CN111308504A - 一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,包括数据获取、数据预处理、误差修正、建立方程、参数解算、计算经验阈值、判断轨道机动和判断机动卫星号八个步骤;本发明将原始的相位观测值直接进行历元间差分,组成历元间差分观测模型,既可以消除部分公共误差影响,提高误差修正水平,同时消除了整周模糊度参数,将三维速度和钟差历元变化参数一起进行实时估计,能够直接得到测站的三维速度和相应的参数估计信息,提高了轨道机动探测的准确性,同时方便实时操作,能高效探测出轨道机动,减小卫星机动对精密定轨的影响,延长用户端卫星的可用观测时间,对于提升精密导航定位授时服务具有重要价值。
Description
技术领域
本发明涉及星轨道机动实时探测技术领域,具体涉及一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法。
背景技术
北斗卫星导航星座由地球静止轨道、倾斜地球轨道和中圆轨道三种星座组成。在日月等星体的引力作用下,卫星的轨道会发生变化。因此,为了保证卫星在设计的轨道上运行,需要通过轨道机动方式进行轨道调整。尤其是地球静止轨道卫星,轨道机动更为频繁。当前,轨道机动的探测方法存在精度低,精准性差,不易实时操作或工作方式复杂等诸多不足。
如何提高轨道机动探测的准确性,同时方便实时操作,简单方面,能高效探测出轨道机动,减小卫星机动对精密定轨的影响,并延长用户端卫星的可用观测时间,对于提升精密导航定位授时服务具有重要价值。
发明内容
针对上述存在的技术问题,本发明提供了一种基于观测值历元差分的原理,采用相位观测值历元差分测速模型求解测站的观测值矩阵、三维速度和观测值残差,并确定观测值矩阵和观测值残差STD的经验阈值,通过观测值残差的STD来判断卫星是否发生机动,通过观测值矩阵来识别机动卫星的PRN号码的实时探测北斗卫星轨道机动的方法。
本发明的技术方案为:一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,包括以下步骤:
步骤一、数据获取;
收集测站上北斗卫星的双频观测值以及北斗数据处理需要的辅助数据,辅助数据包括北斗卫星广播星历、天线相位中心和地球自转参数;
步骤二、数据预处理;
根据步骤一获取的北斗卫星广播星历,对北斗卫星的双频观测值进行数据质量检查和粗差剔除,删除无北斗卫星星历和观测值不完整的数据,得到干净的数据;
步骤三、误差修正;
对步骤二得到的干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正;
步骤四、建立方程;
首先对步骤二得到的北斗卫星干净的双频相位观测值分别进行无电离层组合,形成无电离层组合观测值;同时根据北斗卫星广播星历和测站初始位置,建立北斗卫星历元间差分的观测方程,如式(1):
根据北斗卫星位置和测站概略位置计算卫星的高度角,并根据北斗卫星高度角和观测噪声确定其对应的随机模型如式(2):
其中,ΦIF为无电离层组合的相位观测值,角标s代表卫星,角标r代表测站,e为卫星和接收机天线间的单位矢量,Δ代表历元间差分,t代表观测时间,c代表光速,δTr为接收机钟差,为其他非模型化误差,包括星历残差、大气残差和多路径残差;θ为卫星高度角;
观测方程线性化后,其对应的误差方程和权阵如式(3);
步骤五、参数解算;
步骤六、计算经验阈值;
根据步骤五获取的观测值残差V,计算残差V的STD序列,并将无轨道机动条件下一天的STD序列平均值的3倍作为判断北斗卫星机动是否发生的经验阈值;
步骤七、判断轨道机动;
若当前历元计算出的观测值残差STD超出步骤六得到的经验阈值,并且持续5分钟一直超出阈值,则判定为北斗卫星轨道机动发生;若当前历元计算出的观测值残差STD未超出步骤六得到的经验阈值,则判定为北斗卫星轨道机动未发生;
步骤八、判断机动卫星号;
若探测出北斗卫星轨道机动发生,则根据步骤五得到的观测值常数矩阵L,判定最大的L值对应的北斗卫星为即轨道机动卫星。
进一步地,步骤一中北斗卫星的双频观测值包括双频伪距观测值和双频载波相位观测值,能够有效降低外界环境因素对北斗卫星的双频相位观测值的影响,提高北斗卫星的双频相位观测值的数据质量。
进一步地,步骤二的具体操作为:通过双频伪距观测值定位计算基准站的坐标,与测站坐标进行对比,若对比结果超过预设阈值,则通过残差分析算法剔除删除无北斗卫星星历和观测值不完整的数据,得到干净的数据,同时剔除该粗差北斗卫星。
进一步地,步骤3中相对论和潮汐修正使用IERS Conventions 2010中指定的模型修正,天线相位中心修正采用igs14.atx模型修正,对流层修正采用Saastamoinen模型修正,地球自转误差修正使用IERS EOP C04模型修正。
进一步地,步骤三还包括对天线相位缠绕、固体潮、多径误差和观测噪声的修正,天线相位缠绕使用Wu模型进行改正,固体潮采用IERS2010模型进行修正,多径误差,观测噪声在数据处理中忽略不计。
进一步地,步骤四中形成无电离层组合观测值后,对无电离层组合观测值应用滤波器过滤,以获得表示对无电离层组合的载波-相位整数模糊度估计的状态值和关联统计信息。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
第一,直接相位观测值历元间差分处理,得到高精度的速度和对应参数信息,可以实现精准探测。本发明将北斗相位观测值直接进行历元间差分处理,既消除了模糊度参数,并可直接获取速度信息和对应的参数求解信息。因采用高精度的相位观测值,因此精准性高。
第二,有效减弱共性误差,提高参数求解的性能。历元间差分原理可以消除或减弱一些诸如多路径、坐标系统、大气,星历等共性误差,提高了参数求解的误差修正水平和参数估计性能。
第三,方法简单可靠,方便实时实施。相对于其他轨道机动探测方法一方面需要辅助信息,另一方面需要多站联合解算,本发明在用户端即可以简单实施,而且只需简单的历元差分解算就可以完成轨道机动探测,方便实时应用。
附图说明
图1是本发明的流程框图;
具体实施方式
实施例1:一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,包括以下步骤:
步骤一、数据获取;
收集测站上北斗卫星的双频观测值以及北斗数据处理需要的辅助数据,辅助数据包括北斗卫星广播星历、天线相位中心和地球自转参数;
步骤二、数据预处理;
根据步骤一获取的北斗卫星广播星历,对北斗卫星的双频观测值进行数据质量检查和粗差剔除,删除无北斗卫星星历和观测值不完整的数据,得到干净的数据;
步骤三、误差修正;
对步骤二得到的干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正;
步骤四、建立方程;
首先对步骤二得到的北斗卫星干净的双频相位观测值分别进行无电离层组合,形成无电离层组合观测值;同时根据北斗卫星广播星历和测站初始位置,建立北斗卫星历元间差分的观测方程,如式(1):
根据北斗卫星位置和测站概略位置计算卫星的高度角,并根据北斗卫星高度角和观测噪声确定其对应的随机模型如式(2):
其中,ΦIF为无电离层组合的相位观测值,角标s代表卫星,角标r代表测站,e为卫星和接收机天线间的单位矢量,Δ代表历元间差分,t代表观测时间,c代表光速,δTr为接收机钟差,为其他非模型化误差,包括星历残差、大气残差和多路径残差;θ为卫星高度角;
观测方程线性化后,其对应的误差方程和权阵如式(3);
步骤五、参数解算;
步骤六、计算经验阈值;
根据步骤五获取的观测值残差V,计算残差V的STD序列,并将无轨道机动条件下一天的STD序列平均值的3倍作为判断北斗卫星机动是否发生的经验阈值;
步骤七、判断轨道机动;
若当前历元计算出的观测值残差STD超出步骤六得到的经验阈值,并且持续5分钟一直超出阈值,则判定为北斗卫星轨道机动发生;若当前历元计算出的观测值残差STD未超出步骤六得到的经验阈值,则判定为北斗卫星轨道机动未发生;
步骤八、判断机动卫星号;
若探测出北斗卫星轨道机动发生,则根据步骤五得到的观测值常数矩阵L,判定最大的L值对应的北斗卫星为即轨道机动卫星。
实施例2:一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,包括以下步骤:
步骤一、数据获取;
收集测站上北斗卫星的双频观测值以及北斗数据处理需要的辅助数据,辅助数据包括北斗卫星广播星历、天线相位中心和地球自转参数;北斗卫星的双频观测值包括双频伪距观测值和双频载波相位观测值,能够有效降低外界环境因素对北斗卫星的双频相位观测值的影响,提高北斗卫星的双频相位观测值的数据质量;
步骤二、数据预处理;
根据步骤一获取的北斗卫星广播星历,通过双频伪距观测值定位计算基准站的坐标,与测站坐标进行对比,若对比结果超过预设阈值,则通过残差分析算法剔除删除无北斗卫星星历和观测值不完整的数据,得到干净的数据,同时剔除该粗差北斗卫星;
步骤三、误差修正;
对步骤二得到的干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正;相对论和潮汐修正使用IERS Conventions 2010中指定的模型修正,天线相位中心修正采用igs14.atx模型修正,对流层修正采用Saastamoinen模型修正,地球自转误差修正使用IERS EOP C04模型修正;还包括对天线相位缠绕、固体潮、多径误差和观测噪声的修正,天线相位缠绕使用Wu模型进行改正,固体潮采用IERS2010模型进行修正,多径误差,观测噪声在数据处理中忽略不计;
步骤四、建立方程;
首先对步骤二得到的北斗卫星干净的双频相位观测值分别进行无电离层组合,形成无电离层组合观测值;同时根据北斗卫星广播星历和测站初始位置,建立北斗卫星历元间差分的观测方程,如式(1):
根据北斗卫星位置和测站概略位置计算卫星的高度角,并根据北斗卫星高度角和观测噪声确定其对应的随机模型如式(2):
其中,ΦIF为无电离层组合的相位观测值,角标s代表卫星,角标r代表测站,e为卫星和接收机天线间的单位矢量,Δ代表历元间差分,t代表观测时间,c代表光速,δTr为接收机钟差,为其他非模型化误差,包括星历残差、大气残差和多路径残差;θ为卫星高度角;
观测方程线性化后,其对应的误差方程和权阵如式(3);
其中,V为观测值残差矢量,A为未知参数的系数矩阵,为未知参数矢量,L为观测值扣除误差后的常数项矢量;形成无电离层组合观测值后,对无电离层组合观测值应用滤波器过滤,以获得表示对无电离层组合的载波-相位整数模糊度估计的状态值和关联统计信息;
步骤五、参数解算;
步骤六、计算经验阈值;
根据步骤五获取的观测值残差V,计算残差V的STD序列,并将无轨道机动条件下一天的STD序列平均值的3倍作为判断北斗卫星机动是否发生的经验阈值;
步骤七、判断轨道机动;
若当前历元计算出的观测值残差STD超出步骤六得到的经验阈值,并且持续5分钟一直超出阈值,则判定为北斗卫星轨道机动发生;若当前历元计算出的观测值残差STD未超出步骤六得到的经验阈值,则判定为北斗卫星轨道机动未发生;
步骤八、判断机动卫星号;
若探测出北斗卫星轨道机动发生,则根据步骤五得到的观测值常数矩阵L,判定最大的L值对应的北斗卫星为即轨道机动卫星。
Claims (7)
1.一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、数据获取;
收集测站上北斗卫星的双频观测值以及北斗数据处理需要的辅助数据,所述辅助数据包括北斗卫星广播星历、天线相位中心和地球自转参数;
步骤二、数据预处理;
根据步骤一获取的北斗卫星广播星历,对所述北斗卫星的双频观测值进行数据质量检查和粗差剔除,删除无北斗卫星星历和观测值不完整的数据,得到干净的数据;
步骤三、误差修正;
对步骤二得到的干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正;
步骤四、建立方程;
首先对步骤二预处理后得到的北斗卫星干净的双频相位观测值分别进行无电离层组合,形成无电离层组合观测值;同时根据所述北斗卫星广播星历和测站初始位置,建立北斗卫星历元间差分的观测方程,如式(1):
根据北斗卫星位置和测站概略位置计算卫星的高度角,并根据北斗卫星高度角和观测噪声确定其对应的随机模型如式(2):
其中,ΦIF为无电离层组合的相位观测值,角标s代表卫星,角标r代表测站,e为卫星和接收机天线间的单位矢量,Δ代表历元间差分,t代表观测时间,c代表光速,δTr为接收机钟差,为其他非模型化误差,包括星历残差、大气残差和多路径残差;θ为卫星高度角;
观测方程线性化后,其对应的误差方程和权阵如式(3);
步骤五、参数解算;
步骤六、计算经验阈值;
根据步骤五获取的观测值残差V,计算残差V的STD序列,并将无轨道机动条件下一天的STD序列平均值的3倍作为判断北斗卫星机动是否发生的经验阈值;
步骤七、判断轨道机动;
若当前历元计算出的观测值残差STD超出步骤六得到的经验阈值,并且持续5分钟一直超出阈值,则判定为北斗卫星轨道机动发生;若当前历元计算出的观测值残差STD未超出步骤六得到的经验阈值,则判定为北斗卫星轨道机动未发生;
步骤八、判断机动卫星号;
若探测出北斗卫星轨道机动发生,则根据步骤五得到的观测值常数矩阵L,判定最大的L值对应的北斗卫星为即轨道机动卫星。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,其特征在于,所述步骤一中北斗卫星的双频观测值包括双频伪距观测值和双频载波相位观测值。
3.根据权利要求2所述的一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,其特征在于,所述步骤二的具体操作为:通过双频伪距观测值定位计算基准站的坐标,与测站坐标进行对比,若对比结果超过预设阈值,则通过残差分析算法剔除删除无北斗卫星星历和观测值不完整的数据,得到干净的数据,同时剔除该粗差北斗卫星。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,其特征在于,所述步骤3中相对论和潮汐修正使用IERS Conventions2010中指定的模型修正,天线相位中心修正采用igs14.atx模型修正,对流层修正采用Saastamoinen模型修正,地球自转误差修正使用IERS EOP C04模型修正。
5.根据权利要求1所述的一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,其特征在于,所述步骤三还包括对天线相位缠绕、固体潮、多径误差和观测噪声的修正,所述天线相位缠绕使用Wu模型进行改正,所述固体潮采用IERS2010模型进行修正,所述多径误差,观测噪声在数据处理中忽略不计。
6.根据权利要求1所述的一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,其特征在于,所述步骤四中形成无电离层组合观测值后,对所述无电离层组合观测值应用滤波器过滤。
7.根据权利要求1所述的一种基于相位观测值实时探测北斗卫星轨道机动的方法,其特征在于,所述步骤一中北斗卫星的双频观测值包括双频载波相位观测值和双频伪距观测值。
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