CN117955554B - 基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法及系统，利用历史观测数据并结合卡尔曼滤波器作滤波，定时启动低轨卫星钟差确定和预报得到低轨卫星实时钟差。本发明进行低轨卫星实时钟差确定时，只需定时批量获取历史观测数据，而不是实时不间断获取观测数据，因此可以解决低轨星座星间链路尚未完善，观测数据不能实时下卸等存在于现有低轨卫星实时钟差方案中的技术问题。并且，本发明通过定时重新启动钟差确定和预报程序，避免了历史观测数据中发生较大错误时，对后续用户端得到的实时钟差产生的持续影响。

Description

基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法及系统

技术领域

本发明属于低轨卫星精密数据处理技术领域，具体涉及一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法及系统。

背景技术

与中、高轨卫星相比，低轨卫星具有轨道高度低、运行速度快等优势，而低轨卫星钟差产品在低轨卫星领域具有重要的意义。不论是利用低轨卫星信号增强GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球导航卫星系统)进行地面定位授时，或是低轨星座的星地星间时间维持和同步，低轨卫星钟差产品均是重要的基础和前提保障。与此同时，随着实时应用需求的不断增长，以及低轨卫星自身特性，低轨卫星钟差需实时确定。因此，为了满足低轨导航增强或卫星互联网等领域实时应用的需求，研究低轨卫星实时钟差确定方法，以提供高精度低轨卫星实时钟差产品，显得尤为迫切。

目前低轨卫星钟差实时解算，通常采用卡尔曼滤波逐历元解算低轨卫星实时钟差。该方法需要观测数据实时输入。

低轨卫星覆盖范围有限，要实现观测数据不间断以实时下卸，则需要各低轨星座星间链路的完善。并且，观测数据不间断实时下卸需要网络强有力的保障。因此，在低轨卫星的星间链路尚未完善，或者网络状况不好时，利用卡尔曼滤波逐历元解算低轨卫星实时钟差将会出现中断或产品不完整的情况。

另外，如果实时观测数据流发生较大跳变，逐历元解算时，卡尔曼滤波的状态方程将继承该错误，进而影响后续钟差估计精度，并进一步影响低轨卫星钟差的完好性。

因此，采用卡尔曼滤波逐历元解算低轨卫星实时钟差时，低轨卫星钟差产品的完整性和完好性可能会受到数据中断，数据质量较差等问题的影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法及系统。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，本发明提供了一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法，包括：

S100，以当前历元为起点沿历史时刻方向，获取时长为的历史观测数据；其中，所述历史观测数据的类型为双频观测数据；

S200，利用S100中所获取的历史观测数据构建原始观测方程，并利用所述双频观测数据的双频特性消除所述原始观测方程中的电离层延迟得到消电离层观测方程；所述消电离层观测方程包括低轨卫星待估参数，所述低轨卫星待估参数包括低轨卫星钟差；

S300，给定所述低轨卫星待估参数的初始状态向量，并将所述初始状态向量给入卡尔曼滤波器，以使所述卡尔曼滤波器递推得到低轨卫星待估参数的当前历元状态向量；其中，所述当前历元状态向量包括当前历元的低轨卫星钟差；

S400，利用历史历元区间内的低轨卫星钟差，对多项式模型作分析得到模型系数，并将所述模型系数以及当前历元的低轨卫星钟差代入所述多项式模型中得到预报钟差；

S500，从当前历元向未来按照设定的预报时长对所述预报钟差作预报，以使用户端得到低轨卫星实时钟差；

S600，设定时间间隔，并在每次达到所述时间间隔时重复S100至S500。

第二方面，本发明提供了一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定系统，所述系统设置有处理设备，所述处理设备用于执行第一方面所述的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法。

有益效果：

本发明提供了一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法及系统，利用历史观测数据并结合卡尔曼滤波或最小二乘法，定时启动低轨卫星钟差确定并进行预报得到低轨卫星实时钟差。本发明进行低轨卫星实时钟差确定时，只需定时批量获取历史观测数据，而不是实时不间断获取观测数据，因此可以解决低轨星座星间链路尚未完善，观测数据不能实时下卸等存在于现有低轨卫星实时钟差方案中的技术问题。并且，本发明通过定时重新启动钟差确定和预报程序，避免了历史观测数据中发生较大错误时对后续用户端得到的实时钟差产生的持续影响。

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是本发明基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法的原理示意图；

图2是本发明提供的一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法的流程示意图；

图3是本发明提供的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法的时序图。

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。

如图1所示，本发明的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法可以分为观测数据获取、低轨卫星钟差确定、低轨卫星钟差预报三个部分。

第一方面，结合图1和图2，本发明提供了一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法包括：

S100，以当前历元为起点沿历史时刻方向，获取时长为的历史观测数据；其中，所述历史观测数据的类型为双频观测数据；本发明中设定当前历元是/>历元。

本步骤在数据获取时，历史观测数据无需实时下卸，并以实时数据流的形式给入，历史观测数据可以是文件形式。因此，一方面可以应用于低轨星座组网阶段，当星载观测数据无法实时下卸时；另一方面该方法不再强依赖于网络。当卫星端位于观测站的可视范围内，卫星端向观测站发送数据叫下卸。

S200，利用S100中所获取的历史观测数据构建原始观测方程，并利用所述双频观测数据的双频特性消除所述原始观测方程中的电离层延迟得到消电离层观测方程；所述消电离层观测方程包括低轨卫星待估参数，所述低轨卫星待估参数包括低轨卫星钟差；

本发明的原始观测方程表示为：

(1)；

(2)；

式中，表示低轨卫星/>观测GNSS卫星/>时在频率/>的伪距观测值，/>表示低轨卫星/>观测GNSS卫星/>时在频率/>的载波相位观测值；/>和/>分别表示低轨卫星和GNSS卫星；/>表示信号的频率序号；/>表示低轨卫星/>与GNSS卫星/>的几何距离；/>表示光速；/>表示低轨卫星接收机的钟差，/>表示GNSS卫星/>的钟差；/>表示低轨卫星/>在频率/>的伪距硬件延迟，/>表示GNSS卫星/>在频率/>的伪距硬件延迟；/>表示GNSS卫星/>与低轨卫星/>方向上频率/>的电离层延迟；/>表示低轨卫星/>在频率/>的载波相位硬件延迟，/>表示GNSS卫星/>在频率/>的载波相位硬件延迟；/>表示GNSS信号在频率/>的载波相位波长；/>表示低轨卫星/>观测GNSS卫星/>时在频率/>的整周模糊度；/>表示低轨卫星星载GNSS伪距观测在频率/>的伪距的其他误差，/>与低轨卫星/>和GNSS卫星/>相关，/>表示低轨卫星星载GNSS相位观测在频率/>的载波相位的其它误差，与低轨卫星/>和GNSS卫星/>相关。

本步骤可以利用所述双频观测数据的双频特性并依据运动学模型或者动力学模型消除所述原始观测方程中的电离层延迟得到消电离层观测方程；所述消电离层观测方程表示为：

(3)；

(4)；

式中，下角标IF表示无电离层组合，表示低轨卫星/>观测GNSS卫星/>时的无电离层组合的伪距期待值，/>表示低轨卫星/>观测GNSS卫星/>时的无电离层组合的载波相位期待值；/>和/>为已知参数，/>为低轨卫星/>的轨道坐标，/>为GNSS卫星/>至低轨卫星/>的单位向量，/>表示低轨卫星/>观测GNSS卫星/>时的无电离层组合的整周模糊度，/>表示GNSS信号的无电离层组合的载波相位波长；/>、/>、/>、/>和/>均为未知参数。

在式(3)和(4)中，等式左侧是模型值与观测值之差，等式右边为低轨卫星待估参数，包括低轨卫星钟差、轨道、模糊度参数等。

S300，给定所述低轨卫星待估参数的初始状态向量，并将所述初始状态向量给入卡尔曼滤波器，以使所述卡尔曼滤波器递推得到低轨卫星待估参数的当前历元状态向量；其中，所述当前历元状态向量包括当前历元的低轨卫星钟差；

本发明给定所述低轨卫星待估参数的初始状态向量及/>的方差/>；其中位置坐标和钟差可通过伪距单点定位获得，模糊度初值可由载波观测值减去伪距观测值得到。并将所述初始状态向量给入卡尔曼滤波器，以使所述卡尔曼滤波器将所述初始状态向量代入自身的观测模型和状态方程，从而递推出当前历元下低轨卫星待估参数的状态向量，即可得到/>历元时刻的低轨卫星钟差。

使用卡尔曼滤波进行卫星钟差解算时，轨道也一并解出，先建立状态方程和观测模型，所述观测模型和状态方程分别表示为：

(5)；

(6)；

式中，,/>表示呈高斯分布，/>表示/>历元的低轨卫星待估参数的状态向量，/>表示/>历元的低轨卫星待估参数的状态向量；/>表示历元至/>历元的状态转移矩阵，/>，/>表示单位矩阵，状态转移矩阵的维数与低轨卫星待估参数的状态向量的维数一致，/>包含的低轨卫星待估参数表示为/>，/>表示/>中的三维位置参数，/>中的上角标/>表示/>历元观测到GNSS卫星个数；/>表示/>历元的观测向量；表示/>历元的观测模型的系数矩阵，/>表示/>历元的过程噪音向量，/>表示历元的观测噪音，/>表示/>的协方差矩阵，/>表示/>的协方差矩阵。/>和/>在本步骤中均为对角阵，/>中的对角元素采用高度角(/>)加权的方式等进行定义。

S200-S300为低轨卫星钟差确定过程，可采用非差非组合或无电离层组合等，运动学定轨模式或动力学定轨模式等，参数估计方法可采用最小二乘法或卡尔曼滤波法等。

S400，利用历史历元区间内的低轨卫星钟差，对多项式模型作分析得到模型系数，并将所述模型系数以及当前历元的低轨卫星钟差代入所述多项式模型中得到预报钟差；

设定当前历元是历元，本步骤利用历史历元区间/>内的低轨卫星钟差，分析多项式模型的系数得到模型系数；将所述模型系数以及当前历元的低轨卫星钟差代入所述多项式模型中得到预报钟差；/>为预定的拟合时长，所述多项式模型表示为：

(7)；

式中，表示预报钟差，所述模型系数包括/>、/>和/>；表示多项式拟合系数，/>为周期项的周期，/>是周期项的幅度，/>是周期项的幅度相位，/>代表周期项的个数。本发明可使用FFT以及最小二乘法确定幅度与相位。

本步骤分析得到模型参数的过程是现有技术，此处不再赘述详细求解过程。

S500，从当前历元向未来按照设定的预报时长对所述预报钟差作预报，以使用户端得到低轨卫星实时钟差；

设定当前历元是历元，本步骤从当前历元向未来按照设定的预报时长/>对预报钟差作预报，所述预报钟差的时间范围为/>。

S400-S500为低轨卫星钟差预报过程，鉴于低轨卫星钟差预报效果，本发明中的低轨卫星钟差预报一般情况指利用低轨卫星钟差短期预报方法，得到低轨卫星预报钟差。低轨卫星钟差短期预报方法需根据低轨卫星钟差预报方法的精度及用户对低轨卫星实时钟差精度的需求进一步选择。

S600，设定时间间隔，并在每次达到时间间隔时重复S100至S500。

如果当前历元是历元，本步骤给定时间间隔/>，并从当前历元向未来方向达到/>时重复S100-S500，/>为时间间隔的序号。

参考图3，图3为基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法的时序图。基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法中，初始时间为，定时启动间隔为/>，历史观测数据的时长为/>，钟差处理(包括钟差确定和钟差预报)时长为/>，即S100-S500所用时长，预报时长为/>。在图3中，线段BD之间为预报时长，线段BC之间为S100-S500所用时长，即钟差处理时长。用户端真正能用到的实时钟差是CD，即在当前历元/>，用户端得到的实时钟差的时间区间为：/>。

本发明基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法采用定时启动，即每隔启动程序，获取当前历元(图3中的B点)之前/>的观测数据，利用常规的低轨卫星钟差确定和预报方法，对低轨卫星钟差进行近实时确定并预报。通常情况下，/>小于/>，且小于/>，/>需根据/>及/>大小确定，通常应为实时用户使用留有时间余量。/>为图3中C点，/>时间段中对应实时窗口的区间通常为/>，其精度决定了用户使用的实时钟差精度。随着以/>时间间隔不断向前迭代，即可得到低轨卫星的实时钟差。

基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法采用定时启动，每次启动，只处理当前时刻(历元)之前时长为的观测数据。因此，数据处理范围外发生的观测错误对后续钟差解算没有影响，即错误不会积累，使低轨卫星实时钟差产品的精度及完好性避免受到历史干扰影响。

第二方面，本发明提供了一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定系统，所述系统设置有处理设备，所述处理设备用于所述的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法。

本发明的系统实施例与方法实施例的实施细节相同，此处不再赘述。

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。

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 (7)

1.一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法，其特征在于，包括：

S100，以当前历元为起点沿历史时刻方向，获取时长为Tobs的历史观测数据；其中，所述历史观测数据的类型为双频观测数据；

S200，利用S100中所获取的历史观测数据构建原始观测方程，并利用所述双频观测数据的双频特性消除所述原始观测方程中的电离层延迟得到消电离层观测方程；所述消电离层观测方程包括低轨卫星待估参数，所述低轨卫星待估参数包括低轨卫星钟差；

S300，给定所述低轨卫星待估参数的初始状态向量，并将所述初始状态向量给入卡尔曼滤波器，以使所述卡尔曼滤波器递推得到低轨卫星待估参数的当前历元状态向量；其中，所述当前历元状态向量包括当前历元的低轨卫星钟差；

S400，利用历史历元区间内的低轨卫星钟差，对多项式模型作分析得到模型系数，并将所述模型系数以及当前历元的低轨卫星钟差代入所述多项式模型中得到预报钟差；

S500，从当前历元向未来按照设定的预报时长对所述预报钟差作预报，以使用户端得到低轨卫星实时钟差；

S600，设定时间间隔，并在每次达到所述时间间隔时重复S100至S500；

所述原始观测方程表示为：

式中，表示低轨卫星r观测GNSS卫星s时在频率j的伪距观测值，/>表示低轨卫星r观测GNSS卫星s时在频率j的载波相位观测值；r和s分别表示低轨卫星和GNSS卫星；j表示信号的频率序号；/>表示低轨卫星r与GNSS卫星s的几何距离；c表示光速；dtr表示低轨卫星接收机的钟差，dts表示GNSS卫星s的钟差；br,j表示低轨卫星r在频率j的伪距硬件延迟，表示GNSS卫星s在频率j的伪距硬件延迟；/>表示GNSS卫星s与低轨卫星r方向上频率j的电离层延迟；Br,j表示低轨卫星r在频率j的载波相位硬件延迟，/>表示GNSS卫星s在频率j的载波相位硬件延迟；λj表示GNSS信号在频率j的载波相位波长；/>表示低轨卫星r观测GNSS卫星s时在频率j的整周模糊度；/>表示低轨卫星星载GNSS伪距观测在频率j的伪距的其他误差，/>与低轨卫星r和GNSS卫星s相关，/>表示低轨卫星星载GNSS相位观测在频率j的载波相位的其它误差，/>与低轨卫星r和GNSS卫星s相关；

S200中利用所述双频观测数据的双频特性消除所述原始观测方程中的电离层延迟得到消电离层观测方程包括：

利用所述双频观测数据的双频特性，并依据运动学模型或者动力学模型消除所述原始观测方程中的电离层延迟得到消电离层观测方程；所述消电离层观测方程表示为：

式中，下角标IF表示无电离层组合，表示低轨卫星r观测GNSS卫星s时的无电离层组合的伪距期待值，/>表示低轨卫星r观测GNSS卫星s时的无电离层组合的载波相位期待值；/>和/>为已知参数，Xr为低轨卫星r的轨道坐标，为GNSS卫星s至低轨卫星r的单位向量，/>表示低轨卫星r观测GNSS卫星s时的无电离层组合的整周模糊度，λIF表示GNSS信号的无电离层组合的载波相位波长；Xr、dtr、/>λIF和/>均为未知参数；

S400包括：

利用历史历元区间[k-Tfit,k]内的低轨卫星钟差，分析预设的多项式模型的系数得到模型系数；将所述模型系数以及当前历元的低轨卫星钟差代入所述多项式模型中得到预报钟差；Tfit为预定的拟合时长，所述多项式模型表示为：

式中，表示预报钟差，所述模型系数包括/>和/>表示多项式拟合系数，i＝0,…,m，Tj为周期项的周期，/>是周期项的幅度，/>是周期项的幅度相位，h代表周期项的个数。

2.根据权利要求1所述的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法，其特征在于，S300包括：

给定所述低轨卫星待估参数的初始状态向量及/>的方差Σ0，并将所述初始状态向量给入卡尔曼滤波器，以使所述卡尔曼滤波器将所述初始状态向量代入自身的观测模型和状态方程递推，从而推出当前历元下低轨卫星待估参数的状态向量。

3.根据权利要求2所述的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法，其特征在于，所述观测模型和状态方程分别表示为：

式中，G(0,Qk),G(0,Rk)表示呈高斯分布，表示k历元的低轨卫星待估参数的状态向量，/>表示k-1历元的低轨卫星待估参数的状态向量；/>表示k-1历元至k历元的状态转移矩阵，/>I表示单位矩阵，状态转移矩阵/>的维数与低轨卫星待估参数的状态向量的维数一致，/>包含的低轨卫星待估参数表示为x,y,z表示Xr中的三维位置参数，/>中的上角标n表示k历元观测到GNSS卫星个数；Lk表示k历元的观测向量；Hk表示k历元的观测模型的系数矩阵，ωk-1表示k-1历元的过程噪音向量，vk表示k历元的观测噪音，Qk表示ωk-1的协方差矩阵，Rk表示vk的协方差矩阵。

4.根据权利要求1所述的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法，其特征在于，S500包括：

从当前历元向未来按照设定的预报时长Tpre对预报钟差作预报，以使用户端得到低轨卫星实时钟差，所述预报钟差的时间区间为[k,k+Tpre]。

5.根据权利要求4所述的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法，其特征在于，S600包括：

给定时间间隔ΔT，并从当前历元向未来方向达到k+G*ΔT时重复S100-S500，G为时间间隔的序号。

6.根据权利要求5所述的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法，其特征在于，S100-S500所用时长为Tpro，用户端得到的实时钟差的时间区间为：[k+Tpro,k+Tpre]。

7.一种基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定系统，其特征在于，所述系统设置有处理设备，所述处理设备用于执行权利要求1至6任一项所述的基于预报拼接的低轨卫星实时钟差确定方法。