CN112130179A - 一种基于监测接收机的bds卫星导航信号稳定性分析方法 - Google Patents

一种基于监测接收机的bds卫星导航信号稳定性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，主要通过分析监测接收机伪距观测量和载波相位观测量，并对其进行多项式拟合，所述多项式拟合参数包括拟合阶数与拟合时间长度，通过原始观测数据与滑动平均数据对拟合阶数与拟合时间长度进行最优筛选；将原始分析数据进行平均数为20次的滑动平均进行降噪处理，得到测量噪声较小的原始观测数据，作为对比分析数据；所述原始分析数据采用无跳变和接收机失锁等异常现象的24小时北斗二号GEO‑3卫星观测量数据；采用北斗监测接收机数据，通过不同阶数和不同拟合时间长度的组合对信号稳定性进行评估。本发明的优点是，可有效消除残差中电离层延时等慢变误差，提高伪距观测量的稳定性。

Description

一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法
技术领域
本发明属于卫星信号评估技术领域，具体涉及一种基于监测接收机的BDS 卫星导航信号稳定性分析方法。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)提供全球范围内的定位、导航、授时服务，其 应用已经渗透到国防建设、国土资源、测绘农林、交通旅游等各个领域，涉及 到人类日常生活、生命安全等多个方面。随着应用领域的拓展和需求的增长， 用户对GNSS系统服务特别是高精度、完好性方面也提出了更高的要求。信号 质量同系统的高精度服务和完好性紧密相关，空间信号质量评估是确保用户获 得高精度、高可靠性能的重要手段。
接收机所产生的伪距和载波相位测量值包含着多种误差，利用接收机测量 值对北斗信号稳定性进行评估对保证空间信号的连续性和可靠性有着重要的意 义。接收机所产生的伪距和载波相位测量值包含着多种误差。误差按照其来源 不同可大致分为以下三个方面：
(1)与卫星有关的误差：这部分误差主要包括卫星时钟误差和卫星星历误 差，它们是由于地面监控部分不能对卫星的运行轨道和卫星时钟的频漂做出绝 对准确的测量、预测而引起的。
(2)与信号传播有关的误差：信号从卫星端传播到接收机端需要穿越大气 层，而大气层对信号传播的影响表现为大气延时。通常被分成电离层延时和对 流层延时两部分。
(3)与接收机有关的误差：接收机在不同的地点可能会受到不同程度的多 路径效应和电磁干扰，而这部分误差还包括接收机噪声及其软件计算的误差。 大口径天线可有效避免多径与干扰的影响。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于监测接收机的BDS卫星导航 信号稳定性分析方法，可有效消除残差中电离层延时等慢变误差，提高伪距观 测量的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，主要通过分析 监测接收机伪距观测量和载波相位观测量，并对其进行多项式拟合，所述多项 式拟合参数包括拟合阶数与拟合时间长度，通过原始观测数据与滑动平均数据 对拟合阶数与拟合时间长度进行最优筛选；
将原始分析数据进行平均数为20次的滑动平均进行降噪处理，得到测量噪 声较小的原始观测数据，作为对比分析数据；所述原始分析数据采用无跳变和 接收机失锁等异常现象的24小时北斗二号GEO-3卫星观测量数据；
采用北斗监测接收机数据，通过不同阶数和不同拟合时间长度的组合对信 号稳定性进行评估。
进一步的，所述多项式拟合是根据最小二乘法原理，平滑观测数据，使得 拟合曲线与原始数据具有最小的拟合差。
进一步的，所述多项式拟合具体做法是：对给定数据(xi,yi)，求多项式Pn(x)， 使误差ri＝Pn(xi)-yi的平方和最小，即：
Figure BDA0002541127260000021
满足上式的
Figure BDA0002541127260000031
称为最小二乘拟合多项式。
进一步的，所述给定数据(xi,yi)及ri＝Pn(xi)-yi中i＝0,1,…,m。
进一步的，所述ri＝Pn(xi)-yi，i＝0,1,…,m被称为残差。
进一步的，所述不同阶数分别为3、4、5、6、7、8、9，所述不同拟合时间 长度分别为6min、10min、15min、30min、60min，通过上述组合来对GEO-3 卫星一天24小时的数据进行分析。
进一步的，所述监测接收机数据输出频率为1行/秒。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过选择不同阶数与不同拟合时间长度的组合对地球同步轨道卫星 24小时的数据进行深入研究，分析了稳定性分析方法中多项式拟合参数的选取 对评估结果的影响。残差的大小是衡量拟合好坏的重要标志，根据本发明的评 估方法，残差中电离层延时等慢变误差已经能够大致消除。本发明根据拟合残 差的变化范围来判断伪距观测量的稳定性。实质上，按最小二乘条件给出的最 终结果能充分利用误差的抵偿作用，可以有效地减少随机误差的影响，因而所 得结果具有最可信赖性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚 地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为4阶到9阶的拟合残差标准差曲线图(原始观测数据)；
图2为4阶到9阶的拟合残差标准差曲线图(滑动平均数据)；
图3为4阶到9阶与4阶的差值绝对值(原始观测数据，剔除60min)；
图4为4阶到9阶与4阶的差值绝对值(滑动平均数据，剔除60min)。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结 合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明， 不作为对本发明的限定。
如图1-4所示的一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法， 主要通过分析监测接收机伪距观测量和载波相位观测量，并对其进行多项式拟 合，所述多项式拟合参数包括拟合阶数与拟合时间长度，通过原始观测数据与 滑动平均数据对拟合阶数与拟合时间长度进行最优筛选；将原始分析数据进行 平均数为20次的滑动平均进行降噪处理，得到测量噪声较小的原始观测数据， 作为对比分析数据；所述原始分析数据采用无跳变和接收机失锁等异常现象的 24小时北斗二号GEO-3卫星观测量数据。
1、监测接收机误差来源
接收机所产生的伪距和载波相位测量值包含着多种误差。误差按照其来源 不同可大致分为以下三个方面：
(1)与卫星有关的误差：这部分误差主要包括卫星时钟误差和卫星星历误 差，它们是由于地面监控部分不能对卫星的运行轨道和卫星时钟的频漂做出绝 对准确的测量、预测而引起的。
(2)与信号传播有关的误差：信号从卫星端传播到接收机端需要穿越大气 层，而大气层对信号传播的影响表现为大气延时。通常被分成电离层延时和对 流层延时两部分。
(3)与接收机有关的误差：接收机在不同的地点可能会受到不同程度的多 路径效应和电磁干扰，而这部分误差还包括接收机噪声及其软件计算的误差。 大口径天线可有效避免多径与干扰的影响。
稳定性评估主要是通过分析监测接收机观测量伪距观测量和载波相位观测 量来实现的。以伪距为例，卫星时钟漂移和轨道漂移会引起伪距测量值出现缓 慢、有规律的变化，导致伪距观测量出现整体漂移，该现象反应的即为长期稳 定性。而伪距的短期瞬时突变有可能是受到卫星时钟钟跳、接收机失锁、信号 突发畸变等误差的影响，表现形式为伪距测量值突然发生跳变，偏离了伪距的 正常变化趋势(比如跳变至零，然后很快恢复到正常值)。本发明关注的是短 期稳定性的分析(以伪距为例)。
2、稳定性评估方法
伪距观测量稳定性主要分析伪距观测量的拟合残差，本发明采用一段时间 的观测量，对其进行多项式拟合。多项式拟合是根据最小二乘法原理，平滑观 测数据，使得拟合曲线与原始数据具有最小的拟合差。具体做法是：对给定数 据(xi,yi)，求多项式Pn(x)，使误差ri＝Pn(xi)-yi的平方和最小，即：
Figure BDA0002541127260000051
满足上式(1)的
Figure BDA0002541127260000052
称为最小二乘拟合多项式。从几何意义上 讲，就是寻求与给定点(xi,yi)，i＝0,1,…,m的距离平方和为最小的曲线y＝Pn(x)。 其中ri＝Pn(xi)-yi，i＝0,1,…,m被称为残差。残差中电离层延时等慢变误差已经大 致消除；残差的大小是衡量拟合好坏的重要标志。本发明根据拟合残差的变化 范围来判断伪距观测量的稳定性。实质上，按最小二乘条件给出的最终结果能 充分利用误差的抵偿作用，可以有效地减少随机误差的影响，因而所得结果具 有最可信赖性。
3、多项式拟合参数的分析
在长期的北斗系统监测接收机数据分析中，发现多项式拟合的阶数和拟合 时间长度对北斗导航信号稳定性结果的评估有着很大的影响，所以拟合参数选 取的合理性就显得至关重要。本发明利用北斗监测接收机数据，通过不同阶数 和不同拟合时间长度的组合对信号稳定性进行评估，从而给出合理的参数选择 建议。
3.1分析数据源说明
倾斜地球同步轨道IGSO卫星和中高度圆轨道MEO卫星由于可视时间不连 续，视界内的观测轨道不足以描述卫星的整个轨道变化规律，因此选择轨道周 期为24小时左右的地球同步轨道GEO卫星的数据作为此次的仿真数据。本发 明选择了无跳变和接收机失锁等异常现象的24小时北斗二号GEO-3卫星观测量 数据作为原始分析数据，监测接收机数据输出频率为1行/秒。
同时为了进行对比，本发明将原始观测数据进行平均数为20次的滑动平均 进行降噪处理，从而得到测量噪声较小的观测数据，作为对比分析数据。
通过选择不同阶数(分别为3、4、5、6、7、8、9)与不同拟合时间长度(分 别为6min、10min、15min、30min、60min)的组合来对GEO-3卫星一天24 小时的数据进行分析。
3.2试验结果
3.2.1拟合阶数分析
表1 3阶到9阶的拟合残差标准差(原始观测数据)
Figure BDA0002541127260000061
Figure BDA0002541127260000071
表1结论：
(1)相同拟合时长，阶数增加，残差标准差的值越来越小；
(2)相同阶数下，拟合时间长度增加，伪距拟合残差标准差的值越来越大。
利用平均数为20次的滑动平均进行数据去噪，相同的方法进行分析处理， 得到表2来进行验证。
表2 3阶到9阶的拟合残差标准差(滑动平均数据)
Figure BDA0002541127260000072
表2结论验证：
(1)滑动平均后拟合残差标准差均比原始观测数据拟合残差标准差的值 小。
(2)滑动平均数据分析结果的变化趋势与原始观测数据分析结果的变化趋 势相同。
(3)原始观测数据的分析没有受到复杂环境下各种噪声的影响，本发明所 采用的评估方法是可靠的。
通过表1和表2也可以看出，当拟合阶数为3的时候，得到的拟合残差标 准差的值偏大，拟合效果不理想，故可以将3阶剔除。
本发明将表1和表2中4阶到9阶标准差的值以折线的形式在图1、图2中 画出，其中，每条折线分别表示同一个拟合时间长度下的不同阶数的拟合差的 标准差值。
根据图1和图2中折线的变化趋势可以看出，相同拟合时间，阶数越大拟 合残差标准差越小；相同阶数下拟合时间越短拟合残差标准差越小。这与本发 明从表1和表2中所得到的变化规律是一致的。
为了进一步分析标准差的变化情况，本发明将4阶到9阶的邻阶标准差作 差，对其取绝对值，得到的差值详见表3和表4。
表3 4阶到9阶相邻阶数拟合残差标准差的差值绝对值(原始观测数据)
Figure BDA0002541127260000081
表4 4阶到9阶相邻阶数拟合残差标准差的差值绝对值(滑动平均数据)
Figure BDA0002541127260000082
从表3和表4中可以得到，5阶与4阶之间的差值最大，而9阶与8阶之间 的差值最小。通过标准差的差值，可以得到数据分析精度的变化情况，相邻两 阶数标准差之间的差值越大说明精度提高的空间越大。在表3中以10min拟合 长度为例，5阶与4阶之间差值的精度为0.001，6阶与5阶之间差值的精度为 0.0001，7阶与6阶之间差值的精度也为0.0001，指标要求伪距拟合残差标准差 要小于0.06米，所以本发明认为6阶的拟合精度已经能够满足指标要求。表4 中也可以得到相同的结论，即10min拟合长度时，5阶与4阶之间差值的精度为 0.001，6阶与5阶之间差值的精度为0.0001。
由上述分析，6阶多项式的拟合分析已经可以保证数据分析结果有较高的精 度，再增加分析阶数对分析结论无明显影响。
3.2.2拟合时间段分析
本发明以4阶的标准差为起始零点，5、6、7、8、9阶的标准差与其做差值， 观察随拟合时间变化，各阶分析结果数据的相对变化，分析同一组数据，在不 同的拟合时间和不同拟合阶数情况下，分析精度的变化情况。
图3～图4中，横轴“0”表示“4阶减4阶”、横轴“1”表示“5阶减4阶”、横轴“2” 表示“6阶减4阶”、依此类推。由于差值是负值，故本发明在画图的时候对其取 绝对值，所以差值的绝对值越大，说明二者之间的差距越大。
从图3中可以看到，不同拟合时间长度的折线均呈现出上升的趋势，即差 值越来越大，二者之间的差距越来越大。为了方便观察，本发明在图3中只将 6min、10min、15min、30min的折线画出。
在图3中可以看出，10min的折线在其余3条曲线下方，也即拟合时间长度 为10min时的拟合残差标准差与4阶之间的差距要比其它拟合时间的小，10min 时的拟合效果随阶数变化较稳定。
图4给出了滑动平均后的数据分析结果来进一步验证本发明得到的结论。
从图4中也可以看出相同的规律：拟合时间长度为10min时的折线均在其 余3条曲线下方，即10min时的拟合效果随阶数变化较稳定。
4、本发明的评估结论
本发明利用24小时的地球同步轨道GEO-3卫星监测接收机原始观测数据和 滑动平均数据来进行数据分析与比对说明，通过对这两种数据进行不同阶数(分 别为3、4、5、6、7、8、9)与不同拟合时间长度(分别为6min、10min、15min、 30min、60min)下的伪距拟合残差标准差、标准差差值等不同方面的分析与对 比，得出以下结论：
(1)相同拟合时长，阶数增加，残差标准差的值越来越小；相同阶数下， 拟合时间长度增加，伪距拟合残差标准差的值越来越大。
(2)通过分析标准差的差值，可以得到数据分析精度的变化情况，相邻两 阶数标准差之间的差值越大说明精度提高的空间越大。6阶多项式的拟合分析已 经可以保证数据分析结果有较高的精度，再增加分析阶数对分析结论无明显影 响。
(3)以4阶的标准差为起始零点，5、6、7、8、9阶的标准差与其做差值， 观察随拟合时间变化，各阶分析结果数据的相对变化，分析同一组数据，在不 同的拟合时间和不同拟合阶数情况下，分析精度的变化情况，得出：10min时的 拟合效果随阶数变化较稳定。
本发明通过选择不同阶数与不同拟合时间长度的组合对地球同步轨道卫星 24小时的数据进行了深入研究，分析了稳定性分析方法中多项式拟合参数的选 取对评估结果的影响。结果表明，6阶多项式的拟合分析已经可以保证数据分析 结果有较高的精度，再增加分析阶数对评估结果无明显影响。分析同一组数据， 在不同的拟合时间和不同拟合阶数情况下分析精度的变化情况，得出10min时 的拟合效果随阶数变化较稳定。
本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，其特征在于，主要通过分析监测接收机伪距观测量和载波相位观测量，并对其进行多项式拟合，所述多项式拟合参数包括拟合阶数与拟合时间长度，通过原始观测数据与滑动平均数据对拟合阶数与拟合时间长度进行最优筛选；
将原始分析数据进行平均数为20次的滑动平均进行降噪处理，得到测量噪声较小的原始观测数据，作为对比分析数据；所述原始分析数据采用无跳变和接收机失锁等异常现象的24小时北斗二号GEO-3卫星观测量数据；
采用北斗监测接收机数据，通过不同阶数和不同拟合时间长度的组合对信号稳定性进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，其特征在于，所述多项式拟合是根据最小二乘法原理平滑观测数据，使得拟合曲线与原始数据具有最小的拟合差。
3.根据权利要求1所述的一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，其特征在于，所述多项式拟合具体做法是：对给定数据(xi,yi)，求多项式Pn(x)，使误差ri＝Pn(xi)-yi的平方和最小，即：
Figure FDA0002541127250000011
满足上式的
Figure FDA0002541127250000012
称为最小二乘拟合多项式。
4.根据权利要求3所述的一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，其特征在于，所述给定数据(xi,yi)及ri＝Pn(xi)-yi中i＝0,1,…,m。
5.根据权利要求4所述的一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，其特征在于，所述ri＝Pn(xi)-yi，i＝0,1,…,m被称为残差。
6.根据权利要求1所述的一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，其特征在于，所述不同阶数分别为3、4、5、6、7、8、9，所述不同拟合时间长度分别为6min、10min、15min、30min、60min，通过上述组合来对GEO-3卫星一天24小时的数据进行分析。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于监测接收机的BDS卫星导航信号稳定性分析方法，其特征在于，所述监测接收机数据输出频率为1行/秒。
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