多星座sbas系統時差改正方法
2023-08-22 23:15:16 1
專利名稱：多星座sbas系統時差改正方法
技術領域：
本發明屬於衛星導航領域，是基於多星座星基增強系統(SBAS)的系統時差改正方法。
背景技術：
SBAS是一種利用GEO作為通信鏈路提供GNSS差分改正數據與完好性信息的廣域差分系統，其目標是滿足民航從航路飛行階段到垂向引導精密進近階段的導航系統需求。現有的SBAS包括美國的WAAS、歐洲的EGNOS、中國的SNAS、日本的MSAS以及印度的GAGAN。
現有的SBAS為獨立的區域系統，僅能夠為自身的導航系統提供差分改正數據與完好性信息。然而，隨著GPS現代化的不斷發展、Galileo系統與我國北鬥系統的日趨成熟，多星座衛星導航系統將成為衛星導航技術的主流方向。因此，在星基增強技術領域，多星座星基增強技術將成為未來研究的主要課題。
多星座星基增強技術會帶來顯著的益處，例如，由於可修正衛星數目的增加，可用星的幾何分布得到改善，使得GDOP值相應地減小，進一步提高各類用戶的定位精度並降低完好性保護門限；同時，導航系統的增多使得衛星數目成倍增加，因此，電離層延遲網格校正所需的有效樣本數目成倍增加，校正精度提高，使得完好性監測更加準確，從而提高系統服務的連續性與可用性。
然而，在多星座SBAS中，系統時差將作為未知項存在於測量偽距中，由它帶來的用戶等效距離誤差是十分巨大的。因此，解算系統時差成為多星座SBAS所需解決的關鍵問題。在完成系統時差解算後，系統需要建立準確的系統時差模型以使用戶能夠修正偽距中的系統時差，從而使得系統時差模型的準確建立成為多星座星基增強技術的又一關鍵問題。與此同時，SBAS還應廣播系統時差改正數對應的誤差信息，並使得此誤差改正信息滿足完好性需求。
目前，關於多星座星基增強技術的研究尚處於起步階段，國際上關於多星座SBAS的研究文獻較少，且多數研究著眼於該技術對系統性能的提高，而尚未提及系統時差的改正問題。
發明內容
本發明提供一種多星座SBAS系統時差改正方法，該方法能夠解決多星座SBAS的系統時差解算問題，並給出系統時差的播發方式以及與系統時差對應的完好性信息的計算方法。
本發明提供的多星座SBAS系統時差改正方法包括以下步驟 步驟一確定基準時間系統，根據衛星導航系統數確定SBAS所需計算的系統時差的數目；所述系統時差的數目當基準時間系統與某衛星導航系統的時間系統相同時為衛星導航系統數目減一，當基準時間系統不與任一衛星導航系統的時間系統相同時為衛星導航系統數目； 步驟二計算不同衛星導航系統與基準時間系統間的系統時差； (a)計算SBAS監測站接收機鐘差Δtref，k； 其中，c表示光速，K表示基準站k與時鐘同步站r共視的衛星數目，且K≥1，Δtr為時鐘同步站的接收機鐘差，
為基準站k與時鐘同步站r的所有共視衛星的測量值； (b)利用監測站數據計算修正衛星的廣播星曆誤差； 其中ΔRsv為衛星星曆誤差，
為衛星廣播星曆誤差估計值； (c)計算導航系統與基準系統間的系統時差Δtsystem； 其中N表示時鐘同步站的數目，M表示時鐘同步站觀測到的某衛星導航系統的修正衛星的數目， 步驟三建立多星座SBAS系統時差模型並確定播發參數； 步驟四計算系統時差的完好性信息。
步驟a計算觀測時刻系統時差的擬合誤差esysTr(t)， 式中Δtmeasuresystem為t時刻的系統時差，
為系統時差的擬合值； 步驟b計算更新間隔內的誤差序列； 步驟c計算誤差序列的統計限值， 式中，κ(Pr)表示99.9％置信概率對應的分位數； 步驟d計算更新時刻系統時差的絕對誤差
步驟e計算系統時差校正誤差STCE， 式中，1≤r≤N。
本發明提供的多星座SBAS系統時差改正方法對多星座SBAS系統時差進行精確計算，減少了用戶等效距離誤差，提高了多星座SBAS系統的定位精度；同時本發明的改正方法提供了一種系統時差的完好性信息的計算方法，該方法消除了各時間系統與接收機時間系統的時差影響，為用戶提供精確的導航定位完好性信息。
圖1表示本發明提供的多星座SBAS時差改正方法流程圖； 圖2表示本發明中系統時差的計算流程圖； 圖3表示本發明中系統時差的完好性信息計算流程圖； 圖4表示實施例得到的GPS與基準時間系統間的系統時差的估計值與真實值曲線； 圖5表示實施例得到的GPS與基準時間系統間的系統時差的估計誤差曲線； 圖6表示實施例得到的Galileo系統與基準時間系統間的系統時差的估計值與真實值曲線； 圖7表示實施例得到的Galileo系統與基準時間系統間的系統時差的估計誤差曲線； 圖8表示實施例得到的GPS與基準時間系統間系統時差校正誤差與擬合誤差曲線； 圖9表示實施例得到的Galileo系統與基準時間系統間系統時差校正誤差與擬合誤差曲線。
具體實施例方式 下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種基於多星座SBAS的系統時差改正方法，它能夠為用戶提供不同衛星導航系統與基準時間系統間的系統時差以及與系統時差對應的完好性信息。所述方法的流程如圖1所示，具體包括如下步驟 步驟一確定基準時間系統，根據衛星導航系統數確定SBAS所需計算的系統時差的數目。
假設多星座SBAS中的衛星導航系統數目為m，基準時間系統由SBAS根據中心站的時間系統確定。SBAS所需計算的系統時差為不同的衛星導航系統與基準時間系統間的時差，所需計算的系統時差數分以下兩種情況分析 情況一基準時間系統與某衛星導航系統的時間系統相同 由於基準時間系統只可能與某一衛星導航系統的時間系統相同，因此，所需計算的系統時差個數為排除與基準時間系統相同的衛星導航系統後，其它衛星導航系統的總數，即m-1。
情況二基準時間系統不與任何衛星導航系統的時間系統相同 當基準時間系統不與任何衛星導航系統的時間系統相同時，SBAS需要計算當前所有衛星導航系統與基準時間系統間的時差。因此，所需計算的系統時差個數為m。
步驟二計算不同衛星導航系統與基準時間系統間的系統時差 該步驟的流程如圖2所示， (1)計算SBAS基準站接收機鐘差Δtref，k 星基增強系統基準站接收機測量的衛星觀測偽距值ρrefsv可由下式表示 式(1)中，c表示光速，Rrefsv表示衛星至基準站的幾何距離，Δtref表示基準站接收機時鐘相對於基準時間系統的時間偏差，dnoise表示接收機熱噪聲引起的誤差，dmultipath表示多徑偏差，diono表示電離層延遲，dtropo表示對流層延遲，Δtsv表示衛星廣播時鐘誤差，Δtsystem表示衛星導航系統與基準時間系統間的系統時差，當滿足步驟一中的情況一時，Δtsystem＝0。
基準站觀測偽距數據經過預處理能夠減弱接收機熱噪聲及多徑的影響，同時能夠消除電離層與對流層延遲，可得式(2) (2) 式(2)中，(xs，ys，zs)表示衛星廣播星曆位置，(xref，yref，zref)表示基準站位置，ΔRsv＝(Δxs，Δys，Δzs)表示衛星廣播星曆誤差，lrefsv表示基準站至衛星的方向矢量，其中，δdnoise表示熱噪聲殘差，δdmultipath表示多徑殘差，δdiono表示電離層殘差，δdtropo表示對流層殘差。
在SBAS的時鐘同步站中，接收機時鐘與基準時間系統時鐘保持同步，因此，其接收機鐘差為已知項。選取與時鐘同步站r共視相同衛星的基準站k，對於某共視衛星，利用式(2)可得 由式(3)與(4)做差可得 (5) 式(5)稱為「單差」方程。式(3)至(5)中，Δρref，ksv與Δrsv分別表示基準站k與時鐘同步站r的測量值；lref，ksv與lrsv分別表示基準站k與時鐘同步站r至衛星的方向矢量，Δtref，k與Δtr分別表示基準站k與時鐘同步站r的接收機鐘差， 在基準站k與時鐘同步站r距離不遠或衛星廣播星曆誤差較小的情況下，對基準站k與時鐘同步站r的所有共視衛星的測量值
做統計平均，可得 式(6)中，K表示基準站k與時鐘同步站r共視的衛星數目，且K≥1，由於時鐘同步站的接收機鐘差Δtr為已知項，因此，基準站k的接收機鐘差Δtref，k可由下式計算得到 (2)計算衛星廣播星曆誤差 首先消除基準站k與時鐘同步站r的接收機鐘差，即在
中消除(Δtref，k-Δtr)，然後「單差」方程(5)可化為 (8) 對同一衛星選取多個「單差」方程，解算衛星廣播星曆誤差ΔRsv，其中，「單差」方程個數應不小於3，即共視同一衛星的基準站的數目不小於4，且稱此類衛星為可修正衛星。假設解算出來的衛星廣播星曆誤差估計值為則衛星廣播星曆的校正誤差δRsv可以表示為 (3)計算導航系統與基準時間系統間的系統時差 對衛星廣播星曆誤差ΔRsv進行修正後，由式(2)可得 (10) 式(10)中，
表示經星曆修正後的衛星位置。
為得到準確的系統時差，採用時鐘同步站的觀測數據，由於時鐘同步站的接收機鐘差Δtr已知，式(10)可轉化為 (11) 式(11)中，由於δRsv很小且δRsv的各個分量遵循高斯分布，不同衛星的Δtsv符號不同。因此，針對同一衛星導航系統，由時鐘同步站的Δρk值可得該導航系統與基準時間系統間的系統時差Δtsystem 式(12)中，N表示時鐘同步站的數目，M表示時鐘同步站觀測到的某衛星導航系統的可修正衛星的數目。
同理，可計算其它衛星導航系統與基準時間系統間的系統時差。
步驟三建立多星座SBAS系統時差模型並確定播發參數的數目 在多星座SBAS中，系統時差可由系統時鐘初始偏差、頻率偏差與頻率漂移來描述，對系統時差採用以下二階多項式模型進行擬合 Δtsystem＝a0+a1·(t-toc)+a2·(t-toc)2(13) 式(13)中，a0表示衛星導航系統與基準時間系統間的初始時間偏差；a1表示時鐘的頻率偏差係數；a2表示時鐘的頻率漂移係數，t表示衛星信號播發時刻，toc表示系統時差修正參數的參考時刻。
由此可知，每個衛星導航系統與基準時間系統間的系統時差需要播發1個時間參數toc以及3個系統時差模型參數a0、a1、a2。因此，對於步驟一中的情況一，SBAS所需播發參數的數目為3·(m-1)+1＝3m-2；對於步驟一中的情況二，播發參數的數目為3m+1。
步驟四計算系統時差的完好性信息 由於tk時刻的系統時差改正數將要應用在後一個更新間隔τ的任意時間t(tk＜t≤tk+τ)內，而其計算是在前一個更新間隔內完成。因此，將系統時差的完好性信息-系統時差校正誤差分為兩部分考慮更新間隔內的誤差變化和tk時刻的校正誤差。計算流程如圖3，具體如下 (1)計算觀測時刻系統時差的擬合誤差esysTr(t) 時鐘同步站r可根據t時刻觀測到的同一星座的衛星計算該時刻的系統時差Δtmeasuresystem；同時，利用系統播發的系統時差改正參數計算系統時差的擬合值
因此，二者之間的差值稱為擬合誤差esysTr(t)，即 (2)計算更新間隔內的誤差序列 假設SBAS基準站向中心站傳輸數據的更新率為trefresh(單位秒)，系統時差改正數的更新間隔為τ(單位秒)，則在更新間隔τ內，根據時鐘同步站r的數據能夠計算出S＝τ/trefresh個esysTr(t)作為一組誤差序列。
(3)計算誤差序列的統計限值 在一個更新間隔τ內，計算時鐘同步站r的誤差序列統計限值，即 式(15)中，κ(Pr)表示99.9％置信概率對應的分位數。
(4)計算更新時刻系統時差的絕對誤差
在tk時刻，系統時差的絕對誤差
為 式(16)中，Δρk所表示含義同步驟二，a0、a1與a2分別表示系統廣播的系統時差改正參數，toc表示系統時差修正參數的參考時刻。
(5)計算系統時差校正誤差STCE 在下一個更新間隔內，令所有時鐘同步站的誤差序列統計限值的最大值為max{EsysTr}，系統時差校正誤差STCE可通過式(17)計算得到 式(17)中，1≤r≤N。STCE能夠以99.9％的概率包絡下一個更新間隔內的系統時差的擬合誤差。
利用本發明提供的方法，有以下具體實施例 實施例利用中國的星基增強系統-SNAS監測GPS衛星與Galileo衛星，選取30個基準站構成SNAS監測網絡，其中有5個時鐘同步站，仿真時間為2400秒。基準時間系統為SNAS遵循的北鬥時間系統，SNAS將為服務區內用戶提供GPS、Galileo系統與基準系統間的系統時差改正數以及系統時差改正的完好性信息。
步驟一確定基準時間系統，根據衛星導航系統數確定SBAS所需計算的系統時差的數目。
確定基準時間系統為北鬥的時間系統，衛星導航系統數m為2，分別為GPS與Galileo系統。由於GPS、Galileo時間系統與基準時間系統均不一致，因此，根據情況二可知，所需計算的系統時差數為2，分別為GPS、Galileo系統與基準時間系統間的系統時差。
步驟二計算不同衛星導航系統與基準時間系統間的系統時差。
(1)計算SBAS基準站接收機鐘差Atref，k 在仿真中，t＝1500s時，計算SNAS基準站k(1≤k≤25)與距離其最近的時鐘同步站r(1≤r≤5)共視衛星數目K。根據式(7)，可得基準站k的接收機鐘差Δtref，k (2)計算衛星廣播星曆誤差 SBAS僅能夠為可修正衛星提供星曆的差分改正數據。t＝1500s時，可修正衛星數為20，可修正衛星及共視每顆可修正星的基準站數如表1所示。
表1 可修正衛星及共視每顆可修正衛星的基準站數目 表1中A2、B1、B2、C 1、C2、D3、E1、E2、E4表示GPS的可修正衛星，G2、G3、G4、G5、G10、G11、G17、G18、G21、G22、G23表示Galileo系統的可修正衛星。利用共視同一衛星的基準站數據，根據公式(8)解算衛星廣播星曆誤差估計值為從而對可修正衛星的廣播星曆進行修正。
(3)計算導航系統與基準系統間的系統時差 時鐘同步站r(1≤r≤5)觀測到的可修正衛星數如表2所示。
表2 時鐘同步站觀測到的可修正衛星數目
根據N表示時鐘同步站的數目，M表示可修正衛星數目，由此可得GPS、Galileo系統與基準系統間的系統時差，如表3所示。
表3 GPS、Galileo系統與基準系統間的系統時差(單位米) 步驟三建立多星座SBAS系統時差模型並確定播發參數 選取參考時刻toc＝1500s，根據二階多項式模型Δtsystem＝a0+a1·(t-toc)+a2·(t-toc)2擬合前一時間間隔內系統時差的計算值，得到GPS、Galileo系統與基準系統間的系統時差播發參數，如表4所示。
表4 GPS、Galileo系統與基準系統間的系統時差播發參數
如表4所示，由於基準時間系統與GPS時間系統、Galileo時間系統均不相同，因此，所需播發的參數個數為3m+1＝3×2+1＝7。
步驟四計算系統時差的完好性信息 (1)計算觀測時刻系統時差的擬合誤差 時鐘同步站r(1≤r≤5)在t＝1500s時觀測到的可修正衛星數目如表2所示。根據時鐘同步站r的數據可計算出t時刻的GPS系統時差 其中，K表示可修正GPS衛星數目。同時，利用系統廣播的系統時差改正參數可得GPS系統時差的擬合值 二者相減可得擬合誤差 同理，可計算Galileo系統時差的擬合誤差。
(2)計算更新間隔內的誤差序列 設定SNAS基準站向中心站傳輸數據的更新率為6s，系統時差改正數的更新間隔τ為60s，則在上一更新間隔內，時鐘同步站r能夠計算出10個esysTr(tx)(1≤x≤10)作為一組誤差序列，誤差序列值如表5、6所示。
表5 時鐘同步站的GPS誤差序列值(單位米)
表6 時鐘同步站的Galileo誤差序列值(單位米)
(3)計算誤差序列的統計限值 在此更新間隔內，根據公式計算每個時鐘同步站誤差序列的統計限值；根據STCE能夠以99.9％的概率包絡下一個更新間隔內的系統時差的擬合誤差，查表確定分位數κ(Pr)取值為3.29，誤差序列統計限值計算結果如表7。
表7 時鐘同步站的誤差序列統計限值(單位米)
(4)計算更新時刻系統時差的絕對誤差 根據公式(16)計算更新時刻t＝1500s時的系統時差絕對誤差如表8所示。
表8 系統時差絕對誤差(單位米)
(5)計算系統時差校正誤差 由表7可知，時鐘同步站得到的GPS與Galileo系統的誤差序列統計限值的最大值分別為2.4196和2.0872，根據計算系統時差校正誤差，結果將應用在下一個更新間隔(1500，1560)內，結果如表9所示。
表9 系統時差校正誤差(STCE)(單位米)
仿真時間段內的GPS與基準系統間的系統時差的估計值與真實值如圖4所示，估計誤差如圖5所示。Galileo與基準系統間的系統時差的估計值與真實值如圖6所示，估計誤差如圖7所示。由圖4至圖7可知，GPS與北鬥系統間的系統時差估計誤值在(-1m～0.8m)範圍內，Galileo與北鬥系統間的系統時差估計誤差在(-0.6m～0.6m)範圍內，可見，利用本發明提供的改正方法能夠準確解算出導航系統與基準時間系統間的系統時差。
GPS、Galileo系統與基準系統間系統時差校正誤差與擬合誤差如圖8、9所示。由圖8、9可知，每個更新時刻計算出的GPS、Galileo與北鬥系統間的系統時差校正誤差能夠包絡下一個更新間隔內的系統時差的擬合誤差。由此可知，應用本發明提供的方法可以獲得準確的系統時差完好性信息。
權利要求
1、一種多星座SBAS系統時差改正方法，其特徵在於，包括如下步驟
步驟一確定基準時間系統，根據衛星導航系統數確定SBAS所需計算的系統時差的數目；所述系統時差的數目當基準時間系統與某衛星導航系統的時間系統相同時為衛星導航系統數目減一，當基準時間系統不與任一衛星導航系統的時間系統相同時為衛星導航系統數目；
步驟二計算不同衛星導航系統與基準系統間的系統時差；
(a)計算SBAS監測站接收機鐘差Δtref，k；
其中，c表示光速，K表示基準站k與時鐘同步站r共視的衛星數目，且K≥1，Δtr為時鐘同步站的接收機鐘差，
為基準站k與時鐘同步站r的所有共視衛星的測量值；
(b)計算衛星廣播星曆誤差；假設由單差方程解算出來的衛星廣播星曆誤差估計值為則衛星廣播星曆的校正誤差δRsv為
其中ΔRsv為衛星星曆誤差；
(c)計算導航系統與基準時間系統間的系統時差Δtsystem；
其中N表示時鐘同步站的數目，M表示時鐘同步站觀測到的某衛星導航系統的修正衛星的數目，
步驟三建立多星座SBAS系統時差模型並確定播發參數的數目；
步驟四計算系統時差的完好性信息；
步驟a計算觀測時刻系統時差的擬合誤差esysTr(t)，
式中Δtmeasuresystem為各時鐘同步站t時刻系統時差的估計值，
為系統時差的擬合值；
步驟b計算更新間隔內的誤差序列；所述的誤差序列是指在更新間隔τ內，根據時鐘同步站r的數據計算出的S＝τ/trefresh個esysTr(t)；
步驟c計算誤差序列的統計限值，
式中，κ(Pr)表示99.9％置信概率對應的分位數；
步驟d計算更新時刻系統時差的絕對誤差
式中，a0、a1與a2分別表示系統廣播的系統時差改正參數，toc表示系統時差修正參數的參考時刻；
步驟e計算系統時差校正誤差STCE，
式中，1≤r≤N，max{EsysTr}為所有時鐘同步站的誤差序列統計限值的最大值。
2、根據權利要求1所述的多星座SBAS系統時差改正方法，其特徵在於，步驟三所述的系統時差模型為
Δtsystem＝a0+a1·(t-toc)+a2·(t-toc)2
式中，a0表示衛星導航系統與基準時間系統間的初始時間偏差；a1表示時鐘的頻率偏差係數；a2表示時鐘的頻率漂移係數，t表示衛星信號播發時刻，toc表示系統時差修正參數的參考時刻。
3、根據權利要求1所述的多星座SBAS系統時差改正方法，其特徵在於，步驟三所述的播發參數的數目當基準時間系統與某衛星導航系統的時間系統相同時為3·(m-1)+1＝3m-2；當基準時間系統不與任一衛星導航系統的時間系統相同時為3m+1。
全文摘要
本發明公開了一種多星座SBAS系統時差改正方法，該方法包括步驟一確定基準時間系統，根據衛星導航系統數確定SBAS所需計算的系統時差的數目；步驟二計算不同衛星導航系統與基準系統間的系統時差；步驟三建立多星座SBAS系統時差模型並確定播發參數；步驟四計算系統時差的完好性信息。本發明能夠解決多星座SBAS的系統時差解算問題，並給出系統時差的播發參數以及系統時差完好性信息的計算方法。
文檔編號G01S19/02GK101299063SQ20081011595
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月30日 優先權日2008年6月30日
發明者銳 李, 馬小輝, 婷 楊, 黃智剛, 軍 張, 朱衍波 申請人:北京航空航天大學