一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法技术方案

本发明专利技术提出了一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，包括步骤一：获取实时观测量，并计算伪距残差；步骤二：计算星历星钟先验误差；步骤三：融合先验误差和实时伪距残差；步骤四：对步骤三的融合结果进行卡尔曼滤波，得到星历星钟误差估计值；步骤五：对星历星钟误差估计值进行拟合量化，从而得到星历星钟改正数广播值；步骤六：计算使用星历星钟改正数广播值后的伪距残差；步骤七：利用步骤六得到的伪距残差计算星历星钟协方差；步骤八：分解步骤七得到的星历星钟协方差，并量化得到完好性参数广播值。本发明专利技术提供的方法能够仅依赖于GPS系统就基本满足一类精密进近服务的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星导航领域，具体地说，是一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法。
技术介绍
现有的单频星基增强系统(SBAS)主要面向民航用户，基于广泛布设的地面观测网监测全球导航卫星系统(GNSS)并生成星历星钟改正数和伪距改正数，以及对应的空间信号完好性参数等增强信息，通过SBAS卫星向大范围区域内用户广播这些增强信息，提升卫星导航服务的定位精度和完好性，进而提升服务连续性和可用性，使得卫星导航能够作为主用导航手段为民航提供服务。SBAS的核心目标是增强卫星导航服务的完好性，在卫星导航服务不可用时，SBAS必须及时向服务区域内用户发出告警，因此SBAS系统段算法有完好性和实时性的约束：1)完好性：在计算改正参数的同时，必须给出相应的完好性参数，实现对改正误差的准确包络，确保用户保护级能够准确描述定位误差，从而实现对服务可用与否的准确判断；2)实时性：APV-II及CAT-I精密进近阶段对告警时间(从卫星发生故障到用户接收机发出告警所消耗的时间)的要求为6秒。为了满足告警时间的约束，主控站至少每秒执行一次系统段完好性监测算法，从而实现及时告警。在完好性和实时性的约束下，GNSS所采用的基于精密动力学模型的定轨算法不再适用于SBAS，这是因为动力学模型过于复杂，难以实时计算，且这种算法难以给出完好性信息，不能用于完好性监测。为了满足完好性和实时性的要求，SBAS系统段算法主要利用基于码伪距的几何定轨法计算星历星钟改正参数和空间信号完好性参数，在观测条件较差时将出现星历星钟改正参数的改正精度较低的问题。为了充分利用未来的北斗系统、伽利略系统等GNSS，以及位于L1和L5的双频民用信号，SBAS供应商正在制定双频多星座(DFMC)SBAS的接口控制文件。与单频SBAS相比，DFMCSBAS支持同时增强多达91颗卫星，在相同的下行带宽条件下，不播发与单频SBAS的快速改正数(最大更新周期为6秒)类似的伪距改正数，因此以往的星历星钟改正参数及对应的空间信号完好性参数算法不再适用，星历星钟改正参数及对应的空间信号完好性参数需要更为精确地估计和预测。GNSS系统段根据长时段的历史观测数据，结合高精度的星历星钟模型，对未来的星历星钟值进行预测，并根据星历星钟预测值拟合得到广播电文的星历星钟模型参数。因此星历星钟误差包括了两部分，即星历星钟预测误差和广播电文拟合误差：星历星钟预测误差是指星历星钟预测值与真值之间的差值，由历史观测数据的观测误差和星历星钟模型的不精确性导致；广播电文拟合误差是指由广播电文参数计算得到的星历星钟值与星历星钟预测值之间的差值，由广播电文模型的不精确性导致。当前GPS卫星的URE均方根值约为2米，而星历星钟预测误差属于厘米级，因此广播电文拟合误差是星历星钟误差的主要来源。
技术实现思路
本专利技术提出了一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，该方法的核心思想是利用星历星钟预测值消除广播电文拟合误差，并利用实时观测量校正星历星钟预测误差，从而实现星历星钟改正参数及对应的空间信号完好性参数的准确估计。本专利技术的一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，包括以下几个步骤：步骤一：获取实时观测量，并计算伪距残差；步骤二：计算星历星钟先验误差；步骤三：融合先验误差和实时伪距残差；步骤四：对步骤三的融合结果进行卡尔曼滤波，得到星历星钟误差估计值；步骤五：对星历星钟误差估计值进行拟合量化，从而得到星历星钟改正数广播值；步骤六：计算使用星历星钟改正数广播值后的伪距残差；步骤七：利用步骤六得到的伪距残差计算星历星钟协方差；步骤八：分解步骤七得到的星历星钟协方差，并量化得到完好性参数广播值。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术的星历星钟改正参数具有较高的改正精度；(2)本专利技术的完好性参数对使用星历星钟改正数改正以后的伪距残差的包络更为准确；(3)本专利技术提供的方法能够仅依赖于GPS系统就基本满足一类精密进近服务的需求。附图说明图1是本专利技术提供的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数算法的流程图；图2是本专利技术提供的星历星钟改正误差；图3是本专利技术提供的星历星钟改正误差导致的用户测距误差；图4是本专利技术提供的完好性参数对用户测距误差的包络情况；图5是使用本专利技术的星历星钟改正参数和完好性参数的情况下的定位误差和保护级；图6是使用本专利技术的星历星钟改正参数和完好性参数的情况下一类精密进近服务的可用率。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提出了一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，该方法的核心思想是利用星历星钟预测值消除广播电文拟合误差，并利用实时观测量校正星历星钟预测误差。如图1所示，具体包括如下步骤：步骤一：获取实时观测量，并计算伪距残差；实时观测量包括GNSS的导航信号的载波观测量和码伪距观测量两种观测量，这两种观测量中均包含星历星钟误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、多径和接收机热噪声误差、接收机钟差误差等误差量，利用双频载波平滑码伪距、大气观测数据估计对流层延迟、站间时间同步等手段可以消除上述各个误差量的主要项，由此得到伪距残差Δρ1，Δρ1包含了星历星钟误差和观测残差：Δρ1＝Δx·l-ΔB+ε其中，Δx和ΔB分别为星历误差和星钟误差，l为接收机指向卫星的单位矢量，ε为观测残差。步骤二：计算星历星钟先验误差；星历星钟先验误差定义为星历星钟预测值与星历星钟广播值之间的差值：Λ＝cov(Xap)＝cov(Xpred)其中，Xap为星历星钟先验误差，Xpred为星历星钟预测值，XBE为通过GNSS广播电文计算得到的星历星钟广播值，Λ为星历星钟先验误差的协方差，cov(x)表示计算x的协方差。步骤三：融合先验误差和实时伪距残差；每颗卫星的先验误差和实时伪距残差的融合通过最小方差无偏估计器(MVUE)实现：XMV＝Xap+ΛHT(HΛHT+R)-1(Z-HXap)PMV＝Λ-ΛHT(HΛHT+R)-1HΛ其中，XMV为MVUE输出的星历星钟误差估计值，实时观测矢量Z＝[Δρ1,1Δρ1,2…Δρ1,n]T，Δρ1,i表示第i个监测站对该卫星的伪距残差Δρ1，n为可以观测到该卫星的监测站总数，PMV和R分别是XMV和Z的协方差，地面监测站对卫星的观测矢量H的第i行为[l-1]。步骤四：对步骤三的融合结果进行卡尔曼滤波，得到星历星钟误差估计值；卡尔曼滤波器的关键参数如下：1)状态方程为：XK(k)＝ΦK(k)XK(k-1)+vK(k)其中：k代表tk时刻，XK(k)表示状态矢量，ΦK(k)表示状态转移矩阵，vK(k)表示噪声矢量。状态矢量XK(k)包含12个参数：其中，x、y、z和Δt分别代表ECI坐标系下的三维卫星位置和卫星相对于GNSS系统的时间差，和分别表示对x求时间的一阶导数和二阶导数。状态转移矩阵ΦK(k)为：其中，wk为卫星在轨道平面内运动的角速度，T为滤波间隔，α取为噪声矢量vK(k)的协方差矩阵为：其中，Sx、Sy、Sz和SΔt分别为三维位置和时钟的噪声功率谱密度。2)k时刻的观测方程为：ZK(k)＝HKXK(k)+εK(k)其中：ZK(k)表示观测矢量，HK(k)表示观测矩阵，εK(k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，包括以下几个步骤：步骤一：获取实时观测量，并计算伪距残差；步骤二：计算星历星钟先验误差；步骤三：融合先验误差和实时伪距残差；步骤四：对步骤三的融合结果进行卡尔曼滤波，得到星历星钟误差估计值；步骤五：对星历星钟误差估计值进行拟合量化，得到星历星钟改正数广播值；步骤六：计算使用星历星钟改正数广播值后的伪距残差；步骤七：利用步骤六得到的伪距残差计算星历星钟协方差；步骤八：分解步骤七得到的星历星钟协方差，并量化得到完好性参数广播值。

【技术特征摘要】
1.一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，包括以下几个步骤：步骤一：获取实时观测量，并计算伪距残差；步骤二：计算星历星钟先验误差；步骤三：融合先验误差和实时伪距残差；步骤四：对步骤三的融合结果进行卡尔曼滤波，得到星历星钟误差估计值；步骤五：对星历星钟误差估计值进行拟合量化，得到星历星钟改正数广播值；步骤六：计算使用星历星钟改正数广播值后的伪距残差；步骤七：利用步骤六得到的伪距残差计算星历星钟协方差；步骤八：分解步骤七得到的星历星钟协方差，并量化得到完好性参数广播值。2.根据权利要求1所述的一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，所述的步骤一具体为：伪距残差Δρ1为：Δρ1＝Δx·l-ΔB+ε其中，Δx和ΔB分别为星历误差和星钟误差，l为接收机指向卫星的单位矢量，ε为观测残差。3.根据权利要求1所述的一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，所述的步骤二具体为：设星历星钟先验误差为星历星钟预测值与星历星钟广播值之间的差值：Xap=Xpred-XBE=ΔxΔBapT]]>Λ＝cov(Xap)＝cov(Xpred)其中，Xap为星历星钟先验误差，Xpred为星历星钟预测值，XBE为通过GNSS广播电文计算得到的星历星钟广播值，Λ为星历星钟先验误差的协方差，cov(x)表示计算x的协方差。4.根据权利要求1所述的一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，所述的步骤三具体为：每颗卫星的先验误差和实时伪距残差的融合通过最小方差无偏估计器实现：XMV＝Xap+ΛHT(HΛHT+R)-1(Z-HXap)PMV＝Λ-ΛHT(HΛHT+R)-1HΛ其中，XMV为最小方差无偏估计器输出的星历星钟误差估计值，实时观测矢量Z＝[Δρ1,1Δρ1,2…Δρ1,n]T，Δρ1,i表示第i个监测站对该卫星的伪距残差Δρ1，n为能够观测到该卫星的监测站总数，PMV和R分别是XMV和Z的协方差，地面监测站对卫星的观测矢量H的第i行为[l-1]。5.根据权利要求1所述的一种应用于星基增强系统的星历星钟改正参数及空间信号完好性参数方法，所述的步骤四具体为：卡尔曼滤波器的关键参数如下：1)状态方程为：XK(k)＝ΦK(k)XK(k-1)+vK(k)其中：k代表tk时刻，XK(k)表示状态矢量，ΦK(k)表示状态转移矩阵，vK(k)表示噪声矢量；状态矢量XK(k)包含12个参数：XK(k)=[x,x·,x··,y,y·,y··,z,z·,z··Δt,Δt·Δt··]tkT]]>其中，x、y、z和Δt分别代表ECI坐标系下的三维卫星位置和卫星相对于GNSS系统的时间差，和分别表示对x求时间的一阶导数和二阶导数；状态转移矩阵ΦK(k)为：ΦK(k)=ΦCT(k)00ΦSing...

【专利技术属性】
技术研发人员：李锐，陈杰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11