CN108845336A - 一种顾及到glonass频间偏差的gnss时差监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种顾及到GLONASS频间偏差的时差监测方法，首先实时输入接收机原始观测数据；第二步，对原始观测数据进行预处理，剔除原始观测值中的异常值，删除重复的电文。第三步，选择BDS系统和GLONASS系统组成时差监测方程，利用空间信号法计算时差参数时，将GLONASS接收机频间偏差作为待估参数。第四步是利用卡尔曼滤波进行参数估计，采用卡尔曼滤波对待估参数进行估计，过程噪声及滤波初值依据经验值进行设置。经过步骤一到四，可以获得BDS系统与GLONASS系统的系统时差监测值。本发明可以在不进行GLONASS接收机频间偏差标校的情况下，提高BDS与GLONASS时差监测值的精度。

Description

一种顾及到GLONASS频间偏差的GNSS时差监测方法
技术领域
本发明属于导航技术领域，是一种顾及到GLONASS(Global NavigationSatellite System，格洛纳斯卫星导航系统)频间偏差的 GNSS(Global NavigationSatellite System，全球卫星导航系统)实时时差监测方法。
背景技术
目前GNSS系统主要包括四个系统，分别是GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、GLONASS(Global Navigation Satellite System，格洛纳斯卫星导航系统)、Galileo(Galileo satellite navigation system，伽利略卫星导航系统)和BDS(BeiDouNavigation Satellite System，北斗卫星导航系统)。
不同的GNSS系统具有各自独立的系统时间，不同的系统时之间存在着一定的差异，该差异被称为GNSS系统时间偏差，简称为GNSS 系统时差。在采用多个系统进行定位时，如果不对各个系统的时间基准进行统一，系统间的时差会导致用户定位解算出现偏差，因此要实现各GNSS系统的兼容与互操作，需要在系统层面上对系统时差进行实时监测与广播。
系统时差监测方法在总体上分为两大类：直接建立时间比对链路和空间信号法。
建立时间比对链路的方法有两种：一是卫星双向时间频率传递法。该方法需要建立专用的时间同步链路，系统复杂且经济成本较高。二是GNSS卫星共视法。该方法采用伪距观测值进行计算，其精度较差。且上述两种方法均需在两个观测站上同时观测同一颗卫星，受观测站位置的影响较大。
空间信号法是在地面利用接收机接收卫星信号的方法进行时差监测。该方法只需要一台标定过硬件时延的多模接收机即可进行系统间的时差监测，方法简单，价格低廉，并且能获得较好的时差监测结果。
由于GLONASS系统采用频分多址技术，不同的GLONASS卫星信号频率各不相同，因此导致卫星信号在接收机内部的通道延迟存在一定的偏差，称为GLONASS频间偏差。由于GLONASS频间偏差是一个与接收机硬件相关的量，且该偏差基本都在纳秒量级，在利用空间信号法进行时差监测时，该偏差会包含在GLONASS与其他系统的时差值中。因此，为提高GLONASS时差监测的精度，必须对 GLONASS频间偏差进行处理。在传统的处理方法中，通常采用对 GLONASS频间偏差进行标定的方法来减弱GLONASS频间偏差对时差监测的影响，但是该方法不具有实时性且操作复杂，在长期的时差监测过程中不能有效降低GLONASS频间偏差对时差监测的影响。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种顾及到GLONASS频间偏差的时差监测方法，旨在利用数据处理的方法解决GLONASS 频间偏差对时差监测的影响，该方法可以在避免在时差监测之前对接收机进行标定的同时，降低GLONASS频间偏差对时差监测的影响。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
一种顾及到GLONASS频间偏差的时差监测方法，包括以下步骤：
第一步：实时输入接收机原始观测数据，包括原始伪距和广播星历。
第二步，对第一步输入的原始观测数据进行预处理，剔除原始观测值中的异常值，删除重复的电文。
预处理内容包括判断伪距观测值是否在正常范围内(可依据卫星和测站的距离确定伪距正常范围，可从公开文献中查到，在此不再详述)；依据卫星健康标示判断伪距观测值所对应的卫星状态是否正常。
在进行上述判断分析后将不合格的观测数据作为异常值进行剔除。
第三步，选择BDS系统和GLONASS系统组成时差监测方程组成时差监测方程，确定待估参数；
第三步中，以BDS系统(BeiDou Navigation Satellite System，北斗卫星导航系统)和GLONASS系统(Global Navigation Satellite System，格洛纳斯卫星导航系统)两个系统为例，即选择BDS系统和 GLONASS系统组成时差监测方程。
对于任一观测站的接收机观测到某一卫星j，其在第i个频点的伪距观测量表示为：
式中，为BDS系统在观测站r的接收机观测到的某一卫星m，其在第i个频点的原始伪距观测量，以米为单位；
为GLONASS系统在观测站r的接收机观测到的某一卫星n，其在第i个频点的原始伪距观测量，以米为单位；
下标r为观测站编号；上标m,n为卫星编号；C,R分别代表BDS 系统和GLONASS系统；和分别为为信号发射时刻的观测站r 到卫星m和n间的几何距离；c为真空中光速；为以北斗时为基准的接收机钟差；为BDS系统与GLONASS系统的系统时差；IFBi,0为GLONASS频间偏差；dtC,j、dtR,j分别表示BDS系统、GLONASS 系统的卫星钟差；和分别为BDS系统中的卫星m和GLONASS 系统中的卫星n在Li频点上到观测站r路径上的电离层延迟，和分别为BDS系统中的卫星m和GLONASS系统中的卫星n到观测站r路径上的对流层延迟，为BDS伪距观测值观测噪声和其他未模型化误差，为GLONASS伪距观测值的观测噪声和其他未模型化误差，未模型化误差包括对流层残余误差，电离层二阶项误差等。
在BDS系统与GLONASS系统的系统时差的解算中，通常采用不同频点的伪距观测量进行无电离层组合以消除电离层延迟，该方法查阅相关的公开文献即可得知，不在本发明中详述。
采用Saastamoinen模型对对流层延迟进行改正，该模型查阅相关的公开文献即可得知，不在本发明中详述。
BDS系统、GLONASS系统的卫星钟差采用广播星历中的钟差改正数进行改正，卫星钟差的改正方法在北斗公开的控件信号接口文件中已经详细讲述，在本发明中不再介绍。
由于GLONASS频间偏差IFBi,0具有短期稳定的特性，因此在本方法中将把GLONASS频间偏差作为待估参数与时差参数同时估计。将方程(1)进行线性化，可得BDS系统与GLONASS系统的时差监测方程为
式中，为无电离层组合后的从观测站r到BDS系统中的卫星 m的伪距观测值的残差，为无电离组合后的从观测站r到 GLONASS系统中的卫星n的伪距观测值的残差；为BDS系统中的卫星m到观测站r的单位矢量，为 GLONASS系统中的卫星n到观测站r的单位矢量，[Δx,Δy,Δz]为坐标改正数，为BDS系统无电离层组合后的伪距观测值的残差及未模型化误差，为GLONASS系统无电离层组合后的伪距观测值的残差及未模型化误差，未模型化误差包括对流层残余误差，电离层二阶项误差等，其余符号含义与上文相同。
此时方程(2)中的待估参数为
包含有位置参数即坐标改正数[Δx,Δy,Δz]、接收机钟差参数即以北斗时为基准的接收机钟差系统时差参数即BDS系统与 GLONASS系统的系统时差以及GLONASS系统的13个频间偏差参数，即IFB1,0,…,IFB13,0
第四步：利用卡尔曼滤波对待估参数进行参数估计，其过程噪声及滤波初值依据经验值进行设置。
利用卡尔曼滤波对待估参数进行参数估计，由于BDS系统与 GLONASS系统的系统时差和GLONASS频间偏差均是一个短期稳定的量，且时差监测过程通常是一个静态的过程。因此在本发明可以认为位置参数、BDS系统与GLONASS系统的系统时差和 GLONASS系统频间偏差参数在一天的时间间隔内是保持不变的时差解算的状态方程和过程噪声为
式中，I3×3为3阶的单位矩阵，和分别为位置参数的过程噪声方差、接收机钟差参数的过程噪声方差以及GLONASS频间偏差参数的过程噪声方差。过程噪声的大小按照经验值设定，通常设置为伪距观测噪声的十分之一，如(0.07,0.1,0.07)。GLONASS系统频间偏差参数的初值通常设置为一个较小的值(如，0.23)， GLONASS系统频间偏差参数在滤波的过程中会逐渐收敛到一个稳定的值。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
采用IGMAS(Internationnal GNSS Monitoring and Assessment System，国际卫星导航系统监测评估中心)的2017年11月21日至 2017年11月25日(年积日325～329)观测数据，分别采用未考虑 GLONASS系统频间偏差参数的GNSS时差监测方法和本发明提出的方法计算BDS系统和GLONASS系统之间系统时差值，计算结果如图2，对计算结果的标准差进行统计如表1：
表1 BDS-GLONASS系统时差监测标准差统计
DOY 325 326 327 328 329
现有方法 6.3549 7.8226 7.1242 6.0471 7.3023
本发明 3.2318 2.9103 3.7764 2.3179 2.3376
精度提高 49.14％ 62.27％ 46.99％ 63.82％ 67.99％
由图2和表1可以看出，利用本发明可以显著的降低系统时差值的抖动，使得BDS系统和GLONASS的系统时差值的精度提高45％以上。进而证明本发明是有效的。
考虑到GLONASS接收机频间偏差对时差监测过程造成的影响，本发明利用空间信号法计算时差参数时，将GLONASS接收机频间偏差作为待估参数进行估计。本发明可以在不进行GLONASS接收机频间偏差标校的情况下，提高BDS与GLONASS时差监测值的精度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2是采用现有方法以及本发明方法计算BDS系统和 GLONASS系统之间系统时差值后得到的计算结果对比图。
具体实施方式
图1是本发明所提供的顾及到GLONASS频间偏差的时差监测方法的流程图。该流程主要展示了在北斗三号时频统一系统时差监测项目中对本发明的应用。
第一步：实时输入接收机原始观测数据，包括原始伪距和广播星历。
第二步，对第一步输入的原始观测数据进行预处理，剔除原始观测值中的异常值，删除重复的电文。
第三步，选择BDS系统和GLONASS系统组成时差监测方程组成时差监测方程，确定待估参数；
对于任一观测站的接收机观测到某一卫星j，其在第i个频点的伪距观测量表示为：
式中，为BDS系统在观测站r的接收机观测到的某一卫星m，其在第i个频点的原始伪距观测量，以米为单位；
为GLONASS系统在观测站r的接收机观测到的某一卫星n，其在第i个频点的原始伪距观测量，以米为单位；
下标r为观测站编号；上标m,n为卫星编号；C,R分别代表BDS 系统和GLONASS系统；和分别为为信号发射时刻的观测站 r到卫星m和n间的几何距离；c为真空中光速；为以北斗时为基准的接收机钟差；为BDS系统与GLONASS系统的系统时差； IFBi,0为GLONASS频间偏差；dtC,j、dtR,j分别表示BDS系统、 GLONASS系统的卫星钟差；和分别为BDS系统中的卫星m和 GLONASS系统中的卫星n在Li频点上到观测站r路径上的电离层延迟，和分别为BDS系统中的卫星m和GLONASS系统中的卫星n到观测站r路径上的对流层延迟，为BDS伪距观测值观测噪声和其他未模型化误差，为GLONASS伪距观测值的观测噪声和其他未模型化误差，未模型化误差包括对流层残余误差，电离层二阶项误差等。
在BDS系统与GLONASS系统的系统时差的解算中，通常采用不同频点的伪距观测量进行无电离层组合以消除电离层延迟，该方法查阅相关的公开文献即可得知，不在本发明中详述。
采用Saastamoinen模型对对流层延迟进行改正，该模型查阅相关的公开文献即可得知，不在本发明中详述。
BDS系统、GLONASS系统的卫星钟差采用广播星历中的钟差改正数进行改正，卫星钟差的改正方法在北斗公开的控件信号接口文件中已经详细讲述，在本发明中不再介绍。
由于GLONASS系统的频间偏差参数IFBi,0具有短期稳定的特性，因此在本方法中将把GLONASS系统的频间偏差参数作为待估参数与时差参数同时估计。将方程(1)进行线性化，可得BDS系统与 GLONASS系统的时差监测方程为
式中，为无电离层组合后的从观测站r到BDS系统中的卫星 m的伪距观测值的残差，为无电离组合后的从观测站r到 GLONASS系统中的卫星n的伪距观测值的残差；为BDS系统中的卫星m到观测站r的单位矢量，为GLONASS系统中的卫星n到观测站r的单位矢量，[Δx,Δy,Δz]为坐标改正数，为BDS系统无电离层组合后的伪距观测值的残差及未模型化误差，为GLONASS系统无电离层组合后的伪距观测值的残差及未模型化误差，未模型化误差包括对流层残余误差，电离层二阶项误差等，其余符号含义与上文相同。
此时方程(2)中的待估参数为
包含有位置参数即坐标改正数[Δx,Δy,Δz]、接收机钟差参数即以北斗时为基准的接收机钟差系统时差参数即BDS系统与 GLONASS系统的系统时差以及GLONASS系统的13个频间偏差参数，即IFB1,0,…,IFB13,0
第四步：利用卡尔曼滤波对待估参数进行参数估计，其过程噪声及滤波初值依据经验值进行设置。
利用卡尔曼滤波对待估参数进行参数估计，由于BDS系统与 GLONASS系统的系统时差和GLONASS系统的频间偏差参数均是一个短期稳定的量，且时差监测过程通常是一个静态的过程，可以认为位置参数、BDS系统与GLONASS系统的系统时差和GLONASS 系统的频间偏差参数在一天的时间间隔内是保持不变的，时差解算的状态方程和过程噪声为
式中，I3×3为3阶的单位矩阵，和分别为位置参数的过程噪声方差、接收机钟差参数的过程噪声方差以及GLONASS频间偏差参数的过程噪声方差。过程噪声的大小按照经验值设定，通常设置为伪距观测噪声的十分之一，如(0.07,0.1,0.07)。GLONASS系统频间偏差参数的初值通常设置为一个较小的值(如，0.23)， GLONASS系统频间偏差参数在滤波的过程中会逐渐收敛到一个稳定的值。
经过步骤一到四，可以获得BDS系统与GLONASS系统的系统时差监测值。
当然，以上所述仅为本发明所应用的实例之一，并不用以限制本发明，本发明不仅用于GLONASS时差监测过程，在利用GLONASS 与其他卫星导航系统进行联合定位时，利用本发明提出的方法可以降低GLONASS频间偏差对定位的影响，进而提高定位精度。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种顾及到GLONASS频间偏差的时差监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、实时输入接收机原始观测数据，包括原始伪距和广播星历；
S2、对第一步输入的原始观测数据进行预处理，剔除原始观测值中的异常值，删除重复的电文；
S3、选择BDS系统和GLONASS系统组成时差监测方程组成时差监测方程，确定待估参数；
S4、利用卡尔曼滤波对待估参数进行参数估计。
2.根据权利要求1所述的顾及到GLONASS频间偏差的时差监测方法，其特征在于，S2中，预处理包括包括判断伪距观测值是否在正常范围内以及依据卫星健康标示判断伪距观测值所对应的卫星状态是否正常，在进行上述判断分析后将不合格的观测数据作为异常值进行剔除。
3.根据权利要求1所述的顾及到GLONASS频间偏差的时差监测方法，其特征在于，S3中，对于任一观测站的接收机观测到某一卫星j，其在第i个频点的伪距观测量表示为：
式中，为BDS系统在观测站r的接收机观测到的某一卫星m，其在第i个频点的原始伪距观测量，以米为单位；
为GLONASS系统在观测站r的接收机观测到的某一卫星n，其在第i个频点的原始伪距观测量，以米为单位；
下标r为观测站编号；上标m,n为卫星编号；C,R分别代表BDS系统和GLONASS系统；和分别为为信号发射时刻的观测站r到卫星m和n间的几何距离；c为真空中光速；为以北斗时为基准的接收机钟差；为BDS 系统与GLONASS系统的系统时差；IFBi,0为GLONASS频间偏差；dtC,j、dtR,j分别表示BDS系统、GLONASS系统的卫星钟差；和分别为BDS系统中的卫星m和GLONASS系统中的卫星n在Li频点上到观测站r路径上的电离层延迟，和分别为BDS系统中的卫星m和GLONASS系统中的卫星n到观测站r路径上的对流层延迟，为BDS伪距观测值观测噪声和其他未模型化误差，为GLONASS伪距观测值的观测噪声和其他未模型化误差，未模型化误差包括对流层残余误差，电离层二阶项误差；
将方程(1)进行线性化，可得BDS系统与GLONASS系统的时差监测方程为
式中，为无电离层组合后的从观测站r到BDS系统中的卫星m的伪距观测值的残差，为无电离组合后的从观测站r到GLONASS系统中的卫星n的伪距观测值的残差；为BDS系统中的卫星m到观测站r的单位矢量，为GLONASS系统中的卫星n到观测站r的单位矢量，[Δx,Δy,Δz]为坐标改正数，为BDS系统无电离层组合后的伪距观测值的残差及未模型化误差，为GLONASS系统无电离层组合后的伪距观测值的残差及未模型化误差，未模型化误差包括对流层残余误差，电离层二阶项误差；
此时方程(2)中的待估参数为
待估参数包含有位置参数即坐标改正数[Δx,Δy,Δz]、接收机钟差参数即以北斗时为基准的接收机钟差系统时差参数即BDS系统与GLONASS系统的系统时差以及GLONASS系统的13个频间偏差参数，即IFB1,0,…,IFB13,0。
4.根据权利要求3所述的顾及到GLONASS频间偏差的时差监测方法，其特征在于，S4中，利用卡尔曼滤波对待估参数进行参数估计，位置参数、BDS系统与GLONASS系统的系统时差和GLONASS系统的频间偏差参数在一天的时间间隔内是保持不变的，时差解算的状态方程和过程噪声为
式中，I3×3为3阶的单位矩阵，和分别为位置参数的过程噪声方差、接收机钟差参数的过程噪声方差以及GLONASS频间偏差参数的过程噪声方差；过程噪声的大小设置为伪距观测噪声的十分之一；GLONASS频间偏差参数的初值设置为0.23，GLONASS系统频间偏差参数在滤波的过程中会逐渐收敛到一个稳定的值。
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