CN114935767B - 基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法及系统，基准站和用户都是单收方式，不发射信号，在北斗/GNSS拒止情况下，实现用户站的高精度三维定位和授时。不依赖北斗和其他GNSS卫星，可以使用天上任意下行无线电波的卫星。并且本发明可以在星座选择上设置更好的星座构型，提高几何精度因子，因此定位授时精度高。本发明可选用任意发射无线电波的卫星，并且在卫星选择上可以随时更改，同时本发明采用干涉时差测量体制测量精度高，并且用户站具有良好的抗干扰能力，即便存在对卫星的干扰和电磁波干扰也可以应用于本方法的干涉测量和定位。

Description

基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法及系统

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法及系统。

背景技术

美国“全球定位系统”(GPS)的两大主要功能是标准定位和标准授时(StandardPoint Positioning,缩写为SPP)，用户接收机可解算出自己的位置和钟差(接收机时钟和GPS系统时间的差)。这里的标准定位和授时，是指基于伪距测量并使用广播电文(含广播星历、广播星钟等)来实现的定位和授时。用户接收机同时接收4颗以上GPS卫星信号，可实现对接收机的定位，并解算出用户接收机钟与GPS系统时间(GPS Time，GPST)的差，如此实现授时。这种方法定位精度在米级水平，授时精度大约在几十纳秒水平。

在吸取GPS技术和经验的基础上，北斗卫星导航系统(BeiDou SatelliteNavigation System，BDS)同样具备标准的定位和授时功能，但它充分发挥后发优势，在星座组成(是GEO/IGSO/MEO混合星座)等方面有很多创新。北斗/GNSS采用专用的导航星座，采用固定的发射频率(L波段)，可以提供良好的导航定位和授时服务，然而卫星容易受到干扰或攻击出现拒止，并且导致用户端受到干扰，无法授时或者授时精度下降。并且同时北斗/GNSS采用专用的导航星座信号都较弱，影响授时精度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供的一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法应用于定位授时系统，定位授时系统包括基准站以及用户站，基准站与用户站通过外部通信，基准站为干涉测轨网中的测轨主站或为独立于干涉测轨网外的站，干涉测轨网包括多个测轨站，基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法包括：

基准站，用于当为干涉测轨网中的测轨主站时，在未发射信号情况下，接收多颗非合作卫星播发的目标信号，并基于目标信号的接收时间，使用动力学统计定轨方法对每颗非合作卫星进行定轨以及预报，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

基准站，用于当为独立于干涉测轨网外的站时，接收干涉测轨网中的测轨主站发送的非合作卫星的轨道数据，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

其中，第一观测数据为在基准站未发射信号情况下，多个非合作卫星播发信号所形成的观测数据；第二观测数据为用户站观测非合作卫星所形成的观测数据；基准站设置有原子钟组，原子钟组设置主钟，用于提供时间频率信号，主钟溯源到国家标准时间；非合作卫星的个数不少于4颗；

基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第一观测数据以及基准站坐标，计算该颗非合作卫星至基准站的第一传播距离；

基准站，针对每一颗非合作卫星，基于该颗非合作卫星的第一传播距离以及时差，建立用户钟差、时差、第一传播距离以及第二传播距离之间的第一表达式；

基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第二观测数据，建立该颗非合作卫星至用户站的第二传播距离的第二表达式；

将每一颗非合作卫星的第一表达式与第二表达式联合，建立定位授时方程组；

对定位授时方程组进行求解，得到用户钟差；

按照用户钟差对用户站进行授时。

可选的，第一传播距离表示为：

l₁₀＝d₁₀+c·τ_0，ion+c·τ_0，tro+c·τ_0，instr+s₀+oth₀

其中，d₁₀表示信号从卫星到达基准站的几何距离；c表示为光速；τ_0，ion表示信号从卫星到达基准站的电离层时延；τ_o，tro表示信号从卫星到达基准站的对流层时延；τ_0，instr表示基准站的设备时延；s₀表示信号从卫星到达基准站的Sagnac效应；oth₀表示授时过程中的其它改正。

其中，第一表达式表示为：

c·τ₁＝l₁-l₁₀+c·Δt

其中，τ₁表示每颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，l₁表示每颗非合作卫星至用户站之间的第二传播距离，Δt表示待解算的用户钟差。

其中，第二表达式表示为：

l₁＝d₁+c·τ_1，ion+c·τ_1，tro+c·τ_1，instr+s₁+oth₁

其中，d₁表示信号从卫星到达用户接收机天线相位中心的几何距离；τ_1，ion表示信号从卫星到达用户站的电离层时延；τ_1，tro表示信号从卫星到达用户站的对流层时延；τ_0，instr表示用户接收机的设备时延；s₁表示信号从非合作卫星到达用户站的Sagnac效应；oth₁表示其它改正。

其中，定位授时方程组为：

其中，(x₁,y₁,z₁)为1号非合作卫星的地固系坐标；(x₂,y₂,z₂)为2号非合作卫星的地固系坐标；(x₃,y₃,z₃)为3号非合作卫星的地固系坐标；(x₄,y₄,z₄)为4号非合作卫星的地固系坐标；d₁₀,d₂₀,d₃₀,d₄₀分别为信号从1号、2号、3号和4号星到达基准站的几何距离，d₁,d₂,d₃,d₄分别为信号从1号、2号、3号和4号非合作卫星，到达用户站接收机的几何距离，τ_i表示第i颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，(x,y,z)表示待解算的用户站的坐标。

第二方面，本发明提供的一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时系统，卫星无源定位授时系统包括基准站以及用户站，基准站与用户站通过外部通信，基准站为干涉测轨网中的测轨主站或为独立于干涉测轨网外的站，干涉测轨网包括多个测轨站，

基准站，用于当为干涉测轨网中的测轨主站时，在未发射信号情况下，接收多颗非合作卫星播发的目标信号，并基于目标信号的接收时间，使用动力学统计定轨方法对每颗非合作卫星进行定轨以及预报，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

基准站，用于当为独立于干涉测轨网外的站时，接收干涉测轨网中的测轨主站发送的非合作卫星的轨道数据，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

其中，第一观测数据为在基准站未发射信号情况下，多个非合作卫星播发信号所形成的观测数据；第二观测数据为用户站观测非合作卫星所形成的观测数据；基准站设置有原子钟组，原子钟组设置主钟，用于提供时间频率信号，主钟溯源到国家标准时间；非合作卫星的个数不少于4颗；

基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第一观测数据以及基准站坐标，计算该颗非合作卫星至基准站的第一传播距离；

基准站，针对每一颗非合作卫星，基于该颗非合作卫星的第一传播距离以及时差，建立用户钟差、时差、第一传播距离以及第二传播距离之间的第一表达式；

基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第二观测数据，建立该颗非合作卫星至用户站的第二传播距离的第二表达式；

将每一颗非合作卫星的第一表达式与第二表达式联合，建立定位授时方程组；

对定位授时方程组进行求解，得到用户位置和用户钟差；

按照用户钟差对用户站进行授时。

其中，第一传播距离表示为：

l₁₀＝d₁₀+c·τ_0，ion+c·τ_o，tro+c·τ_0，instr+s₀+oth₀

其中，d₁₀表示信号从卫星到达基准站的几何距离；c表示为光速；τ_0，ion表示信号从卫星到达基准站的电离层时延；τ_o，tro表示信号从卫星到达基准站的对流层时延；τ_0，instr表示基准站的设备时延；s₀表示信号从卫星到达基准站的Sagnac效应；oth₀表示授时过程中的其它改正。

其中，第一表达式表示为：

c·τ₁＝l₁-l₁₀+c·Δt

其中，τ₁表示每颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，l₁表示每颗非合作卫星至用户站之间的第二传播距离，Δt表示待解算的用户钟差。

其中，第二表达式表示为：

l₁＝d₁+c·τ_1，ion+c·τ_1，tro+c·τ_1，instr+s₁+oth₁

其中，d₁表示信号从卫星到达用户接收机天线相位中心的几何距离；τ_1,ion表示信号从卫星到达用户站的电离层时延；τ_1,tro表示信号从卫星到达用户站的对流层时延；τ_0,instr表示用户接收机的设备时延；s1表示信号从非合作卫星到达用户站的Sagnac效应；oth₁表示其它改正。

其中，定位授时方程组为：

其中，(x₁,y₁,z₁)为1号非合作卫星的地固系坐标；(x₂,y₂,z₂)为2号非合作卫星的地固系坐标；(x₃,y₃,z₃)为3号非合作卫星的地固系坐标；(x₄,y₄,z₄)为4号非合作卫星的地固系坐标；d₁₀,d₂₀,d₃₀,d₄₀分别为信号从1号、2号、3号和4号星到达基准站的几何距离，d₁,d₂,d₃,d₄分别为信号从1号、2号、3号和4号非合作卫星，到达用户站接收机的几何距离，τ_i表示第i颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，(x,y,z)表示待解算的用户站的坐标。

本发明提供的一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法及系统，建立干涉测轨网观测任意卫星，使用任意卫星播发的任意信号实现任意卫星的精密测轨；之后使用干涉时差测量方式，实现用户站的三维定位和授时。由于本发明对卫星及信号没有任何要求，只要能下发无线电波即可，同时在本发明中对用户站和基准站进行干涉测量，并且可以积分观测以实现弱信号观测，使得授时在弱信号条件下也可正常精准授时，因此具有良好的抗干扰能力。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于干涉时差测量的卫星无源测轨原理图；

图2是本发明实施例提供的授时定位原理示意图；

图3为全球用户可与西安主站共视的北斗3号MEO及IGSO卫星数量分布图；

图4为定轨误差对全球用户无源定位测量值的影响效果图；

图5为无源定位在北方向(左上)、东方向(右上)、以及垂直方向(下)所取得的形式精度展示图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明提供的一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法，应用于定位授时系统，定位授时系统包括基准站以及用户站，基准站与用户站通过外部通信，基准站为干涉测轨网中的测轨主站或为独立于干涉测轨网外的站，干涉测轨网包括多个测轨站，基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法包括：

基准站，用于当为干涉测轨网中的测轨主站时，在未发射信号情况下，接收多颗非合作卫星播发的目标信号，并基于目标信号的接收时间，使用动力学统计定轨方法对每颗非合作卫星进行定轨以及预报，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

值得说明的是：干涉测轨网的每个测轨站，用于在未发射信号情况下，接收多颗非合作卫星播发的目标信号，并基于目标信号的接收时间，使用动力学统计定轨方法对每颗非合作卫星进行定轨以及预报，而基准站作为测轨主站也执行这样的过程。

参考图1，图1为基于干涉时差测量的卫星无源测轨原理图。在图1中本发明首先在陆地上建设一个干涉测轨网，使用干涉时差测量技术，多个测轨站仅接收卫星播发的信号(不发射)，测量卫星到不同测轨站的时差(或距离差)。基于多站的距离差数据，使用动力学统计定轨方法，对卫星进行精密定轨和轨道预报。该测定卫星轨道以及预报的过程，通过试验结果表明技术成熟，且该种方案已经可以提供米级精度的轨道，后续还有改进空间。

基准站，用于当为独立于干涉测轨网外的站时，接收干涉测轨网中的测轨主站发送的非合作卫星的轨道数据，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

参考图2，图2为本发明的授时定位原理示意图。基准站，用于接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

其中，第一观测数据为在基准站未发射信号情况下，观测多个非合作卫星播发信号所形成的观测数据；第二观测数据为用户站观测非合作卫星所形成的观测数据；基准站设置有原子钟组，原子钟组设置主钟，用于提供时间频率信号，主钟溯源到国家标准时间；非合作卫星的个数不少于4颗；

值得说明的是：每个测轨站坐标需事先精密测定，可使用国际地球参考框架(目前最新为ITRF2014)。基准站配备高性能原子钟组，钟组设置主钟，提供时间频率信号。主钟溯源到国家标准时间。这样，可建立该系统的时空基准。

在本发明中，需要使用外部通信手段，实现用户站的原始观测数据传到基准站，并且在基准站实现用户站的定位授时解算，解算结果再传给用户。由于卫星信号比较强，可以使用窄带短时间观测，这样数据量小(例如0.5MHz带宽，观测1秒，数据量为4MBit)，便于数据传输。本发明对观测频段无限制。但从广域覆盖的角度考虑，推荐使用1-12GHz范围。在定位授时的时候，用户站和基准站同时观测卫星，测量卫星到用户和到基准站的距离差(或时差)；需要同时观测4颗(或4颗以上)卫星，就可实现用户的三维定位和授时。

基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第一观测数据以及基准站坐标，计算该颗非合作卫星至基准站的第一传播距离；

值得说明的是：用户到卫星距离的归算及定位授时过程中，对下面的字母表示做以下约定：卫星到地面站(或用户)的“几何距离”用字母d表示；信号从卫星到地面站(或用户)的“传播距离”(含几何距离，也包含电离层、对流层和设备时延等路径附加时延。但不含钟差)，用字母l表示。

卫星轨道测定已知，基准站通过事先测定坐标已知，据此可以算出1号卫星到基准站(0号站)的几何距离(d₁₀)。再加上路径上的各项系统差，则可以计算信号从卫星到达基准站的传播时延，再换算成第一传播距离l₁₀；下面根据物理含义，写出l₁₀的表达式：

其中，第一传播距离表示为：

l₁₀＝d₁₀+c·τ_0，ion+c·τ_0，tro+c·τ_0，instr+S₀+oth₀ (1)

其中，d₁₀表示信号从卫星到达基准站的几何距离；c表示为光速；τ_0,ion表示信号从卫星到达基准站的电离层时延；τ_0,tro表示信号从卫星到达基准站的对流层时延；τ_0,instr表示基准站的设备时延；s0表示信号从卫星到达基准站的Sagnac效应；oth₀表示授时过程中的其它改正。

基准站，针对每一颗非合作卫星，基于该颗非合作卫星的第一传播距离以及时差，建立用户钟差、时差、第一传播距离以及第二传播距离之间的第一表达式；

为了简化推导，本发明将基准站作为基准，认为没有钟差。可将站间钟差认为是用户的“站钟差”，都放在用户端。

在理想情况下，即信号路径上的电离层、设备时延等各项系统差都不考虑，也不考虑站间钟差，“时差”观测量为：d₁-d₁₀。

在考虑站间钟差的情况下，即信号路径上的电离层、设备时延等各项系统差都不考虑，“时差”观测量为：d₁-d₁₀+cΔt。

在考虑各项系统误差，即考虑电离层等路径误差，也考虑钟差的情况下，l₁的含义是：信号从1号卫星到达用户接收机的传播距离，传播距离含几何距离，也含路径附加时延，不含钟差影响。基准站收到卫星信号和用户站收到该星信号，通过干涉测量，可得时差τ₁的观测量。时差τ₁满足第一表达式：

c·τ₁＝l₁-l₁₀+c·Δt (2)

其中，τ₁表示每颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，l₁表示每颗非合作卫星至用户站之间的第二传播距离，Δt表示待解算的用户钟差。

将时差(或距离差)测量表达式变形，以便将定位授时方程写成与GNSS类似的形式，对第一表达式变形，可得变形式：

l₁₀+C·τ₁＝l₁+c·Δt (3)

在上面变形式中，l₁₀可以通过基准站坐标和卫星轨道，使用两点间距离公式计算(还要加上各项路径附加时延)；τ₁为“时差”观测量；所以变形式左边为归算出的测量值。

基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第二观测数据，建立该颗非合作卫星至用户站的第二传播距离的第二表达式；将每一颗非合作卫星的第一表达式与第二表达式联合，建立定位授时方程组；对定位授时方程组进行求解，得到用户钟差；按照用户钟差对用户站进行授时。

下面再根据物理含义，写出l₁的表达式，即第二表达式。第二表达式表示为：

l₁＝d₁+c·τ_1，ion+c·τ_1，tro+c·τ_1，instr+s₁+oth₁ (4)

其中，d₁表示信号从卫星到达用户接收机天线相位中心的几何距离；τ_1,ion表示信号从卫星到达用户站的电离层时延；τ_1,tro表示信号从卫星到达用户站的对流层时延；τ_0,instr表示用户接收机的设备时延；s1表示信号从非合作卫星到达用户站的Sagnac效应；oth₁表示其它改正。

经上述第一表达式至变形表达式步的转化，可以写出类似于GNSS的定位授时方程。为了简化表述，下面表达式只写出传播时延和站钟差。第一表达式和第二表达式中的传播距离l就简化成几何距离d，再根据第一表达式对每颗卫星写观测方程，可得如下定位授时方程组：

定位授时方程组为：

其中，(x₁,y₁,z₁)为1号非合作卫星的地固系坐标；(x₂,y₂,z₂)为2号非合作卫星的地固系坐标；(x₃,y₃,z₃)为3号非合作卫星的地固系坐标；(x₄,y₄,z₄)为4号非合作卫星的地固系坐标；d₁₀,d₂₀,d₃₀,d₄₀分别为信号从1号、2号、3号和4号星到达基准站的几何距离，d₁,d₂,d₃,d₄分别为信号从1号、2号、3号和4号非合作卫星，到达用户站接收机的几何距离，τ_i表示第i颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，(x,y,z)表示待解算的用户站的坐标。

上面4个式子联合求解，可达到用户接收机的位置和站钟差(x,y,z,Δt)。对于定位授时方程组，将d都换成l，就会写出完整的定位授时方程组。其中会包含各种路径误差项和钟差，这里不再赘述。之后，在得到用户站坐标以及用户钟差之后，基准站就可以根据用户站坐标以及用户钟差完成授时过程。

值得说明的是：本发明的基准站和用户都是单收方式，不发射信号，在北斗/GNSS拒止情况下，实现用户站的高精度三维定位和授时。不依赖BDS等GNSS卫星，可以使用天上任意下行无线电波的卫星，可以任意信号(或噪声)。并且本发明使用干涉时差测量体制，测量精度高(1ns或更好)，并且可以在星座选择上设置更好的星座构型，提高几何精度因子，因此定位授时精度高。本发明可选用任意有无线电波的卫星，并且在卫星选择上可以随时更改，同时本发明采用干涉时差测量体制，用户站具有良好的抗干扰能力，即便对卫星的干扰和电磁波干扰也可以应用于本方法的干涉测量和定位。

本发明提供的一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法，建立干涉测轨网观测任意卫星，使用任意卫星播发的任意信号实现任意卫星的精密测轨；之后使用干涉时差测量方式，实现卫星实现用户站的三维定位和授时。由于本发明对卫星及信号没有任何要求，只要能下发无线电波即可，同时在本发明中对用户站和基准站进行干涉测量，并且可以积分观测以实现弱信号观测，使得授时在弱信号条件下也可正常精准授时，因此具有良好的抗干扰能力。

本发明提供的一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时系统包括

卫星无源定位授时系统包括基准站以及用户站，基准站与用户站通过外部通信，基准站为干涉测轨网中的测轨主站或为独立于干涉测轨网外的站，干涉测轨网包括多个测轨站，

基准站，用于当为干涉测轨网中的测轨主站时，在未发射信号情况下，接收多颗非合作卫星播发的目标信号，并基于目标信号的接收时间，使用动力学统计定轨方法对每颗非合作卫星进行定轨以及预报，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

基准站，用于当为独立于干涉测轨网外的站时，接收干涉测轨网中的测轨主站发送的非合作卫星的轨道数据，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

其中，第一观测数据为在基准站未发射信号情况下，多个非合作卫星播发信号所形成的观测数据；第二观测数据为用户站观测非合作卫星所形成的观测数据；基准站设置有原子钟组，钟组设置主钟，用于提供时间频率信号，主钟溯源到国家标准时间，可建立该系统的时空基准；非合作卫星的个数不少于4颗；

基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第一观测数据以及基准站坐标，计算该颗非合作卫星至基准站的第一传播距离；

其中，第一传播距离表示为：

l₁₀＝d₁₀+c·τ_0，ion+c·τ_0，tro+c·τ_0，instr+s₀+oth₀

其中，d₁₀表示信号从卫星到达基准站的几何距离；c表示为光速；τ_0，ion表示信号从卫星到达基准站的电离层时延；τ_0，trc表示信号从卫星到达基准站的对流层时延；τ_0，instr表示基准站的设备时延；s0表示信号从卫星到达基准站的Sagnac效应；oth₀表示授时过程中的其它改正。

基准站，针对每一颗非合作卫星，基于该颗非合作卫星的第一传播距离以及时差，建立用户钟差、时差、第一传播距离以及第二传播距离之间的第一表达式；

其中，第一表达式表示为：

c·τ₁＝l₁-l₁₀+c·Δt

其中，τ₁表示每颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，l₁表示每颗非合作卫星至用户站之间的第二传播距离，Δt表示待解算的用户钟差。

基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第二观测数据，建立该颗非合作卫星至用户站的第二传播距离的第二表达式；

第二表达式表示为：

l₁＝d₁+c·τ_1，ion+c·τ_1，tro+c·τ_1，instr+s₁+oth₁

其中，d₁表示信号从卫星到达用户接收机天线相位中心的几何距离；τ_1,ion表示信号从卫星到达用户站的电离层时延；τ_1,tro表示信号从卫星到达用户站的对流层时延；τ_0,instr表示用户接收机的设备时延；s₁表示信号从非合作卫星到达用户站的Sagnac效应；oth₁表示其它改正。

将每一颗非合作卫星的第一表达式与第二表达式联合，建立定位授时方程组；

对定位授时方程组进行求解，得到用户钟差；

按照用户钟差对用户站进行授时。

其中，定位授时方程组为：

其中，(x₁,y₁,z₁)为1号非合作卫星的地固系坐标；(x₂,y₂,z₂)为2号非合作卫星的地固系坐标；(x₃,y₃,z₃)为3号非合作卫星的地固系坐标；(x₄,y₄,z₄)为4号非合作卫星的地固系坐标；d₁₀,d₂₀,d₃₀,d₄₀分别为信号从1号、2号、3号和4号星到达基准站的几何距离，d₁,d₂,d₃,d₄分别为信号从1号、2号、3号和4号非合作卫星，到达用户站接收机的几何距离，τ_i表示第i颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，(x,y,z)表示待解算的用户站的坐标。

下面，验证基准站在西安时采用本发明的性能。

(1)实施条件

以北斗3号24颗中轨(MEO)卫星及3颗倾斜地球同步(IGSO)卫星作为星座，轨道误差放大到5m，使用2021年6月26日的数据进行仿真分析。频段选用C波段。选取西安为基准站(简称“主站”)，用户与基准站进行干涉测量。全球用户可与主站共视的仰角10度以上的日平均卫星数量如图3所示。图3为全球用户可与西安主站共视的北斗3号MEO及IGSO卫星数量分布图。由图可见，由西安周边扩散至亚太区域，共视卫星基本可达6颗以上。

(2)算例中的假设

假设单频信号为C波段(4-8GHz)，电离层延迟比在GPS L1状况下缩小6至25倍，可通过各类电离层模型进行修正。

对流层干延迟可利用模型进行建模消除，湿延迟正常状况下在分米级。依据双频多系统星基增强系统对该误差上限标准的设置，该误差的标准差设为：

θ为地面站到卫星的仰角。基于(9)式，对流层湿延迟对卫星至两站距离差的影响可通过以下标准差表达：

与

分别为主站和用户到卫星s的仰角。由于本算例主要考虑较长基线，两站对流层湿延迟间的相关性不予考虑。下角标r和v代表了两个不同地面站。

两站的硬件时延均已进行分米级准度的标定，标定误差将被地面站钟吸收，不影响定位精度。Sagnac效应、地面站相位中心偏差与变化、卫星质心改正等其他修正项可依据模型修正。

卫星三维轨道精度在5米左右。假设轨道在径向(σ_R)、切向(σ_S)、法向(σ_W)三方向精度相等，各为

米，则卫星s的定轨误差投影在主站与用户信号方向之差的标准差

可表达为：

和

分别为卫星到主站和用户的单位方向向量，u_R、u_S、u_W分别为卫星径向、切向、法向的单位方向向量。<·,·>为两个向量的点乘运算符。

参考图4，图4为定轨误差对全球用户无源定位测量值的影响效果图。图4展示该类定轨误差对全球用户的平均影响，即

m为共视卫星数量。由图可见，在亚太区域，定轨误差对测量值的影响基本在5厘米以下。中轨卫星定轨误差对地面的影响主要来源于轨道径向误差。对于其他类型卫星来说，如果卫星高度越高、基线越短、卫星数量越多，则测量几何越好，其误差对地面的影响越小。

(3)定位授时解算

由于卫星到基准站的传播距离(对1号卫星为l₁₀)已知，综合等式(1)-(3)可得，1号星观测方程可表达为:

c·τ₁+l₁₀＝|X^s1-X_v|+c·Δt (12)

其中X^s1为1号卫星坐标，X_v为用户坐标X_v。观测值的协方差矩阵可表达为：

其中σ_noise为测量噪音，设为3分米(这是目前试验容易做到的指标)，

见等式(11)，

见等式(10)。基于式(12)，至少需4颗卫星方可进行三维定位。利用该方法求解出的用户形式定位精度在全球范围内的分布如图5所示。图5为无源定位在北方向(左上)、东方向(右上)、以及垂直方向(下)所取得的形式精度展示图。这其中，几何精度因子(GDOP)大于20的历元被剔除，形式定位精度的最大值只展示至3米，其它更高值汇聚于深红色区域并不再进行区分。图中，白色区域是卫星数量过少(或GDOP太大)，无法实现定位授时的区域。

定位授时解算结果如下：由图3可见，假设系统主站位于西安，则基于该算例中的卫星数量及几何分布，在亚太区域的无源定位精度为：在两个水平方向上基本在1米以下，高程精度在2米以下。授时精度和定位精度匹配，估算结果优于10ns。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法，其特征在于，应用于定位授时系统，所述定位授时系统包括基准站以及用户站，所述基准站与用户站通过外部通信，所述基准站为干涉测轨网中的测轨主站或为独立于所述干涉测轨网外的站，所述干涉测轨网包括多个测轨站，所述基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法包括：

所述基准站，用于当为干涉测轨网中的测轨主站时，在未发射信号情况下，接收多颗非合作卫星播发的目标信号，并基于目标信号的接收时间，使用动力学统计定轨方法对每颗非合作卫星进行定轨以及预报，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

所述基准站，用于当为独立于干涉测轨网外的站时，接收干涉测轨网中的测轨主站发送的非合作卫星的轨道数据，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

其中，所述第一观测数据为在基准站未发射信号情况下，多个非合作卫星播发信号所形成的观测数据；所述第二观测数据为所述用户站观测非合作卫星所形成的观测数据；所述基准站设置有原子钟组，原子钟组设置主钟，用于提供时间频率信号，主钟溯源到国家标准时间；非合作卫星的个数不少于4颗；

所述基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第一观测数据以及基准站坐标，计算该颗非合作卫星至基准站的第一传播距离；

所述基准站，针对每一颗非合作卫星，基于该颗非合作卫星的第一传播距离以及时差，建立用户钟差、时差、第一传播距离以及第二传播距离之间的第一表达式；

所述基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第二观测数据，建立该颗非合作卫星至用户站的第二传播距离的第二表达式；

将每一颗非合作卫星的第一表达式与第二表达式联合，建立定位授时方程组；

对所述定位授时方程组进行求解，得到用户钟差；

按照所述用户钟差对所述用户站进行授时；

其中，基准站收到卫星信号和用户站收到该星信号，通过干涉测量，可得时差τ₁的观测量；

所述第一传播距离表示为：

l₁₀＝d₁₀+c·τ_0,ion+c·τ_0,tro+c·τ_0,instr+s₀+oth₀

所述第一表达式表示为：

c·τ₁＝l₁-l₁₀+c·Δt

其中，d₁₀表示信号从卫星到达基准站的几何距离；c表示为光速；τ_0,ion表示信号从卫星到达基准站的电离层时延；τ_0,tro表示信号从卫星到达基准站的对流层时延；τ_0,instr表示基准站的设备时延；s₀表示信号从卫星到达基准站的Sagnac效应；oth₀表示授时过程中的其它改正；τ₁表示每颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，l₁表示每颗非合作卫星至用户站之间的第二传播距离，Δt表示待解算的用户钟差。

2.根据权利要求1所述的基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法，其特征在于，所述第二表达式表示为：

l₁＝d₁+c·τ_1,ion+c·τ_1,tro+c·τ_1,instr+s₁+oth₁

其中，d₁表示信号从卫星到达用户接收机天线相位中心的几何距离；τ_1,ion表示信号从卫星到达用户站的电离层时延；τ_1,tro表示信号从卫星到达用户站的对流层时延；τ_0,instr表示用户接收机的设备时延；s₁表示信号从非合作卫星到达用户站的Sagnac效应；oth₁表示其它改正。

3.根据权利要求2所述的基于干涉时差测量的卫星无源定位授时方法，其特征在于，所述定位授时方程组为：

其中，(x₁,y₁,z₁)为1号非合作卫星的地固系坐标；(x₂,y₂,z₂)为2号非合作卫星的地固系坐标；(x₃,y₃,z₃)为3号非合作卫星的地固系坐标；(x₄,y₄,z₄)为4号非合作卫星的地固系坐标；d₁₀,d₂₀,d₃₀,d₄₀分别为信号从1号、2号、3号和4号星到达基准站的几何距离，d₁,d₂,d₃,d₄分别为信号从1号、2号、3号和4号非合作卫星，到达用户站接收机的几何距离，τ_i表示第i颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，(x,y,z)表示待解算的用户站的坐标。

4.一种基于干涉时差测量的卫星无源定位授时系统，其特征在于，所述卫星无源定位授时系统包括基准站以及用户站，所述基准站与用户站通过外部通信，所述基准站为干涉测轨网中的测轨主站或为独立于所述干涉测轨网外的站，所述干涉测轨网包括多个测轨站，

所述基准站，用于当为干涉测轨网中的测轨主站时，在未发射信号情况下，接收多颗非合作卫星播发的目标信号，并基于目标信号的接收时间，使用动力学统计定轨方法对每颗非合作卫星进行定轨以及预报，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

所述基准站，用于当为独立于干涉测轨网外的站时，接收干涉测轨网中的测轨主站发送的非合作卫星的轨道数据，并接收自身观测的第一观测数据以及用户站通过外部通信发送来的第二观测数据；

其中，所述第一观测数据为在基准站未发射信号情况下，多个非合作卫星播发信号所形成的观测数据；所述第二观测数据为所述用户站观测非合作卫星所形成的观测数据；所述基准站设置有原子钟组，原子钟组设置主钟，用于提供时间频率信号，主钟溯源到国家标准时间；非合作卫星的个数不少于4颗；

所述基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第一观测数据以及基准站坐标，计算该颗非合作卫星至基准站的第一传播距离；

所述基准站，针对每一颗非合作卫星，基于该颗非合作卫星的第一传播距离以及时差，建立用户钟差、时差、第一传播距离以及第二传播距离之间的第一表达式；

所述基准站，针对每一颗非合作卫星，根据该颗非合作卫星的第二观测数据，建立该颗非合作卫星至用户站的第二传播距离的第二表达式；

将每一颗非合作卫星的第一表达式与第二表达式联合，建立定位授时方程组；

对所述定位授时方程组进行求解，得到用户位置和用户钟差；

按照所述用户钟差对所述用户站进行授时；

其中，基准站收到卫星信号和用户站收到该星信号，通过干涉测量，可得时差τ₁的观测量；

所述第一传播距离表示为：

l₁₀＝d₁₀+c·τ_0,ion+c·τ_0,tro+c·τ_0,instr+s₀+oth₀

所述第一表达式表示为：

c·τ₁＝l₁-l₁₀+c·Δt

其中，d₁₀表示信号从卫星到达基准站的几何距离；c表示为光速；τ_0,ion表示信号从卫星到达基准站的电离层时延；τ_0,tro表示信号从卫星到达基准站的对流层时延；τ_0,instr表示基准站的设备时延；s₀表示信号从卫星到达基准站的Sagnac效应；oth₀表示授时过程中的其它改正，τ₁表示每颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，l₁表示每颗非合作卫星至用户站之间的第二传播距离，Δt表示待解算的用户钟差。

5.根据权利要求4所述的基于干涉时差测量的卫星无源定位授时系统，其特征在于，所述第二表达式表示为：

l₁＝d₁+c·τ_1,ion+c·τ_1,tro+c·τ_1,instr+s₁+oth₁

其中，d₁表示信号从卫星到达用户接收机天线相位中心的几何距离；τ_1,ion表示信号从卫星到达用户站的电离层时延；τ_1,tro表示信号从卫星到达用户站的对流层时延；τ_0,instr表示用户接收机的设备时延；s₁表示信号从非合作卫星到达用户站的Sagnac效应；oth₁表示其它改正。

6.根据权利要求5所述的基于干涉时差测量的卫星无源定位授时系统，其特征在于，所述定位授时方程组为：

其中，(x₁,y₁,z₁)为1号非合作卫星的地固系坐标；(x₂,y₂,z₂)为2号非合作卫星的地固系坐标；(x₃,y₃,z₃)为3号非合作卫星的地固系坐标；(x₄,y₄,z₄)为4号非合作卫星的地固系坐标；d₁₀,d₂₀,d₃₀,d₄₀分别为信号从1号、2号、3号和4号星到达基准站的几何距离，d₁,d₂,d₃,d₄分别为信号从1号、2号、3号和4号非合作卫星，到达用户站接收机的几何距离，τ_i表示第i颗非合作卫星播发信号至基准站与至用户站之间的时差，(x,y,z)表示待解算的用户站的坐标。

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