專利名稱：衛(wèi)星導(dǎo)航完好性參數(shù)的解算方法和監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號完好性的解算方法和監(jiān)測系統(tǒng)，特別是一種可在區(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測導(dǎo)航衛(wèi)星信號的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星導(dǎo)航完好性監(jiān)測技術(shù)是用在增強(qiáng)系統(tǒng)中，對星座衛(wèi)星的健康狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，在星座衛(wèi)星發(fā)生故障時，能夠?qū)缶畔⒓皶r傳遞給特定用戶的一種技術(shù)手段。尤其是生命安全相關(guān)的用戶，如航空、航海，不僅希望得到精確的定位測量數(shù)據(jù)而且也希望及時獲得定位數(shù)據(jù)的精度及其風(fēng)險有多大。為滿足這些用戶的需求，完好性監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生。
為了實現(xiàn)對衛(wèi)星導(dǎo)航星座的完好性的監(jiān)測，地面系統(tǒng)需要計算一系列相關(guān)參數(shù)，其中空間信號誤差SISE(Signal in space error)是一個承上啟下的重要參數(shù)。有了此參數(shù)，才可以進(jìn)一步實現(xiàn)完好性監(jiān)測系統(tǒng)的其它參數(shù)(如SISMA、IF、XPL等)的解算。
參數(shù)SISE的解算，涉及軌道估計、鐘差估計、電離層誤差消除、數(shù)學(xué)模型建立、解算數(shù)據(jù)驗證等一系列問題，國內(nèi)還沒有機(jī)構(gòu)對此參數(shù)全面分析和建模進(jìn)行系統(tǒng)研究，未見相關(guān)文獻(xiàn)的深入介紹。國外有機(jī)構(gòu)解算過類似參數(shù)，但沒有公開說明，其所用技術(shù)方法對我國實施了保密政策，沒有渠道獲得技術(shù)引進(jìn)。
對SISE的解算，解決了衛(wèi)星導(dǎo)航完好性監(jiān)測技術(shù)的一個基礎(chǔ)性問題，對我國建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是高精度實時估計空間信號誤差(SISE)。
針對現(xiàn)存的問題，我們的方法分離多種誤差因素，以最小二乘為基礎(chǔ)方法，實時計算SISE，使SISE實時反映空間信號的綜合誤差。
一個以上的監(jiān)測站得到氣象數(shù)據(jù)和接收相應(yīng)的GNSS衛(wèi)星的信號，監(jiān)測站根據(jù)所述GNSS衛(wèi)星信號和所述氣象數(shù)據(jù)得到其能夠監(jiān)測到的GNSS衛(wèi)星的偽距，選擇一個監(jiān)測站作為主控站，其他監(jiān)測站將得到的偽距發(fā)送給該作為主控站的監(jiān)測站，該作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)其自身得到的偽距和接收到的其他監(jiān)測站的偽距計算每顆衛(wèi)星的偽距誤差，再根據(jù)所述偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差SISE。
四

圖1為地面監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2為監(jiān)測站計算偽距的方法流程圖； 圖3為作為主控站的監(jiān)測站計算空間信號誤差SISE的方法流程圖。
五具體實施例方式 監(jiān)測站計算得到每顆衛(wèi)星的偽距的處理步驟如下。
第一步監(jiān)測站接收相應(yīng)的GNSS衛(wèi)星(可多顆)的信號，解碼得到相應(yīng)的原始觀測量，包括偽距，相位，星歷。主控站和監(jiān)測站的氣象監(jiān)測設(shè)備記錄監(jiān)測站附近的氣象數(shù)據(jù)，包括大氣壓強(qiáng)，濕度和溫度。
GNSS系統(tǒng)中偽距和載波相位觀測量的模型 GNSS的L1頻率上的偽距和相位分別是ρf1和φf1，其模型是， ρf1＝|rs-rr|+T+I1+R+c(δr-δs)+ε1(1.1) φf1＝|rs-rr|+T-I1+R+c(δr-δs)+λ1N1+υ1 (1.2) GNSS的L2頻率上的偽距和相位分別是ρf2和φf2，其模型是， ρf2＝|rs-rr|+T+I2+R+c(δr-δs)+ε2(1.3) φf2＝|rs-rr|+T-I2+R+c(δr-δs)+λ2N2+υ2 (1.4) 其中，rs是衛(wèi)星真實位置矢量，rr是接收機(jī)真實位置矢量，矢量的起點為地心。T是對流層誤差，I1和I2分別是L1和L2頻率上的電離層誤差，R是相對論誤差。c為光速，δr是接收機(jī)鐘差，δs是衛(wèi)星鐘差。ε1，ε2分別是偽距噪聲。υ1，υ2分別是相位噪聲。
第二步監(jiān)測站進(jìn)行相位平滑偽距，得到平滑后的偽距。載波相位平滑公式 其中， 將公式(1.1)-(1.4)代入上式，簡化為， 第三步監(jiān)測站由經(jīng)過平滑后的雙頻偽距組合成消電離層延遲偽距。由兩個頻率上平滑偽距組成消電離層偽距ρIFree 第四步監(jiān)測站計算相對論改正誤差。
相對論R的計算公式 其中，G為物理常數(shù)，a是衛(wèi)星軌道的長半軸，e是衛(wèi)星軌道的偏心率，E為衛(wèi)星軌道的偏近點角。
第五步監(jiān)測站計算對流層改正誤差。
對流層改正采用Hopfield模型，計算公式 其中，el為衛(wèi)星仰角，Ts是溫度，p是氣壓，hr是相對濕度，h是接收機(jī)高度。
第六步監(jiān)測站計算地球自轉(zhuǎn)改正誤差。
地球自轉(zhuǎn)改正計算公式 其中，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；c為光速；xsi和xri分別代表衛(wèi)星位置矢量和測站位置矢量的分量，i＝1，2對應(yīng)x，y分量。
第七步監(jiān)測站計算衛(wèi)星鐘差。
改正公式為 δs＝a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2 其中，a0，a1，a2分別是鐘差，頻差和頻漂系數(shù)，t0為參考時刻，t為當(dāng)前時刻。
第八步監(jiān)測站計算消除了相對論改正，對流層改正，電離層改正，地球自轉(zhuǎn)改正，衛(wèi)星鐘差改正后的偽距。經(jīng)過對流層、相對論改正、地球自轉(zhuǎn)改正和衛(wèi)星鐘差改正之后的消電離層偽距為， ρIFree＝|rs-rr|+cδr-cΔδs+υ Δδs為衛(wèi)星鐘差的殘差。
作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)其自身的偽距和接收到的其他監(jiān)測站的偽距計算偽距誤差，并根據(jù)偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差SISE的步驟如下 第一步選擇一個監(jiān)測站作為主控站，主控站接收其他監(jiān)測站傳輸?shù)膫尉唷?br> 第二步主控站由其他監(jiān)測站偽距和其自身的偽距計算其他監(jiān)測站接收機(jī)相對主控站接收機(jī)相對鐘差。計算公式 設(shè)監(jiān)測站j和主控站M，均監(jiān)測到同一導(dǎo)航衛(wèi)星i，經(jīng)過前述計算后，得到的消電離層偽距站間差分為 變形為， 假設(shè)同一時刻監(jiān)測站j和基準(zhǔn)站M共視Kj顆衛(wèi)星，則接收機(jī)相對鐘差的估計為， 第三步將接收機(jī)相對鐘差代入監(jiān)測站的偽距，消去接收機(jī)相對鐘差，同步接收機(jī)鐘差。
第四步主控站計算主控站鐘的鐘差，并將該鐘差代入主控站和其他監(jiān)測站偽距，消去主控站鐘差。
主鐘鐘差計算方法如下 設(shè)主控站同時觀測到N顆(N>＝4)導(dǎo)航衛(wèi)星， 經(jīng)過平滑偽距，組成消電離層組合，對流層改正，相對論改正，地球自轉(zhuǎn)改正，衛(wèi)星鐘差改正后，偽距分別為ρ1，ρ2，...，ρN，形成如下的定位方程 定義X＝[x，y，z，cδi]T為未知的坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差，δρ＝[δρ1，δρ2，...，δρN]T，其中

其中

為由接收機(jī)坐標(biāo)估計值計算的矢量。
在地心地固坐標(biāo)系下，幾何矩陣 則最小二乘解為
則主站接收機(jī)鐘差

由此可以解得。
將主控站鐘差代入主控站偽距和其他監(jiān)測站偽距，消去主控站鐘差，方法如下 第五步根據(jù)所有在同一時刻監(jiān)測到同一顆衛(wèi)星的監(jiān)測站偽距計算偽距誤差方法如下。
將衛(wèi)星廣播星歷計算的衛(wèi)星坐標(biāo)矢量

代入，得到由星歷和星鐘造成的偽距誤差


主控站由主控站偽距誤差和監(jiān)測站偽距誤差計算空間信號誤差SISE，可以采用不同的數(shù)學(xué)模型，得到不同表達(dá)形式的SISE。第一種模型采用標(biāo)量形式，公式為或 i是衛(wèi)星序號，j是監(jiān)測站序號，SISEi是第i顆衛(wèi)星的空間信號誤差，

是第j監(jiān)測站監(jiān)測到的第i顆衛(wèi)星的偽距誤差，Ki是監(jiān)測到第i顆衛(wèi)星信號的監(jiān)測站的數(shù)量，MAX(.)是取最大值的數(shù)學(xué)函數(shù)。
第二種模型采用矢量模型計算SISE，公式如下 在衛(wèi)星星固坐標(biāo)系下，數(shù)學(xué)模型為 設(shè) 則
M是監(jiān)測站的總數(shù)，i是衛(wèi)星序號，SISEi是第i顆衛(wèi)星的空間信號誤差，

是已知的第i顆衛(wèi)星的Mx3幾何矩陣，Xi是第i顆衛(wèi)星的待求的空間信號誤差SISE向量，ΔRi是第i顆衛(wèi)星的偽距誤差向量，

是第M監(jiān)測站監(jiān)測到的第i顆衛(wèi)星的偽距誤差，vi是第i顆衛(wèi)星的噪聲向量。
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星導(dǎo)航完好性參數(shù)的解算方法，其特征在于
A.一個以上的監(jiān)測站接收GNSS衛(wèi)星信號，并獲得其附近的氣象數(shù)據(jù)，監(jiān)測站根據(jù)所述GNSS衛(wèi)星信號和所述氣象數(shù)據(jù)得到其能夠監(jiān)測到的GNSS衛(wèi)星的偽距，選擇一個監(jiān)測站作為主控站，其他監(jiān)測站將其得到的GNSS衛(wèi)星的偽距發(fā)送給該作為主控站的監(jiān)測站；
B.該作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)其自身得到的偽距和接收到的其他監(jiān)測站的偽距計算每顆GNSS衛(wèi)星的偽距誤差，再根據(jù)所述偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差SISE。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在衛(wèi)星星固坐標(biāo)系下，所述根據(jù)偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差的計算方法為
設(shè)
則
其中，M是監(jiān)測站的總數(shù)，i是衛(wèi)星序號，SISEi是第i顆衛(wèi)星的空間信號誤差，Gsi是已知的第i顆衛(wèi)星的Mx3幾何矩陣，Xi是第i顆衛(wèi)星的待求的空間信號誤差SISE向量，ΔRi是第i顆衛(wèi)星的偽距誤差向量，ΔRMi是第M監(jiān)測站監(jiān)測到的第i顆衛(wèi)星的偽距誤差，vi是第i顆衛(wèi)星的噪聲向量。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在衛(wèi)星星固坐標(biāo)系下，所述根據(jù)偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差的計算方法為
或j＝1，2，...，Ki
其中，i是衛(wèi)星序號，j是監(jiān)測站序號，SISEi是第i顆衛(wèi)星的空間信號誤差，
是第j監(jiān)測站監(jiān)測到的第i顆衛(wèi)星的偽距誤差，Ki是監(jiān)測到第i顆衛(wèi)星信號的監(jiān)測站的數(shù)量，MAX(.)是取最大值的數(shù)學(xué)函數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差SISE的過程具體為
B1作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)其他監(jiān)測站發(fā)來的偽距和其自身的偽距計算其他監(jiān)測站接收機(jī)與該作為主控站的監(jiān)測站的接收機(jī)的相對鐘差；
B2將所述接收機(jī)的相對鐘差分別代入相應(yīng)的其他監(jiān)測站的偽距以消去相對鐘差；
B3作為主控站的監(jiān)測站計算其自身接收機(jī)的鐘差，并將該鐘差代入其自身的偽距，消去鐘差以計算作為主控站的監(jiān)測站的偽距誤差；
B4將作為主控站的監(jiān)測站的接收機(jī)鐘差代入由B2得到的其他監(jiān)測站偽距，消去作為主控站的監(jiān)測站的接收機(jī)鐘差，以計算其他監(jiān)測站的偽距誤差；
B5根據(jù)所有在同一時刻監(jiān)測到同一顆衛(wèi)星的所有監(jiān)測站偽距誤差，計算空間信號誤差SISE。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，監(jiān)測站根據(jù)所述GNSS衛(wèi)星信號分別得到雙頻偽距、雙頻相位和星歷，監(jiān)測站獲得的氣象數(shù)據(jù)包括大氣壓強(qiáng)、濕度和溫度，其特征在于監(jiān)測站計算得到每顆其所能監(jiān)測到的GNSS衛(wèi)星的偽距具體為
A1對每顆GNSS衛(wèi)星的雙頻相位進(jìn)行實時的周跳探測；
A2用步驟A1得到的相位對對應(yīng)衛(wèi)星的雙頻偽距進(jìn)行平滑；
A3由經(jīng)過平滑后的雙頻偽距組合成消電離層延遲偽距；
A4計算相對論改正誤差、對流層改正誤差、地球自轉(zhuǎn)改正誤差和衛(wèi)星鐘差；
A5應(yīng)用步驟A4中的相對論改正，對流層改正，電離層改正，地球自轉(zhuǎn)改正和衛(wèi)星鐘差修正步驟A3得到的偽距。
6.一種衛(wèi)星導(dǎo)航完好性參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于
所述監(jiān)測系統(tǒng)包括一個以上的監(jiān)測站，監(jiān)測站得到氣象數(shù)據(jù)和接收相應(yīng)的GNSS衛(wèi)星的信號，監(jiān)測站根據(jù)所述GNSS衛(wèi)星信號和所述氣象數(shù)據(jù)得到其能夠監(jiān)測到的GNSS衛(wèi)星的偽距，選擇一個監(jiān)測站作為主控站，其他監(jiān)測站將得到的偽距發(fā)送給該作為主控站的監(jiān)測站，該作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)其自身得到的偽距和接收到的其他監(jiān)測站的偽距計算每顆衛(wèi)星的偽距誤差，再根據(jù)所述偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差SISE。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差SISE具體為
作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)其他監(jiān)測站發(fā)來的偽距和其自身的偽距計算其他監(jiān)測站接收機(jī)與該作為主控站的監(jiān)測站的接收機(jī)的相對鐘差；
將所述接收機(jī)相對鐘差分別代入相應(yīng)的其他監(jiān)測站的偽距，以消去相對鐘差；
作為主控站的監(jiān)測站計算其自身接收機(jī)的鐘差，并將該鐘差代入其自身的偽距，消去鐘差以計算作為主控站的監(jiān)測站的偽距誤差；
將作為主控站的監(jiān)測站的接收機(jī)鐘差分別代入由上一步得到的其他監(jiān)測站偽距，消去作為主控站的監(jiān)測站的接收機(jī)鐘差以計算監(jiān)測站偽距誤差；
根據(jù)所有在同一時刻監(jiān)測到同一顆衛(wèi)星的所有監(jiān)測站偽距誤差，計算空間信號誤差SISE。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，監(jiān)測站根據(jù)所述GNSS衛(wèi)星信號得到雙頻偽距、雙頻相位和星歷，監(jiān)測站獲得氣象數(shù)據(jù)，該氣象數(shù)據(jù)包括大氣壓強(qiáng)、濕度和溫度，其特征在于監(jiān)測站計算得到每顆其所能監(jiān)測到GNSS衛(wèi)星的偽距具體為
對每顆GNSS衛(wèi)星的雙頻相位進(jìn)行實時的周跳探測；
用上一步驟得到的相位對對應(yīng)衛(wèi)星的雙頻偽距進(jìn)行平滑；
由經(jīng)過平滑后的雙頻偽距組合成消電離層延遲的偽距；
計算相對論改正誤差、對流層改正誤差、地球自轉(zhuǎn)改正誤差和衛(wèi)星鐘差；
應(yīng)用上一步驟中的相對論改正，對流層改正，電離層改正，地球自轉(zhuǎn)改正和衛(wèi)星鐘差修正所述消電離層延遲的偽距。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于在衛(wèi)星星固坐標(biāo)系下，所述根據(jù)偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差的計算方法為
設(shè)
則
其中，M是監(jiān)測站的總數(shù)，i是衛(wèi)星序號，SISEi是第i顆衛(wèi)星的空間信號誤差，
是已知的第i顆衛(wèi)星的Mx3幾何矩陣，Xi是第i顆衛(wèi)星的待求的空間信號誤差SISE向量，ΔRi是第i顆衛(wèi)星的偽距誤差向量，ΔRMi是第M監(jiān)測站監(jiān)測到的第i顆衛(wèi)星的偽距誤差，vi是第i顆衛(wèi)星的噪聲向量。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在衛(wèi)星星固坐標(biāo)系下，所述根據(jù)偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差的計算方法為
或j＝1，2，...，Ki
其中，i是衛(wèi)星序號，j是監(jiān)測站序號，SISEi是第i顆衛(wèi)星的空間信號誤差，
是第j監(jiān)測站監(jiān)測到的第i顆衛(wèi)星的偽距誤差，Ki是監(jiān)測到第i顆衛(wèi)星信號的監(jiān)測站的數(shù)量，MAX(.)是取最大值的數(shù)學(xué)函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星導(dǎo)航完好性參數(shù)的解算方法和監(jiān)測系統(tǒng)。所述監(jiān)測系統(tǒng)包括一個以上的監(jiān)測站，監(jiān)測站得到氣象數(shù)據(jù)和接收相應(yīng)的GNSS衛(wèi)星的信號，監(jiān)測站根據(jù)所述GNSS衛(wèi)星信號和所述氣象數(shù)據(jù)分別得到其能夠監(jiān)測到的GNSS衛(wèi)星的偽距，選擇一個監(jiān)測站作為主控站，其他監(jiān)測站將得到的偽距發(fā)送給該作為主控站的監(jiān)測站，該作為主控站的監(jiān)測站根據(jù)其自身得到的偽距和接收到的其他監(jiān)測站的偽距計算每顆衛(wèi)星的偽距誤差，再根據(jù)所述偽距誤差計算每顆GNSS衛(wèi)星的空間信號誤差SISE。本發(fā)明提供了一種新的計算空間信號誤差SISE的方法，能夠提高該參數(shù)的計算精度和實時性。
文檔編號G01S5/02GK101545967SQ20091013137
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者軍 張, 朱衍波, 強(qiáng) 李, 瑞 薛, 方繼嗣 申請人:北京航空航天大學(xué)