CN110221320A - 一种基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法，在北斗卫星信号覆盖的区域布设至少三个测站，每个测站配备抛物面天线，轮询观测本地可视的北斗卫星，获取观测期间的预报轨道，或通过双行轨道根数推算观测期间的轨道；利用轨道数据和测站坐标设计观测计划，观测计划中保证每颗可视卫星拥有观测时间；利用模型分离电离层延迟，解算频间偏差。本发明能够有效抗多径、提高信噪比，从而提高观测北斗卫星的测距精度，进而提高北斗卫星频间偏差的解算精度。

Description

一种基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法

技术领域

本发明涉及一种导航卫星频间偏差的估计方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)提供的定位、导航、授时服务，极大的满足了人们在生活、科研、军事等各方面的要求。随着GNSS的不断完善，全球导航卫星系统呈现出多频化的发展趋势。多频信号有助于提高模糊度的固定速度，有巨大的应用前景。但是由于卫星上各个频点导航信号发射链路并不完全相同，所以不同频点间的通道延迟之间会有差值，该差值称为频间偏差。频间偏差的解算是使用多频信号必须解决的关键问题。导航卫星的频间偏差的精确确定是实现高精度的导航、定位、授时的一个重要前提。伪码和载波相位观测值均存在频间偏差，前者被称为差分码偏差(Differential Code Bias,DCB)，后者被称为差分相位偏差(Differential Phase Bias,DPB)，本发明主要针对DCB的解算。

北斗卫星导航系统在导航电文中提供TGD(Timing Group Delay)参数供用户使用。北斗系统中，将B3频点的绝对硬件延迟归算到钟差，发播的TGD参数为B1、B2频点与B3频点的硬件延迟之差，即频间偏差。但导航电文中的TGD参数精度较差，无法满足高精度用户的需求。目前高精度用户获取卫星DCB的主要途径是通过IGS(International GNSSService)和iGMAS(International GNSS Monitoring and Assessment System)获得。IGS电离层小组旨在提供全球高精度的电离层图以及导航卫星和各个监测站的参数。IGS电离层小组根据4个电离层联合分析中心独立解算提供的数据，将其综合处理为一个最终发布的产品。其卫星和接收机频间偏差参数解算精度高，通常作为相关工作的参考。iGMAS也就全球电离层延迟模型建立开展研究，目前已可以停供快速、事后的电离层产品和频间偏差产品。频间偏差一直是国际上相关领域研究的热点问题，但是目前国内外对频间偏差的解算和研究均存在一些局限。

GNSS接收机的天线通常为全向天线，目前的研究大都是基于全向天线进行的。该类天线可以尽可能多的捕捉导航卫星的信号，提供位置确定等一系列服务。但是全向天线的增益小，信噪比低，抗多径能力差，由此导致了数据质量、测距精度的降低。其面临的问题和挑战主要有：

(1)多径问题难以解决。多径一直是干扰GNSS测距的主要原因之一。目前针对全向天线多路径效应，降低多路径效应主要的方法有硬件上增加扼流圈、抑径板、吸波巢等装置，提高截止高度角，但其结果并不理想。由于多径对伪码的影响较大，可达米级，但对载波相位观测值的影响在厘米级，因此在数据处理时一般借助载波相位的观测量来估算伪码观测量的多路径影响，但是处理过程中又会引入载波观测值的多径影响。

(2)天线增益低。提高频间偏差解算精度的一个主要途径是减少测距误差。而测距误差与信号载噪比的平方根成反比。也就是说，如果能够有效地提高载噪比，就能够有效降低伪码和载波观测值的测距误差，进而提高频间偏差的解算精度。全向天线的最高增益一般在5dBi左右，采用全向天线的接收机其载噪比受卫星高度角的影响，一般在30-40dB左右。而定向天线的增益较高，如5米口径抛物面天线的L波段增益可超过30dBi，使用其作为接收机天线可有效地提高载噪比，进而较少测距误差，提高测距精度。

另外，由于中低轨道卫星信号覆盖范围有限，一个站点难以进行较长时间段的观测。有技术采用多个抛物面站点协同工作，接力观测一颗卫星，以获得持续有效的观测数据。但是频间偏差解算过程中需要解算电离层模型以分离电离层时延，而单颗卫星的观测数据无法实现全球或区域电离层模型的确定，因此该技术不适用于导航卫星频间偏差的解算。

综上所述，多频信号是GNSS包括北斗系统未来发展的趋势，而频间偏差是多频数据融合处理中所遇到的一个核心问题。目前国内外针对频间偏差解算的研究一般采用全向天线的观测数据，但全向天线增益小、信噪比低、抗多径能力差，会影响频间偏差的解算精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于抛物面天线观测的北斗卫星频间偏差测定方法，采用轮询方式观测北斗导航卫星，利用抛物面天线增益高、方向性好的特点，有效抗多径、提高信噪比，从而提高观测北斗卫星的测距精度，进而提高北斗卫星频间偏差的解算精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，在北斗卫星信号覆盖的区域布设至少三个测站，测定测站坐标；

第二步，每个测站配备抛物面天线，天线具备北斗导航信号的接收能力；

第三步，每个测站配备测地型GNSS接收机；

第四步，每个测站根据北斗卫星轨道设计观测计划，轮询观测本地可视的北斗卫星，获取观测期间的预报轨道，或通过双行轨道根数推算观测期间的轨道；利用轨道数据和测站坐标设计观测计划，观测计划中保证每颗可视卫星拥有观测时间；

第五步，对每个测站采集到的观测数据进行预处理，包括检测与剔除粗差、探测与修复周跳、以及修复伪距；

第六步，利用模型分离电离层延迟，解算频间偏差。

所述的测站保证卫星高度角大于10度。

所述的抛物面天线的口径为5米。

所述的天线具备北斗系统L波段信号的接收能力，同时具备GEO\IGSO\MEO卫星的跟踪能力。

所述的观测计划中，可视时间较短的卫星优先观测。

所述的天线轮询观测本地可视的北斗卫星之前，需要设置最低俯仰角、最高俯仰角和方位保护区域；观测时沿同一方向依次轮询。

所述的天线轮询观测本地可视的北斗卫星时，在一个计算周期内多次轮询所有卫星。

本发明的有益效果是：

(1)可以有效抗多径。常规方法采用全向天线观测，多径影响严重。本发明使用抛物面天线，利用其方向性好的特性，有效的抗多径，从而可以提高频间偏差解算精度。

(2)观测载噪比高。常规方法采用全向天线观测，全向天线的增益一般为5dBi，观测导航卫星的载噪比一般为30-40dB。本方法使用抛物面天线，增益高，5米口径抛物面天线观测L波段信号的增益可达30dBi，观测北斗GEO卫星载噪比可超过50dB。从而可以提高测距精度，进而提高频间偏差解算精度。

(3)采用轮询模式观测。抛物面卫星同一时间只能观测一颗卫星，无法解算电离层模型。本发明利用频间偏差在短时间内(2小时)变化较小可视为常数的特性，采用轮询模式设计观测大纲开展观测，以获取所有可视卫星的观测数据，分离电离层时延解算频间偏差。

附图说明

图1是抛物面天线观测北斗卫星的方位角设计示意图；

图2是抛物面天线观测北斗GEO卫星的伪码跳动情况示意图；

图3是抛物面天线观测北斗GEO卫星的伪距跳动修复结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法。针对抛物面天线同一时间只能观测一颗卫星的问题，本发明使用轮询的方式进行观测。相对于全向天线而言，抛物面天线的增益高，且抗多径能力强。若使用抛物面天线观测导航卫星，就可以有效减少多路径效应、提高信噪比，进而提高信号质量和测距精度，从而获得更高精度的频间偏差产品。因此，本发明对于GNSS和北斗多频信号的发展有重要的推动作用。

本方法使用抛物面天线连接测地型GNSS接收机，采用轮询方式开展观测，通过抛物面天线高信噪比、有效抗多径等优势，提高观测精度，进而提高北斗卫星频间偏差的解算精度。最终提供一种有效、可靠的北斗卫星频间偏差的测定方法。

基于抛物面天线的北斗卫星频间偏差测定精密估计方法主要包括以下步骤：

第一步，在北斗卫星信号覆盖的区域布站，测站坐标应事先精确测定，保证卫星高度角，以此保证观测数据的质量(建议高于10度)，地面站数量应大于3，几何分布良好。

第二步，每个测站需要配备抛物面天线(建议口径：5米)，天线系统需要具备北斗导航信号的接收能力。该能力包括：北斗系统L波段信号的接收能力，GEO\IGSO\MEO卫星的跟踪能力。

第三步，每个测站需要配备测地型GNSS接收机并外接高精度频率信号。

第四步，每个测站根据北斗卫星轨道设计观测计划，轮询观测本地可视的北斗卫星。通过IGS、iGMAS等导航卫星系统服务机构获取观测期间的预报轨道，或通过双行轨道根数推算观测期间的轨道，利用轨道数据和测站坐标设计观测计划。卫星观测计划中应保证每颗可视卫星的观测时间，可视时间较短的卫星应优先观测。

第五步，对每个测站采集到的观测数据进行预处理，包括粗差的检测与剔除，周跳的探测与修复，伪距的修复。

第六步，利用模型分离电离层延迟，解算频间偏差。

本发明的实施例包括以下步骤：

第一步，在北斗卫星信号能覆盖到的区域布站，测站坐标应事先精确测定，保证卫星高度角，以此保证观测数据的质量(建议高于10度)，地面站数量应大于3，几何分布良好。

第二步，每个测站需要配备抛物面天线(建议口径：5米)，天线系统需要具备北斗导航信号的接收能力。天线跟踪系统需要具备跟踪观测北斗导航系统的GEO、IGSO、MEO卫星的能力。

第三步，每个测站需要配备测地型GNSS接收机并外接高精度频率信号。

第四步，每个测站根据北斗卫星星历设计观测计划，轮流观测本地可视的北斗卫星。抛物面天线方向性要求高，同一时刻一般只能观测一颗北斗卫星；而使用单星数据难以分离出频间偏差。为此本方法采用分时观测的方法，在一个计算周期内轮询所有的待观测卫星，从而获得所有待测卫星的观测数据。采用该方法对天线建设精度有比较高的要求，要避免抛物面天线的相位中心随天线转动发生变化(或变化在可接受范围内)，且能够跟踪到运行速度较快的MEO卫星。

前期试验中采用的天线的相位中心位置精度为毫米级(相对于方位俯仰交点)，方位俯仰交点的精度为毫米级，满足频间偏差解算的精度要求。但是针对抛物面天线的结构限制，需要考虑的问题具体为：1)为了避免天线口面碰撞基墩，必须设置最低俯仰角；2)为了避免转出齿轮行程，必须设置最高俯仰角；3)为了避免线缆缠绕，必须设置方位保护区域；4)由于卫星切换期间的观测数据不可用，为了减少天线转动时间，提高观测数据数量，抛物面天线观测北斗导航卫星时应从东至西(或从西至东)依次轮询。另外，分时观测时不同卫星数据的相关性降低，为保证解算精度，在一个计算周期(一般为2小时)需要多次(2-4次)轮询所有卫星。

具体方法流程如下：

(1)试验准备阶段，需要通过IGS、iGMAS等导航卫星系统服务机构获取观测期间的预报轨道，或通过双行轨道根数推算观测期间的轨道。

(2)对任一测站，利用每个卫星的轨道数据和测站坐标计算每个观测时刻的观测方位俯仰角。由于MEO/IGSO卫星速度较快，且抛物面天线方向性好，建议计算观测期间每颗卫星每秒的方位俯仰角。

(3)删除俯仰角低于截止高度角的观测条目，删除方位角超出天线可观测范围的观测条目。

(4)筛选观测卫星。为保证观测质量，观测大纲设计为一个迭代过程。以2小时计算一次，30分钟轮询一次，每颗卫星观测2分钟，自东向西观测为例：

1)为每颗北斗导航卫星设置可观测次数，本次轮询中可能观测到的卫星可观测次数设置为1，无法观测的卫星可观测次数设置为0。

2)针对每次2分钟的观测时段，从可观测次数不为0的卫星中选择最东侧的卫星，该颗卫星的可观测次数减1。

3)重复进行2)步，直至不存在可观测次数不为0的卫星。

4)如观测时间无法排满30分钟，执行1)步。随后选择该2小时计算弧段中观测次数最少的卫星，将其可观测次数增加1；若存在观测次数相同的情况，按照MEO、IGSO、GEO的顺序选择；若同一类卫星中仍存在观测次数相同的情况，选择全天观测次数最少的卫星；若仍有观测次数相同的卫星可任意选择。

5)重复进行2)～4)步，直至观测时间排满30分钟。

前期试验采用的观测大纲中的方位角如图1所示，方位角限制为10～350度，其中偶数小时天线由西向东旋转轮询卫星，奇数小时由东向西旋转轮询卫星，以尽量减少天线转动的时间。

第五步，对每个测站采集到的观测数据进行预处理，包括粗差的检测与剔除，周跳的探测与修复，伪距的修复。

抛物面天线观测北斗卫星时，一般仅可以观测到一颗卫星。接收机本身无法完成定位授时，进而会影响观测数据的接收和采集。前期研究时发现，使用抛物面天线作为GNSS接收天线观测北斗GEO卫星时，伪码数据会如图2所示跳动，但是载波相位数据正常。

经过分析，发现该伪距跳动除以光速后恰为毫秒的整数倍，可以认为该跳动是因为只观测一颗卫星时接收机的时钟无法固定，其变化反映到了伪距观测值中。1毫秒的变化对应的伪距跳动约为300公里，远超过其他误差项，可以以此为约束进行修正。

本发明在预处理过程中使用卫星预报轨道和测站坐标计算星地距离作为先验值，以毫秒的整数倍差异作为约束，可以实现对这一跳动的修正。如图3所示。

第六步，利用模型分离电离层延迟，解算频间偏差。

北斗的伪距观测方程如下。

其中s代表观测的卫星，r代表测站，i代表观测的频点，C为伪码观测值，ρ为星地几何距离，T为对流层时延，γ为与相应频点频率平方的倒数(北斗导航系统的工作频点记录在中国卫星导航系统管理办公室公布的《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件》中)，I为倾斜电离层时延的一阶项，dt_r为测站钟差，dt^s为卫星钟差，为接收机i频点的伪码硬件时延，为卫星i频点的伪码硬件时延，λ为载波波长，φ为载波观测值，N为整周模糊度，为卫星i频点的相位硬件时延，为卫星i频点的相位硬件时延，ε表示观测噪声。

通过无几何组合可以获得：

由于电离层延迟可由下式计算，其中C₄为观测值几何组合的结果，STEC指倾斜电子浓度，freq_i值频点i的工作频率：

因此有下式，其中DCB^s为s星的DCB，DCB_r为接收机r的DCB。

由于垂直电子浓度VTEC可由STEC和投影函数MF获得。

VTEC＝MF(z)·STEC

其中z为卫星高度角，MF可采用如下的单层电离层模型投影函数：

MF(z)＝cos(arcsin(R/(R+H)·sin(az)))

R为地球半径，H为电离层高度。CODE推荐H＝506.7km，a＝0.9782，R＝6378km。而VTEC可以使用球谐模型拟合，拟合方程为：

其中β为穿刺点纬度，s为穿刺点的日固经度，为缔合勒让德多项式，a_nm、b_nm为待求的区域电离层模型参数。

综合上述的公式，联合约束条件(固定某一颗GEO卫星DCB参数出场标定值)，解算获得DCB^s、DCB_r、a_nm、b_nm，从而获得区域电离层模型和卫星、测站的DCB参数。

为验证方法的有效性，本发明开展了单站解算北斗卫星的观测试验。试验使用5米口径的抛物面天线连接天宝NET R9四系统GNSS接收机观测北斗卫星。观测方式为轮询观测，每颗卫星观测128秒后进行更换，每两小时解算一次，采用IGS提供的北斗卫星轨道计算观测大纲，采用的模型为球冠模型，电离层薄壳假设，观测卫星为北斗系统卫星(C04星不可见)。固定C01的频间偏差参数，求得的频间偏差结果如表1所示。

表1 2018年6月2日单站分时观测的DCB结果稳定度(ns)

卫星	C01	C02	C03	C04	C05	C06	C07	C08	C09	C10	C11	C12	C13	C14
															标准差	0	0.25	0.15	-	0.40	0.32	0.30	0.26	0.29	0.28	0.56	0.71	0.26	0.05

该结果为单站试验结果，并非本方法的最终结果，但可证明本方法的有效性。

Claims (7)

1.一种基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，在北斗卫星信号覆盖的区域布设至少三个测站，测定测站坐标；

第二步，每个测站配备抛物面天线，天线具备北斗导航信号的接收能力；

第三步，每个测站配备测地型GNSS接收机；

第四步，每个测站根据北斗卫星轨道设计观测计划，轮询观测本地可视的北斗卫星，获取观测期间的预报轨道，或通过双行轨道根数推算观测期间的轨道；利用轨道数据和测站坐标设计观测计划，观测计划中保证每颗可视卫星拥有观测时间；

第五步，对每个测站采集到的观测数据进行预处理，包括检测与剔除粗差、探测与修复周跳、以及修复伪距；

第六步，利用模型分离电离层延迟，解算频间偏差。

2.根据权利要求1所述的基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法，其特征在于：所述的测站保证卫星高度角大于10度。

3.根据权利要求1所述的基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法，其特征在于：所述的抛物面天线的口径为5米。

4.根据权利要求1所述的基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法，其特征在于：所述的天线具备北斗系统L波段信号的接收能力，同时具备GEO\IGSO\MEO卫星的跟踪能力。

5.根据权利要求1所述的基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法，其特征在于：所述的观测计划中，可视时间较短的卫星优先观测。

6.根据权利要求1所述的基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法，其特征在于：所述的天线轮询观测本地可视的北斗卫星之前，需要设置最低俯仰角、最高俯仰角和方位保护区域；观测时沿同一方向依次轮询。

7.根据权利要求1所述的基于抛物面天线观测的北斗频间偏差测定方法，其特征在于：所述的天线轮询观测本地可视的北斗卫星时，在一个计算周期内多次轮询所有卫星。