CN111007543B - 一种单历元实时钟差融合系统及方法 - Google Patents

一种单历元实时钟差融合系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单历元实时钟差融合系统及方法，系统包括RTS实时接收模块、实时精密钟差生成模块和实时精密钟差融合模块，接收多个分析中心的钟差改正数数据，将RTS钟差改正数应用于广播星历，生成实时钟差数据；根据钟差观测方程，采用最小二乘与给定基准约束，并根据Huber权函数迭代权值，实时计算得到融合钟差，实现钟差的实时融合与监测。本发明所采用的单历元钟差融合方法相较于传统卡尔曼滤波方法无需收敛时间，相较于加权平均方法，使用Huber权函数迭代权值减少了粗差影响；采用一阶差分作为观测值有效地解决了两种传统方法中都存在的基准跳变的问题。本发明所获得的融合钟差产品可以用于实时精密单点定位，提高其定位精度和可靠性。

Description

一种单历元实时钟差融合系统及方法
技术领域
本发明涉及到实时卫星钟差技术领域，具体涉及单历元实时钟差融合系统及方法。
背景技术
传统的钟差融合方法有加权平均和卡尔曼滤波两种方法。加权平均方法有如下缺陷：
1.存在基准跳变现象
加权平均方法对各个分析中心产品钟差序列取加权平均值，方法复杂度低，无需收敛时间，但是未顾及分析中心数据中断或者分析中心产品存在的基准跳变现象，导致融合产品中也存在大量跳变值。
2.存在粗差值
多个分析中心的钟差序列中可能存在粗差值，加权平均无法淘汰粗差值，导致最终的融合序列粗差出现的频率是所有分析中心粗差频率总和。
卡尔曼滤波方法的缺陷如下：
1.需要一段时间收敛
卡尔曼滤波中状态方程需要参数的初值，通常情况下可以简单的取0向量或者各个分析中心观测值的均值，无论哪种方法初值都需要一段收敛时间。未收敛前的融合值无法使用，这也意味着当软件因为断电，故障等原因不可用重新启动后，将在一段时间内不可用。
2.存在基准跳变现象
卡尔曼滤波将通过观测值得到的参数与预测值融合，降低了观测值中存在跳变值时对参数的影响，但是基准跳变的影响仍然存在。并且当分析中心数据缺失时会改变秩亏自由网的基准约束，同样导致跳变现象发生，因此相对于加权平均方法引入了新的基准跳变。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种单历元实时卫星钟差融合技术方案，利用多个IGS实时服务产品(Real-Time Service，RTS)提供的精密钟差改正数，实时融合形成可用性更高、方法复杂度更低、无基准跳变的钟差产品。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案包括一种单历元实时钟差融合系统，包括RTS实时接收模块、实时精密钟差生成模块和实时精密钟差融合模块，
所述RTS实时采集模块，用于接收多个分析中心的钟差改正数数据；
所述实时精密钟差生成模块，用于将RTS钟差改正数应用于广播星历，生成实时钟差数据；
所述实时精密钟差融合模块，用于每隔时间T1读取实时钟差数据，根据钟差观测方程，采用最小二乘与给定基准约束，并根据Huber权函数迭代权值，实时计算得到融合钟差，并将钟差数据每隔时间T2生成一次采样间隔为T3的数据，实现钟差的实时融合与监测，其中T1、T2和T3为预设的时长。
而且，还包括数据管理模块和数据可视化模块，所述数据管理模块用于查询、统计和下载各个分析中心的钟差以及融合钟差产品；所述数据可视化模块用于显示实时钟差融合情况。
而且，RTS钟差改正数的获取时间间隔为5秒。
而且，T1的取值为5秒，T2的取值为1分钟，T3的取值为5秒。
而且，融合后钟差发布为SSR格式。
本发明提供一种单历元实时钟差融合方法，包括以下步骤：
步骤1，确定需要融合的分析中心钟差产品，获得多个分析中心的钟差改正数数据；
步骤2，每隔时间T4提取RTS钟差改正数和广播星历，生成时间间隔为T5的实时钟差产品；
步骤3，每隔时间T6提取实时钟差产品，根据钟差观测方程，采用最小二乘与给定基准约束，并根据Huber权函数迭代权值，实时计算得到融合钟差；
其中T4、T5和T6为预设的时长。
而且，所述钟差观测方程如下
Figure BDA0002307004410000021
其中
Figure BDA0002307004410000022
表示第a个分析中心第s颗卫星的钟差序列的一阶差分；
Figure BDA0002307004410000023
表示融合后钟差值一阶差分；
Figure BDA0002307004410000024
表示分析中心相关偏差，与分析中心有关；
Figure BDA0002307004410000025
表示卫星和分析中心相关的误差，与卫星和分析中心都有关。
而且，所述基准约束如下，
Figure BDA0002307004410000026
Figure BDA0002307004410000027
Figure BDA0002307004410000028
其中，Pa表示分析中心权值第一个方程表示对分析中心相关偏差的重心基准约束，第二个方程表示对分析中心和卫星相关偏差的重心基准约束，第三个方程为对分析中心相关偏差的中心约束。
而且，所述间隔时间T4为5秒，所述时间间隔T5为5秒，所述时间间隔T6的取值为5秒。
而且，RTS钟差改正数的获取时间间隔为5秒。
本发明的显著效果是：
1、通过实时钟差生成模块生成了RTS钟差改正数对应的钟差序列，通过实时精密钟差融合模块融合了各个分析中心的钟差序列，实现了实时精密钟差产品的生成；
2、本发明所采用的单历元钟差融合方法相较于传统卡尔曼滤波方法无需收敛时间，方法开始时刻即可达到最高精度；相较于加权平均方法，使用Huber权函数迭代权值，减少了粗差影响；采用一阶差分作为观测值有效地解决了两种传统方法中都存在的基准跳变的问题；
3、本发明所获得的融合钟差产品可以用于实时精密单点定位，提高其定位精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图。
图2为本发明实施例的系统结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明具体技术方案。
如图1所示，实施例提供的一种单历元实时钟差融合系统，包括RTS实时接收模块、实时精密钟差生成模块、实时精密钟差融合模块、数据管理模块和数据可视化模块，具体实施时，可在计算机中采用软件模块化方式实现系统，还可以在计算机中提供相应数据库以便实现相应数据存储。实施例中，提供了钟差改正数数据库、精密钟差数据库和融合钟差数据库：
所述RTS实时采集模块用于接收IGS多个分析中心的钟差改正数数据，存入钟差改正数数据库；例如，实施例接收BKG,CNES,DLR,ESA/ESOC,GFZ,GMV,NRCan,WUHAN8个分析中心的数据，得到8个分析中心的CLK10、CLK22、CLK93等产品。其中，IGS表示国际GNSS服务(International GNSS Service)。
所述实时精密钟差生成模块用于将RTS钟差改正数应用于广播星历，生成实时钟差数据并存入精密钟差数据库；
所述实时精密钟差融合模块用于每隔时间T1读取精密钟差数据库中实时钟差数据，通过单历元钟差融合实时计算融合钟差数据，即根据钟差观测方程，采用最小二乘与给定基准约束，并根据Huber权函数迭代权值，实时计算得到融合钟差；并将钟差数据每隔时间T2生成一次采样间隔为T3的数据，然后生成的数据可存入融合钟差数据库，实现钟差的实时融合；
单历元钟差融合的具体实现参见方法部分，本发明不予赘述。
进一步的，所述实时监测系统还包括数据管理模块和数据可视化模块，所述数据管理模/块用于查询、统计和下载各个分析中心的钟差以及融合后的钟差产品，可从钟差改正数数据库、精密钟差数据库和融合钟差数据库中提取需要的数据；所述数据可视化模块用于显示实时钟差融合情况。
具体实施时，可预先设置时间T1、T2和T3的取值，T1是T3的倍数，T2是T3的倍数，T2>T1。优选地，所述RTS钟差改正数的获取时间间隔为5秒或10秒，所述间隔时间T1的取值为5秒，所述间隔时间T2的取值为1分钟，所述时长T3的取值为5秒。实施例中，所述间隔时间T1的取值为5秒，所述间隔时间T2的取值为1分钟，所述时长T3的取值为5秒。优选地，融合后钟差发布为SSR格式。
本发明也可采用计算机软件方式实现。参见附图2，本实施例还提出了一种单历元实时钟差融合方法，具体步骤如下：
步骤1：确定需要融合的分析中心钟差产品，以0.2Hz的特定频率获得RTS产品和广播星历，即获得多个分析中心的钟差改正数数据，存入钟差改正数数据库；
步骤2：每间隔时间T4从钟差改正数数据库中获取RTS钟差改正数和广播星历，生成时间间隔为T5的实时精密钟差产品并存入精密钟差数据库；
在具体实施过程中，每个分析中心接收到的原始数据为SSR格式，提取其中的C0，C1，C2和t0项，根据下式生成钟差序列t。
δC＝C0+C1(t-t0)+C2(t-t0)2
Figure BDA0002307004410000041
其中C0,C1,C2分别是钟差改正数的偏差、一阶导数项和二阶导数项，δC为钟差改正数，目前C1,C2项为0；t0是改正数的参考时间，tbrdc是广播星历改正数，c是光速。
步骤3：每隔时间T6从精密钟差数据库中获得步骤2中生成的实时钟差产品，根据钟差观测方程，采用最小二乘与给定基准约束实时计算融合钟差，并根据Huber权函数迭代权值，减少粗差影响；
具体实施时，可预先设置时间T4、T5和T6的取值，T4,T5和T6是5秒的倍数。实施例中，所述间隔时间T4为5秒，所述时间间隔T5为5秒，所述时间间隔T6的取值为5秒。
本例中，各个分析中心实时钟差表示为实际钟差、分析中心相关误差、分析中心以及卫星相关误差的线性组合，所述钟差观测方程如下：
Figure BDA0002307004410000051
其中
Figure BDA0002307004410000052
表示第k个历元的钟差观测值，下标a表示分析中心，上标s表示卫星号；Cs(k)表示融合后钟差值；Ba(k)表示分析中心偏差，与分析中心有关；
Figure BDA0002307004410000053
表示卫星和分析中心相关的误差，与卫星和分析中心都有关。
需要求解的参数为上式中融合钟差Cs(k)，将上式做历元间差分可消除观测值的系统偏差，并且将基准跳变转换为粗差值，再用Huber权函数迭代权值，减少粗差影响：
Figure BDA0002307004410000054
其中
Figure BDA0002307004410000055
表示第a个分析中心第s颗卫星的钟差序列的一阶差分；
Figure BDA0002307004410000056
表示融合后钟差值一阶差分；
Figure BDA0002307004410000057
表示分析中心相关偏差，与分析中心有关；
Figure BDA0002307004410000058
表示卫星和分析中心相关的误差，与卫星和分析中心都有关。
上式中，观测值
Figure BDA0002307004410000059
共有na×ns个，待求参数有三种，融合钟差
Figure BDA00023070044100000510
有ns个，测站相关偏差
Figure BDA00023070044100000511
共na个，分析中心测站相关偏差
Figure BDA00023070044100000512
共na×ns个，法方程系数秩亏，需要添加至少ns+na个基准。
Figure BDA00023070044100000513
和
Figure BDA00023070044100000514
是引入的参数，量级在10-10，可为其添加重心基准。更进一步的，所述基准约束为；
Figure BDA00023070044100000515
Figure BDA00023070044100000516
Figure BDA00023070044100000517
其中，第一个方程表示对分析中心相关偏差的重心基准约束，第二个方程表示对分析中心和卫星相关偏差的重心基准约束，第三个方程为对分析中心相关偏差的中心约束。
上式中Pa表示分析中心权值。添加重心基准后可求得其最小二乘解，由于是以一阶差分作为观测值，还需要给出初始历元融合值。中位数抗差能力强，可将各个分析中心钟差观测值中位数作为融合初值。
Figure BDA00023070044100000518
其中，Cs(0)是卫星s融合钟差初值，
Figure BDA00023070044100000519
是分析中心卫星钟差观测值。
本发明所述方案与传统钟差融合方法的区别有：
(1)基于一阶差分的观测方程
目前，钟差融合方法都是以钟差值为观测值，由于融合的原始钟差序列中存在基准跳变现象，无论是加权平均方法还是卡尔曼滤波方法都无法避免观测值中存在的基准跳变，使用一阶差分观测值可以将基准跳变转换成粗差值，进而利用粗差淘汰方法剔除原始钟差序列中存在的粗差值。
(2)基于Huber函数迭代权值，减少粗差影响
传统方法中一般使用预测值和根据观测值估计的参数融合来削弱参数中粗差的影响，本发明基于Huber函数的迭代权可以在计算参数最小二乘解的过程中动态更新权值，削弱粗差的影响。具体来说，下一次迭代的权值与上一次迭代的残差有关，残差越大，说明观测值越有可能是粗差，因此下一次迭代的权值越小。
(3)基于滑动窗口的实时钟差融合
各个分析中心数据传输频率一般为0.1hz或者0.2hz，为了对齐各个分析中心的时间，传统方法采样频率低于0.1hz,本发明采用滑动窗口方法取当前时刻前1分钟内数据进行计算。这既可以保证有足够的观测值供插值使用，又可以以高时间分辨率实时输出融合钟差。
具体实施时，可以采用计算机软件技术实现以上方法流程的自动运行。
本发明通过RTS实时接收，实时精密钟差生成以及实时精密钟差融合，实时稳定地提供基于RTS钟差产品的高可用性、高可靠性的实时融合钟差产品；通过Huber权函数和一阶差分观测值削弱了观测值中数据缺失以及基准跳变的影响。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种单历元实时钟差融合系统，其特征在于：包括RTS实时接收模块、实时精密钟差生成模块和实时精密钟差融合模块，
所述RTS实时采集模块，用于接收多个分析中心的钟差改正数数据；
所述实时精密钟差生成模块，用于将RTS钟差改正数应用于广播星历，生成实时钟差数据；
所述实时精密钟差融合模块，用于每隔时间T1读取实时钟差数据，根据钟差观测方程，采用最小二乘与给定基准约束，并根据Huber权函数迭代权值，实时计算得到融合钟差，并将钟差数据每隔时间T2生成一次采样间隔为T3的数据，实现钟差的实时融合与监测，其中T1、T2和T3为预设的时长；
所述钟差观测方程如下，
Figure FDA0003306408060000011
其中
Figure FDA0003306408060000012
表示第a个分析中心第s颗卫星的钟差序列的一阶差分；
Figure FDA0003306408060000013
表示融合后钟差值一阶差分；
Figure FDA0003306408060000014
表示分析中心相关偏差，与分析中心有关；
Figure FDA0003306408060000015
表示卫星和分析中心相关的误差，与卫星和分析中心都有关；
所述基准约束如下，
Figure FDA0003306408060000016
Figure FDA0003306408060000017
Figure FDA0003306408060000018
其中，Pa表示分析中心权值第一个方程表示对分析中心相关偏差的重心基准约束，第二个方程表示对分析中心和卫星相关偏差的重心基准约束，第三个方程为对分析中心相关偏差的中心约束。
2.根据权利要求1所述的单历元实时钟差融合系统，其特征在于：还包括数据管理模块和数据可视化模块，所述数据管理模块用于查询、统计和下载各个分析中心的钟差以及融合钟差产品；所述数据可视化模块用于显示实时钟差融合情况。
3.根据权利要求1所述的单历元实时钟差融合系统，其特征在于：RTS钟差改正数的获取时间间隔为5秒。
4.根据权利要求1所述的单历元实时钟差融合系统，其特征在于：T1的取值为5秒，T2的取值为1分钟，T3的取值为5秒。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的单历元实时钟差融合系统，其特征在于：融合后钟差发布为SSR格式。
6.一种单历元实时钟差融合方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定需要融合的分析中心钟差产品，获得多个分析中心的钟差改正数数据；
步骤2，每隔时间T4提取RTS钟差改正数和广播星历，生成时间间隔为T5的实时钟差产品；
步骤3，每隔时间T6提取实时钟差产品，根据钟差观测方程，采用最小二乘与给定基准约束，并根据Huber权函数迭代权值，实时计算得到融合钟差；
其中T4、T5和T6为预设的时长；
所述钟差观测方程如下，
Figure FDA0003306408060000021
其中
Figure FDA0003306408060000022
表示第a个分析中心第s颗卫星的钟差序列的一阶差分；
Figure FDA0003306408060000023
表示融合后钟差值一阶差分；
Figure FDA0003306408060000024
表示分析中心相关偏差，与分析中心有关；
Figure FDA0003306408060000025
表示卫星和分析中心相关的误差，与卫星和分析中心都有关；
所述基准约束如下，
Figure FDA0003306408060000026
Figure FDA0003306408060000027
Figure FDA0003306408060000028
其中，Pa表示分析中心权值第一个方程表示对分析中心相关偏差的重心基准约束，第二个方程表示对分析中心和卫星相关偏差的重心基准约束，第三个方程为对分析中心相关偏差的中心约束。
7.根据权利要求6所述的单历元实时钟差融合方法，其特征在于：所述间隔时间T4为5秒，所述时间间隔T5为5秒，所述时间间隔T6的取值为5秒。
8.根据权利要求6所述的单历元实时钟差融合方法，其特征在于：RTS钟差改正数的获取时间间隔为5秒。
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