CN114690210A - 一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法 - Google Patents

一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，包括如下操作步骤：首先通过文件或者网络获取单台GNSS静态测站观测值和广播星历；其次进行数据预处理和误差改正；然后建立多普勒频移测速模型，求解接收机三维速度；再构建北斗卫星轨道机动时间判别因子和机动卫星判别因子；最后确定卫星轨道机动的时刻及卫星PRN号。该方法仅利用单台GNSS静态接收机，使用多普勒观测值进行卫星机动探测，不需要复杂的轨道力模型，具有精度高，计算量小，成本低等优势，可以快捷的探测卫星轨道机动，十分方便用户使用。

Description

一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法
技术领域
本发明涉及卫星机动探测技术领域，具体而言，涉及一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法。
背景技术
由于地球非球形重力等因素会影响导航卫星，使轨道长周期项发生摄动及卫星位置偏移，导航卫星需要进行轨道机动来使其稳定在名义轨道位置上，尤其是GEO和IGSO卫星，为保持它们的地球同步特性，需要经常进行轨道机动。与其他全球导航卫星系统GNSS不同，北斗系统中的混合星座的轨道机动更为频繁。在轨道机动过程中，卫星的实际位置和名义位置相差可达数十公里，对卫星的正常运行和定位效果产生严重影响。为了在偏差发生后及时重新定轨，需要尽快识别异常状态与机动情况。然而北斗卫星的机动信息对普通用户而言难以获取，北斗广播星历中的卫星健康标识为逐小时播报，采样率低且有时对异常卫星识别误差大，这使得大量有效有用的观测数据丢失，寻找一种实时有效的卫星机动探测方法是非常重要的。
尽管目前卫星机动探测的各种方法都取得了一定的成果，但是部分采用了复杂的力模型，还有部分采用了普通用户难以获得的原始数据，计算复杂，难以快速探测，对于普通用户来说成本较高，因此，我们对此做出改进，提出一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，利用单台GNSS静态接收机，使用多普勒观测值进行卫星机动探测，不需要复杂的轨道力模型，具有精度高，计算量小，成本低等优势，可以快捷的探测卫星轨道机动，十分方便用户使用，解决了普通用户，计算复杂，精度低，难以快速探测以及成本较高的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，包括如下操作步骤：
S1：原始数据获取,通过文件或者网络获取单台GNSS静态测站的观测值和广播星历；
S2：数据预处理，包括北斗卫星坐标计算，以及提取出观测文件中的多普勒观测值；
S3：对多普勒观测值进行误差改正，包括卫星钟差、电离层误差和对流层误差；
S4：构建多普勒频移测速模型，并求解接收机三维速度；
S5：构建卫星轨道机动时间判别因子；
S6：构建卫星轨道机动卫星判别因子；
S7：根据时间判别因子和卫星判别因子，确定轨道机动的时刻及卫星PRN号。
作为优选，步骤S4的具体方法是：多普勒频移测速的原理是基于接收机到卫星之间的距离变化来确定接收机的运动速度，多普勒测速的数学模型可以表示为：
Figure BDA0003600186550000021
式中，
Figure BDA0003600186550000022
为k时刻卫星与接收机之间的多普勒频移，
Figure BDA0003600186550000023
ds(k)为卫星在k时刻的多普勒观测值，λ为相应频率的波长，vs(k)为卫星在k时刻的运动速度，vr(k)为接收机在k时刻的运动速度，ei(k)为k时刻接收机与卫星连线的方向余弦；b'为接收机钟差变化率，εi包含卫星钟差、电离层误差、对流层变化引起的误差项，采用最小二乘法对多普勒频移测速参数进行估计：
Figure BDA0003600186550000031
其中V为观测残差，A为待估参数的系数矩阵，
Figure BDA0003600186550000032
为待估参数，L为经校正后的观测向量。
作为优选，步骤S5的具体方法是：利用观测残差的STD来构建卫星轨道机动时间的判别因子：
SM＝STD-3Shealthy (3)
其中SM是时间判别因子，Shealthy是由健康期观测残差的STD来确定的经验阈值，当SM大于0且持续5分钟及以上时，则认为对应的时刻为卫星轨道机动的开始时刻。
作为优选，步骤S6的具体方法是：采用矩阵L来构建卫星判别因子，进而探测机动卫星的PRN号，由公式(1)可知，L矩阵可以由下式计算：
Figure BDA0003600186550000033
在轨道机动期间，广播星历中的轨道参数将不再正确，用这些参数计算出的L会产生严重的误差，因此，它可以用来探测哪个卫星正在发生机动，由于L矩阵中包含了接收机钟差变化率，而接收机的初始钟差是未知的，为了消除接收机钟差变化率的影响，可以引入不同卫星直接的单差,那么，新的L可以构建为：
Lk,j＝|Lk-Lj| (5)
其中，Lk,j是由卫星k和参考卫星j之间的星间单差所计算出来的新的卫星判别因子，||为绝对值，选定的参考卫星j应该是处于正常、健康状态的，当所选择的参考卫星j存在异常或轨道机动时，由上述方法计算出的所有Lk,j值都会出现跳变，同时数值也会产生异常。
作为优选，步骤S7的具体方法是：根据公式(1)及高度角相关的随机模型进行最小二乘参数估计，获取各历元的观测残差，根据公式(3)及公式(5)定义的两种判别因子，确定轨道机动开始时刻和机动卫星的PRN号。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
通过利用多普勒频移测速，统计观测残差的STD来探测轨道机动的开始时刻和星差L值来探测机动卫星的PRN号，使用了北斗测站数据来分析并验证，使用这种方法可以快速准确的探测到卫星轨道机动的开始时刻和机动卫星的PRN号，进而可以增加用户的可用数据量。因此，该方法仅使用单台静态北斗接收机，十分方便用户使用，同时增加的可用数据有利于提高北斗系统PNT服务的性能，使用广播星历及多普勒观测值，不需要额外的数据信息和轨道力模型，成本更低、计算量小，可以方便快捷的探测卫星轨道机动。
附图说明
图1为本发明一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法的方案示意图；
图2为广播星历中C02的健康状态，其中蓝框表示健康，标识为0；红框表示不健康，标识为1；自5:00:00至15:00:00，C02的健康标识在广播星历中均标识为1；
图3为卫星轨道机动时间判别因子σM的时间序列；(a)图使用正常比例显示整体信息；(b)图使用放大的比例显示详细信息；
图4为卫星轨道机动时间判别因子SM的时间序列；(a)图使用正常比例显示整体信息；(b)图使用放大的比例显示详细信息；
图5为C02卫星的星差L值的时间序列(C01星被选为参考星)，(a)图使用正常比例显示整体信息；(b)图使用放大比例显示详细信息。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，首先获取原始数据；其次进行数据预处理和误差改正；然后建立多普勒频移测速模型，求解接收机三维速度；再构建卫星轨道机动时间判别因子和机动卫星判别因子；最后确定卫星轨道机动的时刻及卫星PRN号。
通过多普勒频移测速模型，构建卫星轨道机动时间判别因子和卫星判别因子，确定机动时刻及卫星PRN号，不需要复杂的轨道力模型，具有精度高，计算量小，成本低等优势，可以快捷的探测卫星轨道机动，十分方便用户使用。按以下几个步骤实现：
S1：原始数据获取,通过文件或者网络获取单台GNSS静态测站的观测值和广播星历；
S2:数据预处理，包括北斗卫星坐标计算，以及提取出观测文件中的多普勒观测值；
S3：对多普勒观测值进行误差改正，包括卫星钟差、电离层误差和对流层误差等；
S4:构建多普勒频移测速模型，并求解接收机三维速度；
S5：构建卫星轨道机动时间判别因子；
S6：构建卫星轨道机动卫星判别因子；
S7：根据时间判别因子和卫星判别因子，确定轨道机动的时刻及卫星PRN号。
步骤S4的具体方法是：多普勒频移测速的原理是基于接收机到卫星之间的距离变化来确定接收机的运动速度，多普勒测速的数学模型可以表示为：
Figure BDA0003600186550000051
式中，
Figure BDA0003600186550000052
为k时刻卫星与接收机之间的多普勒频移，
Figure BDA0003600186550000053
ds(k)为卫星在k时刻的多普勒观测值，λ为相应频率的波长，vs(k)为卫星在k时刻的运动速度，vr(k)为接收机在k时刻的运动速度，ei(k)为k时刻接收机与卫星连线的方向余弦；b'为接收机钟差变化率，εi包含卫星钟差、电离层误差、对流层等变化引起的误差项。
采用最小二乘法对多普勒频移测速参数进行估计：
Figure BDA0003600186550000061
其中V为观测残差，A为待估参数的系数矩阵，
Figure BDA0003600186550000062
为待估参数，L为经校正后的观测向量。
步骤S5的具体方法是：利用观测残差的STD来构建卫星轨道机动时间的判别因子：
SM＝STD-3Shealthy (3)
其中SM是时间判别因子，Shealthy是由健康期观测残差的STD来确定的经验阈值，当SM大于0且持续5分钟及以上时，则认为对应的时刻为卫星轨道机动的开始时刻。
步骤S6的具体方法是：时间判别因子可以检测到机动开始的时间，而机动卫星的PRN号还需要另外的因子来确定。本发明采用矩阵L来构建卫星判别因子，进而探测机动卫星的PRN号。由公式(1)可知，L矩阵可以由下式计算：
Figure BDA0003600186550000063
在轨道机动期间，广播星历中的轨道参数将不再正确，用这些参数计算出的L会产生严重的误差，因此，它可以用来探测哪个卫星正在发生机动。由于L矩阵中包含了接收机钟差变化率，而接收机的初始钟差是未知的，为了消除接收机钟差变化率的影响，可以引入不同卫星直接的单差,那么，新的L可以构建为：
Lk,j＝|Lk-Lj| (5)
其中，Lk,j是由卫星k和参考卫星j之间的星间单差所计算出来的新的卫星判别因子，||为绝对值。选定的参考卫星j应该是处于正常、健康状态的。当所选择的参考卫星j存在异常或轨道机动时，由上述方法计算出的所有Lk,j值都会出现跳变，同时数值也会产生异常。
步骤S7的具体方法是：根据观测方程式(1)及高度角相关的随机模型进行最小二乘参数估计，获取各历元的观测残差，根据式(3)及式(5)定义的两种判别因子，从而确定轨道机动开始时刻和机动卫星的PRN号。
为了验证方法的可行性，选取了多模GNSS实验跟踪网(MGEX)中GNSS测站YAR2的数据进行实验分析，采用TRIMBLE ALLOY接收机，采样率为30s，测站的详细数据见表1：
表1：单台GNSS静态测站信息
Figure BDA0003600186550000071
使用2016年6月28日(年积日180)YAR2站获得的数据，详细数据见图2所示。
由图中可知，在当日，北斗卫星导航系统的地球同步卫星C02在5:00:00至15:00:00发生了轨道机动，在广播星历中被标记为不健康，使用本方法进行了轨道机动的探测，图3和图4中分别展示了本方法中提及的两种时间判别因子的时间序列，
从图3和图4中可知，两种判别因子的时间序列在轨道机动发生后显示了大约5小时的持续增长趋势，且数值大于0，一般来说，当卫星轨道机动发生时，广播星历提供的卫星动力学参数失效，无法精确的确定卫星轨道。因此，快速准确的确定卫星轨道机动的开始时刻对后续轨道修复有着重要意义。广播星历中确定的机动开始时刻通常比真实的轨道机动早数个小时，这使得大量有效的轨道数据丢失。从上图中可以看出，判别因子σM的时间序列有着较明显的噪声，探测到的机动开始时间为09:33:00，判别因子SM相对稳定，且相比判别因子σM更加敏感，判别因子SM较判别因子σM更快的检测到机动开始时刻，探测到的机动开始时间为09:23:00，表2给出了两种判别因子的探测结果与广播星历的比较：
表2：判别因子σM与SM针对2016年6月28日卫星轨道机动的探测结果统计。
(单位：时：分：秒)
判别因子 标记时间 探测时间 时间差异
σ<sub>M</sub> 5:00:00 9:33:30 4:33:30
S<sub>M</sub> 5:00:00 9:23:30 4:23:30
两种判别因子相比与广播星历中标记的机动开始时刻，均增加了4个半小时左右的可用数据；在探测卫星轨道机动发生时刻的同时，还需要确定具体是哪颗卫星发生了机动，当卫星轨道机动发生时，卫星的速度会发生变化，进而影响多普勒频移测速的结果，其残差会产生异常，本方法利用非参考星与参考卫星的差值L来检测机动卫星的PRN号，如图5中(a)所示，C02卫星的星差L值表现出较大的值，且上升迅速、明显，同时星差L值表现上升的时刻与上文中探测到的机动开始时刻表现一致，从而可证实本方法的准确性，仅需要采用单台北斗接收机，使用广播星历及多普勒观测值，不需要额外的数据信息和轨道力模型，成本更低、计算量小，可以方便快捷的探测卫星轨道机动。
通过利用多普勒频移测速，统计观测残差的STD来探测轨道机动的开始时刻和星差L值来探测机动卫星的PRN号，使用了GNSS测站数据来分析并验证，使用这种方法可以快速准确的探测到卫星轨道机动的开始时刻和机动卫星的PRN号，当使用这种方法探测机动开始时刻时，观测残差的STD相比单位权中误差更敏感，探测到的机动开始时刻会晚于广播星历中标记的开始时间，这可以增加用户的可用数据量，综上所述，该方法仅使用单台北斗接收机，十分方便用户使用，同时增加的可用数据有利于提高北斗系统PNT服务的性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，其特征在于：包括如下操作步骤：
S1：原始数据获取,通过文件或者网络获取单台GNSS静态测站的观测值和广播星历；
S2：数据预处理，包括北斗卫星坐标计算，以及提取出观测文件中的多普勒观测值；
S3：对多普勒观测值进行误差改正，包括卫星钟差、电离层误差和对流层误差；
S4：构建多普勒频移测速模型，并求解接收机三维速度；
S5：构建卫星轨道机动时间判别因子；
S6：构建卫星轨道机动卫星判别因子；
S7：根据时间判别因子和卫星判别因子，确定轨道机动的时刻及卫星PRN号。
2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，其特征在于：所述步骤S4的具体方法是，多普勒频移测速的原理是基于接收机到卫星之间的距离变化来确定接收机的运动速度，多普勒测速的数学模型可以表示为：
Figure FDA0003600186540000011
式中，
Figure FDA0003600186540000012
为k时刻卫星与接收机之间的多普勒频移，
Figure FDA0003600186540000013
ds(k)为卫星在k时刻的多普勒观测值，λ为相应频率的波长，vs(k)为卫星在k时刻的运动速度，vr(k)为接收机在k时刻的运动速度，ei(k)为k时刻接收机与卫星连线的方向余弦；b'为接收机钟差变化率，εi包含卫星钟差、电离层误差、对流层变化引起的误差项；采用最小二乘法对多普勒频移测速参数进行估计：
Figure FDA0003600186540000014
其中V为观测残差，A为待估参数的系数矩阵，
Figure FDA0003600186540000021
为待估参数，L为经校正后的观测向量。
3.根据权利要求2所述的一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，其特征在于：所述步骤S5的具体方法是：利用观测残差的STD来构建卫星轨道机动时间的判别因子：
SM＝STD-3Shealthy (3)
其中SM是时间判别因子，Shealthy是由健康期观测残差的STD来确定的经验阈值，当SM大于0且持续5分钟及以上时，则认为对应的时刻为卫星轨道机动的开始时刻。
4.根据权利要求3所述的一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，其特征在于：所述步骤S6的具体方法是：采用矩阵L来构建卫星判别因子，进而探测机动卫星的PRN号，由公式(1)可知，L矩阵可以由下式计算：
Figure FDA0003600186540000022
在轨道机动期间，广播星历中的轨道参数将不再正确，用这些参数计算出的L会产生严重的误差，因此，它可以用来探测哪个卫星正在发生机动，由于L矩阵中包含了接收机钟差变化率，而接收机的初始钟差是未知的，为了消除接收机钟差变化率的影响，可以引入不同卫星直接的单差,那么，新的L可以构建为：
Lk，j＝|Lk-Lj| (5)
其中，Lk,j是由卫星k和参考卫星j之间的星间单差所计算出来的新的卫星判别因子，||为绝对值，选定的参考卫星j应该是处于正常、健康状态的，当所选择的参考卫星j存在异常或轨道机动时，由上述方法计算出的所有Lk,j值都会出现跳变，同时数值也会产生异常。
5.根据权利要求4所述的一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，其特征在于：所述步骤S7的具体方法是：根据公式(1)及高度角相关的随机模型进行最小二乘参数估计，获取各历元的观测残差，根据公式(3)及公式(5)定义的两种判别因子，确定轨道机动开始时刻和机动卫星的PRN号。
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