基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法技术方案

本公开提供了一种基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法，对校准卫星的误差源进行分析与处理；对校准天线进行相位差分，得到校准天线之间的大气相位延迟的双差相位差拟合方程；求解双差相位差拟合方程，得到拟合系数；根据拟合系数拟合出校准天线与观测卫星之间的单差相位差，得到观测天线的大气相位扰动修正量。本公开降低了计算复杂度，提高了运算效率，在保证修正效果的前提下，缩短了相位修正所需的时间。

Atmospheric phase perturbation correction method based on the difference of satellite positioning system

The invention provides a satellite positioning system based on the atmospheric phase perturbation correction method, analysis and processing of error sources of satellite calibration; phase difference of antenna calibration, atmospheric phase calibration antenna delay between the double difference phase difference equation; solution of double difference phase difference equation, fitting according to the fitting coefficient fitting coefficient; single phase difference between the antenna and the observation satellite calibration, atmospheric phase perturbation correction of antenna observations. The disclosure reduces the computational complexity and improves the operation efficiency, and reduces the time required for the phase correction on the premise of ensuring the correction effect.

【技术实现步骤摘要】
基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法
本公开涉及深空探测领域，特别涉及深空探测天线阵的基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法。
技术介绍
探月工程的顺利进行和首次火星探测任务的正式立项，标志着我国在深空探测领域取得了重大的进展。为了满足未来更远距离的深空探测计划，开展深空探测天线阵的相关研究有着重要的意义。大气相位扰动修正技术是深空探测天线阵相关研究的重要组成部分。由于涉及到气象学、天文学、物理学和电子学等多种学科，大气相位扰动修正技术的研究具有较大的挑战性。但是合理有效的大气相位扰动修正技术，可以在节约成本的前提下，显著地提高深空探测天线阵的性能。因此，无论是着眼于当下的月球探测、火星探测计划，还是未来更宏伟的深空探测计划，大气相位扰动修正技术的研究都有着非常重要的意义。由于成本和技术的限制，提高单个天线G/T值的代价越来越大，而天线组阵是实现G/T值进一步提高的有效途径。相对于单个天线，组阵天线的数据接收速率更高，工作的稳定性更强，建造成本更低，建造灵活性也更好。单天线接收信号的低信噪比，是天线阵应用于深空探测首先需要克服的问题。火星探测器的路径衰减要比地球同步卫星高63～80dB。此外，由于深空探测对实时性要求较高，使得天线阵必须尽量缩短信号合成的数据处理时间。为了实现信号时延与相位差的辨识，当探测器信号强度微弱时，需要较长的互相关积分时间；大气相位扰动会导致信号的相位发生抖动，从而导致天线信号间的相关性变差，严重影响信号的合成性能。如图1所示，受大气相位扰动的影响，Ka频段的信号(34GHz)，合成效率只有未受影响时的17％。为了提高微弱信号合成的性能，有必要对大气相位延迟引起的信号相位波动进行修正。常用的相位扰动修正技术包括：基于微波辐射计的相位修正，和基于校准天线的相位修正。其中，基于微波辐射计的相位修正技术成本较高，且修正的效果较差；基于校准天线的修正效果最好，但是分配校准天线的做法会导致天线阵性能的下降。由于这些修正方法存在上述问题，本领域亟需一种修正效果较好、成本低、实时性好、便于推广应用的修正方法。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为解决上述技术问题，本公开提供了一种基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法。(二)技术方案本公开提供了一种基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法，包括：对校准卫星的误差源进行分析与处理；对校准天线进行相位差分，得到校准天线之间的大气相位延迟的双差相位差拟合方程；求解双差相位差拟合方程，得到拟合系数；以及根据拟合系数拟合出校准天线与观测卫星之间的单差相位差，得到观测天线的大气相位扰动修正量。在本公开的一些实施例中，所述对校准卫星的误差源进行分析与处理包括：校准天线接收校准卫星信号；降低或消除校准卫星信号中除大气相位延迟外的其他因素导致的误差。在本公开的一些实施例中，所述除大气相位延迟外的其他因素导致的误差包括：校准卫星本身的误差、校准天线所属接收机的误差。在本公开的一些实施例中，所述对校准天线进行相位差分，得到校准天线之间的大气相位延迟的双差相位差拟合方程包括：获取校准天线的俯仰角和水平角；基于校准天线的俯仰角和水平角，得到单差相位差拟合方程；以及基于单差相位差拟合方程，得到双差相位差拟合方程。在本公开的一些实施例中，所述单差相位差拟合方程为：其中，θi、αi分别为校准天线相对于i号校准卫星的俯仰角、水平角；为校准天线与i号校准卫星之间的单差相位差；a、b、c、d为拟合系数。在本公开的一些实施例中，所述双差相位差拟合方程为：其中，θj、αj分别为校准天线相对于j号校准卫星的俯仰角、水平角；为校准天线相对于i号校准卫星、j号校准卫星的双差相位差。在本公开的一些实施例中，所述求解双差相位差拟合方程，得到拟合系数包括：选取四颗校准卫星，列出三元一次方程组：θ1、α1分别为校准天线相对于1号校准卫星的俯仰角、水平角；θ2、α2分别为校准天线相对于2号校准卫星的俯仰角、水平角；θ3、α3分别为校准天线相对于3号校准卫星的俯仰角、水平角；θ4、α4分别为校准天线相对于4号校准卫星的俯仰角、水平角；为校准天线相对于1号校准卫星、2号校准卫星的双差相位差；为校准天线相对于2号校准卫星、3号校准卫星的双差相位差；为校准天线相对于3号校准卫星、4号校准卫星的双差相位差。在本公开的一些实施例中，所述观测天线的大气相位扰动修正量为：其中，θ5、α5分别为校准天线相对于观测卫星的俯仰角、水平角；为校准天线与观测卫星的单差相位差，作为观测天线的大气相位扰动修正量。在本公开的一些实施例中，所述卫星定位系统是全球定位系统或者北斗系统。在本公开的一些实施例中，所述卫星定位系统是全球定位系统/北斗混合系统。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法具有如下技术效果：较现有技术降低了复杂度，提高了运算效率，在保证修正效果的前提下，缩短了相位修正所需的时间。附图说明图1是大气相位扰动导致合成效率下降的示意图；图2是本公开校准天线和观测天线的布置示意图；图3是本公开校准天线和观测天线基线方向不一致时的示意图；图4为大气相位扰动修正过程的示意图；图5是本公开实施例的基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法流程图；图6是拟合双差相位差与实测双差相位差的比较图；图7是相关系数与拟合长度的关系图。具体实施方式为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。卫星定位系统的差分方式分为共频标的单差方式和不共频标的双差方式。采用共频标的两个接收机接收卫星信号，由于消除了接收机时钟误差，其测得的单差相位差误差较小，且共频标情况下的单差相位差可以直接反映大气相位扰动对组阵天线合成性能的影响。参见图2，由于观测天线和校准天线接收信号的传播路径不一致，导致路径延迟不一致，使得观测天线和校准天线的单差相位差不一致，因此需要将校准天线路径上的单差相位差拟合到观测天线路径上，得到的拟合单差相位差就可以用来修正大气相位扰动。拟合单差相位差与实际的单差相位差相关系数越高，修正的效果越好。当观测天线和校准天线的基线方向一致时，近似地认为路径延迟的单差相位差只与天线的俯仰角、方位角和基线长度有关。由于校准天线与观测天线的俯仰角、方位角和基线长度都不一致，就需要建立单差相位差与俯仰角、方位角和基线长度的拟合函数。拟合函数的阶次越高，拟合的精度越高。受地理环境和天线布阵方式的影响，校准天线与观测天线基线方向可能不一致。如图3所示，其中α1、α2、a3为校准天线，G1、G2为观测天线。当采用单差相位差进行大气相位扰动修正时，过程如下，参见图4，首先，对校准卫星的误差源进行处理，降低或消除除大气相位延迟外的其他因素导致的误差。然后，进行校准天线大气相位延迟差分。其次，进行相位差拟合。具体来说，先对观测天线和校准天线进行基线方向和基线长度的拟合。上式中含有未知数m和n。为了求解未知数，可将方程分别与向量和相乘，得到：为求解方程，需要测量和三条基线之间的夹角。然后对校准天线进行方位角和俯仰角的拟合，得到校准天线路径上的单差相位差。当校准天线观测到的校准卫星数较少时，采用下述一阶拟合方程：式中，α和θ分别代表校准天线本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法，包括：对校准卫星的误差源进行分析与处理；对校准天线进行相位差分，得到校准天线之间的大气相位延迟的双差相位差拟合方程；求解双差相位差拟合方程，得到拟合系数；以及根据拟合系数拟合出校准天线与观测卫星之间的单差相位差，得到观测天线的大气相位扰动修正量。

【技术特征摘要】
1.基于卫星定位系统差分的大气相位扰动修正方法，包括：对校准卫星的误差源进行分析与处理；对校准天线进行相位差分，得到校准天线之间的大气相位延迟的双差相位差拟合方程；求解双差相位差拟合方程，得到拟合系数；以及根据拟合系数拟合出校准天线与观测卫星之间的单差相位差，得到观测天线的大气相位扰动修正量。2.如权利要求1所述的大气相位扰动修正方法，所述对校准卫星的误差源进行分析与处理包括：校准天线接收校准卫星信号；降低或消除校准卫星信号中除大气相位延迟外的其他因素导致的误差。3.如权利要求2所述的大气相位扰动修正方法，所述除大气相位延迟外的其他因素导致的误差包括：校准卫星本身的误差、校准天线所属接收机的误差。4.如权利要求1所述的大气相位扰动修正方法，所述对校准天线进行相位差分，得到校准天线之间的大气相位延迟的双差相位差拟合方程包括：获取校准天线的俯仰角和水平角；基于校准天线的俯仰角和水平角，得到单差相位差拟合方程；以及基于单差相位差拟合方程，得到双差相位差拟合方程。5.如权利要求4所述的大气相位扰动修正方法，所述单差相位差拟合方程为：其中，θi、αi分别为校准天线相对于i号校准卫星的俯仰角、水平角；为校准天线与i号校准卫星之间的单差相位差；a、b、c、d为拟合系数。6.如权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，孔德庆，张洪波，李春来，李佳威，陈强强，薛喜平，武宇翔，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：北京,11