CN116184447A - 基于星载gnss接收机的整星定位精度分析方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法及装置，所述方法包括：低轨遥感卫星地面测试设备从测控通道或数传通道下传到地面的数据文件中获取GPS原始观测量；基于原始观测量，采用不同解算方法分别得到原始观测量数据、PVT数据以及轨道六根数；将所述GPS原始观测量与理论观测量数据做残差处理，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度；将所述PVT数据进行拉格朗日插值，基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度；确定轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度；确定星载GNSS接收机的整星定位精度。本发明的方法，能够实现整星层面的定位精度分析。

Description

基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法及装置
技术领域
本发明涉及低轨卫星导航定位技术领域，具体涉及一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法及装置。
背景技术
基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法作为卫星总装、测试与实验(AIT)阶段的重要数据分析方法之一，在军用与民用卫星领域都有着广泛的应用前景。
用常规的GNSS接收机对定位精度进行分析，往往只针对GNSS接收机单机进行验证，并没有从整星层面去确定其他来源的定位数据，造成测试覆盖性不全，并且容易忽略很多潜在的星上问题，遇到问题之后也很难排查。
本发明提出基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法，是在整星AIT阶段，充分利用整星的海量测试数据，挖掘所有与整星定位精度有关的数据来源，通过GNSS接收机自身获得的数据与姿态轨道控制系统和载荷系统的测试数据进行分析和比对，提高整星定位精度分析的有效性和可靠性，保证星载GNSS接收机能够满足整星定位和定轨的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法及装置，能够解决GNSS接收机对定位精度进行分析，往往只针对GNSS接收机单机进行验证，并没有从整星层面去确定其他来源的定位数据的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：低轨遥感卫星地面测试设备从测控通道或数传通道下传到地面的数据文件中获取GPS原始观测量；基于所述原始观测量，采用不同解算方法分别得到原始观测量数据、PVT数据以及轨道六根数；
步骤S2：将所述GPS原始观测量与理论观测量数据做残差处理，基于处理后的第一结果确定第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度；
步骤S3：将所述PVT数据进行拉格朗日插值，将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理，基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度；
步骤S4：从所述遥测数据中获取姿态轨道控制轨道六根数，所述姿态轨道控制轨道六根数为基于遥测数据获取的轨道六根数；确定所述轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度；
步骤S5：确定星载GNSS接收机的整星定位精度。
优选地，所述步骤S2，包括：
步骤S21：对所述GPS原始观测量进行差分处理，得到第一差分结果；
步骤S22：对所述理论观测量数据进行差分处理，得到第二差分结果；
步骤S23：基于所述第一差分结果及所述第二差分结果进行双差处理，得到第一结果；
步骤S24：对所述第一结果进行统计分析，得到第一残差分布状态；
步骤S25：基于所述第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度。
优选地，所述步骤S3，包括：
步骤S31：对所述PVT数据进行预处理；
步骤S32：对预处理后的PVT数据进行拉格朗日插值；
步骤S33：将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理；
步骤S34：基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度。
优选地，所述步骤S4，包括：
步骤S41:获取姿态轨道控制轨道六根数；对理论数据进行拉格朗日插值，对插值后的结果进行曲线拟合，得到所述理论轨道六根数；
步骤S42：确定所述GNSS接收机的轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态；
步骤S43：基于所述第三残差分布状态确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度。
优选地，所述步骤S5：确定星载GNSS接收机的整星定位精度，包括：
基于所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度、所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度、以及所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度，基于历史数据获取各精度的权重系数，将所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度、所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度、以及所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度分别乘以各自对应的权重系数，得到星载GNSS接收机的整星定位精度。
本发明所提供的一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析装置，所述装置包括：
数据获取模块：配置为低轨遥感卫星地面测试设备从测控通道或数传通道下传到地面的数据文件中获取GPS原始观测量；基于所述原始观测量，采用不同解算方法分别得到原始观测量数据、PVT数据以及轨道六根数；
第一精度模块：配置为将所述GPS原始观测量与理论观测量数据做残差处理，基于处理后的第一结果确定第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度；
第二精度模块：配置为将所述PVT数据进行拉格朗日插值，将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理，基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度；
第三精度模块：配置为从所述遥测数据中获取姿态轨道控制轨道六根数，所述姿态轨道控制轨道六根数为基于遥测数据获取的轨道六根数；确定所述轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度；
整星精度模块：配置为确定星载GNSS接收机的整星定位精度。
本发明所提供的一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如前所述方法。
本发明所提供的一种电子设备，其特征在于，所述电子设备，包括：
处理器，用于执行多条指令；
存储器，用于存储多条指令；
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述方法。
本发明通过分析低轨遥感卫星的星载GNSS接收机原始观测量数据、PVT数据、轨道六根数以及姿态轨道控制系统的轨道数据，可以综合确定整星定位的精度，并最终得出整星的定位质量。实现整星层面的定位精度分析。
有益效果：
(1)本发明能够综合确定整星定位的精度，并最终得出整星的定位质量。实现整星层面的定位精度分析。
(2)本发明对多个数据源进行分析，计算结果更准确。
(3)本发明方案执行简单，易于执行。
(4)本发明通过原始观测量数据、PVT数据、轨道六根数数据精度分析,可以得出卫星整星状态下实时定位的精度，并能够保证地面事后精密定轨所用到的原始数据的可靠性和有效性；通过分析姿轨控分系统轨道数据验证了整星定位的质量，为卫星在轨运行阶段提供宝贵经验数据，具有重大意义。
附图说明
图1为本发明提供的基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法流程示意图；
图2为本发明提供的整星定位精度分析地面设备连接关系示意图；
图3为原始观测量数据分析及处理流程示意图；
图4为PVT数据分析及处理流程示意图；
图5为轨道六根数数据分析及处理流程示意图；
图6为本发明提供的基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
如图1-图3所示，本发明提出了一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：低轨遥感卫星地面测试设备从测控通道或数传通道下传到地面的数据文件中获取GPS原始观测量；基于所述原始观测量，采用不同解算方法分别得到原始观测量数据、PVT数据以及轨道六根数；
步骤S2：将所述GPS原始观测量与理论观测量数据做残差处理，基于处理后的第一结果确定第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度；
步骤S3：将所述PVT数据进行拉格朗日插值，将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理，基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度；
步骤S4：从所述遥测数据中获取姿态轨道控制轨道六根数，所述姿态轨道控制轨道六根数为基于遥测数据获取的轨道六根数；确定所述轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度；
步骤S5：确定星载GNSS接收机的整星定位精度。
本发明中，所述PVT数据为卫星的位置、速度、时间数据，所述测控通道为卫星接收遥控指令、下传遥测数据的信道，所述数传通道为卫星下传载荷数据的信道。
星载GNSS接收机接收模拟源输出的导航卫星的仿真信号，然后从信号中解算出原始观测量数据，该原始观测量数据可进行数据分析，得到接收机的伪距观测精度和载波相位测量精度。还可以对该原始观测量数据采用最小二乘法和Kalman滤波算法解算出PVT(含有卫星WGS84坐标系下的位置、速度、时间)数据，用该PVT数据与理论PVT数据进行比对分析。还可以对该原始观测量数据采用定轨算法解算出星载GNSS接收机输出的轨道六根数，将该六根数与理论六根数与姿轨控分系统输出的六根数进行比对分析。通过各方面的比对分析结果，检查GNSS接收机在整星电测情况下的定位定轨精度情况。
本发明中，对低轨卫星整星定位精度进行分析，需要综合考虑各种整星测试数据，因此，低轨遥感卫星地面测试设备应具备获取数据和分析数据的能力。本发明的方案，首先采样各相关数据，采集的数据包括GPS原始观测数据、PVT数据、轨道六根数以及姿态轨道控制系统的遥测数据。然后，依次对原始观测量数据、PVT数据、轨道六根数数据进行分析。最后，通过统计分析方法，给出残差分布，可以作为整星定位精度分析以及姿态轨道控制系统引入定位定轨数据精度分析的参考，从而从整星角度确定定位数据的精度与质量。
所述步骤S1，其中：GPS原始观测量存储在通过测控通道或数传通道下传到地面的数据文件中，PVT数据以及轨道六根数通过总线仿真卡采集总线数据并分别进行解算获得，姿态轨道控制系统的相应数据在测控通道下传的遥测数据中获取。
如图3所示，所述步骤S2，包括：
步骤S21：对所述GPS原始观测量进行差分处理，得到第一差分结果；
步骤S22：对所述理论观测量数据进行差分处理，得到第二差分结果；
步骤S23：基于所述第一差分结果及所述第二差分结果进行双差处理，得到第一结果；
步骤S24：对所述第一结果进行统计分析，得到第一残差分布状态；
步骤S25：基于所述第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度。
进一步地，对所述GPS原始观测量进行差分处理之前，通过GPS数据处理算法对所述GPS原始观测量进行预处理。
本发明中，通过GPS数据处理算法对原始观测量进行预处理，与理论数据做残差处理后得到原始观测量的精度。用统计分析方法，来估计各种误差所引起星载GNSS接收机观测量与理论数据的残差分布状态，从而验证星载GNSS接收机原始观测量的精度。
GPS原始观测量来自于星载GNSS接收机，包含伪距和载波相位观测量。其精度直接关系到定轨精度。
所述伪距观测量的观测方程为：
Pi＝ρ+Δiono,i+c(dt-dT)+εPi
L1、L2载波相位观测方程为：
λiLi＝ρ-Ni-Δiono,i+c(dt-dT)+εLi
星载GNSS接收机的原始观测量是存在误差的，可以分为系统误差和偶然误差，误差的来源主要有：卫星星历误差、卫星钟差、地球自转、相对论效应、电离层和对流层传输误差、多路径效应以及GNSS接收机设备误差等。
在整星测试阶段，可以用统计分析方法，来估计各种误差所引起星载GNSS接收机观测量与理论数据的残差分布状态，从而验证星载GNSS接收机原始观测数据的精度。即对理论数据和实测数据进行差分处理，再进行双差处理，最后得到原始观测量数据的伪距误差精度和载波相伟误差精度。
如图4所示，所述步骤S3，包括：
步骤S31：对所述PVT数据进行预处理；
步骤S32：对预处理后的PVT数据进行拉格朗日插值；
步骤S33：将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理；
步骤S34：基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度。
步骤S34处理完成后就得到了GNSS接收机输出的PVT数据与理论PVT数据的精度差，包括X、Y、Z轴的位置差、速度差等。
本发明中，通过将实测PVT数据与GPS信号模拟源中的理论数据进行比对，采用拉格朗日插值算法进行曲线拟合，可以得到星载GNSS接收机PVT数据精度。
拉格朗日差值公式：给定数域F中n+1个互不相同的数a1,a2,…,an+1，以及任意n+1个不全为零的数b1,b2,…,bn+1，那么存在多项式f(x)使得
f(ai)＝bi(i＝1,2,…,n+1)
该多项式可表示为：
Figure BDA0003948091780000091
如图5所示，所述步骤S4，包括：
步骤S41:获取姿态轨道控制轨道六根数；对理论数据进行拉格朗日插值，对插值后的结果进行曲线拟合，得到所述理论轨道六根数；
步骤S42：确定所述GNSS接收机的轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态；
步骤S43：基于所述第三残差分布状态确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度。
本发明中，对星载GNSS接收机输出的轨道六根数、理论轨道数据和姿轨控分系统本身的轨道六根数进行处理，得到三者之间的差异，并通过统计分析方法，给出残差分布，可作为整星定位精度分析以及姿轨控分系统引入定位定轨数据精度分析的参考，从而从整星角度验证定位数据的质量。
所述步骤S5：确定星载GNSS接收机的整星定位精度，包括：
基于所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度、所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度、以及所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度，基于历史数据获取各精度的权重系数，将所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度、所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度、以及所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度分别乘以各自对应的权重系数，得到星载GNSS接收机的整星定位精度。
本发明还提供了一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析装置，如图6所示，所述装置包括：
数据获取模块：配置为低轨遥感卫星地面测试设备从测控通道或数传通道下传到地面的数据文件中获取GPS原始观测量；基于所述原始观测量，采用不同解算方法分别得到原始观测量数据、PVT数据以及轨道六根数；
第一精度模块：配置为将所述GPS原始观测量与理论观测量数据做残差处理，基于处理后的第一结果确定第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度；
第二精度模块：配置为将所述PVT数据进行拉格朗日插值，将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理，基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度；
第三精度模块：配置为从所述遥测数据中获取姿态轨道控制轨道六根数，所述姿态轨道控制轨道六根数为基于遥测数据获取的轨道六根数；确定所述轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度；
整星精度模块：配置为确定星载GNSS接收机的整星定位精度。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：低轨遥感卫星地面测试设备从测控通道或数传通道下传到地面的数据文件中获取GPS原始观测量；基于所述原始观测量，采用不同解算方法分别得到原始观测量数据、PVT数据以及轨道六根数；
步骤S2：将所述GPS原始观测量与理论观测量数据做残差处理，基于处理后的第一结果确定第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度；
步骤S3：将所述PVT数据进行拉格朗日插值，将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理，基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度；
步骤S4：从所述遥测数据中获取姿态轨道控制轨道六根数，所述姿态轨道控制轨道六根数为基于遥测数据获取的轨道六根数；确定所述轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度；
步骤S5：确定星载GNSS接收机的整星定位精度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：
步骤S21：对所述GPS原始观测量进行差分处理，得到第一差分结果；
步骤S22：对所述理论观测量数据进行差分处理，得到第二差分结果；
步骤S23：基于所述第一差分结果及所述第二差分结果进行双差处理，得到第一结果；
步骤S24：对所述第一结果进行统计分析，得到第一残差分布状态；
步骤S25：基于所述第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：
步骤S31：对所述PVT数据进行预处理；
步骤S32：对预处理后的PVT数据进行拉格朗日插值；
步骤S33：将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理；
步骤S34：基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4，包括：
步骤S41:获取姿态轨道控制轨道六根数；对理论数据进行拉格朗日插值，对插值后的结果进行曲线拟合，得到所述理论轨道六根数；
步骤S42：确定所述GNSS接收机的轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态；
步骤S43：基于所述第三残差分布状态确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S5：确定星载GNSS接收机的整星定位精度，包括：
基于所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度、所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度、以及所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度，基于历史数据获取各精度的权重系数，将所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度、所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度、以及所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度分别乘以各自对应的权重系数，得到星载GNSS接收机的整星定位精度。
6.一种基于星载GNSS接收机的整星定位精度分析装置，其特征在于，所述装置包括：
数据获取模块：配置为低轨遥感卫星地面测试设备从测控通道或数传通道下传到地面的数据文件中获取GPS原始观测量；基于所述原始观测量，采用不同解算方法分别得到原始观测量数据、PVT数据以及轨道六根数；
第一精度模块：配置为将所述GPS原始观测量与理论观测量数据做残差处理，基于处理后的第一结果确定第一残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的GPS原始观测量的精度；
第二精度模块：配置为将所述PVT数据进行拉格朗日插值，将插值后的数据与理论PVT数据做残差处理，基于处理后的第二结果确定所述星载GNSS接收机的PVT数据的精度；
第三精度模块：配置为从所述遥测数据中获取姿态轨道控制轨道六根数，所述姿态轨道控制轨道六根数为基于遥测数据获取的轨道六根数；确定所述轨道六根数、姿态轨道控制轨道六根数、理论轨道六根数三者间的差异，基于所述差异确定第三残差分布状态，确定所述星载GNSS接收机的轨道六根数的精度；
整星精度模块：配置为确定星载GNSS接收机的整星定位精度。
7.一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有多条指令；所述多条指令，用于由处理器加载并执行如权利要求1-5中任一项所述方法。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备，包括：
处理器，用于执行多条指令；
存储器，用于存储多条指令；
其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如权利要求1-5中任一项所述方法。
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