CN115390104B - 一种导航卫星时延偏差建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导航卫星时延偏差建模方法，包括：获取卫星导航接收机对导航卫星的伪距双差值，基于所述伪距双差值，获取异常信号畸变的卫星列表；获取高增益导航卫星信号，基于所述高增益导航卫星信号，获取各卫星伪距偏差值；基于所述高增益导航卫星信号，反演导航卫星发射通道特性；基于所述卫星列表、各卫星伪距偏差值和导航卫星发射通道特性，构建不同导航接收卫星时延偏差的传递模型。本发明能够实现对卫星伪距偏差建模的高精度模拟，支撑对卫星导航信号问题的排查。

Description

一种导航卫星时延偏差建模方法

技术领域

本发明属于全球卫星导航系统信号监测与误差建模领域，尤其涉及一种导航卫星时延偏差建模方法。

背景技术

卫星导航系统建设初期，地面运控系统一般只使用单一类型的监测接收机数据进行定轨，不同监测接收机之间具有较好的一致性。随着卫星导航系统的应用与发展，地面系统接收机和应用终端接收机种类和数量不断增多。在导航卫星定轨数据处理中发现，使用不同类型的接收机，伪距双差均值不为零，且不同卫星间伪距双差均值互不相同，呈现“分层”现象。该现象在各大卫星导航系统中均存在，虽有一定规律特征，但其产生机理当时并不清晰，既不能被卫星钟差/卫星码偏差、接收机钟差/接收机码偏差等特征参数吸收，也不能通过站间作差或历元间作差的方式直接消除，难以利用精准的数学解析公式表达，是影响导航业务处理和用户定位授时服务精度的重要误差源，在卫星导航系统级仿真软件中必须考虑。

但该类测量误差建模难度大，美欧现有仿真软件均无对该类误差建模能力。美国AGI和OST等公司联合开发了卫星导航软件工具箱（NavTK），该软件支持大气传播损耗、地形影响、飞行航迹、覆盖性和精度分析等模型，可用于GPS卫星导航(SATNAV)任务的建模、仿真、军事行动和分析，但目前公开资料未显示其具备伪距测距偏差等微小误差建模能力。欧洲GSSF软件是欧空局为评估和分析Galileo系统性能而开发的一种仿真软件，它对Galileo系统的空间星座、地面监控站和接收设备都进行了全面的仿真，能够分析自由空间损耗、多径、大气层折射，电离层散射等导航信号产生的影响，但公开资料显示其并不具备伪距测距偏差建模能力。

在现有技术中，有的是通过对观测数据进行预处理，确定各历元各卫星高度角；根据各历元各卫星高度角，剔除小于第一阈值的观测数据；通过伪距观测值星间单差减去理论星地距离，消除公共误差，剔除不满足第二阈值要求的误差项；采用弧段均值法，获取伪距偏差；根据接收机差分计算的基准，将伪距偏差修正到伪距观测值中。该方法是从数据层的角度计算出伪距偏差并改善定位结果，对伪距偏差的产生机理并不关注。

有的是利用地面天线对下行导航信号进行直接射频采样，通过捕获跟踪处理后，利用预失真算法，生成相应的预失真参数，并通过参数上注动态调整星上预失真滤波器的幅相频参数。它主要应用于导航信号质量监测和星上下行导航信号的参数预失真，它无法对不同用户接收算法和不同通道特性函数下产生的用户伪距“分层”偏差进行建模。

通过标定星地距离，测量接收端传输时延，可分析星间信号差异，同时利用软件接收机，可进一步验证伪距测量修正参数的修正精度。该方法是一种导航信号伪距偏差的修正方法，侧重于末端的导航信号质量监测和接收机应用，不能直接应用于系统级仿真软件。

总结起来，现有技术中只公开了一些从数据层或信号层修正伪距偏差的方法，也有从信号质量监测角度优化伪距偏差的方法，但未从星地收发设备级联后的射频信道整体特性考虑，通道非理想特性对测量误差的影响，只有在卫星导航系统级仿真软件中才有可能需要考虑星地两端级联后的通道特性，以及对理想信号带来的偏差影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种导航卫星时延偏差建模方法，通过对伪距双差数据规律进行分析与理论研究，搞清了卫星伪距“分层”偏差现象机理是由卫星信号波形非理想所导致的，建立了卫星信号微小失真对卫星导航接收机测距偏差影响的理论模型，并通过利用高增益天线接收卫星数据对信号失真模型参数进行反演与一致性校验，实现了北斗卫星伪距“分层”偏差纳秒级建模，确保了导航卫星高精度定位定轨试验能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种导航卫星时延偏差建模方法，包括：

获取卫星导航接收机对导航卫星的伪距双差值，基于所述伪距双差值，获取信号畸变的卫星列表；

获取高增益导航卫星信号，基于所述高增益导航卫星信号，获取各卫星伪距偏差值；

基于所述高增益导航卫星信号，反演导航卫星发射通道特性；

基于所述卫星列表、各卫星伪距偏差值和导航卫星发射通道特性，构建不同导航接收卫星时延偏差的传递模型。

可选地，获取卫星导航接收机对导航卫星的伪距双差值包括：

基于所述卫星导航接收机接收导航卫星信号，获取所述卫星导航接收机对导航卫星的伪距观测值；

利用零基线双差法，对不同所述卫星导航接收机的同一所述导航卫星的所述伪距观测值进行双差处理，获取所述伪距双差值。

可选地，所述伪距观测值为：

其中，为伪距观测量，为视线方向几何距离，为接收机和卫星的钟差，为光速，为电离层延迟误差，与信号分量所调制频率的平方成正比，为对流程延迟误差，为卫星广播星历误差在星地方向上的投影，为对应观测量的多径和热噪声，为接收机对卫星的伪距测距偏差。

可选地，所述零基线差分方式为：

其中，为 m和 n两个接收机站间单差观测量，为光速，为站间接收机钟差的单差，为同一卫星在不同接收机参数下的伪距偏差差分值，为组合观测量噪声；

所述伪距双差值为：

其中，分别为接收机对卫星引入的伪距偏差，分别为接收机对卫星引入的伪距偏差。

可选地，获取信号畸变的所述卫星列表包括：

采用K-means均值聚类方式，对所述伪距双差值进行相似聚类，获取信号畸变的所述卫星列表。

可选地，获取各卫星伪距偏差值包括：

获取所述高增益导航卫星信号；

利用通道均衡方式，对所述高增益导航卫星信号进行补偿与校准；

基于校准后的所述高增益导航卫星信号，获取所述各卫星伪距偏差值。

可选地，所述通道均衡方式包括：

基于经典维纳滤波理论和最小二乘理论，利用一个L点的FIR滤波器逼近期望均衡器，选择预设线性相位通道作为参考通道；基于最小均方误差准则，构建一个基于跟踪偏差最小的时域均衡滤波器，补偿因采集通道带来的偏差。

可选地，所述各卫星伪距偏差值为站间不同接收机收到的同一颗卫星导航信号由于通道差异引入的测距偏差差异；

所述测距偏差差异为：

其中，分别为经过通道1、2的理想卫星导航信号产生的测距偏差；

所述测距偏差为：

其中，为别为两个接收机通道的幅频响应和相频响应函数，，为卫星通道的幅频响应和相频响应函数，G为理想导航信号功率谱密度函数，d为相关器间隔，B为接收机前端带宽，f为信号频率。

可选地，反演所述导航卫星发射通道特性包括：

预设第一导航信号；

基于所述高增益导航卫星信号和所述第一导航信号，利用通道函数反推出所述导航卫星发射通道特性。

可选地，所述通道函数h为：

其中，x为输入信号矢量，y为经过通道后的输出信号矢量，H为矩阵转置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明通过卫星导航接收机零基线法采集实际卫星数据分析卫星伪距偏差问题，对伪距偏差机理展开分析，得出伪距偏差产生的根本原因是导航卫星发射的导航信号失真，结合高增益天线和软件接收机设备采集卫星数据分析卫星载荷通道特性，计算通道预失真参数，并通过误差建模软件模拟调整卫星载荷通道参数，可通过系统级试验床验证卫星导航接收机参数校验后卫星伪距的一致性，实现对卫星伪距偏差建模的高精度模拟，支撑对卫星导航信号问题的排查。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的一种导航卫星时延偏差建模方法流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种导航卫星时延偏差建模方法，包括：

获取卫星导航接收机对导航卫星的伪距双差值，基于所述伪距双差值，获取异常信号畸变的卫星列表；

获取高增益导航卫星信号，基于所述高增益导航卫星信号，获取各卫星伪距偏差值；

基于所述高增益导航卫星信号，反演导航卫星发射通道特性；

基于所述卫星列表、各卫星伪距偏差值和导航卫星发射通道特性，构建不同导航接收卫星时延偏差的传递模型。

进一步地，获取卫星导航接收机对导航卫星的伪距双差值包括：

基于所述卫星导航接收机接收导航卫星信号，获取所述卫星导航接收机对导航卫星的伪距观测量；

利用零基线差分方式，对不同所述卫星导航接收机的所述伪距观测量进行双差处理，获取所述伪距双差值。

进一步地，获取异常信号畸变的卫星列表包括：

采用K-means均值聚类方式，对所述伪距双差值进行相似聚类，获取异常信号畸变的是多数卫星列表。

进一步地，获取各卫星伪距偏差值包括：

利用大口径窄波束天线获取所述高增益导航卫星信号；

利用通道均衡方式，对所述高增益导航卫星信号进行补偿与校准；

基于校准后的所述高增益导航卫星信号，获取所述各卫星伪距偏差值。

进一步地，所述通道均衡方式包括：

基于经典维纳滤波理论和最小二乘理论，利用一个L点的FIR滤波器逼近期望均衡器，选择预设线性相位通道作为参考通道；基于最小均方误差准则，构建一个基于跟踪偏差最小的时域均衡滤波器，补偿因采集通道带来的偏差。

进一步地，所述各卫星伪距偏差值包括：站间不同接收机收到的由于通道差异引入的测距偏差差异，以及单个接收机通道引入的测距偏差；

进一步地，反演所述导航卫星发射通道特性包括：

预设第一导航信号；

基于所述高增益导航卫星信号和所述第一导航信号，利用通道函数反推出所述导航卫星发射通道特性。

使用两组不同接收机参数处理同一北斗二号卫星B3I信号时存在伪距偏差，且在接收不同卫星信号时伪距偏差不同，从而出现不同卫星伪距双差分层现象，各卫星伪距偏差不一致性约在亚米级。

根据伪距偏差产生的根本原因是导航卫星信号失真，本实施例设计了一种基于实测数据反演与一致性校验的卫星伪距“分层”偏差建模方法验证系统。

本实施例提供的算法具体包括如下步骤：

S1：基于卫星导航接收机双差实测数据的伪距偏差计算。利用零基线双差法，对零基线条件下的不同导航接收机伪距值做双差处理，计算导航卫星的伪距偏差值。

具体的，GNSS全向天线接收导航卫星信号，对于某一卫星导航接收机接收到的导航卫星某一信号分量的伪距观测方程为：

式中，为伪距观测量，为视线方向几何距离，为接收机和卫星的钟差，为光速，为电离层延迟误差，与信号分量所调制频率的平方成正比，为对流程延迟误差，为卫星广播星历误差在星地方向上的投影，为对应观测量的多径和热噪声，为接收机对卫星的伪距观测距偏差，此处为绝对偏差值，包含所有卫星相同的部份和各卫星独立偏差量。

利用零基线差分方法，可以消除或削弱伪距观测量中的卫星星历误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟和接收机钟差等大部分误差。利用并置接收机对卫星的伪距观测量作接收机间差分，可得两个接收机站间单差观测量为：

其中，为 m和 n两个接收机站间单差观测量，为光速，为站间接收机钟差的单差，为接收机 m和卫星的钟差，为接收机 n和卫星的钟差，为同一卫星在不同接收机参数下的伪距偏差差分值，为组合观测量噪声；

进一步地，接收机对两颗卫星的伪距双差可表示为：

式中，分别为接收机对卫星引入的伪距偏差，分别为接收机对卫星引入的伪距偏差。

因此，以某颗持续可见的GEO卫星为参考，即可获得其他导航卫星对该GEO卫星的伪距双差值。

S2：基于均值聚类的畸变信号卫星分析。对所有卫星伪距双差均值进行聚类，找出可能存在信号畸变的导航卫星。

具体的，采用K-means均值聚类方法对步骤S1中获得的各颗卫星伪距双差值进行相似聚类，获得可能发生异常信号畸变的卫星列表。

步骤S3：导航信号高增益接收采集。利用高增益天线和宽带采集设备采集在轨导航卫星信号文件。

具体的，利用大口径窄波束天线获取高增益的导航卫星信号，避免导航接收信号受空间大气传播环境以及地面反射环境的影响。同时，利用宽带采集设备采集待处理的导航信号，避免接收信号受采集通道滤波器、变频器等通道特性影响。

S4：接收通道效应补偿与校准。利用通道均衡算法对传输通道特性进行均衡校准，补偿因信号采集和传输引入的非理想特性。

具体地，基于经典维纳滤波理论和最小二乘理论，利用一个L 点的FIR滤波器逼近期望均衡器，通常选择“虚拟”的理想线性相位通道（即预设的线性相位通道）作为参考通道。根据最小均方误差准则，设计一个基于跟踪偏差最小的时域均衡滤波器，补偿因采集通道带来的微小偏差。考虑到采集设备通道长期使用可能带来的老化原因，该组均衡参数还应定期调整。

S5：卫星伪距偏差跟踪计算。利用软件接收机对采集的高增益宽带采集信号进行捕获跟踪处理，计算各卫星伪距偏差。

具体的，利用软件接收机进行捕获跟踪处理，输出跟踪环路伪距偏差。对于同一颗卫星，站间不同接收机收到的由于通道差异引入的测距偏差差异为：

其中，分别为经过通道1、2的理想卫星导航信号产生的测距偏差；

其中，单个接收机通道引入的测距偏差为：

式中，为别为两个接收机通道的幅频响应和相频响应函数，为卫星通道的幅频响应和相频响应函数，G为理想导航信号功率谱密度函数，d为相关器间隔，B为接收机前端带宽，f为信号频率。

 上述偏差是采用伪码跟踪时采用相干EML 鉴别器，采用其他鉴相方式，则上述伪距偏差公示略有差别。

步骤S6：卫星发射通道特性反演。利用采集的高增益导航信号数据和理想导航信号（即预设的第一导航信号）反演卫星发射通道特性。

具体的，导航信号经历星上发射通道、空间传播通道和地面接收通道的影响，会产生一定程度信号失真，设定信号传输通道函数为，则下行导航信号可表示为：

式中，为理想无失真信号，为高斯白噪声，可利用最小二乘法估计出通道函数向量表达式：

其中，x为输入信号矢量，y为经过通道后的输出信号矢量，H为矩阵转置。

地面采集设备通道特性可利用理想导航信号提前测量获得，而利用高增益天线接收时可近似忽略空间大气传播通道影响，因此，可利用上述通道函数反推出导航卫星发射通道特性。

步骤S7：卫星时延偏差建模与校准。在系统级试验床上建立卫星信号微小失真对卫星导航接收机测距偏差的影响模型，同时利用上述实测数据对该模型进行校准。

具体的，根据步骤S1-S6获得的卫星列表、伪距偏差值和反演的卫星发射通道特性，建立不同导航接收卫星时延偏差的传递模型，并利用零基线双差获得的实测数据对该模型不断进行校准，从而获得高精度卫星时延偏差模型。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种导航卫星时延偏差建模方法，其特征在于，包括：

获取卫星导航接收机对导航卫星的伪距双差值，基于所述伪距双差值，获取信号畸变的卫星列表；

获取信号畸变的所述卫星列表包括：

采用K-means均值聚类方式，对所述伪距双差值进行相似聚类，获取信号畸变的所述卫星列表；

获取高增益导航卫星信号，基于所述高增益导航卫星信号，获取各卫星伪距偏差值；

基于所述高增益导航卫星信号，反演导航卫星发射通道特性；

基于所述卫星列表、各卫星伪距偏差值和导航卫星发射通道特性，构建不同导航接收卫星时延偏差的传递模型；

反演所述导航卫星发射通道特性包括：

预设第一导航信号；

基于所述高增益导航卫星信号和所述第一导航信号，利用通道函数反推出所述导航卫星发射通道特性；

所述通道函数h为：

其中，x为输入信号矢量，y为经过通道后的输出信号矢量，H为矩阵转置。

2.根据权利要求1所述的导航卫星时延偏差建模方法，其特征在于，获取卫星导航接收机对导航卫星的伪距双差值包括：

基于所述卫星导航接收机接收导航卫星信号，获取所述卫星导航接收机对导航卫星的伪距观测值；

利用零基线双差法，对不同所述卫星导航接收机的同一所述导航卫星的所述伪距观测值进行双差处理，获取所述伪距双差值。

3.根据权利要求2所述的导航卫星时延偏差建模方法，其特征在于，所述伪距观测值为：

其中，为伪距观测量，为视线方向几何距离，为接收机和卫星的钟差，为光速，为电离层延迟误差，与信号分量所调制频率的平方成正比，为对流程延迟误差，为卫星广播星历误差在星地方向上的投影，为对应观测量的多径和热噪声，为接收机对卫星的伪距测距偏差。

4.根据权利要求2所述的导航卫星时延偏差建模方法，其特征在于，所述零基线双差法为：

其中，为m和n两个接收机站间单差观测量，为光速，为站间接收机钟差的单差，为同一卫星在不同接收机参数下的伪距偏差差分值，为组合观测量噪声；

所述伪距双差值为：

其中，分别为接收机对卫星引入的伪距偏差，分别为接收机对卫星引入的伪距偏差。

5.根据权利要求1所述的导航卫星时延偏差建模方法，其特征在于，获取各卫星伪距偏差值包括：

获取所述高增益导航卫星信号；

利用通道均衡方式，对所述高增益导航卫星信号进行补偿与校准；

基于校准后的所述高增益导航卫星信号，获取所述各卫星伪距偏差值。

6.根据权利要求5所述的导航卫星时延偏差建模方法，其特征在于，所述通道均衡方式包括：

基于经典维纳滤波理论和最小二乘理论，利用一个L点的FIR滤波器逼近期望均衡器，选择预设线性相位通道作为参考通道；基于最小均方误差准则，构建一个基于跟踪偏差最小的时域均衡滤波器，补偿因采集通道带来的偏差。

7.根据权利要求5所述的导航卫星时延偏差建模方法，其特征在于，所述各卫星伪距偏差值为站间不同接收机收到的同一颗卫星导航信号由于通道差异引入的测距偏差差异；

所述测距偏差差异为：

其中，分别为经过通道1、2的理想卫星导航信号产生的测距偏差；

所述测距偏差为：

其中，为别为两个接收机通道的幅频响应和相频响应函数，，为卫星通道的幅频响应和相频响应函数，G为理想导航信号功率谱密度函数，d为相关器间隔，B为接收机前端带宽，f为信号频率。

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