基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正方法及系统，涉及导航定位、航天测控、天地授时技术领域，本发明专利技术能够不依赖于外部其他系统输入的实时电离层模型参数，且不增加天地双向测量系统资源。伪矩及载波相位提取模块在天地双向测量系统中的地面站和航天器的双向测量阶段，进行伪矩和载波相位的提取和校正，获得校正后的伪矩观测量和载波相位观测量。载波相位模糊度确定模块，根据外部导航系统提供的定位结果与已知的地面站坐标，解算载波相位模糊度；之后航天器保持对地面站i的连续信号跟踪，并实时更新载波相位模糊度。电离层延时及钟差估计模块对上行、下行信号传输路径上的电子总量、天地钟差进行估计，得到双向距离。得到双向距离。得到双向距离。

【技术实现步骤摘要】
基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正方法及系统


[0001]本专利技术涉及导航定位、航天测控、天地授时
，具体涉及基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正方法及系统。

技术介绍

[0002]在导航定位、航天测控、天地授时等应用中，跨越电离层的天地双向测量中必不可少。天地双向测量系统发送相位调制信号，采用基于载波相位测量的双向测量模式。由于信号传输经过大气电离层，电离层中的自由电子和离子使信号传播速度改变，导致测量相位发生偏移。并且，天地双向测量系统存在钟差，进一步使测量相位发生偏移，恶化天地双向测量精度。因此，电离层延时及天地钟差的精确估计对于高精度天地双向测量具有重要意义。
[0003]常规电离层校正主要分为模型法和同向双频法。模型法根据电离层延时特性建立数学模型，如Klobuchar、Bent、NeQuick等。基于数学模型的电离层延时校正使用时依赖于外部其他系统输入的实时电离层模型参数，从而计算电离层计算延时，因而无法独立工作。同向双频法中，天地双向测量系统同时发射和接收两种频率信号。由于电离层具有弥散性介质的特点，不同频率信号经过相同电离层会产生不同大小的延时，因此可以将双频信号观测量进行加权组合，从而去除电离层延时的影响。然而此类方法需同时发射和接收两路信号，资源开销大。此外，模型法与同向双频法均无法直接消除天地钟差，需依靠额外的钟差估计步骤实现双向高精度测量。
[0004]因此如何在依赖于外部其他系统输入的电离层模型参数以及不增加天地双向测量系统资源的情况下，实现高精度的双向测量，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正方法及系统，能够不依赖于外部其他系统输入的实时电离层模型参数，可独立自主运行，且不增加天地双向测量系统资源，具有更好的鲁棒性和更广泛的应用场景。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供的基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正系统，用于对天地双向测量系统进行电离层延时及钟差校正；该系统包括伪矩及载波相位提取模块、载波相位模糊度确定模块和电离层延时及钟差估计模块；
[0007]天地双向测量系统由多个相互之间钟差已知的地面站以及航天器组成。
[0008]伪矩及载波相位提取模块，用于在天地双向测量系统中的地面站和航天器的双向测量阶段，进行伪矩和载波相位的提取和校正，分别获得校正后的伪矩观测量和载波相位观测量，校正后的伪矩观测量包括地面站与航天器上行伪距ρ
u
及下行伪距ρ
d
，校正后的载波相位观测量包括航天器采样得到的上行载波相位φ
u
及地面站采样得到的下行载波相位φ
d
。
[0009]载波相位模糊度确定模块，根据外部导航系统提供的定位结果与已知的地面站坐
标，反推与地面站i与航天器的的上行真实距离R
u
及下行真实距离R
d
，并解算载波相位模糊度，包括上行载波模糊度N
u
和下行载波模糊度N
d
；之后航天器保持对地面站i的连续信号跟踪，并实时更新载波相位模糊度；将载波相位模糊度N
u
、N
d
，校正后的伪距观测量ρ
u
、ρ
d
以及校正后的载波相位观测量φ
u
、φ
d
送入电离层延时及钟差估计模块进行估计。
[0010]电离层延时及钟差估计模块，由解算出的载波相位模糊度N
u
、N
d
；校正后的伪距观测量ρ
u
、ρ
d
以及校正后的载波相位观测量φ
u
、φ
d
，对上行、下行信号传输路径上的电子总量、天地钟差进行估计，得到双向距离。
[0011]进一步地，在天地双向测量系统的一次双向测量阶段，地面站i在t1时刻发射频率为f
u
的上行信号，经上行真距R
u
后被航天器接收，此时航天器时间为t2+δt，其中δt代表天地钟差；航天器接收地面站上行信号后，发送频率为f
d
的下行信号给地面站；下行信号经过下行真距R
d
后被地面站i接收，此时地面站时间为t3；
[0012]电离层延时及钟差估计模块，由地面站与航天器发射和接收时刻，观测出地面站与航天器上行伪距ρ
u
及下行伪距ρ
d
；
[0013]观测方程如下：
[0014]ρ
u
＝R
u
+I
u
+δt+τ
u
+T+ε
u
(1)
[0015]ρ
d
＝R
d
+I
d
‑
δt+τ
d
+T+ε
d
(2)
[0016]其中R
u
、R
d
分别代表上行、下行真距；I
u
、I
d
分别代表上行、下行电离层延时；τ
u
、τ
d
分别代表上行、下行信号处理设备延时；T代表对流层延时；ε
u
和ε
d
代表观测噪声；
[0017]上行、下行信号路径基本重合，上行、下行路径上电子总量TEC相等；
[0018]利用电离层弥散性介质特点，上行、下行电离层延时误差具有如下大小关系：
[0019][0020]其中N
e
为路径上电子总量；
[0021]航天器采样得到的上行载波相位φ
u
及地面站采样得到的下行载波相位φ
d
为：
[0022]λ
u
φ
u
＝R
u
‑
I
u
+δt+τ
u
+T+λ
u
N
u
(4)
[0023]λ
d
φ
d
＝R
d
‑
I
d
‑
δt+τ
d
+T+λ
d
N
d
(5)
[0024]其中λ
u
、λ
d
分别代表上行、下行信号波长；N
u
、N
d
代表上行、下行信号载波整周模糊度；
[0025]对上行、下行信号伪距及载波相位观测结果进行转换；提前标定设备延时误差τ
u
、τ
d
，并从观测量中剔除；对流层延时误差T影响较小，通常经过模型进行校正；上行、下行真距R
u
、R
d
的关系结合信号传输延时、航天器与地面站相对仰角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正系统，其特征在于，用于对天地双向测量系统进行电离层延时及钟差校正；该系统包括伪矩及载波相位提取模块、载波相位模糊度确定模块和电离层延时及钟差估计模块；所述天地双向测量系统由多个相互之间钟差已知的地面站以及航天器组成；所述伪矩及载波相位提取模块，用于在天地双向测量系统中的地面站和航天器的双向测量阶段，进行伪矩和载波相位的提取和校正，分别获得校正后的伪矩观测量和载波相位观测量，校正后的伪矩观测量包括地面站与航天器上行伪距ρ
u
及下行伪距ρ
d
，矫正后的载波相位观测量包括航天器采样得到的上行载波相位φ
u
及地面站采样得到的下行载波相位φ
d
；所述载波相位模糊度确定模块，根据外部导航系统提供的定位结果与已知的地面站坐标，反推与地面站i与航天器的的上行真实距离R
u
及下行真实距离R
d
，并解算载波相位模糊度，包括上行载波模糊度N
u
和下行载波模糊度N
d
；之后航天器保持对地面站i的连续信号跟踪，并实时更新载波相位模糊度；将载波相位模糊度N
u
、N
d
，校正后的伪距观测量ρ
u
、ρ
d
以及校正后的载波相位观测量φ
u
、φ
d
送入电离层延时及钟差估计模块进行估计；所述电离层延时及钟差估计模块，由解算出的载波相位模糊度N
u
、N
d
；校正后的伪距观测量ρ
u
、ρ
d
以及校正后的载波相位观测量φ
u
、φ
d
，对上行、下行信号传输路径上的电子总量、天地钟差进行估计，得到双向距离。2.如权利要求1所述的基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正系统，其特征在于，在所述天地双向测量系统的一次双向测量阶段，地面站i在t1时刻发射频率为f
u
的上行信号，经上行真距R
u
后被航天器接收，此时航天器时间为t2+δt，其中δt代表天地钟差；航天器接收地面站上行信号后，发送频率为f
d
的下行信号给地面站；下行信号经过下行真距R
d
后被地面站i接收，此时地面站时间为t3；所述电离层延时及钟差估计模块，由地面站与航天器发射和接收时刻，观测出地面站与航天器上行伪距ρ
u
及下行伪距ρ
d
；观测方程如下：ρ
u
＝R
u
+I
u
+δt+τ
u
+T+ε
u (1)ρ
d
＝R
d
+I
d
‑
δt+τ
d
+T+ε
d (2)其中R
u
、R
d
分别代表上行、下行真距；I
u
、I
d
分别代表上行、下行电离层延时；τ
u
、τ
d
分别代表上行、下行信号处理设备延时；T代表对流层延时；ε
u
和ε
d
代表观测噪声；上行、下行信号路径基本重合，上行、下行路径上电子总量TEC相等；利用电离层弥散性介质特点，上行、下行电离层延时误差具有如下大小关系：其中N
e
为路径上电子总量；航天器采样得到的上行载波相位φ
u
及地面站采样得到的下行载波相位φ
d
为：λ
u
φ
u
＝R
u
‑
I
u
+δt+τ
u
+T+λ
u
N
u (4)λ
d
φ
d
＝R
d
‑
I
d
‑
δt+τ
d
+T+λ
d
N
d (5)其中λ
u
、λ
d
分别代表上行、下行信号波长；N
u
、N
d
代表上行、下行信号载波整周模糊度；
对上行、下行信号伪距及载波相位观测结果进行转换；提前标定设备延时误差τ
u
、τ
d
，并从观测量中剔除；对流层延时误差T影响较小，通常经过模型进行校正；上行、下行真距R
u
、R
d
的关系结合信号传输延时、航天器与地面站相对仰角、地球自转速度进行推导，结果为其中B代表航天器纬度，可由上一历元航天器定位结果进行外推；代表航天器相对地面站俯仰角，θ代表航天器相对地面站方位角，由此得到上行、下行真距R
u
和R
d
的转换关系；剔除设备延时、对流层延时以及上行、下行真距不对称因素，得到校正后的伪距及载波相位观测量相位观测量相位观测量相位观测量3.如权利要求2所述的基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正系统，其特征在于，所述电离层延时及钟差估计模块，由解算出的载波整周模糊度N
u
、N
d
；校正后的伪距观测量ρ
u
、ρ
d
以及校正后的载波相位观测量φ
u
、φ
d
，对上行、下行信号传输路径上的电子总量、天地钟差进行估计，并得到双向距离真值R；令z＝[R,N
e
,δt]
T
代表待估计变量，则电离层延时及钟差估计模块采用如下方法进行估计：其中得到对信号传输路径上的电子总量N
e
的估计结果后，根据公式(3)对上行、下行电离层延时进行估计，由此将电离层延时及天地钟差从上行、下行观测量中剔除。4.如权利要求3所述的基于天地双向异频信号的电离层延时及钟差校正系统，其特征
在于，所述电离层延时及钟差估计模块中，若存在如下情况：航天器对地面站i的载波跟踪失锁，导致载波相位模糊度丢失，则利用其它载波连续跟踪地面站所解算出的天地钟差信息，对地面站i的上行、下行载波相位模糊度以及信号传输路径上的电子总量N
e
进行估计，从而实现与地面站i的高精度双向测量；令x＝[R,N
e
,N
u
,N
d
]
T
代表待估计变量，则x的估计方法如下其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永庆，陈岩，申宇瑶，余全洲，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：