本发明专利技术属于卫星导航技术领域，针对温度、空气湿度、器件老化以及地面调控等因素引起的GNSS原子钟状态不稳定的问题，提出了一种基于动态方差的北斗星地原子钟实时动态模型建立方法，考虑了原子钟相位跳变、频率跳变对星地原子钟状态的影响，能够基于Kalman滤波实时估计出星地原子钟的相位偏差、频率偏差以及频漂等状态参数，同时以移动窗口的方式实时、动态估计出原子钟的噪声参数，能够实时、精确、可靠的提供GNSS星地原子钟的频偏、频漂以及过程噪声等状态参数。声等状态参数。声等状态参数。
【技术实现步骤摘要】
一种GNSS星地原子钟实时动态模型的建立方法
[0001]本专利技术属于卫星导航
，具体涉及一种GNSS星地原子钟实时动态模型的建立方法。
技术介绍
[0002]全球定位系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)基于空间距离后方交会原理实现定位(Positioning)、导航(Navigation)、授时(Timing)功能。GNSS距离测量的本质是测时，其卫星时间信息由星载原子钟提供。受到地面主控站调频、调相以及原子频标自身因素的影响，星载原子钟不可避免的会出现相位、频率跳变等异常现象。以原子频标时域稳定度分析理论为背景，有学者提出以窗口滑动的方式估计原子频标的动态方差，能够有效探测原子频标相位、频率跳变等异常。随着动态方差递推研究的开展，动态方差以其高效、实时等优点成为北斗、Galileo、GPS系统实现原子钟状态监测的常用手段。
[0003]由于原子频标频偏以及频漂的存在，星载原子钟难以与导航系统时间保持严格同步。为了实现高精度的定位服务，需要联合地面GNSS跟踪站的观测数据精确估计出卫星钟与参考时间的差异。相比于将卫星钟差当作白噪声特征参数处理的计算策略，有学者提出附加原子钟模型的卫星钟差估计方法能够更精确、可靠的估计出卫星钟的状态。原子钟的函数模型一般通过顾及频偏以及频漂的多项式进行拟合，随机模型则可以通过经典的幂律谱噪声模型描述。
[0004]不同于定位服务，GNSS授时服务还需要综合星载原子钟以及高性能的地面测站钟数据，并结合时间尺度算法形成更加稳定、可靠的时间基准。当前主流的时间尺度算法为Kalman滤波时间尺度算法，其核心在于确定各原子钟的权比以及随机模型。但受到温度、辐射以及器件老化的影响，原子频标的性能往往会随着时间推移发生变化，难以采用时不变模型精确描述。因此，确定实时、可靠的星地原子钟模型成为建立高精度、高稳定时间基准的关键问题，寻找一种实时、动态的星地原子钟模型建立方法十分迫切且必要。
技术实现思路
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种GNSS星地原子钟实时动态模型的建立方法，以解决现有技术中的问题，为实现上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种GNSS星地原子钟实时动态模型的建立方法，包括以下步骤：
[0007]S1:预估星载原子钟以及各测站原子钟相对于UTC(k)的差异；
[0008]S2:基于原子钟的数学模型，对S1中估计出的星载原子钟以及地面测测站钟的钟差数据进行滤波处理，估计出各原子钟的钟偏、频偏以及频漂分量，并获取各原子钟相应的验前残差分量；
[0009]其中，若验前残差大于规定阈值，则认为该原子钟存在异常，对于异常原子钟，重复步骤S1、S2，否则进行步骤S3；
[0010]S3:根据步骤S1记录的各原子钟与UTC(k)的比对结果，采用递推形式的动态阿伦
方差分段计算出当前时段原子频标不同平滑时间对应的稳定度，并根据幂律谱噪声与动态方差的关系，实时估计并更新原子频标的噪声系数。
[0011]进一步的，所述步骤S1包括：
[0012]S1
‑
1:根据各GNSS跟踪站的观测值以及超快预报轨道产品，实时估计出各星地原子钟的钟差；
[0013]基于无电离层组合观测值的卫星钟差估计方程表示为：
[0014][0015][0016]其中，δt
r
表示接收机钟差，δt
s
表示卫星钟差，表示卫星s在测站r上的对流层延迟投影函数，T
r
表示测站r的天顶对流层延迟，i表征当前时刻的计算历元；和分别表示伪距和载波观测值的验前残差；
[0017]S1
‑
2:选取外接UTC(k)的测站钟δt
UTC
(i)为参考，获取其它星地测站钟差与参考钟差的单差结果Δt
j
(i):
[0018][0019]其中，j表示星地原子钟编号，S为星载原子钟数量。
[0020]进一步的，所述步骤S1
‑
1中，接收机钟差与卫星钟差参数均以白噪声参数特性进行估计，测站天顶对流层湿延迟则按照随机游走参数进行估计。
[0021]进一步的，所述步骤S2包括：
[0022]S2
‑
1：基于原子钟的数学模型，采用Kalman滤波实时估计出星地原子钟相对于UTC(k)的相位偏差、频偏以及频漂参数；
[0023]S2
‑
2：根据滤波估计的原子钟相位偏差以及频率偏差的先验信息，确定原子钟是否存在异常现象；
[0024]进一步的，所述步骤S2
‑
1中：原子钟滤波模型的观测方程表示为：
[0025][0026]其中，ζ代表钟差数据的观测噪声，代表原子钟的相位偏差频偏以及频漂向量即
[0027]原子钟滤波模型的状态方程表示为：
[0028][0029]其中，τ为滤波处理的时间间隔，表示原子钟的状态转移矩阵。
[0030]进一步的，所述步骤S2
‑
2中：原子钟相位偏差的先验残差信息表示为：
[0031][0032]若当前历元原子钟相位残差满足则认为该历元原子钟相位数据正常，反之则认为当前历元该原子钟存在相位跳变的异常现象；
[0033]构造检验量a'1如下：
[0034][0035][0036]若a'1满足则认为该原子钟频率正常，反之则存在频率跳变或慢变的异常现象；
[0037]进一步的，所述步骤S3包括：
[0038]S3
‑
1：根据原子钟噪声模型更新时间，通过递推形式的动态阿伦方差，估计出当前时间段内原子钟的稳定度；
[0039]S3
‑
2：对于指定的平滑窗口，获取不同平滑时间的动态阿伦方差与动态哈达玛方差，并通过动态方差与相应噪声的关系估计出该噪声对应的特征参数；
[0040]进一步的，所述步骤S3
‑
1中：
[0041]对于氢、铯原子钟，其对应的动态阿伦方差表示为：
[0042][0043]其中，N
w
表示动态窗口样本数，k则表示对应的平滑时间；
[0044]若记Δ
k
[m]＝Δt(m+2k)
‑
2Δt(m+k)+Δt(m)，则式(7)表示为：
[0045][0046]动态阿伦方差的递推形式表示为：
[0047][0048]通过式(10)，在S1中实时更新的原子钟比对数据，以在指定宽度的平滑窗口实时估计出氢、铯原子钟的动态阿伦方差。
[0049]进一步的，所述步骤S3
‑
2中：
[0050]对于氢、铯原子钟，动态阿伦方差与幂律谱噪声系数的关系表示为：
[0051][0052]其中，σ1(i)为调频白噪声，σ2(i)为调频随机游走噪声；
[0053]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种GNSS星地原子钟实时动态模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:预估星载原子钟以及各测站原子钟相对于UTC(k)的差异；S2:基于原子钟的数学模型，对S1中估计出的星载原子钟以及地面测测站钟的钟差数据进行滤波处理，估计出各原子钟的钟偏、频偏以及频漂分量，并获取各原子钟相应的验前残差分量；其中，若验前残差大于规定阈值，则认为该原子钟存在异常，对于异常原子钟，重复步骤S1、S2，否则进行步骤S3；S3:根据步骤S1记录的各原子钟与UTC(k)的比对结果，采用递推形式的动态阿伦方差分段计算出当前时段原子频标不同平滑时间对应的稳定度，并根据幂律谱噪声与动态方差的关系，实时估计并更新原子频标的噪声系数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1包括：S1
‑
1:根据各GNSS跟踪站的观测值以及超快预报轨道产品，实时估计出各星地原子钟的钟差；基于无电离层组合观测值的卫星钟差估计方程表示为：基于无电离层组合观测值的卫星钟差估计方程表示为：其中，δt
r
表示接收机钟差，δt
s
表示卫星钟差，表示卫星s在测站r上的对流层延迟投影函数，T
r
表示测站r的天顶对流层延迟，i表征当前时刻的计算历元；和分别表示伪距和载波观测值的验前残差；S1
‑
2:选取外接UTC(k)的测站钟δt
UTC
(i)为参考，获取其它星地测站钟差与参考钟差的单差结果Δt
j
(i):其中，j表示星地原子钟编号，S为星载原子钟数量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S1
‑
1中，接收机钟差与卫星钟差参数均以白噪声参数特性进行估计，测站天顶对流层湿延迟则按照随机游走参数进行估计。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2包括：S2
‑
1：基于原子钟的数学模型，采用Kalman滤波实时估计出星地原子钟相对于UTC(k)的相位偏差、频偏以及频漂参数；S2
‑
2：根据滤波估计的原子钟相位偏差以及频率偏差的先验信息，确定原子钟是否存在异常现象。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑福，张东，施闯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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