CN111323796A - 一种gnss接收机高采样钟差解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GNSS接收机高采样钟差计算方法,所述方法包括:使用低采样GNSS接收机观测数据进行精密单点定位解算,获得低采样时刻的第一接收机钟差,以及低采样时刻的接收机位置参数、对流层天顶延迟参数和模糊度参数;获取上述三类参数在高采样时刻对应的高采样参数值,利用三类高采样参数值计算高采样时刻的第二接收机钟差;利用第一接收机钟差和第二接收机钟差,计算最优化的高采样接收机钟差。本发明的方法无需进行矩阵计算,算法简易、容易实现,结果稳定可靠,解算速度快。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航定位技术领域,尤其涉及一种GNSS接收机高采样钟差计算方法。
背景技术
GNSS(全球导航卫星系统)导航定位的基础是无线电信号传播时间测量,其定位基本原理是通过测量GNSS发射卫星到接收机的传播时间(可转化为传播距离),进行空间后方交会,得到接收机天线处的空间三维位置。由于GNSS卫星钟与用户接收机钟难以保持严格的同步,所以,实际测量的GNSS卫星与接收机之间的距离,均含有GNSS卫星钟差和接收机钟差的影响。在绝对定位中,对于GNSS卫星钟差,通常是采用GNSS卫星播发的广播星历或第三方的精密星历中的钟差参数进行修正,而接收机的钟差,一般难以预先准确的获知。所以,通常在导航定位解算的时候把接收机钟差作为一个未知参数,与接收机的坐标或其他未知参数一并求解。
接收机钟差作为GNSS导航定位解算中得到的副产品,其用途也很广泛,例如精密授时与频率传递、GNSS大气掩星非差处理时的时间修正等。尤其在GNSS大气掩星非差处理中,由于大气掩星采样率一般是50HZ,因此为了尽量减小接收机钟差内插引起的多普勒误差(主要取决于接收机钟稳定度和内插时间间隔),利用定位数据解算获取高采样的接收机钟差,对掩星观测值修正接收机钟差这一偏差尤其重要。
若想获取高采样的接收机钟差,采用传统方法,则需要精密定位解算的时候采用高频采样观测值列立观测方程,通过最小二乘方法,把接收机钟参数与其他未知参数(接收机位置及载波相位模糊度参数等)一起求解,由于GNSS精密定位解算中涉及到的矩阵运算尤其是矩阵求逆运算与观测的采样成正比,势必会造成解算时间急剧增加。
发明内容
本发明的目的在于克服传统GNSS精密定位解算直接获得接收机高采样钟差处理时间较长的不足,提供一种GNSS接收机高采样钟差快速解算的方法,用这种方法解算GNSS接收机钟差,具有高精度、算法简易、解算速度快等特点。
为实现上述目的,本发明提出了一种GNSS接收机高采样钟差计算方法,所述GNSS接收机为地面静态GNSS接收机,所述方法包括:
使用低采样GNSS接收机观测数据进行精密单点定位解算,获得低采样时刻的第一接收机钟差,以及低采样时刻的接收机位置参数、对流层天顶延迟参数和模糊度参数;
获取上述三类参数在高采样时刻对应的高采样参数值,利用三类高采样参数值计算高采样时刻的第二接收机钟差;
利用第一接收机钟差和第二接收机钟差,计算最优化的高采样接收机钟差。
作为上述方法的一种改进,所述获取上述三类参数在高采样时刻对应的高采样参数值,具体包括:
对于相邻的两个低采样时刻t和(t+k),t时刻的第一接收机钟差为dTs(t);接收机位置参数为[xt,yt,zt]T;对流层天顶湿延迟为dZPDt,wet,模糊度参数为j为观测到的GNSS卫星的序号,n为观测到的GNSS卫星的总数;(t+k)时刻的第一接收机钟差为dTs(t+k);接收机位置参数为[xt+k,yt+k,zt+k]T;对流层天顶湿延迟为dZPDt+k,wet,模糊度参数为
对于第p个高采样时刻:t+p*l,p=1,2…P-2,其接收机位置参数为(t+k)时刻的接收机位置参数[xt+k,yt+k,zt+k]T;
利用t时刻和(t+k)时刻的对流层天顶延迟参数值dZPDt,wet和dZPDt+k,wet,进行线性内插得到第p个高采样时刻的对流层天顶延迟参数值;
判断第p个高采样时刻观测到的GNSS卫星在输出的模糊度文件中所在的起始和结束时间,如果搜索到,则取该范围内模糊度值作为该时刻的模糊度值,否则,模糊度值标识为NAN。
作为上述方法的一种改进,所述利用三类高采样参数值计算高采样时刻的第二接收机钟差;具体包括:
则第p个高采样时刻的第二接收机钟差为:
其中,Elevj为第j颗观测到的GNSS卫星相对于接收机的高度角。
作为上述方法的一种改进,所述利用第一接收机钟差和第二接收机高采样钟差,计算最优化的高采样接收机钟差;具体包括:
两个相邻低采样时刻的第一接收机钟差为dTs(t)、dTs(t+k),并且这两个时刻第二接收机钟差为dTm(t)、dTm(t+k),则两个时刻内高采样接收机钟差序列为dTm(t),dTm(t+l)…dTm(t+p*l)…dTm(t+k);
则在[t,t+k]时间区间内,高采样接收机钟差为:
其中,dTf(t)为t时刻的高采样接收机钟差。
本发明还提出了一种GNSS接收机高采样钟差计算方法,所述GNSS接收机为LEO卫星上的星载GNSS接收机,所述方法包括:
使用低采样观测数据进行GNSS接收机精密定轨解算,获得低采样时刻的第一接收机钟差,以及低采样时刻的轨道六根数参数、力模型参数和载波相位模糊度参数;
根据低采样时刻的轨道六根数参数、力模型参数和载波相位模糊度参数,计算高采样时刻的接收机位置参数和模糊度参数,由此计算高采样时刻的第二接收机钟差;
利用第一接收机钟差和第二接收机钟差,计算最优化的高采样接收机钟差。
作为上述方法的一种改进,所述根据低采样时刻的轨道六根数参数、力模型参数和载波相位模糊度参数,计算高采样时刻的接收机位置参数和模糊度参数,具体包括:
对于低采样时间区间[t,t+k],t时刻的第一接收机钟差为dTs(t);初始轨道六根数参数为:a0,e0,i0,Ω0,ω0,M0,力模型参数包括:光压参数CR,大气阻力参数Cd和经验力参数;模糊度参数为Nj,j=1…n,j为观测到的GNSS卫星的序号,n为观测到的GNSS卫星的总数;
对于相邻的两个低采样时刻t和(t+k),t时刻的第一接收机钟差为dTs(t);初始轨道六根数参数为:a0,e0,i0,Ω0,ω0,M0,力模型参数包括:光压参数CR,大气阻力参数Cd和经验力参数;模糊度参数为j为观测到的GNSS卫星的序号,n为观测到的GNSS卫星的总数;(t+k)时刻的第一接收机钟差为dTs(t+k);模糊度参数为
将初始轨道六根数参数和力模型参数代入动力学模型,计算第p个高采样时刻的LEO卫星加速度,在初始轨道六根数参数基础上进行两次积分得到LEO卫星质心位置,作为该时刻的接收机位置参数;其中第p个高采样时刻为t+p*l,p=1,2…P-2;
搜索第p个高采样时刻观测到的GNSS卫星在输出的模糊度文件中所在的起始和结束时间,如果搜索到,则取该范围内模糊度值作为该时刻的模糊度值,否则,模糊度值标识为NAN。
作为上述方法的一种改进,所述计算高采样时刻的第二接收机钟差;具体包括:
则第p个高采样时刻的第二接收机钟差为:
其中,Elevj为第j颗观测到的GNSS卫星相对于接收机的高度角。
作为上述方法的一种改进,所述利用第一接收机钟差和第二接收机钟差,计算最优化的高采样接收机钟差;具体包括:
两个相邻低采样时刻的第一接收机钟差为dTs(t)、dTs(t+k),并且这两个时刻第二接收机钟差为dTm(t)、dTm(t+k),则两个时刻内高采样接收机钟差序列为dTm(t),dTm(t+l)…dTm(t+p*l)…dTm(t+k);
则在[t,t+k]时间区间内,高采样接收机钟差为:
其中,dTf(t)为t时刻的高采样接收机钟差。
本发明的优势在于:
1、本发明的方法与传统的方法相比,输入数据文件相同,只需要GNSS原始定位观测数据,不需要额外提供其他数据;
2、本发明的方法无需进行矩阵计算,算法简易、容易实现,结果稳定可靠,解算速度快;
3、使用本发明方法解算GNSS接收机高采样钟差,同使用传统GNSS精密定位方法直接进行高采样解算获得高采样钟差相比,整个数据处理流程的时间会大大缩短;
4、本发明的方法应用场景广泛,例如,地面上静态接收机场景、地球近地卫星上接收机场景等。利用这些场景下获取的GNSS接收机高采样钟差信息,可用于接收机钟稳定性分析、精密授时、非差大气掩星钟差修正等各种用途。
附图说明
图1为本发明的实施例1的GNSS接收机高采样钟差计算方法的流程图;
图2为本发明的实施例2的GNSS接收机高采样钟差计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
为了解决采用传统GNSS(全球导航卫星系统)精密定位/定轨解算方法直接获得接收机高采样钟差时数据处理时间较长的问题,本发明的技术方案为:通过传统解算方法先获得接收机低采样钟差,并生成相应的各种信息,在此基础上,利用低采样解算的信息根据参数规律及GNSS观测方程,加密生成高频采样时刻最优化接收机钟差的方法。本发明算法简易,解算速度快,解算得到的GNSS接收机高采样钟差精度高。本发明方法可用于地面静态接收机、地球近地卫星载体上接收机等应用场景。
实施例1
如图1所示,本实施例主要针对地面上静态GNSS接收机的场景,提出了一种GNSS接收机高采样钟差计算方法,具体实施步骤如下:
步骤101)使用传统方法进行地面GNSS精密单点定位(PPP,Precise PointPositioning)解算,数据采样率抽稀成低采样时间间隔,本实施例中为30秒~15分钟。
GNSS的无电离层组合观测方程为(Zumberger 1997;Kouba 2001):
式中,
ρj为几何距离,具体表达式为:式中,(Xs,Ys,Zs)为GNSS卫星天线相位中心位置;(x,y,z)为接收机天线相位中心位置,为待估参数。其中GNSS卫星的质心位置通过IGS组织提供的精密星历文件计算,GNSS发射天线相位中心偏差ΔPCBGNSS和接收机天线相位中心偏差ΔPCBRec通过IGS提供的Antex文件改正。
Tj为对流层延迟,具体表达式为:式中,ZPDdry为对流层天顶干延迟,使用Saastamoninen对流层模型改正;ZPDwet为对流层天顶湿延迟,为待估参数;分别表示对流层干延迟投影函数和对流层湿延迟投影函数,均为GNSS卫星高度角的函数,使用GMF模型计算。
分别表示载波相位观测方程和伪距观测方程中需要考虑的各种非参数估计误差项(通过各种模型改正),包括地球自转改正ΔtSagnac、相对论效应ΔDrel、相位缠绕改正Δφ、地球固体潮改正大洋负荷改正Δc。这些误差均采用相应模型进行改正;比仅仅少相位缠绕改正Δφ这一项误差改正。
将式(1)、(2)线性化后的误差方程矩阵形式可表示为:
V=Aδ-W,Pl (3)
式中,
其中,
X=[x y z dT dZPDwet Nj(j=1…n)]T;
根据最小二乘原理,由式(3)进行参数估计的步骤为:
(1)第一个历元
设待估参数为随机变量,并设其先验权矩阵为P0,则式(3)依据最小二乘原理可求得未知参数改正量为:
δ=(P0+ATPlA)-1ATPlW (4)
由此可得到估计的未知参数为:
未知参数的协因数阵为:
(2)第i历元(1<i≤n,n为历元数)
由此可得到估计的未知参数为:
其中,未知参数的协因数阵为:
式中,
对求得的未知参数和对应的数据时间时标按顺序保存到文本文件输出,其中四类参数分别为:接收机位置坐标为[x y z]T,接收机钟差为dT,对流层天顶湿延迟为dZPDwet,模糊度参数为Nj(j=1…n)。
步骤102)利用步骤101)中得到的低采样的三类参数(除接收机钟差参数之外的),包括:接收机位置参数对流层天顶延迟参数dZPD、模糊度参数为Nj(j=1…n),得到这三类参数在高采样时刻(本实施例的高采样时间间隔值取50赫兹~5秒)的对应参数数值,具体方法为:
①接收机位置参数:由于是静态场景,任意采样时刻的位置都是固定不变的,取步骤一中最后一个历元坐标值作为这个固定的坐标;
②载波相位模糊度参数:对于高采样的某个时刻,搜索该时刻观测到的GNSS卫星在输出的模糊度文件中所在的起始和结束时间,如果搜索到,则取该范围内模糊度值作为该时刻的模糊度值,否则,模糊度值标识为NAN。
③对流层天顶延迟参数:根据步骤二中输出的低采样的天顶对流层延迟值,内插到高采样时刻天顶对流层延迟值。由于对流层延迟非常稳定并短时间内数值变化小,因此高采样点的对流层天顶延迟参数值采用离高采样点时间最近的两个低采样点的值进行线性内插得到。
步骤103)利用步骤102)中得到的三类参数的高采样值,代入观测方程,得到接收机钟差,并进行加权平均。
各颗GNSS卫星观测方程计算的接收机钟差根据高度角的随机模型公式为:
设这n颗GNSS卫星相对于接收机的高度角分别为Elv1、Elv2……Elvn,则各个接收机钟差估值的权之间的比例关系为:
p1:p2:…:pn=sin2(Elev1):sin2(Elev2):…:sin2(Elevn) (13)
则该高采样时刻最优化的接收机钟差为:
步骤104)设步骤101)中得到的两个相邻低采样时刻的接收机钟差为dTs(t)、dTs(t+k),并且这两个时刻使用步骤三得到的接收机钟差为dTm(t)、dTm(t+k),有这两个时刻内高采样接收机钟差序列为dTm(t),dTm(t+l)…dTm(t+i*l)…dTm(t+k)。其中k表示步骤一中的低采样率的时间间隔,l表示高采样率的时间间隔,并且有这两个时刻内高采样接收机钟差序列个数为
则最终的高采样时刻接收机钟差的约束公式为:
实施例2
如图2所示,本实施例主要针对LEO卫星上星载GNSS接收机的场景,提出了一种GNSS接收机高采样钟差计算方法,具体实施步骤如下:
步骤201)使用传统方法进行星载GNSS的LEO精密定轨(POD,Precise OrbitDetermination)解算。
LEO精密定轨的GNSS无电离层组合观测方程与步骤一中的类似,区别是没有对流层延迟项Tj,具体为:
式中的各参数的含义同实施例1中的相同。
LEO精密定轨中,状态向量包含卫星轨道六根数参数(a0,e0,i0,Ω0,ω0,M0)和力模型参数(光压参数、大气阻力参数、经验力参数)以及相关的载波相位模糊度参数,记作x,它是n维向量。GNSS的载波相位和伪距观测量,记作Y,它是m维向量。
状态向量所满足的微分方程可以写成下列形式:
这里右函数F为一n维非线性泛函,x0为初始状态。
设观测量为yl,观测量的理论式为G(xl,tl),观测量噪声为Vl,则观测方程(16)、(17)可以表示为:
yl=G(xl,tl)+Vl (19)
令:
X(t)=x(t)-x*(t),Y(t)=y(t)-y*(t) (20)
式中,x*(t)为在初始条件下积分得到的参考轨道参数。y*(t)为由x*(t)计算得到的观测量。分别将x(t)和y(t)在x*(t)和y*(t)处展开并取一次项可得到:
式中,
解微分方程可得:
X=Ψ(t,t0)X0 (24)
其中Ψ(t,t0)为转移矩阵,有:
上述式(25)转移矩阵的求解通过轨道积分来实现,于是可得到:
Yi=HiΨ(ti,t0)X0+Vi (26)
式(26)表示为如下常见形式:
L=BX0+V (27)
式中,
对式(27)利用最小二乘方法求解出状态向量未知数,即初始轨道六根数参数(a0,e0,i0,Ω0,ω0,M0)和力模型参数(光压参数CR,大气阻力参数Cd,经验力参数Sc1、Cc1、Sa1、Ca1)以及相关的载波相位模糊度参数Nj(j=1…n)。
步骤202)利用步骤201)中得到的初始轨道六根数参数和力模型参数得到在高采样时刻(本实施例的高采样时间间隔值取50赫兹~5秒)的LEO卫星质心位置;利用步骤一中得到的模糊度参数得到在高采样时刻的模糊度参数。具体方法为:
①LEO卫星质心位置参数:把步骤一中求解的动力学参数代入动力学模型(包括:地球重力场模型EIGEN、日月引力、太阳辐射压、大气阻力、相对论效应、地球潮汐、经验力)计算高采样时刻处的LEO卫星加速度,在初始轨道六根数参数的基础上进行两次积分生成各高采样点处的LEO卫星质心位置;
②载波相位模糊度参数:对于高采样的某个时刻,搜索该时刻观测到的GNSS卫星在输出的模糊度文件中所在的起始和结束时间,如果搜索到,则取该范围内模糊度值作为该时刻的模糊度值,否则,模糊度值标识为NAN;
步骤203)利用步骤202)中得到的高采样参数值,代入观测方程,得到接收机钟差,并进行加权平均。
各颗GNSS卫星观测方程计算的接收机钟差根据高度角的随机模型公式为:
设这n颗GNSS卫星相对于接收机的高度角分别为Elv1、Elv2……Elvn,则各个接收机钟差估值的权之间的比例关系为:
p1:p2:…:pn=sin2(Elev1):sin2(Elev2):…:sin2(Elevn) (30)
则该高采样时刻最优化的接收机钟差为:
步骤204)设步骤201)中得到的两个相邻低采样时刻的接收机钟差为dTs(t)、dTs(t+k),并且这两个时刻使用步骤三得到的接收机钟差为dTm(t)、dTm(t+k),有这两个时刻内高采样接收机钟差序列为dTm(t),dTm(t+l)…dTm(t+i*l)…dTm(t+k)。其中k表示步骤一中的低采样率的时间间隔,l表示高采样率的时间间隔,并且有这两个时刻内高采样接收机钟差序列个数为
则最终的高采样时刻接收机钟差的约束公式为:
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种GNSS接收机高采样钟差计算方法,所述GNSS接收机为地面静态GNSS接收机,所述方法包括:
使用低采样GNSS接收机观测数据进行精密单点定位解算,获得低采样时刻的第一接收机钟差,以及低采样时刻的接收机位置参数、对流层天顶延迟参数和模糊度参数;
获取上述三类参数在高采样时刻对应的高采样参数值,利用三类高采样参数值计算高采样时刻的第二接收机钟差;
利用第一接收机钟差和第二接收机钟差,计算最优化的高采样接收机钟差。
3.根据权利要求2所述的GNSS接收机高采样钟差计算方法,其特征在于,所述获取上述三类参数在高采样时刻对应的高采样参数值,具体包括:
对于相邻的两个低采样时刻t和(t+k),t时刻的第一接收机钟差为dTs(t);接收机位置参数为[xt,yt,zt]T;对流层天顶湿延迟为dZPDt,wet,模糊度参数为j为观测到的GNSS卫星的序号,n为观测到的GNSS卫星的总数;(t+k)时刻的第一接收机钟差为dTs(t+k);接收机位置参数为[xt+k,yt+k,zt+k]T;对流层天顶湿延迟为dZPDt+k,wet,模糊度参数为
对于第p个高采样时刻:t+p*l,p=1,2…P-2,其接收机位置参数为(t+k)时刻的接收机位置参数[xt+k,yt+k,zt+k]T;
利用t时刻和(t+k)时刻的对流层天顶延迟参数值dZPDt,wet和dZPDt+k,wet,进行线性内插得到第p个高采样时刻的对流层天顶延迟参数值;
搜索第p个高采样时刻观测到的GNSS卫星在输出的模糊度文件中所在的起始和结束时间,如果搜索到,则取该范围内模糊度值作为该时刻的模糊度值,否则,模糊度值标识为NAN。
6.一种GNSS接收机高采样钟差计算方法,所述GNSS接收机为LEO卫星上的星载GNSS接收机,所述方法包括:
使用低采样观测数据进行GNSS接收机精密定轨解算,获得低采样时刻的第一接收机钟差,以及低采样时刻的轨道六根数参数、力模型参数和载波相位模糊度参数;
根据低采样时刻的轨道六根数参数、力模型参数和载波相位模糊度参数,计算高采样时刻的接收机位置参数和模糊度参数,由此计算高采样时刻的第二接收机钟差;
利用第一接收机钟差和第二接收机钟差,计算最优化的高采样接收机钟差。
8.根据权利要求7所述的GNSS接收机高采样钟差计算方法,其特征在于,所述根据低采样时刻的轨道六根数参数、力模型参数和载波相位模糊度参数,计算高采样时刻的接收机位置参数和模糊度参数,具体包括:
对于低采样时间区间[t,t+k],t时刻的第一接收机钟差为dTs(t);初始轨道六根数参数为:a0,e0,i0,Ω0,ω0,M0,力模型参数包括:光压参数CR,大气阻力参数Cd和经验力参数;模糊度参数为Nj,j=1…n,j为观测到的GNSS卫星的序号,n为观测到的GNSS卫星的总数;
对于相邻的两个低采样时刻t和(t+k),t时刻的第一接收机钟差为dTs(t);初始轨道六根数参数为:a0,e0,i0,Ω0,ω0,M0,力模型参数包括:光压参数CR,大气阻力参数Cd和经验力参数;模糊度参数为j为观测到的GNSS卫星的序号,n为观测到的GNSS卫星的总数;(t+k)时刻的第一接收机钟差为dTs(t+k);模糊度参数为将初始轨道六根数参数和力模型参数代入动力学模型,计算第p个高采样时刻的LEO卫星加速度,在初始轨道六根数参数基础上进行两次积分得到LEO卫星质心位置,作为该时刻的接收机位置参数;其中第p个高采样时刻为t+p*l,p=1,2…P-2;
搜索第p个高采样时刻观测到的GNSS卫星在输出的模糊度文件中所在的起始和结束时间,如果搜索到,则取该范围内模糊度值作为该时刻的模糊度值,否则,模糊度值标识为NAN。
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