差变化量和对应的协方差矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种GNSS钟差解算方法，其特征在于，步骤五中，模块M05进行钟差预报包括以下两个步骤：
第一步，钟差预报：前一历元模块M06输出的钟差估值加上当前历元模块M04输出的钟差变化量的估值即得到当前历元的钟差预报值，计算公式如下：
<mrow>
<mover>
<mi>X</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mover>
<mi>X</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>-</mo>
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<mo>+</mo>
<mi>&Delta;</mi>
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</mover>
<mrow>
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<mo>)</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>></mo>
<mn>0</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中X表示包含所有钟差参数的向量，即X＝[δ1,…δm,δ1,…δn]T；为预报值；为前一历元t-τ时刻的估值，由模块M06计算得到；为模块M04解算得到历元t-τ和t之间钟差变化量的估值；
第二步，由下式计算钟差预报值的协方差矩阵：
<mrow>
<msub>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mover>
<mi>X</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
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</mrow>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
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<mi>X</mi>
<mo>^</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
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</mrow>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
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<mn>...</mn>
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<mi>t</mi>
<mo>></mo>
<mn>0</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中和分别为对应于和的协方差矩阵；s为过程噪声抑制因子，取值范围为1～0；和分别由模块M06和模块M04计算得到。
6.根据权利要求1所述的一种GNSS钟差解算方法，其特征在于，步骤六中，利用非差消电离层组合伪距观测量和模块M05输出的钟差预报信息解算当前历元的钟差的具体方法如下：
第一步，采用模块M03输出的对流层天顶湿延迟对非差消电离层组合伪距观测量进行改正得到仅包含钟差信息的观测量；
第二步，以第一步改正后的伪距作为观测量，以模块M05输出的钟差预报值及其协方差矩阵作为先验信息，解算得到当前历元的钟差参数估值及其协方差矩阵。
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| CN107966722B (zh) | 2021-07-13 |
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