一種基於虛擬基準星的廣域差分方法

2023-09-19 07:08:20

專利名稱：一種基於虛擬基準星的廣域差分方法
技術領域：
本發明涉及一種基於虛擬基準星的廣域差分方法，涉及衛星導航系統廣域差分方法研究的技術領域，是一種以滿足提高衛星導航系統的定位精度且適合各種衛星導航系統的廣域差分方法。

背景技術：
廣域差分能將偽距測量中的各種定位誤差加以消除，是提高衛星導航系統性能的最有效的手段，但是目前的研究方法均是基於GPS這一類中軌衛星的，我國的衛星導航系統將採用地球同步衛星(GEO)、傾斜高軌衛星(IGSO)和中軌衛星(MEO)組建成混合星座的全球定位系統，地球同步衛星必須保持赤道面上的軌位約束條件，需要不定期實施機動控制，因此不能採用同GPS一樣的長期數據平滑方法。同時，高軌衛星的DOP值是MEO衛星的DOP值的幾倍，也不能採用GPS為了克服DOP值過大而採用的對差分改正量進行誤差限制的方法。在CAPS系統中，提出了星鍾和星曆分離的廣域差分方法，獲得了比較好的差分效果，但是這種方法在MEO星座中的應用存在較大的困難，因為MEO衛星相對於地面用戶是快速運動的，可視時間短，不能採用某一顆不變的衛星作為基準星完成星曆誤差相對分離，而需要基準星頻繁更替。


發明內容
要解決的技術問題 為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基於虛擬基準星的廣域差分方法，能夠同時適合多種衛星星座以適合我國正在發展的compass，需要研究新的差分方法。
技術方案 本發明的基本思想是當差分站存在與衛星導航系統的系統時間之間存在時間偏差時，為了通過星際單差的方法消除這一誤差，提出利用一顆假想衛星代替實際衛星，即虛擬基準星以完成徑向星曆偽距誤差的相對分離。
本發明方法的特徵在於將差分站分為區域主站和副站，且主站與衛星導航系統時間同步，本方法具體步驟如下 步驟1在時間同步的區域主站分離出星鍾誤差 ，其中E表示衛星的廣播星曆，ρ1k表示主差分站到第k顆衛星的站星徑向偽距誤差，R1k(E)表示差分站與廣播星曆之間的幾何距離； 步驟2扣除星鍾誤差，得到包含站鍾偏差的徑向星曆偽距誤差Δρik，其值等於ρ1k-R1k(E)-(ρ1k-Rik(E))+c.Δti；其中ρik表示i差分站到第k顆衛星的站星徑向偽距誤差，Rik(E)表示i差分站與廣播星曆之間的幾何距離，Δti表示副差分站的站鍾偏差； 步驟3構造虛擬基準星的徑向星曆偽距誤差ΔρiV 其中N表示可視衛星總數，權重規則規定為衛星的徑向偽距誤差實際值的倒數 所述的虛擬基準星為一顆無星鍾誤差，在地心固連坐標系中衛星真實位置完全固定，其徑向星曆偽距誤差等於所有可視衛星的徑向星曆偽距誤差統計平均的假想衛星； 步驟4構造各站觀測虛擬基準星的偽距ρiv 其中RiV表示虛擬基準星V到基準站i的幾何距離； 步驟5基於虛擬基準星的星曆誤差相對分離將實際衛星與虛擬基準星進行星際單差，得到相對星曆偽距誤差Δρik-ΔρiV， 步驟6利用三個或三個相對星曆偽距誤差和三維用戶定位方程，解算得到各個衛星的星曆改正數。
對於GEO星座，一個區域只需要一個主站。
對於混合星座，一個區域內建立2-3個主站。
所述的Δρik扣除站鍾誤差，得到的誤差分量可以代表差分站觀測的徑向星曆偽距誤差實際值Δρ′ik，其值等於ρ1k-R1k(E)-(ρik-Rik(E))。
有益效果 本發明的一種基於虛擬基準星的廣域差分方法，效果主要表現在1)適應於各種衛星星座構建的衛星導航系統，方法具有通用性；2)差分系統的建設成本低，省去了時間同步的建設、運行和維護費用。3)滿足實時用戶對差分改正量的實時廣播需求，並且差分定位精度高。4)對星曆異常具有較好的抗敏感性，使得在星曆異常時同樣可以獲得良好的差分效果。



圖1本發明應用的廣域差分系統 圖2在CAPS系統中的差分效果 圖3在GPS中的差分效果 圖4在中國未來的Compass中的差分效果 圖5在CAPS系統中星曆異常時的差分效果
具體實施例方式 現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述 附圖1給出了差分網的基本框架，地面差分站包括主站和副站兩種形式，其中主站作為一級差分站，與系統時間保持嚴格時間同步，在中國區域內，對於GEO星座只需建立1個區域主站，對於MEO星座或混合星座，需要建立2-3個區域主站。副站不要求時間同步，站相對建設的比較多，建設比較簡單。
各個差分站的位置事前經過測繪得到精確的位置。
本實施例的具體步驟為 在主站進行星鍾誤差分離，獲得星鍾改正數 由於星鍾誤差的空間無關性，這種誤差可以通過一個與系統時間同步的主基準站分離，即一站式分離。如果衛星的真實位置是已知的，那麼這種星鍾誤差可以通過主差分站的偽距觀測得到，可以表示為 式中



其負值-ρCLKk表示星鍾改正數。
利用多個副站進行星曆誤差，獲得星曆改正數 當差分站時間不同步時，其站星偽距可以表示為 其中ρik，Rik和Δρik分別表示表示差分站i到衛星k的站星徑向偽距誤差、站星幾何距離和徑向星曆偽距誤差，Δti表示差分站i的站鍾偏差。所以差分站i觀測的徑向星曆偽距誤差可以表示為 要消除站鍾誤差需要採用星際單差的方法[3]。構造虛擬基準星的目的之一就是通過與實際衛星單差消除站鍾偏差，因此構造虛擬基準星的徑向星曆偽距誤差必須包含站鍾誤差。若Δρik扣除站鍾誤差，得到的誤差分量可以代表差分站觀測的徑向星曆偽距誤差實際值，其值表示為 上式中Δρ′ik越大，表示衛星的徑向星曆偽距誤差和衛星的廣播星曆誤差越大，在廣域差分解算中對差分修正量的貢獻也必須越大，因此在構造虛擬基準星的徑向星曆偽距誤差時，為了保證單差後的貢獻量越大，其取權重反而越小。為了符合這一分析，這裡取Δρ′ik的倒數作為構造虛擬基準星徑向星曆偽距誤差分量的權重。
所以包含站鍾偏差的虛擬基準星徑向星曆偽距誤差可以表示為 從上式可以看出，虛擬基準星實際上指的一顆無星鍾誤差，在地心固連坐標系中衛星真實位置完全固定，徑向星曆偽距誤差等於各個星曆偽距誤差分量統計平均和的假想衛星。
第i站到虛擬基準星的偽距可以表示為 其中RiV表示從基準站i到具有固定位置(在地心固連坐標系)的幾何距離，第二項表示虛擬基準星的星曆偽距誤差，第三項表示站鍾誤差，這三項合成了虛擬基準星的偽距表達式。
通過實際衛星與虛擬基準星星際單差消除站鍾誤差，得到這個站的星曆相對偽距誤差貢獻量，表示為 上述就是利用虛擬基準星進行的星曆誤差相對分離原理，簡稱虛擬基準星差分原理。利用差分網內所有可視衛星與虛擬基準星差分可以獲得星曆改正數。
虛擬基準星差分方法的差分效果 附圖2、3、4分別說明了這種差分方法在三種不同星座構建的衛星導航系統中的差分定位效果。附圖5說明了在衛星星曆由於某種原因引起異常時，這種差分方法的差分定位效果。分析結果表明，這種方法具有通用性強、差分效果好且對星曆異常不敏感等優點。
在基於GEO星座的CAPS、MEO星座GPS及未來我國的Compass中的差分效果 表中方法一表示基於實際衛星作為基準星的差分方法，方法二表示基於虛擬衛星作為基準星的差分分法，差分前表示沒有採用差分的單點定位結果。表中的三種星座分別對應三種衛星導航系統，基於GEO星座的中國區域定位系統(CAPS)，基於MEO星座的GPS系統，基於混合星座的Compass。從表中數據可知在MEO星座中，兩種差分方法基本等效，在GEO星座或混合星座中，虛擬基準星差分方法優於實際基準星差分方法。
三種星座體制中兩種差分方法的差分效果(1σ)

權利要求
1.一種基於虛擬基準星的廣域差分方法，其特徵在於將差分站分為區域主站和副站，且主站與衛星導航系統時間同步，本方法具體步驟如下
步驟1在時間同步的區域主站分離出星鍾誤差
其中E表示衛星的廣播星曆，ρ1k表示主差分站到第k顆衛星的站星徑向偽距誤差，R1k(E)表示差分站與廣播星曆之間的幾何距離；
步驟2扣除星鍾誤差，得到包含站鍾偏差的徑向星曆偽距誤差Δρik，其值等於其中ρik表示i差分站到第k顆衛星的站星徑向偽距誤差，Rik(E)表示i差分站與廣播星曆之間的幾何距離，Δti表示副差分站的站鍾偏差；
步驟3構造虛擬基準星的徑向星曆偽距誤差ΔρiV
其中N表示可視衛星總數，權重規則規定為衛星的徑向偽距誤差實際值的倒數
所述的虛擬基準星為一顆無星鍾誤差，在地心固連坐標系中衛星真實位置完全固定，其徑向星曆偽距誤差等於所有可視衛星的徑向星曆偽距誤差統計平均的假想衛星；
步驟4構造各站觀測虛擬基準星的偽距ρiV
其中RiV表示虛擬基準星V到基準站i的幾何距離；
步驟5基於虛擬基準星的星曆誤差相對分離將實際衛星與虛擬基準星進行星際單差，得到相對星曆偽距誤差Δρik-ΔρiV，
步驟6利用三個或三個相對星曆偽距誤差和三維用戶定位方程，解算得到各個衛星的星曆改正數。
2.根據權利要求1所述的基於虛擬基準星的廣域差分方法，其特徵在於對於GEO星座，一個區域只需要一個主站。
3.根據權利要求1所述的基於虛擬基準星的廣域差分方法，其特徵在於對於混合星座，一個區域內建立2-3個主站。
4.根據權利要求1所述的基於虛擬基準星的廣域差分方法，其特徵在於所述的Δρik扣除站鍾誤差，得到的誤差分量可以代表差分站觀測的徑向星曆偽距誤差實際值Δρ′ik，其值等於ρ1k-R1k(E)-(ρik-Rik(E))。
全文摘要
本發明涉及一種基於虛擬基準星的廣域差分方法，技術特徵在於當差分站存在與衛星導航系統的系統時間之間存在時間偏差時，為了通過星際單差的方法消除這一誤差，提出利用一顆假想衛星代替實際衛星，即虛擬基準星以完成徑向星曆偽距誤差的相對分離。效果主要表現在1)適應於各種衛星星座構建的衛星導航系統，方法具有通用性；2)差分系統的建設成本低，省去了時間同步的建設、運行和維護費用。3)滿足實時用戶對差分改正量的實時廣播需求，並且差分定位精度高。4)對星曆異常具有較好的抗敏感性，使得在星曆異常時同樣可以獲得良好的差分效果。
文檔編號G01S5/14GK101609142SQ200910022300
公開日2009年12月23日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者蔡成林, 李孝輝, 吳海濤, 張惠君, 王玉蘭 申請人:中國科學院國家授時中心