CN114895328B - 基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法及系统 - Google Patents

基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法及系统，涉及卫星领域，方法包括：实时获得测站上北斗系统的多普勒观测值和广播星历数据；建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得观测方程线性化后对应的误差方程；根据误差方程和随机模型进行最小二乘参数估计获取三维速度值，以及三维速度值对应的观测值残差和观测值常数值矩阵；根据观测值残差计算观测值残差的标准差序列；将北斗卫星系统在无轨道机动条件下一天的标准差序列平均值的三倍作为经验阈值；依据经验阈值判断卫星轨道是否发生机动；若轨道发生机动，则将观测值常数值矩阵中最大值对应的卫星作为轨道机动卫星。本发明实现了轨道机动的准确识别。

Description

基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星技术领域，特别是涉及一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法及系统。
背景技术
北斗系统卫星星座由地球静止轨道、倾斜地球轨道和中圆轨道三种星座混合构成。受日月等星体的引力作用，卫星的轨道会发生变化，为保障系统的正常服务，需要定期对轨道进行调整，简称为轨道机动。对于地球静止轨道卫星，轨道机动更为频繁，约每月进行一次。在轨道机动期间，实际轨道与广播星历提供的轨道相差数百乃至数千公里，如果不准确识别和处理轨道机动，将严重影响用户的定位导航授时服务和系统的精密定轨。
实时准确识别轨道机动，一方面可以减小卫星机动对精密定轨的影响，另一方面可以让用户有效避免机动卫星的影响，对提升整个导航系统的定位导航授时服务具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法及系统，实现了轨道机动的准确识别。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法，包括：
实时获得测站上北斗系统的多普勒观测值和广播星历数据；
采用所述多普勒观测值，基于所述北斗卫星广播星历和所述测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得所述观测方程线性化后对应的误差方程；
根据所述误差方程和所述随机模型进行最小二乘参数估计，获取三维速度值，以及所述三维速度值对应的观测值残差和观测值常数值矩阵；
根据所述观测值残差计算观测值残差的标准差序列；
将北斗卫星系统在无轨道机动条件下一天的标准差序列平均值的三倍作为经验阈值；
依据所述经验阈值判断卫星轨道是否发生机动；
若卫星轨道发生机动，则将观测值常数值矩阵中最大值对应的卫星作为轨道机动卫星。
可选地，所述观测方程表示为：
其中，D表示多普勒观测值，λ表示对应频率的载波相位波长，符号·代表历元变化，表示卫星与测站之间伪距变化率，/>表示接收机的钟速，/>表示卫星的钟速，c表示光速，/>表示电离层的历元变化，/>表示对流层的历元变化，ε代表观测噪声；
所述随机模型表示为：
所述随机模型用于表示所述观测方程中观测噪声ε，其中，σi表示第i颗卫星多普勒观测值中误差，θi表示第i颗卫星的高度角，σ2表示多普勒观测值的先验方差，α是截止卫星高度角；
所述随机模型对应的权阵列表示为：
其中，Pi表示第i颗卫星的权重系数；
所述误差方程表示为：
其中，V为多普勒观测值残差矢量，A为未知参数的系数矩阵，为未知参数矢量，L为多普勒观测值扣除误差后的常数项矢量。
可选地，所述卫星与测站之间伪距变化率表示为：
[xs ys zs]T表示卫星的三维速度，[x y x]T表示接收机的三维速度，[ls ms ns]T表示卫星和接收机之间的单位方向余弦矩阵。
可选地，依据所述经验阈值判断卫星轨道是否发生机动，具体包括：
若当前历元计算出的观测值残差的标准差序列超出所述经验阈值，并且持续5分钟一直超出所述经验阈值，则判定为卫星轨道机动发生。
可选地，所述采用所述多普勒观测值，基于所述北斗卫星广播星历和所述测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得所述观测方程线性化后对应的误差方程，具体包括：
基于所述广播星历数据对所述多普勒观测值进行预处理；
对预处理后的多普勒观测值进行误差修正；
采用误差修正后的所述多普勒观测值，基于所述北斗卫星广播星历和所述测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得所述观测方程线性化后对应的误差方程。
可选地，所述基于所述广播星历数据对所述多普勒观测值进行预处理，具体包括：
将所述多普勒观测值中无卫星星历或观测值类型不完整的数据进行删除。
可选地，所述对预处理后的多普勒观测值进行误差修正，具体包括：
对预处理后的多普勒观测值的电离层采用北斗广播星历的电离模型修正；
对预处理后的多普勒观测值的对流层采用采用Saastamoinen模型修正。
本发明公开了一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别系统，包括：
数据获取模块，用于实时获得测站上北斗系统的多普勒观测值和广播星历数据；
观测方程构建模块，用于采用所述多普勒观测值，基于所述北斗卫星广播星历和所述测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得所述观测方程线性化后对应的误差方程；
观测方程求解模块，用于根据所述误差方程和所述随机模型进行最小二乘参数估计，获取三维速度值，以及所述三维速度值对应的观测值残差和观测值常数值矩阵；
观测值残差的标准差序列计算模块，用于根据所述观测值残差计算观测值残差的标准差序列；
经验阈值确定模块，用于将北斗卫星系统在无轨道机动条件下一天的标准差序列平均值的三倍作为经验阈值；
轨道机动识别模块，用于依据所述经验阈值判断卫星轨道是否发生机动；
轨道机动卫星确定模块，用于若卫星轨道发生机动，则将观测值常数值矩阵中最大值对应的卫星作为轨道机动卫星。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法及系统，基于多普勒测速的原理，建立多普勒观测值的观测方程，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，实现了轨道机动的准确识别。
附图说明
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，下面将对实施例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本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法流程示意图一；
图2为本发明一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法流程示意图二；
图3为本发明一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明的目的是提供一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法及系统，实现了轨道机动的准确识别。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法流程示意图一，图2为本发明一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法流程示意图二，如图1-2所示，一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法包括以下步骤：
步骤101：实时获得测站上北斗系统的多普勒观测值和广播星历数据。
其中，步骤101还包括实时获得地球自转参数。广播星历数据和地球自转参数为多普勒观测值处理需要的数据。
步骤102：采用多普勒观测值，基于北斗卫星广播星历和测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得观测方程线性化后对应的误差方程。
其中，步骤102具体包括：
基于广播星历数据对多普勒观测值进行预处理。对获得的北斗多普勒观测值进行数据质量检查、粗差剔除。
对预处理后的多普勒观测值进行误差修正。
采用误差修正后的多普勒观测值，基于北斗卫星广播星历和测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得观测方程线性化后对应的误差方程。
基于广播星历数据对多普勒观测值进行预处理，具体包括：
将多普勒观测值中无卫星星历或观测值类型不完整的数据进行删除。
对预处理后的多普勒观测值进行误差修正，具体包括：
因为多普勒观测值表征的是历元之间的变化，电离层、对流层等误差可以大大削弱，因此对预处理后的多普勒观测值的电离层采用北斗广播星历的电离模型修正；对预处理后的多普勒观测值的对流层采用采用Saastamoinen模型修正；地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型改正，相对论效应、潮汐和天线相位中心等误差在历元间对多普勒测速影响较小，可以不用考虑。
步骤103：根据误差方程和随机模型进行最小二乘参数估计，获取三维速度值，以及三维速度值对应的观测值残差和观测值常数值矩阵。
步骤104：根据观测值残差计算观测值残差的标准差序列。
步骤105：将北斗卫星系统在无轨道机动条件下一天的标准差(STD)序列平均值的三倍作为经验阈值。
步骤106：依据经验阈值判断卫星轨道是否发生机动。
步骤107：若卫星轨道发生机动，则将观测值常数值矩阵中最大值对应的卫星作为轨道机动卫星。
观测方程表示为：
其中，D表示多普勒观测值，λ表示对应频率的载波相位波长，符号·代表历元变化，表示卫星与测站之间伪距变化率，/>表示接收机的钟速，/>表示卫星的钟速，c表示光速，/>表示电离层的历元变化，/>表示对流层的历元变化，ε代表观测噪声。
卫星与测站之间伪距变化率表示为：
[xs ys zs]T表示卫星的三维速度，[x y z]T表示接收机的三维速度，[ls ms ns]T表示卫星和接收机之间的单位方向余弦矩阵。
随机模型表示为：
随机模型用于表示观测方程中观测噪声ε，其中，σi表示第i颗卫星观测值中误差，θi表示第i颗卫星的高度角，σ2表示多普勒观测值的先验方差，σ2一般设置0.03米，α是截止卫星高度角，一般设置为30度。
随机模型对应的权阵列表示为：
Pi表示第i颗卫星的权重系数。
误差方程表示为：
其中，V为多普勒观测值残差矢量，A为待求的未知参数的系数矩阵，为未知参数矢量，L为多普勒观测值扣除误差后的常数项矢量；其中未知参数包括三维速度和接收机钟速，误差是指多普勒观测值含有的误差，具体包括电离层误差、对流层误差、卫星轨道误差和钟差误差。
根据误差方程(5)和权矩阵(4)进行最小二乘参数估计，获取三维速度值以及对应的观测值残差(V)和观测值常数值矩阵(L)。
依据经验阈值判断卫星轨道是否发生机动，具体包括：
若当前历元计算出的观测值残差的标准差序列超出经验阈值，并且持续5分钟一直超出经验阈值，则判定为卫星轨道机动发生。
通过观测值矩阵来识别机动卫星的PRN号码。
本发明总体技术思路为：通过多普勒观测值测速模型求解测站速度以及对应的机动识别参数值，通过经验阈值判断参数是否超限来确定是否机动以及哪颗卫星发生机动。
本发明的有益效果是：
第一，直接采用多普勒观测值进行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。
本发明将北斗多普勒观测值直接进行处理，比伪距观测值精度高，且没有相位观测值的模糊度参数，可直接获取速度信息和对应的参数求解信息。因采用高精度多普勒观测值，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。
多普勒观测值是历元间差分的观测值，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特殊设备和辅助信息，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，并且只需简单的多普勒测速解算就可以完成轨道机动探测，方便实时应用。
图3为本发明一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别系统结构示意图，如图3所示，一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别系统包括：
数据获取模块201，用于实时获得测站上北斗系统的多普勒观测值和广播星历数据。
观测方程构建模块202，用于采用多普勒观测值，基于北斗卫星广播星历和测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得观测方程线性化后对应的误差方程。
观测方程求解模块203，用于根据误差方程和随机模型进行最小二乘参数估计，获取三维速度值，以及三维速度值对应的观测值残差和观测值常数值矩阵。
观测值残差的标准差序列计算模块204，用于根据观测值残差计算观测值残差的标准差序列。
经验阈值确定模块205，用于将北斗卫星系统在无轨道机动条件下一天的标准差序列平均值的三倍作为经验阈值。
轨道机动识别模块206，用于依据经验阈值判断卫星轨道是否发生机动。
轨道机动卫星确定模块207，用于若卫星轨道发生机动，则将观测值常数值矩阵中最大值对应的卫星作为轨道机动卫星。
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，由于其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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法，其特征在于，包括：
实时获得测站上北斗系统的多普勒观测值和广播星历数据；
采用所述多普勒观测值，基于所述北斗卫星广播星历和所述测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得所述观测方程线性化后对应的误差方程；
根据所述误差方程和所述随机模型进行最小二乘参数估计，获取三维速度值，以及所述三维速度值对应的观测值残差和观测值常数值矩阵；
根据所述观测值残差计算观测值残差的标准差序列；
将北斗卫星系统在无轨道机动条件下一天的标准差序列平均值的三倍作为经验阈值；
依据所述经验阈值判断卫星轨道是否发生机动；
若卫星轨道发生机动，则将观测值常数值矩阵中最大值对应的卫星作为轨道机动卫星；
所述观测方程表示为：
其中，D表示多普勒观测值，λ表示对应频率的载波相位波长，符号·代表历元变化，表示卫星与测站之间伪距变化率，/>表示接收机的钟速，/>表示卫星的钟速，c表示光速，表示电离层的历元变化，/>表示对流层的历元变化，ε代表观测噪声；
所述随机模型表示为：
所述随机模型用于表示所述观测方程中观测噪声ε，其中，σi表示第i颗卫星多普勒观测值中误差，θi表示第i颗卫星的高度角，σ2表示多普勒观测值的先验方差，α是截止卫星高度角；
所述随机模型对应的权阵列表示为：
其中，Pi表示第i颗卫星的权重系数；
所述误差方程表示为：
其中，V为多普勒观测值残差矢量，A为未知参数的系数矩阵，为未知参数矢量，L为多普勒观测值扣除误差后的常数项矢量。
2.根据权利要求1所述的基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法，其特征在于，所述卫星与测站之间伪距变化率表示为：
[xs ys zs]T表示卫星的三维速度，[x y z]T表示接收机的三维速度，[ls ms ns]T表示卫星和接收机之间的单位方向余弦矩阵。
3.根据权利要求1所述的基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法，其特征在于，依据所述经验阈值判断卫星轨道是否发生机动，具体包括：
若当前历元计算出的观测值残差的标准差序列超出所述经验阈值，并且持续5分钟一直超出所述经验阈值，则判定为卫星轨道机动发生。
4.根据权利要求1所述的基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法，其特征在于，所述采用所述多普勒观测值，基于所述北斗卫星广播星历和所述测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得所述观测方程线性化后对应的误差方程，具体包括：
基于所述广播星历数据对所述多普勒观测值进行预处理；
对预处理后的多普勒观测值进行误差修正；
采用误差修正后的所述多普勒观测值，基于所述北斗卫星广播星历和所述测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得所述观测方程线性化后对应的误差方程。
5.根据权利要求4所述的基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法，其特征在于，所述基于所述广播星历数据对所述多普勒观测值进行预处理，具体包括：
将所述多普勒观测值中无卫星星历或观测值类型不完整的数据进行删除。
6.根据权利要求4所述的基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别方法，其特征在于，所述对预处理后的多普勒观测值进行误差修正，具体包括：
对预处理后的多普勒观测值的电离层采用北斗广播星历的电离模型修正；
对预处理后的多普勒观测值的对流层采用采用Saastamoinen模型修正。
7.一种基于多普勒观测值的北斗卫星轨道机动识别系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于实时获得测站上北斗系统的多普勒观测值和广播星历数据；
观测方程构建模块，用于采用所述多普勒观测值，基于所述北斗卫星广播星历和所述测站的初始位置，建立多普勒测速的观测方程，并依据卫星高度角确定随机模型，获得所述观测方程线性化后对应的误差方程；
观测方程求解模块，用于根据所述误差方程和所述随机模型进行最小二乘参数估计，获取三维速度值，以及所述三维速度值对应的观测值残差和观测值常数值矩阵；
观测值残差的标准差序列计算模块，用于根据所述观测值残差计算观测值残差的标准差序列；
经验阈值确定模块，用于将北斗卫星系统在无轨道机动条件下一天的标准差序列平均值的三倍作为经验阈值；
轨道机动识别模块，用于依据所述经验阈值判断卫星轨道是否发生机动；
轨道机动卫星确定模块，用于若卫星轨道发生机动，则将观测值常数值矩阵中最大值对应的卫星作为轨道机动卫星；
所述观测方程表示为：
其中，D表示多普勒观测值，λ表示对应频率的载波相位波长，符号·代表历元变化，表示卫星与测站之间伪距变化率，/>表示接收机的钟速，/>表示卫星的钟速，c表示光速，表示电离层的历元变化，/>表示对流层的历元变化，ε代表观测噪声；
所述随机模型表示为：
所述随机模型用于表示所述观测方程中观测噪声ε，其中，σi表示第i颗卫星多普勒观测值中误差，θi表示第i颗卫星的高度角，σ2表示多普勒观测值的先验方差，α是截止卫星高度角；
所述随机模型对应的权阵列表示为：
其中，Pi表示第i颗卫星的权重系数；
所述误差方程表示为：
其中，V为多普勒观测值残差矢量，A为未知参数的系数矩阵，为未知参数矢量，L为多普勒观测值扣除误差后的常数项矢量。
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