CN117471506A - 一种构建导航虚拟时空基准的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种构建导航虚拟时空基准的方法，包括：每个导航接收站解算出接收时刻的伪距观测量；在每个导航接收站本地的时间体系下，计算导航信号离开卫星时的下行发射时刻；在每个导航接收站本地的时间体系下，计算卫星的虚拟钟；导航上行地面站自发自收导航信号，计算卫星对导航上行站的虚拟钟，获得卫星每个导航接收站虚拟钟修正量；在目标导航区域内，根据导航接收站的伪距时延修正量，通过权重确定的方法，构建虚拟导航接收站对每颗卫星的虚拟钟修正量；根据虚拟导航接收站的坐标，卫星星历坐标，虚拟导航接收站的虚拟钟，计算导航信号在虚拟导航接收站时间体系下对每颗卫星的下行发射时刻。利用本公开，为转发式卫星导航系统构建导航虚拟时空基准，不仅提升了伪距差分修正的效果，还提升了系统的反欺骗干扰的抗干扰效能。
Description
技术领域
本公开涉及卫星导航定位授时技术领域，尤其涉及一种构建导航虚拟时空基准的方法。
背景技术
在转发式卫星导航系统中，卫星上没有精准的原子钟，系统原子钟放置在地面站，导航信号由地面站发射上行至卫星，经过卫星透明转发下行至用户接收机，接收机获得的伪距起点是地面站的原子钟，故而转发式导航系统的时间基准实际上为地面站的原子钟，地面站通过虚拟钟技术把地面站时间基准“搬移”到卫星上，使得用户接收机接收到的伪距观测量的起始点“看起来”是卫星，实现导航时间基准虚拟化处理。
相比目前的GNSS卫星导航系统原子钟都在卫星上，以此基础构建而成的直播式导航框架而言，转发式卫星导航系统具有灵活多变的特点，作为时间基准的导航地面站可以固定也可以移动，即便如此，在发射导航信号时也容易受到有意无意的干扰，使得整个转发式卫星导航系统的信源受到破坏，继而影响系统的性能。
目前的转发式导航系统通过导航地面站自发自收现实单颗卫星伪距大环接收处理，用以构建单颗卫星的虚拟钟，该方法忽略了卫星信号下行至接收机的传输特性，使得接收伪距误差随基线增大而增大。此外通过导航地面站发射弱小功率的导航信号，通过接收天线对信号的放大处理完成伪距测量，具有一定的抗干扰能力，但是作为导航空间基准的卫星星历位置依然在导航电文中体现，不利于导航系统的抗干扰特性的提升。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对目前卫星导航定位授时技术存在的技术问题，本公开提出一种构建导航虚拟时空基准的方法，为转发式卫星导航系统构建导航虚拟时空基准，丰富转发式导航系统的内涵，不仅可以通过减小基线提升伪距差分修正的效果，还可以提升转发式卫星导航系统的反欺骗干扰的抗干扰效能。
(二)技术方案
本公开提供了一种构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在导航目标区域内设置N台转发式卫星导航接收机作为导航接收站，每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk，其中N、j、k均为自然数，j为卫星编号，k为导航接收站编号，且1≤k≤N，TRjk为第k个导航接收站对第j颗卫星的接收时刻，ρτjk为TRjk时刻的伪距观测量；
步骤S2：在第k个导航接收站本地的时间体系下，计算导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻TRSV_jk；
步骤S3：在第k个导航接收站本地的时间体系下，计算第j颗卫星的虚拟钟τvclk_jk；
步骤S4：导航上行地面站自发自收导航信号，在1PPS整秒时刻采集的大环伪距观测量ρτjG，计算第j颗卫星对导航上行站的虚拟钟τvclk_jG，获得第j颗卫星第k个导航接收站虚拟钟修正量ρΔτ_jk；
步骤S5：在目标导航区域内，根据N个导航接收站的伪距时延修正量ρΔτ_jk，通过权重确定的方法，构建虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟修正量ρΔτ_vclk_j；
步骤S6：根据虚拟导航接收站的坐标(xv，yv，zv)，第j颗卫星星历坐标(x(TRSV_VG_j)，y(TRSV_VG_j)，z(TRSV_VG_j))，虚拟导航接收站的虚拟钟τvclk_VG_j，计算导航信号在虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j。
上述方案中，步骤S1中所述导航接收站包括时间频率电路、天线、下变频器、接收基带、数据处理模块和通信模块，其中：
时间频率电路内部配置有原子钟，用于输出时间信号1PPS和10MHz频率信号；
天线，用于将卫星下行的导航信号从空间电磁波信号转变为高频电磁能信号，在高频传输线上传输；
下变频器，用于将卫星下行的导航信号频率转变为中频信号；
接收基带内部配置有时间延迟器，根据时间频率电路产生的秒脉冲信号，触发产生一个与卫星下行PRN(Pseudo Random Noise Code，伪随机测距码)码结构和初始相位都相同的接收站基准信号，卫星下行发射的PRN码信号从射频端进入接收基带后，接收下行信号与接收站的基准信号进行移位卷积运算，读取卷积最大值的时刻为卫星下行的到达时刻TRjk，根据时间延迟器接收站基准信号的相位移位量得到接收站的伪距观测量ρτjk；
数据处理模块，用于根据伪距观测量、时间信息、空间信息、延延参量及导航电文解算出导航信号到达时刻TRjk，第j颗卫星在第k个导航接收站时间基准体系下的虚拟原子钟τvclk_jk；
通信模块，用于实现导航上行地面站、导航接收站及用户接收机之间的通信信息交互。
上述方案中，步骤S1中所述在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk之前，保持所述时间频率电路与标准时间UTC(Coordinated Universal Time，国际协调时间)同步。
上述方案中，所述保持所述时间频率电路与标准时间UTC同步之前，还包括：
导航接收地面站本地的时间信号与标准时间的钟差建立误差模型；
导航接收站原子钟的输出信号分频后得到1PPS和基准源1PPS进行时差比对，得到测量期间平均的相对频率偏差；
通过多组测量并利用最小二乘法得到单位测试时间内导航接收站原子钟相对基准源的频率漂移率；
通过测量原子钟与基准源守时秒之间的时间偏差，估算出导航接收站原子钟的频率偏差，将原子钟的频率锁定在基准源频率上；
根据钟差和导航接收站本地真实基准频率实时调整原子钟，获得导航接收站时间频率电路的时频同步基准源。
上述方案中，步骤S1中所述在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk之前，还包括：天线将卫星下行的导航信号从空间电磁波信号转变为高频电磁能信号，在高频传输线上传输；事先获得天线的相位中心坐标作为导航接收站位置坐标；所述天线至少接收4颗卫星下行的导航信号。
上述方案中，步骤S1中所述在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk，包括：接收基带内部配置时间延迟器，根据时间频率电路产生的秒脉冲信号；根据时间延迟器接收站基准信号的相位移位量得到接收站的伪距观测量。
上述方案中，步骤S2中所述在第k个导航接收站本地的时间体系下导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻TRSV_jk是对以下公式(6)进行解算得到的：
||(x(TRSV_jk)-x0，y(TRSV_jk)-y0，z(TRSV_jk)-z0)||/c+τionup_jk+τtropup_jk+τdevup_jk+τsat_jk+||(x(TRSV_jk)-xk，y(TRSV_jk)-yk，z(TRSV_jk)-zk)||/c+τiondow_jk+τtropdow_jk+τdevup_jk＝ρτjk(6)
其中，τionup_jk为第j颗卫星的上行电离层时延，τtropup_jk为第j颗卫星的上行对流层时延，τdevup_jk为导航地面上行站的上行设备时延，τiondow_jk为第j颗卫星对第k个导航接收站的下行电离层时延，τtropdow_jk为第j颗卫星对第k个导航接收站的下行对流层时延，τdevdow_jk为k个导航接收站的下行设备时延，(x0，y0，z0)为导航地面上行站天线的相位中心位置坐标，(xk，yk，zk)为第k个导航接收站天线的相位中心位置坐标，τsat_jk为第j颗卫星转发器的时延值，(x(TRSV_jk)，y(TRSV_jk)，z(TRSV_jk))为第j颗卫星在第k个导航接收站本地的时间体系下在TRSV_jk时刻的卫星坐标，||(x(TRSV_jk)-x0，y(TRSV_jk)-y0，z(TRSV_jk)-z0)||为第j颗卫星对导航上行站在TRSV_jk时刻的上行星地距，||(x(TRSV_jk)-xk，y(TRSV_jk)-yk，z(TRSV_jk)-zk)||为第j颗卫星对第k个导航接收站在TRSV_jk时刻的下行星地距，c为光速，取值299792458m/s。
上述方案中，在对以下公式(6)进行解算的过程中，星历是时间的动态函数或固定到某一点，直接产生虚拟化空间基准；设备时延用导航信号源产生1PPS和BPSK信号，将BPSK信号通过同轴线缆连接到被测设备，输出到示波器，同时导航信号源的1PPS信号也接到该示波器的另外一个通道，BPSK频带调制时刻信号经过有限带宽的滤波器，引起能量衰减最大，导致出现包络零点，查看示波器测量1PPS信号上升沿和BPSK的包络零点，得到被测设备时延值测τdevup_jk和τdevdow_jk。
上述方案中，步骤S3中所述在第k个导航接收站本地的时间体系下计算第j颗卫星的虚拟钟τvclk_jk，是采用公式(7)得到的：
τvclk_jk＝TRjk-TRSV_jk (7)
即在第k个导航接收站在本地的时间体系下第j颗卫星的虚拟钟τvclk_jk为导航地面上行站原子钟到卫星转发器下行出口的时延。
上述方案中，步骤S4中所述的第j颗卫星第k个导航接收站虚拟钟修正量ρΔτ_jk为ρΔτ_jk＝τvclk_jk-τvclk_jG。
上述方案中，基于距离相关，考虑到导航仰角对电离层时延的影响，根据公式(8)计算确定导航接收站对虚拟导航接收站权重值ωvjk；
其中，Ejk为第k个导航接收站对第j颗卫星的仰角，Ev为虚拟导航接收站对同一颗卫星的仰角，(xv，yv，zv)为虚拟导航接收站的位置坐标，(xk，yk，zk)为第k个导航接收站的位置坐标，||(xv-xk，yv-yk，zv-zk)||为虚拟站与第k个导航接收站的距离；
计算第j颗卫星总共N个导航接收站的权重总和ωvj；
计算虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟修正量ρΔτ_vclk；
上述方案中，步骤S6中所述虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟为τvclk_VG_j＝τvclk_jG+ρΔτ_vclk_j，根据表征卫星下行空间几何距离的公式(11)，解算出导航信号对于虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j；
||(xv-x(TRSV_VG_j)，yv-y(TRSV_VG_j)，zv-z(TRSV_VG_j))||/c+τvclk_VG_j＝TR_VG_j-TRSV_VG_j(11)
其中，c为光速，取值299792458m/s，||(xv-x(TRSV_VG_j)，yv-y(TRSV_VG_j)，zv-z(TRSV_VG_j))||为导航信号离开卫星转发器下行发射时刻的卫星与虚拟导航接收站的几何距离，TR_VG_j为虚拟导航接收站的本地时钟。
上述方案中，将公式(11)改写为历元迭代的形式，即公式(12)所示：
其中，m为迭代次数，为第m+1次迭代计算的在虚拟导航接收站时间体系下导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻，/>为第m次迭代计算的在虚拟导航接收站时间体系下导航信号离开j颗卫星时的下行发射时刻，对于高轨卫星来说：/> 迭代终止的阈值为/> 此时为在虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j。
上述方案中，所述虚拟导航接收站的本地时钟TR_VG_j，其构建过程包括：
利用导航地面上行站和N个导航接收站的时钟加权平均获得合成钟；
通过共视的方法获得UTC(Coordinated Universal Time，国际协调时间)；以及
利用Kalman滤波产生钟差改正数和平均频率，把平均频率作用于TR_VG_j合成钟的时间尺度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的构建导航虚拟时空基准的方法，具有以下有益效果：
1、本公开提供的构建导航虚拟时空基准的方法，通过考虑导航信号下行传输的特性，利用导航接收站构建通信卫星的虚拟钟，减小了差分修正的基线，提升了伪距差分修正的效果，进而提升了导航定位的精度。
2、本公开提供的构建导航虚拟时空基准的方法，通过利用导航接收站构建虚拟时间基准体系下的虚拟钟，并且在电文里体现了虚拟空间基准的参量，克服了导航上行信号容易被干扰截获的缺陷，提升了转发式卫星导航系统的反欺骗干扰的抗干扰效能。
3、本公开提供的构建导航虚拟时空基准的方法，为转发式卫星导航系统构建导航虚拟时空基准，丰富转发式导航系统的内涵，不仅可以通过减小基线提升伪距差分修正的效果，还可以提升转发式卫星导航系统的反欺骗干扰的抗干扰效能。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的一种构建导航虚拟时空基准的方法流程图。
图2示意性示出了根据本公开实施例的构建虚拟导航接收站本地时钟的方法流程图。
【附图标记】：
S1、S2、S3、S4、S5、S6：步骤
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
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作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。
在现有的技术中根据转发式卫星导航系统的特点，其虚拟钟技术天然具备伪距差分修正的效果，虽然地面站通过虚拟钟技术构建了系统时空统一基准，然而系统最终的导航定位授时误差会随着地面站与用户接收机之间的基线长度增加而增大。
此外，在现有的技术中转发式卫星导航系统由地面站发射导航信号及生成注入导航电文，在导航电文中地面站利用自身的位置信息构建虚拟钟，一旦转发式导航系统的导航电文被破获，极易形成欺骗式导航，误导用户接收机，甚至作为导航系统时间基准的地面站因为具有信号发射的功能而极易受到破坏。
在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种构建导航虚拟时空基准的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：在导航目标区域内设置N台转发式卫星导航接收机作为导航接收站，每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk，其中N、j、k均为自然数，j为卫星编号，k为导航接收站编号，且1≤k≤N，TRjk为第k个导航接收站对第j颗卫星的接收时刻，ρτjk为TRjk时刻的伪距观测量。
在本步骤中，导航接收站主要包括时间频率电路、天线、下变频器、接收基带、数据处理模块和通信模块。
在导航接收站中，时间频率电路内部配置有原子钟，例如铷钟/氢钟/铯钟等，用于输出时间信号1PPS和10MHz频率信号。
进一步的，时间频率电路可以利用卫星实时共视或PPP(Precise PointPositioning，精密单点定位)时间比对技术，高精度测量该原子钟(铷钟/氢钟/铯钟等)1PPS和10MHz信号与标准时间、频率的偏差，对原子钟(铷钟/氢钟/铯钟等)建模和控制，调整振荡器输出的1PPS和10MHz，使其保持与标准时间UTC(Coordinated Universal Time，国际协调时间)同步。
在本步骤中，所述在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk之前，保持所述时间频率电路与标准时间UTC(Coordinated Universal Time，国际协调时间)同步。
进一步地，所述保持所述时间频率电路与标准时间UTC(Coordinated UniversalTime，国际协调时间)同步之前，还包括：导航接收地面站本地的时间信号与标准时间的钟差建立误差模型；导航接收站原子钟的输出信号分频后得到1PPS和基准源1PPS进行时差比对，得到测量期间平均的相对频率偏差；通过多组测量并利用最小二乘法得到单位测试时间内导航接收站原子钟相对基准源的频率漂移率；通过测量原子钟与基准源守时秒之间的时间偏差，估算出导航接收站原子钟的频率偏差，将原子钟的频率锁定在基准源频率上；根据钟差和导航接收站本地真实基准频率实时调整原子钟，获得导航接收站时间频率电路的时频同步基准源。
进一步的，对原子钟的建模，主要对本地的时间信号与标准时间的钟差建立误差模型，如式(1)所示：
其中，toc为钟差模型使用的起始时刻，a0为初始时刻原子钟与标准时间的钟差即初始时间偏差(相位偏差)，a1为原子钟的频率与标准频率的偏差，a2为原子钟的线性频漂，由原子钟本身的参数老化等原因引起，二次多项式拟合系数a0，a1，a2，通过最小二乘多项式拟合计算获得。ε(t)为原子钟时间偏差的随机噪声，通过统计计算获得。
进一步的，导航接收站原子钟的输出信号分频后得到1PPS和基准源1PPS进行时差比对，得到测量期间平均的相对频率偏差，如式(2)所示：
其中，t2，t1为两次测量的时刻，Δt1，Δt2为基准源1PPS与导航接收站原子钟1PPS在测量时刻t1，t2测量得到的时刻差，通过时间间隔计数器测量获得，f为基准源的频率。
进一步的，根据基准源的1PPS长期累积时差趋于零，通过多组测量并利用最小二乘法得到单位测试时间内导航接收站原子钟相对基准源的频率漂移率a2，如式(3)所示：
其中，τ为取样时间，Ti(τ)为第i次测得的时差比对值，为Ti(τ)的平均值ti为取样序号，一般n＝114，/>
进一步的，为提升导航接收站时间频率电路的时间同步精度，通过测量原子钟与基准源守时秒之间的时间偏差，估算出导航接收站原子钟的频率偏差，减小a1，a2将原子钟的频率锁定在基准源频率上，根据式(4)计算单位测试时间内导航接收站原子钟的相对频率准确度。
进一步的，根据公式(5)计算导航接收站本地的真实基准频率fc。
进而根据钟差Δt和导航接收站本地真实基准频率fc实时调整原子钟，获得导航接收站时间频率电路的时频同步基准源。
在导航接收站中，在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk之前，天线将卫星下行的导航信号从空间电磁波信号转变为高频电磁能信号，在高频传输线上传输；需要事先获得天线的相位中心坐标作为导航接收站位置坐标；此天线至少可以接收4颗卫星下行的导航信号。
在导航接收站中，下变频器用于将卫星下行的导航信号频率转变为中频信号，转发式卫星下行频率一般为C/Ku波段，C波段下行频率为3700MHz～4200MHz，Ku波段下行频率为12250MHz～17250MHz，中频信号为70MHz/140MHz。
在导航接收站中，接收基带内部配置有时间延迟器，根据时间频率电路产生的秒脉冲信号，触发产生一个与卫星下行PRN(Pseudo Random Noise Code，伪随机测距码)码结构和初始相位都相同的接收站基准信号，卫星下行发射的PRN码信号从射频端进入接收基带后，接收下行信号与接收站的基准信号进行移位卷积运算，读取卷积最大值的时刻为卫星下行的到达时刻TRjk，根据时间延迟器接收站基准信号的相位移位量得到接收站的伪距观测量ρτjk。
卫星下行发射的PRN码信号从射频端进入接收基带后，接收下行信号与接收站的基准信号进行移位卷积运算，根据伪随机测距码的数学特性，两个码没对齐时卷积值就为零，在实际应用中由于存在各种干扰，每个时间相关器得到的最大卷积值不一致，读取卷积最大值的时刻为卫星下行的到达时刻TRjk(j表示卫星编号，k表示导航接收站编号，1≤k≤N)，根据时间延迟器接收站基准信号的相位移位量得到接收站的伪距观测量ρτjk(j表示卫星编号，k表示导航接收站编号，1≤k≤N)。
具体地，在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk，包括：接收基带内部配置时间延迟器，根据时间频率电路产生的秒脉冲信号；根据时间延迟器接收站基准信号的相位移位量得到接收站的伪距观测量。
在导航接收站中，数据处理模块用于根据伪距观测量、时间信息、空间信息、延延参量及导航电文解算出导航信号到达时刻TRjk，第j颗卫星在第k个导航接收站时间基准体系下的虚拟原子钟τvclk_jk；
在导航接收站中，通信模块用于实现导航上行地面站、导航接收站及用户接收机之间的通信信息交互。
步骤S2：在第k个导航接收站本地的时间体系下，计算导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻TRSV_jk；
根据本公开的实施例，在第k个导航接收站本地的时间体系下，计算导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻中，包括：计算第j颗卫星导航信号在第k个导航接收站的时间体系下的导航上行站的发射时刻；导航信号从导航上行站上行至卫星转发下行至导航接收站的链路时延描述；设备时延测量方法。
在本步骤中，第j颗卫星导航信号在第k个导航接收站的时间体系下的导航上行站的发射时刻为TRG_jk＝TRjk-ρτjk，由于收发分离，在同一时刻N个导航接收站可以计算出N个导航信号离开卫星时下行的发射时刻；
在本步骤中，导航信号从导航上行站上行至卫星转发下行至导航接收站，链路的时延描述为式(6)表示：
||(x(TRSV_jk)-x0，y(TRSV_jk)-y0，z(TRSV_jk)-z0)||/c+τionup_jk+τtropup_jk+τdevup_jk+τsat_jk+||(x(TRSV_jk)-xk，y(TRSV_jk)-yk，z(TRSV_jk)-zk)||/c+τiondow_jk+τtropdow_jk+τdevup_jk＝ρτjk(6)
其中，τionup_jk为第j颗卫星的上行电离层时延，τtropup_jk为第j颗卫星的上行对流层时延，τdevup_jk为导航地面上行站的上行设备时延，τiondow_jk为第j颗卫星对第k个导航接收站的下行电离层时延，τtropdow_jk为第j颗卫星对第k个导航接收站的下行对流层时延，
τdevdow_jk为k个导航接收站的下行设备时延，(x0，y0，z0)为导航地面上行站天线的相位中心位置坐标，(xk，yk，zk)为第k个导航接收站天线的相位中心位置坐标，τsat_jk为第j颗卫星转发器的时延值，(x(TRSV_jk)，y(TRSV_jk)，z(TRSV_jk))为第j颗卫星在第k个导航接收站本地的时间体系下在TRSV_jk时刻的卫星坐标，在解算的过程中，此星历可以是时间的动态函数也可以固定到某一点，直接产生虚拟化空间基准，||(x(TRSV_jk)-x0，y(TRSV_jk)-y0，z(TRSV_jk)-z0)||为第j颗卫星对导航上行站在TRSV_jk时刻的上行星地距，||(x(TRSV_jk)-xk，y(TRSV_jk)-yk，z(TRSV_jk)-zk)||为第j颗卫星对第k个导航接收站在TRSV_jk时刻的下行星地距，c为光速，取值299792458m/s；
在本步骤中，上行/下行电离层和上行/下行对流层的时延可以通过已知模型获得；
在本步骤中，设备时延用导航信号源产生1PPS和BPSK信号，将BPSK信号通过同轴线缆连接到被测设备，输出到示波器，同时导航信号源的1PPS信号也接到该示波器的另外一个通道，BPSK频带调制时刻信号经过有限带宽的滤波器，引起能量衰减最大，导致出现包络零点，查看示波器测量1PPS信号上升沿和BPSK的包络零点，得到被测设备时延值测τdevup_jk和τdevdow_jk；
在本步骤中，根据公式(6)可以解算出在第k个导航接收站本地的时间体系下，导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻TRSV_jk；
步骤S3：在第k个导航接收站本地的时间体系下，计算第j颗卫星的虚拟钟τvclk_jk；
根据本公开的实施例，在第k个导航接收站在本地的时间体系下，计算第j颗卫星的虚拟钟，包括：第k个导航接收站本地的时间体系下，计算第j颗卫星的虚拟钟的公式；在同一时刻，第j颗卫星在第k个导航接收站计算一个虚拟钟，N个导航接收站对第j颗卫星计算出N个虚拟钟。
转发式导航接收站对虚拟钟的定义为导航地面上行站原子钟到卫星转发器下行出口的时延，因此在第k个导航接收站本地的时间体系下，计算第j颗卫星的虚拟钟τvclk_jk可以表示为公式(7)：
τvclk_jk＝TRjk-TRSV_jk (7)
在本步骤中，由于收发分离，在同一时刻，第j颗卫星在第k个导航接收站计算一个虚拟钟，N个导航接收站对第j颗卫星计算出N个虚拟钟；
步骤S4：导航上行地面站自发自收导航信号，在1PPS整秒时刻采集的大环伪距观测量ρτjG，计算第j颗卫星对导航上行站的虚拟钟τvclk_jG，获得第j颗卫星第k个导航接收站虚拟钟修正量ρΔτ_jk；
根据本公开的实施例，在导航上行地面站自发自收导航信号，在1PPS整秒时刻采集的大环伪距观测量，计算第j颗卫星对导航上行站的虚拟钟，获得第j颗卫星第k个导航接收站虚拟钟修正量中，包括：接收基带内部配置时间延迟器，根据时间频率电路产生的秒脉冲信号；根据时间延迟器接收站基准信号的相位移位量得到接收站的伪距观测量；计算第j颗卫星的虚拟钟的公式；第j颗卫星第k个导航接收站的虚拟钟修正量。
在本步骤中，在1PPS整秒时刻采集的大环伪距观测量ρτjG的计算方法同步骤S1中的接收基带解算伪距观测量；
在本步骤中，计算第j颗卫星对导航上行站的虚拟钟τvclk_jG所采用的计算方法同步骤S2和步骤S3；
在本步骤中，第j颗卫星第k个导航接收站虚拟钟修正量ρΔτ_jk为ρΔτ_jk＝τvclk_jk-τvclk_jG；
步骤S5：在目标导航区域内，根据N个导航接收站的伪距时延修正量ρΔτ_jk，通过权重确定的方法，构建虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟修正量ρΔτ_vclk_j；
根据本公开的实施例，在目标导航区域内，根据N个导航接收站的伪距时延修正量，通过权重确定的方法，构建虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟修正量，包括：基于距离相关，考虑到导航仰角对电离层时延的影响，计算确定导航接收站对虚拟导航接收站权重值；计算第j颗卫星总共N个导航接收站的权重总和；计算虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟修正量；任意一颗卫星对于任何一个虚拟导航接收站的虚拟钟修正量。
在本步骤中，基于距离相关，考虑到导航仰角对电离层时延的影响，根据公式(8)计算确定导航接收站对虚拟导航接收站权重值ωvjk；
其中，Ejk为第k个导航接收站对第j颗卫星的仰角，Ev为虚拟导航接收站对同一颗卫星的仰角，(xv，yv，zv)为虚拟导航接收站的位置坐标，(xk，yk，zk)为第k个导航接收站的位置坐标，||(xv-xk，yv-yk，zv-zk)||为虚拟站与第k个导航接收站的距离。
接着，计算第j颗卫星总共N个导航接收站的权重总和ωvj；
接着，计算虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟修正量ρΔτ_vclk；
根据上述方法可以得到任意一颗卫星对于任何一个虚拟导航接收站的虚拟钟修正量；
步骤S6：根据虚拟导航接收站的坐标(xv，yv，zv)，第j颗卫星星历坐标(x(TRSV_VG_j)，y(TRSV_VG_j)，z(TRSV_VG_j))，虚拟导航接收站的虚拟钟τvclk_VG_j，计算导航信号在虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j；
根据本公开的实施例，根据虚拟导航接收站的坐标(xv，yv，zv)，第j颗卫星星历坐标(x(TRSV_VG_j)，y(TRSV_VG_j)，z(TRSV_VG_j))，虚拟导航接收站的虚拟钟τvclk_vG_j，计算导航信号在虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j，包括：虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟；根据卫星下行空间几何距离，解算出导航信号对于虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻；虚拟导航接收站本地时钟的构建方法；解算在虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻历元迭代方法。
在本步骤中，此时虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟为τvclk_VG_j＝τvclk_jG+ρΔτ_vclk_j；
在本步骤中，根据卫星下行空间几何距离，例如公式(11)，解算出导航信号对于虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j；
||(xv-x(TRSV_VG_j)，yv-y(TRSV_VG_j)，zv-z(TRSV_VG_j))||/c+τvclk_VG_j＝TR_VG_j-TRSV_VG_j(11)
其中，c为光速，取值299792458m/s，||(xv-x(TRSV_VG_j)，yv-y(TRSV_VG_j)，zv-z(TRSV_VG_j))||为导航信号离开卫星转发器下行发射时刻的卫星与虚拟导航接收站的几何距离，TR_VG_j为虚拟导航接收站的本地时钟。
由于虚拟化的缘故，本实施例中，虚拟导航接收站的本地时钟TR_VG_j的构建方法如图2所示，图2示意性示出了根据本公开实施例的构建虚拟导航接收站本地时钟的方法流程图，具体包括以下三个步骤：
步骤1：利用导航地面上行站和N个导航接收站的时钟加权平均获得合成钟；
步骤2：通过共视的方法获得UTC(Coordinated Universal Time，国际协调时间)；
步骤3：利用Kalman滤波产生钟差改正数和平均频率，把平均频率作用于TR_VG_j合成钟的时间尺度。
在本步骤中，将公式(11)改写为历元迭代的形式，如公式(12)所示：
其中，m为迭代次数，为第m+1次迭代计算的在虚拟导航接收站时间体系下导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻，/>为第m次迭代计算的在虚拟导航接收站时间体系下导航信号离开j颗卫星时的下行发射时刻，对于高轨卫星来说：/> 迭代终止的阈值为/> 此时为在虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j。
通过以上实施例的方法，构建了一种导航虚拟时空基准，该时空基准建立在虚拟导航地面接收站的时间体系下，空间卫星基准和虚拟钟在其建立的时间体系下虚拟化，发挥出转发式卫星导航系统灵活多变的优势。
至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (14)
1.一种构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在导航目标区域内设置N台转发式卫星导航接收机作为导航接收站，每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk，其中N、j、k均为自然数，j为卫星编号，k为导航接收站编号，且1≤k≤N，TRjk为第k个导航接收站对第j颗卫星的接收时刻，ρτjk为TRjk时刻的伪距观测量；
步骤S2：在第k个导航接收站本地的时间体系下，计算导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻TRSV_jk；
步骤S3：在第k个导航接收站本地的时间体系下，计算第j颗卫星的虚拟钟τvclk_jk；
步骤S4：导航上行地面站自发自收导航信号，在1PPS整秒时刻采集的大环伪距观测量ρτjG，计算第j颗卫星对导航上行站的虚拟钟τvclk_jG，获得第j颗卫星第k个导航接收站虚拟钟修正量ρΔτ_jk；
步骤S5：在目标导航区域内，根据N个导航接收站的伪距时延修正量ρΔτ_jk，通过权重确定的方法，构建虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟修正量ρΔτ_vclk_j；
步骤S6：根据虚拟导航接收站的坐标(xv，yv，zv)，第j颗卫星星历坐标(x(TRSV_VG_j)，y(TRSV_VG_j)，z(TRSV_VG_j))，虚拟导航接收站的虚拟钟τvclk_VG_j，计算导航信号在虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j。
2.根据权利要求1所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，步骤S1中所述导航接收站包括时间频率电路、天线、下变频器、接收基带、数据处理模块和通信模块，其中：
时间频率电路内部配置有原子钟，用于输出时间信号1PPS和10MHz频率信号；
天线，用于将卫星下行的导航信号从空间电磁波信号转变为高频电磁能信号，在高频传输线上传输；
下变频器，用于将卫星下行的导航信号频率转变为中频信号；
接收基带内部配置有时间延迟器，根据时间频率电路产生的秒脉冲信号，触发产生一个与卫星下行PRN码结构和初始相位都相同的接收站基准信号，卫星下行发射的PRN码信号从射频端进入接收基带后，接收下行信号与接收站的基准信号进行移位卷积运算，读取卷积最大值的时刻为卫星下行的到达时刻TRjk，根据时间延迟器接收站基准信号的相位移位量得到接收站的伪距观测量ρτjk；
数据处理模块，用于根据伪距观测量、时间信息、空间信息、延延参量及导航电文解算出导航信号到达时刻TRjk，第j颗卫星在第k个导航接收站时间基准体系下的虚拟原子钟τvclk_jk；
通信模块，用于实现导航上行地面站、导航接收站及用户接收机之间的通信信息交互。
3.根据权利要求2所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，步骤S1中所述在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk之前，保持所述时间频率电路与标准时间UTC(Coordinated Universal Time，国际协调时间)同步。
4.根据权利要求3所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，所述保持所述时间频率电路与标准时间UTC同步之前，还包括：
导航接收地面站本地的时间信号与标准时间的钟差建立误差模型；
导航接收站原子钟的输出信号分频后得到1PPS和基准源1PPS进行时差比对，得到测量期间平均的相对频率偏差；
通过多组测量并利用最小二乘法得到单位测试时间内导航接收站原子钟相对基准源的频率漂移率；
通过测量原子钟与基准源守时秒之间的时间偏差，估算出导航接收站原子钟的频率偏差，将原子钟的频率锁定在基准源频率上；
根据钟差和导航接收站本地真实基准频率实时调整原子钟，获得导航接收站时间频率电路的时频同步基准源。
5.根据权利要求2所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，步骤S1中所述在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk之前，还包括：
天线将卫星下行的导航信号从空间电磁波信号转变为高频电磁能信号，在高频传输线上传输；事先获得天线的相位中心坐标作为导航接收站位置坐标；所述天线至少接收4颗卫星下行的导航信号。
6.根据权利要求2所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，步骤S1中所述在每个导航接收站解算出接收时刻TRjk的伪距观测量ρτjk，包括：
接收基带内部配置时间延迟器，根据时间频率电路产生的秒脉冲信号；
根据时间延迟器接收站基准信号的相位移位量得到接收站的伪距观测量。
7.根据权利要求1所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，步骤S2中所述在第k个导航接收站本地的时间体系下导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻TRSV_jk是对以下公式(6)进行解算得到的：
||(x(TRSV_jk)-x0，y(TRSV_jk)-y0，z(TRSV_jk)-z0)||/c+τionup_jk+τtropup_jk+τdevup_jk+τsat jk+||(x(TRSV_jk)-xk，y(TRSV_jk)-yk，z(TRSV_jk)-zk)||/c+τiondow_jk+τtropdow_jk+τdevup_jk＝ρτjk(6)
其中，τionup_jk为第j颗卫星的上行电离层时延，τtropup_jk为第j颗卫星的上行对流层时延，τdevup_jk为导航地面上行站的上行设备时延，τiondow_jk为第j颗卫星对第k个导航接收站的下行电离层时延，τtropdow_jk为第j颗卫星对第k个导航接收站的下行对流层时延，τdevdow_jk为k个导航接收站的下行设备时延，(x0，y0，z0)为导航地面上行站天线的相位中心位置坐标，(xk，yk，zk)为第k个导航接收站天线的相位中心位置坐标，τsat_jk为第j颗卫星转发器的时延值，(x(TRSV_jk)，y(TRSV_jk)，z(TRSV_jk))为第j颗卫星在第k个导航接收站本地的时间体系下在TRSV_jk时刻的卫星坐标，||(x(TRSV_jk)-x0，y(TRSV_jk)-y0，z(TRSV_jk)-z0)||为第j颗卫星对导航上行站在TRSV_jk时刻的上行星地距，||(x(TRSV_jk)-xk，y(TRSV_jk)-yk，z(TRSV_jk)-zk)||为第j颗卫星对第k个导航接收站在TRSV_jk时刻的下行星地距，c为光速，取值299792458m/s。
8.根据权利要求7所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，在对以下公式(6)进行解算的过程中，星历是时间的动态函数或固定到某一点，直接产生虚拟化空间基准；设备时延用导航信号源产生1PPS和BPSK信号，将BPSK信号通过同轴线缆连接到被测设备，输出到示波器，同时导航信号源的1PPS信号也接到该示波器的另外一个通道，BPSK频带调制时刻信号经过有限带宽的滤波器，引起能量衰减最大，导致出现包络零点，查看示波器测量1PPS信号上升沿和BPSK的包络零点，得到被测设备时延值测τdevup_jk和τdevdow_jk。
9.根据权利要求1所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，步骤S3中所述在第k个导航接收站本地的时间体系下计算第j颗卫星的虚拟钟τvclk_jk，是采用公式(7)得到的：
τvclk_jk＝TRjk-TRSV_jk (7)
即在第k个导航接收站本地的时间体系下第j颗卫星的虚拟钟τvclk_jk为导航地面上行站原子钟到卫星转发器下行出口的时延。
10.根据权利要求1所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，步骤S4中所述的第j颗卫星第k个导航接收站虚拟钟修正量ρΔτ_jk为ρΔτ_jk＝τvclk_jk-τvclk_jG。
11.根据权利要求1所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
基于距离相关，考虑到导航仰角对电离层时延的影响，根据公式(8)计算确定导航接收站对虚拟导航接收站权重值ωvjk；
其中，Ejk为第k个导航接收站对第j颗卫星的仰角，Ev为虚拟导航接收站对同一颗卫星的仰角，(xv，yv，zv)为虚拟导航接收站的位置坐标，(xk，yk，zk)为第k个导航接收站的位置坐标，||(xv-xk，yv-yk，zv-zk)||为虚拟站与第k个导航接收站的距离；
计算第j颗卫星总共N个导航接收站的权重总和ωvj；
计算虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟修正量ρΔτ_vclk；
12.根据权利要求1所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，步骤S6中所述虚拟导航接收站对第j颗卫星的虚拟钟为τvclk_VG_j＝τvclk_jG+ρΔτ_vclk_j，根据表征卫星下行空间几何距离的公式(11)，解算出导航信号对于虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j；
||(xv-x(TRSV_VG_j)，yv-y(TRSV_VG_j)，zv-z(TRSV_VG_j))||/c+τvclk_VG_j＝TR_VG_j-TRSV_VG_j(11)
其中，c为光速，取值299792458m/s，||(xv-x(TRSV_VG_j)，yv-y(TRSV_VG_j)，zv-z(TRSV_VG_j))||为导航信号离开卫星转发器下行发射时刻的卫星与虚拟导航接收站的几何距离，TR_VG_j为虚拟导航接收站的本地时钟。
13.根据权利要求12所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，将公式(11)改写为历元迭代的形式，即公式(12)所示：
其中，m为迭代次数，为第m+1次迭代计算的在虚拟导航接收站时间体系下导航信号离开第j颗卫星时的下行发射时刻，/>为第m次迭代计算的在虚拟导航接收站时间体系下导航信号离开j颗卫星时的下行发射时刻，对于高轨卫星来说：/> 迭代终止的阈值为/> 此时为在虚拟导航接收站时间体系下对第j颗卫星的下行发射时刻TRSV_VG_j。
14.根据权利要求12所述的构建导航虚拟时空基准的方法，其特征在于，所述虚拟导航接收站的本地时钟TR_VG_j，其构建过程包括：
利用导航地面上行站和N个导航接收站的时钟加权平均获得合成钟；
通过共视的方法获得UTC；以及
利用Kalman滤波产生钟差改正数和平均频率，把平均频率作用于TR_VG_j合成钟的时间尺度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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