CN113885056A - 星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法，其中该系统包括：卫星钟差单元，被配置为利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差；观测量修正单元，被配置为对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正；以及动力学定轨单元，被配置为利用卫星钟差单元获取的卫星钟差和经观测量修正单元修正后的定轨伪距观测量进行动力学定轨，同时估计星地双向时间同步设备时延。

Description

星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法。

背景技术

我国的区域卫星导航系统采用独立的时间同步体制，其中依靠境内的区域监测站星地双向时间同步设备来实现对卫星钟差的监测。与GPS和Galileo导航系统相比，其特殊性在于，目前导航卫星采用的定轨技术为多星多站支持条件下的伪距定轨方法。

我国区域卫星导航系统主要采用L波段的伪距导航体制。该体制首先需要从伪距数据中扣除卫星钟差和测站钟差的影响，然后才能进行伪距定轨。伪距定轨目前采用多星定轨的方法，同时解算卫星轨道、卫星钟差和测站钟差。为降低钟差与轨道的相关性，我国区域卫星导航系统采用独立的星地双向时间同步体制计算卫星相对于系统时的钟差，利用上、下行伪距作差计算卫星钟差，由此消除单向伪距测量中的电离层延迟和对流层延迟的建模误差，也不受卫星轨道误差和测站坐标的影响。

由于额外观测设备的引入，需计算星地双向时间同步设备相对接收机的时延。目前采用的时延解算方法为伪距残差法，即从多个测站测得的卫星伪距中扣除卫星位置至接收机之间的几何距离、对流层延迟、电离层延迟、广义相对论、天线相位中心偏差、地球潮汐、卫星钟差、测站钟差，其中卫星位置由多星定轨确定的卫星轨道获取，卫星钟差由星地双向时间同步获取，残差均值即为该卫星星地双向时间同步设备未标定时延。由于仅依靠境内区域监测站进行定轨处理，定轨误差较大导致伪距残差有较大波动，从而导致时延标定结果存在较大波动。

可见上述方法在应用于区域导航系统中的星地双向时间同步设备时延标定时有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法，以解决现有的多星定轨应用于区域导航系统中的导航卫星精密定轨时有一定的局限性的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，包括：

卫星钟差单元，被配置为利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差；

观测量修正单元，被配置为对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正；以及

动力学定轨单元，被配置为利用卫星钟差单元获取的卫星钟差和经观测量修正单元修正后的定轨伪距观测量进行动力学定轨，同时估计星地双向时间同步设备时延。

可选的，在所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统中，卫星钟差单元利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差包括：

利用北斗系统地面设备和卫星接收的星地双向伪距观测量获取卫星相对于主控站的钟差，包括：

卫星S和地面k站分别在本地钟的控制下产生并发播伪码测距信号，地面站k在本地1pps对应的钟面时T_k(t₀)时刻观测得到下行伪距

下行伪距

中含有负的卫星钟差，卫星S在本地1pps对应的钟面时T_S(t₁)时刻观测得到上行伪距

上行伪距

中含有正的卫星钟差；

同时，卫星将其自身上行伪距观测值通过通信链路发送给地面站k，地面站k利用本地测量的下行伪距和接收到的上行伪距求差，得到卫星相对于地面站k的钟差，以完成卫星与地面之间的时间比对，卫星与地面之间的时间比对结果为卫星钟差。

可选的，在所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统中，观测量修正单元对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正包括：

对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正，根据卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步，伪距观测量误差修正模型如下：

ρ(t_k)＝R(t_k-δt_k-t,t_k-δt_k)+cδt_k-cδt^s

+ΔD_trop+ΔD_ion+ΔD_rel+ΔD_ant+ΔD_tide+ΔD_sys+ε

其中ρ为实测的伪距，t^s为卫星的钟面时，t_k为接收机的钟面时，c为光速，卫星钟和接收机测站钟相对于标准时的钟差分别为δτ^s、δτ_k，τ为信号从卫星至接收机真实几何距离对应的传播时间，R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)为卫星位置至接收机之间的几何距离，ΔD_trop为对流层延迟，ΔD_ion为电离层延迟误差，DD_rel为广义相对论误差，ΔD_ant为天线相位中心偏差，DD_tide为地球潮汐误差，ΔD_sys为独立时间同步系统与监测接收机时频系统差，ε为偶然误差；其中卫星钟差为基于卫星钟差单元获取的星地无线电双向法的解算结果。

可选的，在所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统中，观测量修正单元对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正还包括：

通过对接收机的本地码和卫星信号的伪随机码进行相关处理，测定信号从卫星至接收机的传播时间τ′；

T表示统一的北斗时，设t^s为卫星s的钟面时，t_k为接收机k的钟面时，卫星钟和接收机钟相对于T标准时的钟差分别为δτ^s、δτ_k，其定义为：

相应于北斗时T^s，卫星s在卫星钟t^s时刻发射信号，相应于T_k时刻在接收机钟t_k时刻到达接收机k，通过伪随机码测出观测量τ′，则

τ′＝t_k-t^s

＝(T_k+δt_k)-(T^s+δt^s)＝(T_k-T^s)+(δt_k-δt^s)

＝τ+δt_k-δt^s

两边同时乘以光速c得：

ρ＝cτ′＝cτ+cδt_k-cδt^s＝R(T^s,T_k)+cδt_k-cδt^s

将上式转换为以接收机钟面时t_k为标准的观测方程：

ρ(t_k)＝R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)+cδt_k-cδt^s

其中ρ为实测的伪距，R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)为卫星位置至接收机之间的几何距离；

修正上式得到伪距观测量误差修正模型。

可选的，在所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统中，观测量修正单元对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正还包括：

利用跟踪站实测的气象观测数据，在定轨解算中完成对流层延迟误差的修正，伪距相位观测数据采用Saastamoinen-Neil模型进行误差修正，在Saastamoinen-Neil模型中，输入温度、气压和湿度完成对流层延迟误差计算；

对于电离层延迟误差，只具备单频观测条件下，采用欧洲定轨中心提供的全球精密电离层延迟模型，利用全球电离层延迟图计算各监测站与卫星所对应穿刺点的电离层延迟误差；

对于电离层延迟误差，在具备双频观测条件下，采用双频消电离层组合

其中f₁、f₂分别为两个频点的频率，L₁、L₂分别为两个频点伪距观测量，通过L_C组合可以消除电离层误差影响进行电离层误差修正。

可选的，在所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统中，对各测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正时，各跟踪站进行天线相位中心改正，扣除天线相位中心偏差；

从伪距数据中扣除相对论效应和地球潮汐误差，从L波段伪距数据中传播扣除对流层误差，非消电离层组合观测量扣除电离层延迟误差，扣除卫星钟差与接收机测站钟差；

对于天线相位中心改正，在测量设备出厂过程中进行精确标定，并将标定结果提供用户使用，利用厂家提供参数对此误差进行修正。

可选的，在所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统中，设观测误差方程为：

y＝HX+ε

其中y为观测量，H为系数矩阵，X为定轨解算参数即待估参数，ε为观测噪声，根据最小二乘原理，待解参数估值为：

X＝(H^TH)^-1H^Ty

其中：待估参数为

为m₀个全局参数，

为第i(i＝1,2,…N)个观测历元m_i个待估钟差参数，包括卫星和接收机钟差。

可选的，在所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统中，法方程为(H^T·H)·X＝H^T·y，分量形式为：

方程组第二式化为：

代入方程组第一式消除第一历元钟差参数

整理后得：

按上述方法逐历元消除钟差，消除大量钟差参数，使得法方程仅保留卫星状态和相位模糊度；

由上述方法得到多星定轨的精密轨道结果和卫星钟差与测站钟差的解算结果。

可选的，在所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统中，动力学定轨单元利用卫星钟差单元获取的卫星钟差和经观测量修正单元修正后的定轨伪距观测量进行动力学定轨，同时估计星地双向时间同步设备时延包括：

读取定轨参数，定轨参数包括定轨弧长、定轨用站、数据降频频度；

读取经观测量修正单元修正后的监测站距离观测量；

利用读取的定轨参数和距离观测量进行轨道参数和时延参数解算；其中定轨解算策略为：

待估参数为卫星初轨、光压参数和星地双向时间同步设备时延，依据测量设备不同每颗卫星可设置多个设备时延参数，每个设备对应一个设备时延参数。

本发明还提供一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定方法，包括：

卫星钟差单元利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差；

观测量修正单元对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正；以及

动力学定轨单元利用卫星钟差单元获取的卫星钟差和经观测量修正单元修正后的定轨伪距观测量进行动力学定轨，同时估计星地双向时间同步设备时延。

在本发明提供的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法中，通过卫星钟差单元利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差，动力学定轨单元利用卫星钟差进行动力学定轨，同时估计星地双向时间同步设备时延，降低了区域监测站下网型较差导致的卫星轨道与钟差参数相关性，同时保证定轨结果不受双向钟差未标定时延的影响，提升卫星广播星历参数与钟差参数的自洽性。

本发明基于北斗区域卫星导航系统中导航卫星的试验分析，将定轨估计的未标定时延修正到双向测量钟差中，可将双向测量钟差中最大7ns的设备时延偏差减小至小于1ns。

附图说明

图1是本发明一实施例中的星地双向时间同步设备时延的动力学标定方法示意图；

图2是2016年8月24日(DOY237)至2016年9月26日(DOY270)GEO卫星双向测量钟差未标定时延估计结果序列细节图。

图3是2016年8月24日(DOY237)至2016年9月26日(DOY270)IGSO卫星双向测量钟差未标定时延1估计结果序列细节图。

图4是2016年8月24日(DOY237)至2016年9月26日(DOY270)IGSO卫星双向测量钟差未标定时延2估计结果序列细节图。

图5是2016年8月24日(DOY237)至2016年9月26日(DOY270)MEO卫星双向测量钟差未标定时延1估计结果序列细节图。

图6是2016年8月24日(DOY237)至2016年9月26日(DOY270)MEO卫星双向测量钟差未标定时延2估计结果序列细节图。

图7是2016年8月24日(DOY237)至2016年9月26日(DOY270)MEO卫星双向测量钟差未标定时延3估计结果序列细节图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的目的在于提供一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法，以解决现有的多星定轨应用于区域导航系统中的导航卫星精密定轨时有一定的局限性的问题。

本发明的目的还在于提供一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定算法，该方法能够利用伪距数据联合使用星地时间同步方法提供的卫星钟差数据进行多星精密定轨，从而提高了时延标定精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法，包括：卫星钟差单元，被配置为利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差；观测量修正单元，被配置为对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正；以及动力学定轨单元，被配置为利用卫星钟差单元获取的卫星钟差和经观测量修正单元修正后的定轨伪距观测量进行动力学定轨，同时估计星地双向时间同步设备时延。

上述方法实现了对伪距传播过程中所受误差的全面修正，尤其实现了对主要项卫星钟差修正。

本发明提出了星地双向时间同步设备时延的动力学标定算法，该方法为一种高精度、高稳定度和独立的时延标定方法，相比伪距残差标定方法，该方法的优势在于：通过在动力学定轨中约束星地时间同步解算的卫星钟差，降低了精密定轨时待估轨道参数与钟差参数的相关性，提高了定轨精度，从而也提高了同时估计的星地双向时间同步设备时延的精度。本方法有效提高了北斗区域卫星导航系统中导航卫星的星地双向时间同步时延标定精度，提高了区域卫星导航系统的可用度。

本发明提供了星地双向时间同步设备时延的动力学标定算法，多星定轨即采用多个测站对多颗卫星的观测量进行一体化定轨，得到高精度的轨道信息、动力学信息和测量信息。监测接收机不仅能够进行伪距观测，而且可以获得更高精度的相位数据。多星定轨可以综合伪距与相位数据进行定轨，并实现对卫星钟差与测站钟差的单历元估计获得高精度的卫星钟差和测站钟差，定轨中采用批处理最小二乘方法进行混合星座的精密轨道确定和星地双向时间同步设备时延标定。

本发明的星地双向时间同步设备时延的动力学标定方法流程如图1所示，包括：

S1：利用北斗系统地面设备和卫星接收的星地双向伪距观测量获取卫星相对于系统时间的钟差。

卫星S和地面k站分别在本地钟的控制下产生并发播伪码测距信号，地面站k在本地1pps对应的钟面时T_k(t₀)时刻观测得到下行伪距

(该伪距中含有负的卫星钟差)，卫星S在本地1pps对应的钟面时T_S(t₁)时刻观测得到上行伪距

(该伪距中含有正的卫星钟差)。同时，卫星将自己的上行伪距观测值通过通信链路发送给地面站k，地面站k利用本地测量的下行伪距和接收到的上行伪距求差，就能够得到卫星相对于地面站k的钟差，从而完成卫星与地面之间的时间比对，卫星与地面之间的时间比对结果即为卫星钟差。

S2：对北斗系统地面监测站接收机接受的伪距观测量进行误差修正，卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步

监测站接收机伪随机码测距的原理是通过对接收机的本地码和卫星信号的伪随机码进行相关处理，测定信号从卫星至接收机的传播时间τ′。若用T表示统一的北斗时，设t^s为卫星s的钟面时，t_k为接收机k的钟面时，卫星钟和接收机钟相对于T标准时的钟差分别为δτ^s、δτ_k，其定义为：

卫星s在卫星钟t^s时刻发射信号(相应于北斗时T^s)，于接收机钟t_k时刻(相应于T_k时刻)到达接收机k，通过伪随机码测出观测量τ′，则

τ′＝t_k-t^s

＝(T_k+δt_k)-(T^s+δt^s)＝(T_k-T^s)+(δt_k-δt^s)

＝τ+δt_k-δt^s (2)

两边同时乘以光速c得：

ρ＝cτ′＝cτ+cδt_k-cδt^s＝R(T^s,T_k)+cδt_k-cδt^s (3)

由于t^s无法由观测得到，所以将上式写成以接收机钟面时t_k为标准的观测方程：

ρ(t_k)＝R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)+cδt_k-cδt^s (4)

其中ρ为实测的伪距，R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)为卫星位置至接收机之间的几何距离，即是真实距离。考虑到前面分析的对流层延迟ΔD_trop和电离层延迟ΔD_ion以及广义相对论ΔD_rel、天线相位中心偏差ΔD_ant、地球潮汐的影响ΔD_tide、独立时间同步系统与监测接收机时频系统差ΔD_sys，偶然误差ε等对τ的影响，则修正上式得到伪距非差观测模型：

对各测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正时，首先各跟踪站都进行了天线相位中心改正，即扣除天线相位中心偏差，其次从伪距数据中扣除相对论效应和地球潮汐误差，再次需要从L波段伪距数据中传播扣除对流层误差，非消电离层组合观测量还需要扣除电离层延迟误差，最后需要扣除卫星钟差与接收机测站钟差；

对于天线相位中心改正，在测量设备出厂过程中均会进行精确标定，并将标定结果提供用户使用，因此可以利用厂家提供参数对此误差进行修正。

对于对流层延迟误差，利用跟踪站实测的气象观测数据，在定轨解算中完成该误差的修正，伪距相位观测数据都是采用Saastamoinen-Neil模型进行误差修正。在该模型中，输入温度、气压和湿度即可完成对流层延迟误差计算。

对于电离层延迟误差，在具备双频观测条件下，采用双频消电离层组合

其中f₁、f₂分别为两个频点的频率，L₁、L₂分别为两个频点伪距观测量，通过L_C组合可以消除电离层误差影响进行电离层误差修正，只具备单频观测条件下，采用欧洲定轨中心(CODE)提供的全球精密电离层延迟模型，利用全球电离层延迟图计算各监测站与卫星所对应穿刺点的电离层延迟量。

对于广义相对论误差，可以采用以下公式进行计算：

Δτ＝2·R·V/C² (6)

其中R、V分别为卫星的位置和速度矢量，C为光速。

对于地球潮汐误差，可以采用以下公式进行计算：

式中，GM是地球引力常数；GM_j为引潮天体引力常数(j＝2时为月球，j＝3为太阳)，r,R_j分别为测站和引潮天体的地心位置，

为对应的单位矢量，h₂为Love数，l₂为Shida数。

对钟差进行修正，其中包括卫星钟差和测站钟差的修正，卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步，测站钟差来源于多星定轨解算的测站钟差。

伪距修正中的卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步，北斗导航系统设计采用了星地无线电双向时间比对方法来实现导航卫星与主控站的时间同步。

测站钟差来源于多星定轨解算的测站钟差。多星定轨即采用多个测站对多颗卫星的观测量进行一体化定轨，得到高精度的轨道信息、动力学信息和测量信息。

监测接收机不仅能够进行伪距观测，而且可以获得更高精度的相位数据。多星定轨可以综合伪距与相位数据进行定轨，并实现对卫星钟差与测站钟差的估计，定轨中采用批处理最小二乘方法进行混合星座的精密轨道确定。

由于各历元间卫星和接收机钟差变化量呈随机变化规律，如果对钟差进行简单多项式建模时，会使钟差多项式拟合残差被轨道部分参数吸收，从而影响精密定轨精度。因此，多星定轨解算中对单历元卫星和接收机钟差进行建模与估计。

由于单历元需解算卫星和接收机钟差，精密定轨需估计大量钟差参数。为提高处理效率，多星定轨将采用钟差约化算法，逐历元约化钟差参数，仅保留卫星状态参数、相位模糊度等全局参数，从而减小法方程大小，降低存储空间，加快求解速度。

设观测误差方程为：

y＝HX+ε (8)

其中y为观测量，H为系数矩阵，X为定轨解算参数即待估参数，ε为观测噪声，根据最小二乘原理，待解参数估值为：

X＝(H^TH)^-1H^Ty (9)

其中：待估参数为

为m₀个全局参数，

为第i(i＝1,2,…N)个观测历元m_i个待估钟差参数，包括卫星和接收机钟差。

法方程为(H^T·H)·X＝H^T·y，分量形式为：

方程组第二式可化为：

代入方程组第一式即可消除第一历元钟差参数

整理后得：

按上述方法逐历元消除钟差，消除大量钟差参数，使得法方程仅保留卫星状态和相位模糊度等参数。

由上述方法可以得到多星定轨的精密轨道结果和卫星钟差与测站钟差的解算结果。

S3：利用经S2修正后的伪距观测量进行定轨。具体如下：

S3.1读取定轨参数；

根据定轨需求，读取定轨中使用的各种参数，包括定轨弧长、定轨用站、数据降频频度，为定轨观测量生成提供有效信息。

S3.2读取通过S2预处理之后的伪距观测量，形成定轨观测量；

S3.3定轨解算；

动力学定轨法首先要确定动力学模型和观测模型。其中动力学模型通过以下方法获取，卫星在空间的运动由如下常微分方程初值问题来描述：

其中

是卫星的位置矢量和速度矢量，μ＝GM_e地心引力常数，ε是有关物理参数如辐射压系数等，t为任意时刻，t0为初始时刻，

是卫星的初始位置矢量和初始速度矢量，

为中心体的引力加速度和摄动加速度两项之和。摄动加速度由摄动力提供，摄动力相对于地球中心引力为小量，具体分两种类型，即保守力摄动和非保守力摄动，其中保守力摄动包括N体摄动、地球形状摄动、潮汐摄动(固体潮、海潮摄动)，非保守力摄动包括大气阻力摄动、太阳直射辐射压摄动、地球反照辐射压摄动和卫星本体辐射摄动，对于GEO卫星，大气阻力摄动项可以忽略。其中地球引力场采用10×10阶JGM-3模型，行星历表采用JPL DE403参数，章动模型采用IAU80模型，太阳光压和地球反照辐射压模型采用了简单的Box-Wing模型，固体潮采用IERS96模型。对(12)式进行积分计算即可由初始历元t₀时刻的位置速度矢量，推算任意时刻的位置速度矢量。方程(12)的解即为动力学模型的形式，其函数模型可写为如下形式：

X＝F(X₀,σ,t) (13)

其中X₀为参考历元t₀时刻状态量，即卫星的位置速度矢量，状态量的形式为：

σ为动力学参数，主要包括太阳辐射压参数，即卫星表面反射系数。

进一步的，观测模型由以下方法获取，经过数据预处理后的伪距数据中的几何距离的定义如下：

式中Y为伪距观测量，

和

分别为t时刻卫星和测站在地心惯性系中的位置矢量，

和

则为t时刻卫星和测站在地固系中的位置矢量，两种不同坐标系的位置矢量可以通过坐标旋转进行转换。将(13)式带入(14)式子即可得到修正后观测方程，其中(13)式中的X等同于(10)式

或

得到的函数模型可以写成如下形式：

Y＝G(X,ρ,t)+v (15)

其中Y为伪距观测量，X为轨道参数和动力学参数。ρ为运动学参数，这里主要指各测站的公共系统误差。

进一步的，参数估计采用传统的基于最小二乘法的批处理方法。

动力学模型(13)式和观测模型(15)式中包含的动力学参数和运动学参数都具有不确定性，因此估计参数除了初始历元的位置速度外还应该包括动力学参数(太阳光压参数等)和运动学参数(各测站的公共系统误差)。(13)和(15)式为非线性方程，首先需要进行线性化：

Y＝G(X,ρ,t)＝G(F(X₀,σ,t),ρ,t)+v (16)

组建新的状态量如下

则

(16)式即为：

Y＝G(F(X₀,t))+v (19)

其中X₀即为带估计状态量，动力学定轨需要初值，设状态量初值为

将(19)式在

处展开为：

其中

令

称为观测矩阵，

称为状态转移矩阵，

略去(18)式的高阶项，最终的形式为：

y＝HΦx₀+v (21)

根据最小二乘法，x₀的最优估值为：

其中R^-1为的观测权矩阵，如果没有该信息则设置为单位矩阵，

和

分别为状态量与其权逆阵的先验值，如果没有此信息，都置为0。得出改正后的状态量为：

为定轨解算得到的轨道状态量和其余动力学参数及运动学参数。

利用北斗区域监测网测量数据进行定轨试验，同时估计双向测量钟差未标定时延。定轨处理时每颗GEO卫星设置1个设备时延参数，每颗IGSO卫星设置2个设备时延参数，每颗MEO卫星设置3个设备时延参数。利用2016年8月24日(DOY237)至2016年9月26日(DOY270)采集的北斗区域网观测数据滑动两小时进行定轨处理，可以得到卫星双向钟差的时延估计序列。估计的GEO卫星设备时延序列如图2，估计的IGSO卫星设备时延序列如图3和图4，估计的MEO卫星设备时延序列如图5至图7，设备时延估计序列的均值和标准差如表1，不同卫星类型不同时延参数估计序列的标准差如表2。

表1定轨估计的未标定时延序列统计结果(单位ns)

表2不同卫星类型的未标定时延估计值序列平均标准差(单位ns)

从表1和表2的统计结果可以看出，不同卫星具备大小不等、符号不同的设备时延，时延估计序列的最大标准差超过1.0ns。GEO卫星时延估计序列的标准差平均值为0.88ns，MEO卫星时延估计序列的标准差平均值为0.79ns，IGSO卫星时延估计序列标准差平均值为0.51ns。

若将表1中定轨估计的未标定时延修正到双向测量钟差中，可将双向测量钟差中最大7ns的设备时延偏差减小至小于1.0ns，从而提升卫星广播星历参数与钟差参数的自洽性。

基于上述试验，可以得出如下结论，将定轨估计的未标定时延修正到双向测量钟差中，可将双向测量钟差中最大7ns的设备时延偏差减小至小于1ns，提高了区域卫星导航系统卫星广播星历参数与钟差参数的自洽性。

综上，上述实施例对星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统及方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，包括：

卫星钟差单元，被配置为利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差；

观测量修正单元，被配置为对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正；以及

动力学定轨单元，被配置为利用卫星钟差单元获取的卫星钟差和经观测量修正单元修正后的定轨伪距观测量进行动力学定轨，并且估计星地双向时间同步设备时延。

2.如权利要求1所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，卫星钟差单元利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差包括：

利用北斗系统地面设备和卫星接收的星地双向伪距观测量获取卫星相对于主控站的钟差，包括：

卫星S和地面k站分别在本地钟的控制下产生并发播伪码测距信号，地面站k在本地1pps对应的钟面时T_k(t₀)时刻观测得到下行伪距

下行伪距

中含有负的卫星钟差，卫星S在本地1pps对应的钟面时T_S(t₁)时刻观测得到上行伪距

上行伪距

中含有正的卫星钟差；

同时，卫星将其自身上行伪距观测值通过通信链路发送给地面站k，地面站k利用本地测量的下行伪距和接收到的上行伪距求差，得到卫星相对于地面站k的钟差，以完成卫星与地面之间的时间比对，卫星与地面之间的时间比对结果为卫星钟差。

3.如权利要求1所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，观测量修正单元对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正包括：

对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正，根据卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步，伪距观测量误差修正模型如下：

ρ(t_k)＝R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)+cδt_k-cδt^s+ΔD_trop+ΔD_ion+ΔD_rel+ΔD_ant+ΔD_tide+ΔD_sys+ε

其中ρ为实测的伪距，t^s为卫星的钟面时，t_k为接收机的钟面时，c为光速，卫星钟和接收机测站钟相对于标准时的钟差分别为δτ^s、δτ_k，τ为信号从卫星至接收机真实几何距离对应的传播时间，R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)为卫星位置至接收机之间的几何距离，ΔD_trop为对流层延迟，ΔD_ion为电离层延迟误差，ΔD_rel为广义相对论误差，ΔD_ant为天线相位中心偏差，ΔD_tide为地球潮汐误差，ΔD_sys为独立时间同步系统与监测接收机时频系统差，ε为偶然误差；其中卫星钟差为基于卫星钟差单元获取的星地无线电双向法的解算结果。

4.如权利要求3所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，观测量修正单元对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正还包括：

通过对接收机的本地码和卫星信号的伪随机码进行相关处理，测定信号从卫星至接收机的传播时间τ′；

T表示统一的北斗时，设t^s为卫星s的钟面时，t_k为接收机k的钟面时，卫星钟和接收机钟相对于T标准时的钟差分别为δτ^s、δτ_k，其定义为：

相应于北斗时T^s，卫星s在卫星钟t^s时刻发射信号，相应于T_k时刻在接收机钟t_k时刻到达接收机k，通过伪随机码测出观测量τ′，则

τ′＝t_k-t^s

＝(T_k+δt_k)-(T^s+δt^s)＝(T_k-T^s)+(δt_k-δt^s)

＝τ+δt_k-δt^s

两边同时乘以光速c得：

ρ＝cτ′＝cτ+cδt_k-cδt^s＝R(T^s,T_k)+cδt_k-cδt^s

将上式转换为以接收机钟面时t_k为标准的观测方程：

ρ(t_k)＝R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)+cδt_k-cδt^s

其中ρ为实测的伪距，R(t_k-δt_k-τ,t_k-δt_k)为卫星位置至接收机之间的几何距离；

修正上式得到伪距观测量误差修正模型。

5.如权利要求1所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，观测量修正单元对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正还包括：

利用跟踪站实测的气象观测数据，在定轨解算中完成对流层延迟误差的修正，伪距相位观测数据采用Saastamoinen-Neil模型进行误差修正，在Saastamoinen-Neil模型中，输入温度、气压和湿度完成对流层延迟误差计算；

对于电离层延迟误差，只具备单频观测条件下，采用欧洲定轨中心提供的全球精密电离层延迟模型，利用全球电离层延迟图计算各监测站与卫星所对应穿刺点的电离层延迟误差；

对于电离层延迟误差，在具备双频观测条件下，采用双频消电离层组合

其中f₁、f₂分别为两个频点的频率，L₁、L₂分别为两个频点伪距观测量，通过L_C组合可以消除电离层误差影响进行电离层误差修正。

6.如权利要求3所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，

对各测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正时，各跟踪站进行天线相位中心改正，扣除天线相位中心偏差；

从伪距数据中扣除相对论效应和地球潮汐误差，从L波段伪距数据中传播扣除对流层误差，非消电离层组合观测量扣除电离层延迟误差，扣除卫星钟差与接收机测站钟差；

对于天线相位中心改正，在测量设备出厂过程中进行精确标定，并将标定结果提供用户使用，利用厂家提供参数对此误差进行修正。

7.如权利要求3所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，

设观测误差方程为：

y＝HX+ε

其中y为观测量，H为系数矩阵，X为定轨解算参数即待估参数，ε为观测噪声，根据最小二乘原理，待解参数估值为：

X＝(H^TH)^-1H^Ty

其中：待估参数为

为m₀个全局参数，

为第i(i＝1,2,…N)个观测历元m_i个待估钟差参数，包括卫星和接收机钟差。

8.如权利要求7所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，

法方程为(H^T·H)·X＝H^T·y，分量形式为：

方程组第二式化为：

代入方程组第一式消除第一历元钟差参数

整理后得：

按上述方法逐历元消除钟差，消除大量钟差参数，使得法方程仅保留卫星状态和相位模糊度；

由上述方法得到多星定轨的精密轨道结果和卫星钟差与测站钟差的解算结果。

9.如权利要求1所述的星地双向时间同步设备时延的动力学标定系统，其特征在于，动力学定轨单元利用卫星钟差单元获取的卫星钟差和经观测量修正单元修正后的定轨伪距观测量进行动力学定轨，同时估计星地双向时间同步设备时延包括：

读取定轨参数，定轨参数包括定轨弧长、定轨用站、数据降频频度；

读取经观测量修正单元修正后的监测站距离观测量；

利用读取的定轨参数和距离观测量进行轨道参数和时延参数解算；其中定轨解算策略为：

待估参数为卫星初轨、光压参数和星地双向时间同步设备时延，依据测量设备不同每颗卫星可设置多个设备时延参数，每个设备对应一个设备时延参数。

10.一种星地双向时间同步设备时延的动力学标定方法，其特征在于，包括：

由卫星钟差单元利用星地双向时间同步数据获取卫星钟差；

由观测量修正单元对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正；以及

由动力学定轨单元利用卫星钟差单元获取的卫星钟差和经观测量修正单元修正后的定轨伪距观测量进行动力学定轨，并且估计星地双向时间同步设备时延。

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