CN115189783A - 卫星导航增强系统基准站的性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卫星导航增强系统基准站的性能评价方法,属于卫星导航技术领域。本发明用多路径影响、周跳比和观测数据完整率三个与基准站数据质量密切相关的参数来评价基准站的性能,能全面、直接、准确地反映基准站的真实性能;对基准站的性能进行了分级,各等级的性能与约束条件一一对应,并分为A级、B级和C级,对每个等级参数设定高度截止角约束条件数值,既能有效、可靠地表示基准站性能,又可分出不同精度的适用等级性能,由此可以根据导航定位的精度要求指导基准站的合理设计和建设;建立了基准多路径影响、周跳比和观测数据完整率三性能参数的测试和计算方法,使基准站的性能评价实现准确的定量化评价。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域,具体涉及一种卫星导航增强系统基准站的性能评价方法。
背景技术
卫星导航地基增强系统是提升卫星导航定位精度的系统或支持高精度导航定位的系统,主要由基准站网、监测站网、通信网络系统、数据处理中心、数据播发系统、用户终端等组成,其可将10m级的导航定位的精度提升到米级、分米级、厘米级和后处理毫米级的精度。基准站是卫星导航地基增强系统的重要组成部分,主要用于接收卫星发出的原始观测信号和提供坐标基准,将这些数据发送给数据处理中心,用于解算广域差分数据产品或区域差分数据产品,然后再将数据增强产品提供给用户解算出用户的高精度坐标位置。基准站在卫星导航地基增强系统中所需要的数量很大,高精度导航定位服务覆盖的面积越大,基准站所需的数量就越多(如图1所示)。从全国地域范围看,需要建设的基准站数量至少为数千个站,甚至更多。基准站的性能与卫星导航地基增强系统高精度定位服务的性能密切相关,是决定卫星导航地基增强系统服务精度高低的主要性能之一。
由于基准站的性能决定卫星导航地基增强系统高精度导航定位服务的质量,因此,基准站性能的评价是保证基准站性能的关键。此前,在基准站的性能的评价方面,业内一直没有一个明确、有效的评价方法。基准站的性能主要是用多路径影响指标来评价。这样的评价方式存在四个方面的问题:一是基准站性能仅用多路径影响指标评价使得评价的因素过于单一,不能充分、全面地反映基准站的性能;二是对多路径影响规定的不大于0.5m的数值没有给出一个定值的高度截止角约束条件,因此多路径影响指标参数是一个范围而不是一个定值,导致了该性能参数评价的不确定性和不可比性,因为多路径影响会随高度截止角的增大而减小;三是基准站应根据不同定位精度的要求采用不同性能的基准站,不应该只是一个性能指标数值,无论它是高性能的数值、中性能的数值或低性能的数值,基准站性能应该按分级使用才合理;四是基准站的性能评价不能只有指标数值,还应该有指标的测试和计算方法,这样才能实现对基准站性能的真正评价。此前的基准站评价方式的问题可以由图2中的评价方式矩阵看出。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何设计一套与卫星导航地基增强系统基准站性能密切相关的指标评价方案,使基准站性能的评价能够由多个指标参数充分反映;使基准站性能指标数值明确并具有可比性;使基准站可按卫星导航地基增强系统精度的不同要求,分级使用,以保证高性能基准站建设必要的性能参数,或降低低性能基准站建设不必要的技术难度和成本,或以适中的技术难度和成本建设中性能的基准站;对基准站性能评价的成套评价指标的每一个,给出其测试和计算方法,使基准站性能的评价能够真正实现。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种卫星导航增强系统基准站的性能评价方法,包括以下步骤:
步骤S1、用能反映基准站接收的观测数据质量的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数作为基准站性能评价的指标参数;所述多路径影响是由非直达导航信号引入的测距误差;周跳是卫星导航终端进行载波相位测量时,出现的载波周期计数错误的现象;所述周跳比是在一定时间段内规定时间间隔的情况下基准站对所有可观测卫星观测,基准站的接收机观测数据中含完整观测值的历元数目与其中发生周跳历元数目的比值;所述观测数据完整率是观测时间段内含完整观测值的历元数目与观测时间段内理论历元数目的比值;
步骤S2、将反映基准站性能的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数的每一个,按数值从小到大分为A级、B级和C级,其中A级为要求最高的等级;
步骤S3、将基准站的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数按对应的A级、B级和C级分别设定高度截止角作为约束条件;
步骤S4、基于步骤S1、S2、S3,分别建立基准站的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数对应的A级、B级和C级的基准站性能评价方案。
优选地,步骤S4具体包括以下步骤:
步骤S41、将基准站各频点信号的多路径影响指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:多路径影响≤0.3m,高度截止角10°;
b)B级基准站:0.3m<多路径影响≤0.5m,高度截止角10°;
c)C级基准站:0.5m<多路径影响≤0.65m,高度截止角15°;
步骤S42、将基准站各频点信号的周跳比指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:周跳比不小于8000,高度截止角10°;
b)B级基准站:周跳比不小于4000,高度截止角角10°;
c)C级基准站:周跳比不小于2000,高度截止角角15°;
步骤S43、将基准站各频点信号的观测数据完整率指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:不小于98%,高度截止角10°;
b)B级基准站:不小于95%,高度截止角10°;
c)C级基准站:不小于95%,高度截止角15°;
公式(1)和公式(2)中:为导航信号k1、k2频点上包含的多路径影响的计算量;为导航信号k1、k2频点上的伪距观测量;为导航信号k1、k2频点的频率;为导航信号k1、k2频点上的相位观测量;为接收机观测到卫星在k1、k2频点上多路径影响的评估值;Ns除为滑动窗口的历元个数;为在历元ti接收机观测到卫星在k1、k2频点上包含多路径影响的计算量;所述滑动窗口是指检查卫星导航观测数据时向后移动数据过程中数据显示的空间关系或数据传输的时间关系;
步骤S45、周跳比的测试方法为,持续观测24h采样间隔为1s的基准站接收机输出对应高度截止角10°和15°方向的原始观测数据文件,统计文件中具有完整观测值的历元数目,用周跳探测方法确定周跳发生的历元数目,用完整观测值的历元数目除以周跳发生的历元数目得到周跳比,历元上是否有周跳的确定方法为,当满足公式(3)时,判定历元ti上有周跳;并从历元ti开始划分为一个新的弧段,向后滑动到下一历元进行周跳判别;
步骤S46、观测数据完整率的测试方法为,持续观测24h采样间隔为1s的基准站接收机输出对应高度截止角10°和15°方向的原始观测数据文件,统计文件中第j颗卫星具有完整观测值的历元数目,获取观测时间段内第j颗卫星的理论历元总数,按公式(4)计算得到观测数据完整率:
公式(4)中:DIs为观测数据完整率,单位为%;Cj为在观测时间段内,第j颗卫星具有完整观测值的历元数;Dj为在观测时间段内,第j颗卫星的理论历元总数;n为观测的卫星数量;
步骤S47、将步骤S44的计算结果与步骤S41的多路径影响的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站多路径影响性能的等级;
步骤S48、将步骤S45的计算结果与步骤S42的周跳比的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站周跳比性能的等级;
步骤S49、将步骤S46的计算结果与步骤S43的观测数据完整率的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站观测数据完整率性能的等级;
步骤S410、当步骤S47、步骤S48和步骤S49确定的等级相同时,被评价基准站的性能就为这个等级,当步骤S47、步骤S48和步骤S49确定的等级不相同时或不一致时,以其中性能参数最低的等级为基准站的性能等级。
优选地,步骤S41中多路径影响对应的A级、B级和C级的指标数值是按未作平滑处理的。
优选地,NS除为50。
优选地,获得发生周跳的历元的方法替换为:联合粗差探测方法或接收机钟跳探测方法。
优选地,获得发生周跳的历元的方法替换为:同时用周跳探测方法、联合粗差探测方法和接收机钟跳探测方法获得,取三个方法中周跳数最多的数计算周跳比。
本发明还提供了一种利用所述方法实现的性能评价系统。
本发明还提供了一种利用所述方法确定卫星导航地基增强系统高精度导航定位服务的质量的方法。
本发明还提供了一种所述方法在卫星导航技术领域中的应用。
本发明还提供了一种所述系统在卫星导航技术领域中的应用。
(三)有益效果
高精度导航定位通常是通过卫星导航地基增强系统实现的,卫星导航地基增强系统的一个重要组成部分是基准站,而基准站性能的好坏关系到实现高精度导航定位的增强数据产品的质量。只有保证了基准站的性能,地基增强系统播发的增强数据产品的质量才能得到保证。此前基准站的性能主要是靠基准站建设的周围环境条件以及观测墩、接收机天线、接收机等的性能来间接保证,并用多路径影响指标来评价;基准站的周围环境条件以及观测墩、接收机天线、接收机等的性能对建成的基准站的性能只是一个间接结果,不能真实地反映出这些组成部分集成后的最终结果;另外,用多路径影响来评价基准站的性能,性能评价因素太单一,不能全面反映出基准站的真实性能;而且指标参数的约束条件(截止高度角)并未与多路径影响参数绑定,因此,无法给出基准站性能的合格界限;还有,多路径影响还没有建立相应的测试和计算方法,无法算得基准站的多路径影响数值。此前的基准站评价方式基本上是一个不完整的、间接性的定性评价。
本发明用多路径影响、周跳比和观测数据完整率三个与基准站数据质量密切相关的参数来评价基准站的性能,能全面、直接、准确地反映基准站的真实性能;对基准站的性能进行了分级,各等级的性能与约束条件一一对应,并分为A级、B级和C级,对每个等级参数设定高度截止角约束条件数值,既能有效、可靠地表示基准站性能,又可分出不同精度的适用等级性能,由此可以根据导航定位的精度要求指导基准站的合理设计和建设,既保证高精度基准站的性能,又可避免中、低性能基准站建设不必要的浪费;建立了基准多路径影响、周跳比和观测数据完整率三性能参数的测试和计算方法,使基准站的性能评价实现准确的定量化评价,形成了指导基准的设计和验收完整的闭环,为基准站的性能建设和验收提供有效、可靠的评价技术支持和质量评估的保障。
附图说明
图1为基准站在地面上的数量分布关系图;
图2为现有的基准站性能评价的方式图;
图3为本发明的基准站性能评价方法的模式图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明设计了一套与卫星导航地基增强系统基准站性能密切相关的指标评价方案,使基准站性能的评价能够由多个指标参数充分反映;对每个指标的数值进行条件限定,使基准站性能指标数值明确并具有可比性;对基准站性能指标进行分级,使基准站可按卫星导航地基增强系统精度的不同要求,分级使用,以保证高性能基准站建设必要的性能参数,或降低低性能基准站建设不必要的技术难度和成本,或以适中的技术难度和成本建设中性能的基准站;对基准站性能评价的成套评价指标的每一个,给出其测试和计算方法,使基准站性能的评价能够真正实现。
设计时,本发明的发明人发现,用多路径影响、周跳比和观测数据完整率三个与基准站数据质量密切相关的参数能全面反映基准站的性能,其中,多路径影响指标用于考核卫星导航地基增强系统基准站建设位置的地理环境的影响(需避免水面和建筑物),周跳比用于考核基准站周围环境的电磁干扰因素和接收机的性能,观测数据完整率用于考核环境、天线和接收机的综合影响。将这套性能参数按影响基准站性能高低的程度划分为A级、B级和C级三个等级,对每个等级的参数设定高度截止角约束条件,赋予具体数值,并建立多路径影响、周跳比和观测数据完整率数值的测试和计算方法,由此建立系统性、完备性的基准站性能评价方法。
本发明基于对基准站性能本质特征和数据质量要素的深入掌握,设计了一套能全面反映基准站性能的指标参数、约束条件、分级关系,以及指标参数的测试和计算方法,参考图3,该发明的具体内容包括以下步骤:
步骤S1、用能反映基准站接收的观测数据质量的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数作为基准站性能评价的指标参数;多路径影响是由非直达导航信号引入的测距误差;周跳是卫星导航终端进行载波相位测量时,由于信号失锁、终端故障等原因导致的载波周期计数错误的现象;周跳比是在某时间段内规定时间间隔基准站对所有可观测卫星观测,基准站的接收机观测数据中含完整观测值的历元数目与其中发生周跳历元数目的比值;观测数据完整率是观测时间段内含完整观测值的历元数目与观测时间段内理论历元数目的比值;
步骤S2、将反映基准站性能的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数的每一个,按数值从小到大分为A级、B级和C级,A级为要求最高的等级;
步骤S3、将基准站的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数按对应的A级、B级和C级分别设定高度截止角作为约束条件;
步骤S4、按步骤S1、S2、S3的总体设计关系,分别建立基准站的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数对应的A级、B级和C级的基准站性能评价方案,具体包括以下步骤:
步骤S41、将基准站各频点信号的多路径影响指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:多路径影响≤0.3m,高度截止角10°;
b)B级基准站:0.3m<多路径影响≤0.5m,高度截止角10°;
c)C级基准站:0.5m<多路径影响≤0.65m,高度截止角15°;
以上多路径影响对应的A级、B级和C级的指标数值是按未作平滑处理的;
步骤S42、将基准站各频点信号的周跳比指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:周跳比不小于8000,高度截止角10°;
b)B级基准站:周跳比不小于4000,高度截止角角10°;
c)C级基准站:周跳比不小于2000,高度截止角角15°。
步骤S43、将基准站各频点信号的观测数据完整率指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:不小于98%,高度截止角10°;
b)B级基准站:不小于95%,高度截止角10°;
c)C级基准站:不小于95%,高度截止角15°;
步骤S44、多路径影响的测试方法为,用专门的监测软件持续观测24h采样间隔为1s的基准站接收机输出对应高度截止角10°和15°方向的原始观测数据文件;计算方法为,先用公式(1)求出和再用公式(2)计算多路径影响和
公式(1)和公式(2)中:为导航信号k1、k2频点上包含的多路径影响的计算量,单位为米(m);为导航信号k1、k2频点上的伪距观测量,单位为米(m);为导航信号k1、k2频点的频率,单位为兆赫(MHz);为导航信号k1、k2频点上的相位观测量,单位为米(m);为接收机观测到卫星在k1、k2频点上多路径影响的评估值,单位为米(m);Ns除为滑动窗口的历元个数,默认为50;为在历元ti接收机观测到卫星在k1、k2频点上包含多路径影响的计算量,单位为米(m);所述滑动窗口是指检查卫星导航观测数据时向后移动数据过程中数据显示的空间关系或数据传输的时间关系;
步骤S45、周跳比的测试方法为,用专门的监测软件持续观测24h采样间隔为1s的基准站接收机输出对应高度截止角10°和15°方向的原始观测数据文件,统计文件中具有完整观测值的历元数目,用周跳探测方法确定周跳发生的历元数目,用完整观测值的历元数目除以周跳发生的历元数目得到周跳比。历元上是否有周跳的确定方法为,当满足公式(3)时,判定历元ti上有周跳;并从历元ti开始划分为一个新的弧段,向后滑动到下一历元进行周跳判别;
公式(3)中:LGF(ti)为历元ti时的GF组合观测量值;QGF(ti)为历元ti时GF拟合多项式的外推值;为导航信号k1、k2频点的波长,单位为米(m);变量符号下标“GF”为Geometry free,中文意思为几何无关(无几何约束)。
发生周跳的历元,除了用周跳探测方法获得外,也可以用联合粗差探测方法或接收机钟跳探测方法获得;发生周跳的历元,还可以同时用周跳探测方法、联合粗差探测方法和接收机钟跳探测方法获得,取三个方法中周跳数最多的数计算周跳比,这是最严酷的周跳比测试和计算方法。
步骤S46、观测数据完整率的测试方法为,用专门的监测软件持续观测24h采样间隔为1s的基准站接收机输出对应高度截止角10°和15°方向的原始观测数据文件,统计文件中第j颗卫星具有完整观测值的历元数目,获取观测时间段内第j颗卫星的理论历元总数,按公式(4)计算得到观测数据完整率:
公式(4)中:DIs为观测数据完整率,单位为%;Cj为在观测时间段内,第j颗卫星具有完整观测值的历元数;Dj为在观测时间段内,第j颗卫星的理论历元总数;n为观测的卫星数量。
步骤S47、将步骤S44的计算结果与步骤S41的多路径影响的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站多路径影响性能的等级;
步骤S48、将步骤S45的计算结果与步骤S42的周跳比的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站周跳比性能的等级;
步骤S49、将步骤S46的计算结果与步骤S43的观测数据完整率的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站观测数据完整率性能的等级;
步骤S410、当步骤S47、步骤S48和步骤S49确定的等级相同时,被评价基准站的性能就为这个等级,例如都为A级、B级或C级时。当步骤S47、步骤S48和步骤S49确定的等级不相同时或不一致时,以其中某个性能参数最低的等级为基准站的性能等级。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种卫星导航增强系统基准站的性能评价方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1、用能反映基准站接收的观测数据质量的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数作为基准站性能评价的指标参数;所述多路径影响是由非直达导航信号引入的测距误差;周跳是卫星导航终端进行载波相位测量时,出现的载波周期计数错误的现象;所述周跳比是在一定时间段内规定时间间隔的情况下基准站对所有可观测卫星观测,基准站的接收机观测数据中含完整观测值的历元数目与其中发生周跳历元数目的比值;所述观测数据完整率是观测时间段内含完整观测值的历元数目与观测时间段内理论历元数目的比值;
步骤S2、将反映基准站性能的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数的每一个,按数值从小到大分为A级、B级和C级,其中A级为要求最高的等级;
步骤S3、将基准站的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数按对应的A级、B级和C级分别设定高度截止角作为约束条件;
步骤S4、基于步骤S1、S2、S3,分别建立基准站的多路径影响、周跳比和观测数据完整率这三个指标参数对应的A级、B级和C级的基准站性能评价方案。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S4具体包括以下步骤:
步骤S41、将基准站各频点信号的多路径影响指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:多路径影响≤0.3m,高度截止角10°;
b)B级基准站:0.3m<多路径影响≤0.5m,高度截止角10°;
c)C级基准站:0.5m<多路径影响≤0.65m,高度截止角15°;
步骤S42、将基准站各频点信号的周跳比指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:周跳比不小于8000,高度截止角10°;
b)B级基准站:周跳比不小于4000,高度截止角角10°;
c)C级基准站:周跳比不小于2000,高度截止角角15°;
步骤S43、将基准站各频点信号的观测数据完整率指标参数对应的A级、B级和C级的数值与高度截止角设计为以下量值关系:
a)A级基准站:不小于98%,高度截止角10°;
b)B级基准站:不小于95%,高度截止角10°;
c)C级基准站:不小于95%,高度截止角15°;
公式(1)和公式(2)中:为导航信号k1、k2频点上包含的多路径影响的计算量;为导航信号k1、k2频点上的伪距观测量;为导航信号k1、k2频点的频率;为导航信号k1、k2频点上的相位观测量;为接收机观测到卫星在k1、k2频点上多路径影响的评估值;Nsw为滑动窗口的历元个数;为在历元ti接收机观测到卫星在k1、k2频点上包含多路径影响的计算量;所述滑动窗口是指检查卫星导航观测数据时向后移动数据过程中数据显示的空间关系或数据传输的时间关系;
步骤S45、周跳比的测试方法为,持续观测24h采样间隔为1s的基准站接收机输出对应高度截止角10°和15°方向的原始观测数据文件,统计文件中具有完整观测值的历元数目,用周跳探测方法确定周跳发生的历元数目,用完整观测值的历元数目除以周跳发生的历元数目得到周跳比,历元上是否有周跳的确定方法为,当满足公式(3)时,判定历元ti上有周跳;并从历元ti开始划分为一个新的弧段,向后滑动到下一历元进行周跳判别;
步骤S46、观测数据完整率的测试方法为,持续观测24h采样间隔为1s的基准站接收机输出对应高度截止角10°和15°方向的原始观测数据文件,统计文件中第j颗卫星具有完整观测值的历元数目,获取观测时间段内第j颗卫星的理论历元总数,按公式(4)计算得到观测数据完整率:
公式(4)中:DIs为观测数据完整率,单位为%;Cj为在观测时间段内,第j颗卫星具有完整观测值的历元数;Dj为在观测时间段内,第j颗卫星的理论历元总数;n为观测的卫星数量;
步骤S47、将步骤S44的计算结果与步骤S41的多路径影响的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站多路径影响性能的等级;
步骤S48、将步骤S45的计算结果与步骤S42的周跳比的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站周跳比性能的等级;
步骤S49、将步骤S46的计算结果与步骤S43的观测数据完整率的等级指标参数与高度截止角的量值关系对比,确定出基准站观测数据完整率性能的等级;
步骤S410、当步骤S47、步骤S48和步骤S49确定的等级相同时,被评价基准站的性能就为这个等级,当步骤S47、步骤S48和步骤S49确定的等级不相同时或不一致时,以其中性能参数最低的等级为基准站的性能等级。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤S41中多路径影响对应的A级、B级和C级的指标数值是按未作平滑处理的。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,Nsw为50。
5.如权利要求2所述的方法,其特征在于,获得发生周跳的历元的方法替换为:联合粗差探测方法或接收机钟跳探测方法。
6.如权利要求2所述的方法,其特征在于,获得发生周跳的历元的方法替换为:同时用周跳探测方法、联合粗差探测方法和接收机钟跳探测方法获得,取三个方法中周跳数最多的数计算周跳比。
7.一种利用权利要求1至6中任一项所述方法实现的性能评价系统。
8.一种利用权利要求1至6中任一项所述方法确定卫星导航地基增强系统高精度导航定位服务的质量的方法。
9.一种如权利要求1至6中任一项所述方法在卫星导航技术领域中的应用。
10.一种如权利要求7所述系统在卫星导航技术领域中的应用。
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