一种基于非差无电离层的北斗钟差估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非差无电离层的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)钟差估计方法，提出固定较少基准站快速获取卫星估计钟差方法，将流动站和基准站共视卫星作联立非差观测方程，通过区域网解算得到卫星估计钟差，与武汉大学导航中心(WUM)提供的精密钟差产品具有一定的精度符合性，能够满足于高精度定位的钟差数据需求，基于区域网解算的估计钟差更加适用于该区域范围内的测站定位解算，对于BDS高精度定位具有重要的意义。具有重要的意义。具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非差无电离层的北斗钟差估计方法


[0001]本专利技术属于卫星定位中的卫星钟差估计
，尤其涉及一种基于非差无电离层的北斗钟差估计方法。

技术介绍

[0002]目前国内外对于钟差预报及卫星钟性能分析的研究主要集中于GPS，验证基于可靠模型得到的自估钟差与IGS数据中心提供的精密钟差产品的精度比较，分析其可靠性与稳定性。通过对灰色预测模型和二次多项式模型分析比较，发现两个模型短期预报精度相当，对于长期预报，灰色模型优于二次多项式模型。二次多项式和线性模型对卫星钟差进行分析，总结出不同类型的卫星钟差与灰色模型指数的规律关系。小波神经网络钟差预报算法，结果表明该预报算法精度得到提高。改进的小波神经网络钟差预报，提出“Shannon熵值
‑
能量比”优选小波函数，提高了小波神经网络钟差预报的精度和可靠性。
[0003]对于实时钟差估计研究，2012年葛茂荣等人通过混合观测模型实时钟差估计，与非差观测模型实时钟差估计对比分析，结果表明精度相当，混合观测模型解决了初始偏差问题，最终计算速度能够提升25％。2015年武汉大学赵齐乐等基于非差观测值实现了北斗卫星实时钟差估计，通过与武汉大学提供的事后钟差作对比，实验解算得到的GPS实时钟差与事后产品相当，BDS实时钟差精度略低于GPS；将得到的钟差带入PPP进行结算得到的定位结果与事后产品相当，表明实时钟差也具有一定可靠性。2020年黄观文等基于非差模型研究北斗二号和北斗三号卫星的实时钟差估计，并通过PPP进行验证定位精度，实验表明北斗全系统较北斗二号钟差精度STD能够提升18％，获取更好的定位性能。
[0004]上述方法，其钟差是基于全球范围内的大量测站或部分区域网进行联合解算进行估计得到，其大量数据和时效性及精度等方面对于钟差估计具有一定的局限性。
[0005]针对上述技术问题，本专利技术基于事后精密钟差估计数学模型及参数解算理论，研究精密钟差估计的算法和处理流程，通过区域网解算进行钟差估计，与武汉大学导航中心(WUM)提供的精密钟差产品进行对比验证其可靠性，为后续BDS全系统实现高精度定位提供可靠的钟差数据支持。

技术实现思路

[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于非差无电离层的北斗钟差估计方法，包括如下步骤：
[0007]S1：获取测站观测值、轨道产品、IGS SINEX文件：利用卫星接收机观测值文件，选择多系统伪距观测值数据，武汉大学提供的轨道产品和SINEX文件；
[0008]S2：对数据进行预处理：对数据进行粗差、周跳探测；
[0009]S3：针对具体误差进行改正：根据误差改正模型对相位缠绕、地球自转、相对论效应、潮汐误差，进行误差改正；
[0010]S4：进行参数估计：卫星轨道采用WUM事后精密轨道产品，对测站坐标和接收机钟
差进行参数估计，电离层延迟使用无电离层组合进行消除，对流层延迟使用Saastamoinen模型消除，模糊度采用LAMBDA算法固定，BDS系统偏差采用伪距估计和白噪声进行修正；
[0011]S5：残差检验、输出精密钟差产品：如果残差超出规定则重新回到上述S4步骤，若残差达标则输出精密钟差产品；
[0012]S6：钟差精度评估：选取一颗卫星作为参考星，通过二次做差法将其余所有卫星与该参考卫星的相对估计钟差值做差进而消除由基准钟带来的影响，最后统计STD精度。
[0013]进一步的，步骤S2对数据进行预处理主要包括以下步骤：
[0014]步骤2
‑
1，剔除粗差、探测周跳，利用MW组合进行周跳探测，其计算公式为：
[0015][0016]式中：f1、f2代表各个波段的频率，λ1、λ2为各个频率的波长，为载波相位观测量，P1、P2为伪距载波观测量，N
WL
、λ
WL
分别为宽巷模糊度和宽巷波长，其组合观测模糊度为：
[0017][0018]利用递推公式，求出每个历元i的平均宽巷模糊度及均方根：
[0019][0020][0021]式中：表示前i个历元宽巷模糊度平均值；σ2(i)表示前i个历元方差，若所求结果满足式(5)周跳检测方程条件，则认为当前历元存在周跳：
[0022][0023]步骤2
‑
2，进行周跳修复，在GNSS方程中设一个新的模糊度未知参数，原先的模糊度参数N(1)和新的模糊度参数N(2)之间存在一个条件，其公式为：
[0024]N(1,i,j,k)＝N(2,i,j,k)+I(i,j,k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0025]式中：I为一个整周常数，i、j和k分别为接收机、卫星和观测频率，对N(1)和N(2)进行运算可以得到整周常数，如果I等于零，则没发生周跳。
[0026]进一步的，步骤S3针对具体误差进行改正主要包括以下步骤：
[0027]步骤3
‑
1，根据改正模型对相位缠绕进行改正，计算公式为：
[0028]ΔΨ＝2Nπ+ΔΦ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0029][0030]D＝x
‑
(k
·
x)
·
k
‑
k
×
y (9)
[0031]D'＝x
‑
(k
·
x')
·
k+k
×
y' (10)
[0032]N＝Int[(ΔΨ
pre
‑
ΔΦ)/2π] (11)
[0033]式中：k为卫星至测站接收机方向的单位矢量，ΔΨ为卫星天线相位缠绕的改正
数，x和y为卫星天线的姿态矢量，x'和y'为接收机天线的姿态矢量，Int[
·
]为取整函数符号；
[0034]步骤3
‑
2，根据改正模型对地球自转进行改正，地球内部瞬时自转轴的极移转动角度可达到0.8角秒，使相应的测站坐标在高程方向偏差能够达到25mm，在水平方向偏差能够达到7mm，可通过相应的改正模型进行消除，采用二阶Love和Shida数对经纬度和高程方向进行改正,计算公式为：
[0035][0036][0037][0038]式中：Δφ、Δλ、Δh分别为测站纬度、经度和高程方向改正数，φ、λ分别为相应测站坐标纬度和经度，为平均地极坐标，为极点变化量(rad/s)；
[0039]步骤3
‑
3，根据改正模型对相对论效应进行改正，卫星在轨道上运动，假设卫星钟在轨道所处惯性空间中处于匀速运动状态，在狭义相对论中，数值表达式为：
[0040]Δf1＝
‑
0.835
×
10
‑
10
f (15)
[0041]式中：f为卫星钟的标准频率，卫星钟与接收机钟之间相对钟频偏差为Δf1，在广义相对论中，数值表达式如下：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非差无电离层的北斗钟差估计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取测站观测值、轨道产品、IGS SINEX文件：利用卫星接收机观测值文件，选择多系统伪距观测值数据，武汉大学提供的轨道产品和SINEX文件；S2：对数据进行预处理：对数据进行粗差、周跳探测；S3：针对具体误差进行改正：根据误差改正模型对相位缠绕、地球自转、相对论效应、潮汐误差，进行误差改正；S4：进行参数估计：卫星轨道采用WUM事后精密轨道产品，对测站坐标和接收机钟差进行参数估计，电离层延迟使用无电离层组合进行消除，对流层延迟使用Saastamoinen模型消除，模糊度采用LAMBDA算法固定，BDS系统偏差采用伪距估计和白噪声进行修正；S5：残差检验、输出精密钟差产品：如果残差超出规定则重新回到上述S4步骤，若残差达标则输出精密钟差产品；S6：钟差精度评估：选取一颗卫星作为参考星，通过二次做差法将其余所有卫星与该参考卫星的相对估计钟差值做差进而消除由基准钟带来的影响，最后统计STD精度。2.根据权利要求1所述的一种基于非差无电离层的北斗钟差估计方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：步骤2
‑
1，剔除粗差、探测周跳，利用MW组合进行周跳探测，其计算公式为：式中：f1、f2代表各个波段的频率，λ1、λ2为各个频率的波长，为载波相位观测量，P1、P2为伪距载波观测量，N
WL
、λ
WL
分别为宽巷模糊度和宽巷波长，其组合观测模糊度为：利用递推公式，求出每个历元i的平均宽巷模糊度及均方根：利用递推公式，求出每个历元i的平均宽巷模糊度及均方根：式中：表示前i个历元宽巷模糊度平均值；σ2(i)表示前i个历元方差，若所求结果满足式(5)周跳检测方程条件，则认为当前历元存在周跳：步骤2
‑
2，进行周跳修复，在GNSS方程中设一个新的模糊度未知参数，原先的模糊度参数N(1)和新的模糊度参数N(2)之间存在一个条件，其公式为：N(1,i,j,k)＝N(2,i,j,k)+I(i,j,k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中：I为一个整周常数，i、j和k分别为接收机、卫星和观测频率，对N(1)和N(2)进行运算可以得到整周常数，如果I等于零，则没发生周跳。3.根据权利要求1所述的一种基于非差无电离层的北斗钟差估计方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤3
‑
1，根据改正模型对相位缠绕进行改正，计算公式为：ΔΨ＝2Nπ+ΔΦ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)D＝x
‑
(k
·
x)
·
k
‑
k
×
y (9)D'＝x
‑
(k
·
x')
·
k+k
×
y' (10)N＝Int[(ΔΨ
pre
‑
ΔΦ)/2π] (11)式中：k为卫星至测站接收机方向的单位矢量，ΔΨ为卫星天线相位缠绕的改正数，x和y为卫星天线的姿态矢量，x'和y'为接收机天线的姿态矢量，Int[
·
]为取整函数符号；步骤3
‑
2，根据改正模型对地球自转进行改正，地球内部瞬时自转轴的极移转动角度可达到0.8角秒，使相应的测站坐标在高程方向偏差能够达到25mm，在水平方向偏差能够达到7mm，可通过相应的改正模型进行消除，采用二阶Love和Shida数对经纬度和高程方向进行改正,计算公式为：改正,计算公式为：改正,计算公式为：式中：Δφ、Δλ、Δh分别为测站纬度、经度和高程方向改正数，φ、λ分别为相应测站坐标纬度和经度，为平均地极坐标，为极点变化量(rad/s)；步骤3
‑
3，根据改正模型对相对论效应进行改正，卫星在轨道上运动，假设卫星钟在轨道所处惯性空间中处于匀速运动状态，在狭义相对论中，数值表达式为：Δf1＝
‑
0.835
×
10
‑
10
f (15)式中：f为卫星钟的标准频率，卫星钟与接收机钟之间相对钟频偏差为Δf1，在广义相对论中，数值表达式如下：Δf2＝
‑
5.284
×
10
‑
10
f (16)式中：卫星钟和接收机钟之间的相对钟频偏差为Δf2，结合狭义和广义相对论的总量影响，数值表达式如下：Δf＝Δf1‑
Δf2＝4.449
×
10
‑
10
f (17)式中：卫星钟和接收机钟之间产生的相对钟频偏差为Δf，卫星绕地球转动的轨道为椭圆轨道，并非为卫星轨道半径近似为a的圆轨道，且卫星在转动时在多方面因素的影响下，其卫星运动状态也随着时间改...

【专利技术属性】
技术研发人员：王梓安，徐爱功，祝会忠，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：