一種LEO衛星實時鐘差估計方法、設備及介質與流程
2024-04-13 21:09:05
一種leo衛星實時鐘差估計方法、設備及介質
技術領域
1.本技術實施例涉及但不限於衛星領域，尤其涉及一種leo衛星實時鐘差估計方法、設備及介質。
背景技術：
2.以gps/bds/galileo等為代表的全球導航衛星系統(gnss)能夠提供定位、導航、授時(pnt)服務，但gnss系統存在基本導航服務精度低、信號衰減嚴重、精密定位收斂緩慢等問題。基於leo衛星建設低軌導航增強系統，可增強gnss導航系統服務能力，並提供獨立pnt服務。其中，leo衛星鐘差產品是低軌導航增強系統提供pnt服務的重要產品之一。通常，leo衛星鐘差與leo衛星軌道是一同解算的，導致待估參數多和計算耗時較長的問題，不能滿足leo衛星鐘差實時解算的需求，也制約了低軌導航增強系統向用戶提供實時pnt服務的能力。
技術實現要素：
3.以下是對本文詳細描述的主題的概述。本概述並非是為了限制權利要求的保護範圍。
4.本技術實施例提供了一種leo衛星實時鐘差估計方法、設備及介質。
5.本技術的第一方面的實施例，提供了一種leo衛星實時鐘差估計方法，其特徵在於，包括：
6.獲取leo衛星的星載觀測數據、導航衛星軌道和導航衛星鐘差；
7.根據所述星載觀測數據進行軌道預報，得到leo衛星預報軌道；
8.根據所述leo衛星預報軌道和所述導航衛星軌道得到leo衛星與導航衛星之間的幾何距離；
9.根據所述星載觀測數據、所述幾何距離、所述導航衛星鐘差構建衛星觀測方程；
10.求解所述衛星觀測方程，得到leo衛星實時鐘差。
11.本技術的第一方面的某些實施例，所述根據所述星載觀測數據進行軌道預報，得到leo衛星預報軌道，包括：
12.通過最小二乘法根據所述星載觀測數據得到leo衛星的初始軌道和動力學參數；
13.根據所述leo衛星的初始軌道和動力學參數進行軌道積分，得到leo衛星預報軌道。
14.本技術的第一方面的某些實施例，在所述根據所述星載觀測數據進行軌道預報，得到leo衛星預報軌道之後，所述方法還包括：
15.對所述leo衛星預報軌道進行坐標系轉換，以將以質心為參考點的leo衛星預報軌道轉換為以相心為參考點的leo衛星預報軌道。
16.本技術的第一方面的某些實施例，所述星載觀測數據包括偽距觀測量和相位觀測量，所述衛星觀測方程包括對應所述偽距觀測量的第一觀測方程和對應所述相位觀測量的
第二觀測方程；所述根據所述星載觀測數據、所述幾何距離、所述導航衛星鐘差構建衛星觀測方程，包括：
17.根據所述幾何距離、電離層延遲影響數值、光速值、所述導航衛星鐘差構建對應所述偽距觀測量的第一觀測方程；
18.根據所述幾何距離、載波相位波長、電離層延遲影響數值、光速值、模糊度、所述導航衛星鐘差構建對應所述相位觀測量的第二觀測方程。
19.本技術的第一方面的某些實施例，在根據所述星載觀測數據、所述幾何距離、所述導航衛星鐘差構建衛星觀測方程之後，所述方法還包括：
20.根據預設的定權原則對所述衛星觀測方程進行定權，所述定權原則基於leo衛星的高度角。
21.本技術的第一方面的某些實施例，所述求解所述衛星觀測方程，得到leo衛星實時鐘差，包括:
22.獲取leo衛星鐘差初始值；
23.通過序貫濾波法根據所述leo衛星鐘差初始值求解所述衛星觀測方程，得到leo衛星實時鐘差。
24.本技術的第一方面的某些實施例，所述通過序貫濾波法根據所述leo衛星鐘差初始值求解所述衛星觀測方程，得到leo衛星實時鐘差，包括：
25.根據狀態轉移矩陣將leo衛星鐘差的曆元狀態聯繫；
26.求解所述衛星觀測方程，根據聯繫的leo衛星鐘差的曆元狀態由所述leo衛星鐘差初始值推導得到leo衛星實時鐘差。
27.本技術的第一方面的某些實施例，在求解所述衛星觀測方程，得到leo衛星實時鐘差之後，所述方法還包括：
28.通過事後全天解對比及重疊鐘差對比的方法對所述leo衛星實時鐘差的精度進行評估，得到精度評估結果。
29.本技術的第二方面的某些實施例，提供了一種電子設備，所述電子設備包括存儲器、處理器、存儲在所述存儲器上並可在所述處理器上運行的程序以及用於實現所述處理器和所述存儲器之間的連接通信的數據總線，所述程序被所述處理器執行時實現如上所述的leo衛星實時鐘差估計方法。
30.本技術的第三方面的某些實施例，提供了一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲有計算機可執行指令，所述計算機可執行指令用於使計算機執行如上所述的leo衛星實時鐘差估計方法。
31.上述方案至少具有以下的有益效果：通過獲取leo衛星的星載觀測數據、導航衛星軌道和導航衛星鐘差；根據星載觀測數據進行軌道預報，得到leo衛星預報軌道；根據leo衛星預報軌道和導航衛星軌道得到leo衛星與導航衛星之間的幾何距離；根據星載觀測數據、幾何距離、導航衛星鐘差構建衛星觀測方程；求解衛星觀測方程，得到leo衛星實時鐘差；通過固定衛星預報軌道進而得到衛星觀測方程，避免在求解衛星觀測方程的過程中解算繁多的動力學參數，減少了衛星觀測方程中待估參數數量，提高了衛星鐘差解算效率。
附圖說明
32.附圖用來提供對本技術技術方案的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本技術的實施例一起用於解釋本技術的技術方案，並不構成對本技術技術方案的限制。
33.圖1是本技術的實施例所提供的leo衛星實時鐘差估計方法的步驟圖；
34.圖2是步驟s200的子步驟圖；
35.圖3是步驟s400的子步驟圖；
36.圖4是定權步驟的步驟圖；
37.圖5是步驟s500的子步驟圖；
38.圖6是精度評估步驟的步驟圖；
39.圖7是通過事後全天解對比對傳統的leo衛星實時鐘差估計方法所得到的結果進行精度評估的精度示意圖；
40.圖8是通過重疊鐘差對比對傳統的leo衛星實時鐘差估計方法所得到的結果進行精度評估的精度示意圖；
41.圖9是通過事後全天解對比對本技術的實施例所提供的leo衛星實時鐘差估計方法所得到的結果進行精度評估的精度示意圖；
42.圖10是通過重疊鐘差對比對本技術的實施例所提供的leo衛星實時鐘差估計方法所得到的結果進行精度評估的精度示意圖；
43.圖11是本技術的實施例所提供的leo衛星實時鐘差估計方法與傳統的leo衛星實時鐘差估計方法的耗時對比圖。
具體實施方式
44.為了使本技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本技術，並不用於限定本技術。
45.需要說明的是，雖然在裝置示意圖中進行了功能模塊劃分，在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同於裝置中的模塊劃分，或流程圖中的順序執行所示出或描述的步驟。說明書、權利要求書或上述附圖中的術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。
46.下面結合附圖，對本技術實施例作進一步闡述。
47.本技術的實施例，提供了一種leo衛星實時鐘差估計方法。
48.參照圖1，leo衛星實時鐘差估計方法，包括但不限於以下步驟：
49.步驟s100，獲取leo衛星的星載觀測數據、導航衛星軌道和導航衛星鐘差；
50.步驟s200，根據星載觀測數據進行軌道預報，得到leo衛星預報軌道；
51.步驟s300，根據leo衛星預報軌道和導航衛星軌道得到leo衛星與導航衛星之間的幾何距離；
52.步驟s400，根據星載觀測數據、幾何距離、導航衛星鐘差構建衛星觀測方程；
53.步驟s500，求解衛星觀測方程，得到leo衛星實時鐘差。
54.對於步驟s100，在電離層高度之上的leo衛星上設置接收機能夠獲取星載觀測數據，地面信關站能下載星載觀測數據。
55.導航衛星鐘差衛星鐘差可以通過gnss鐘差產品獲取；導航衛星軌道可以通過gnss星曆獲取。
56.參照圖2，對於步驟s200，根據星載觀測數據進行軌道預報，得到leo衛星預報軌道，包括但不限於以下步驟：
57.步驟s210，通過最小二乘法根據星載觀測數據得到leo衛星的初始軌道和動力學參數；
58.步驟s220，根據leo衛星的初始軌道和動力學參數進行軌道積分，得到leo衛星預報軌道。
59.在慣性系下，leo衛星的運動方程可表示為：其中，為leo衛星的坐標，為leo衛星的速度矢量，為leo衛星的加速度矢量，t為時間，gm為地球引力常數，p為各類保守力、非保守力及經驗攝動參數，除地球及各天體的引力外，leo衛星主要考慮的攝動力有大氣阻力、太陽光壓阻力、經驗力等。
60.可以理解的是，本實施例給出了根據星載觀測數據得到leo衛星的初始軌道和動力學參數的方法是最小二乘法，但這並不能對本技術實施例中的根據星載觀測數據得到leo衛星的初始軌道和動力學參數的方法進行限制。在其他實施例中，可以選擇其他方法。
61.由於獲取得到的gnss衛星軌道和leo衛星預報軌道均是以質心為參考點的軌道，解算leo衛星實時鐘差需要以相心為參考點的軌道，對gnss衛星軌道和leo衛星預報軌道進行相位中心修正，即對gnss衛星軌道、leo衛星預報軌道進行坐標系轉換，以將以質心為參考點的leo衛星預報軌道轉換為以相心為參考點的leo衛星預報軌道，將以質心為參考點的gnss衛星軌道轉換為以相心為參考點的gnss衛星軌道。
62.相位中心定義在地固系下，首先將軌道轉換至慣性系(crs)，再轉換至地固系，該轉換過程可表示為：pco
trs
＝pco
sbf
*matrix
sbf_crs
*matrix
crs_trs
；其中，matrix
sbf_crs
表示星固系至慣性系的轉換矩陣，matrix
crs_trs
表示慣性系至地固系的轉換矩陣。
63.對於步驟s300，根據leo衛星預報軌道和導航衛星軌道得到leo衛星與導航衛星之間的幾何距離；具體地，根據leo衛星預報軌道可以得到leo衛星在t時刻的坐標，根據導航衛星軌道可以得到gnss衛星在t時刻的坐標。根據leo衛星的坐標和gnss衛星的坐標得到leo衛星與gnss衛星之間的幾何距離，leo衛星與gnss衛星之間的幾何距離可以表示為其中,(x0,y0,z0)為leo衛星的坐標，(x
sat
,y
sat
,z
sat
)為gnss衛星的坐標。
64.即，在固定leo衛星軌道(短弧段預報軌道)後，可得到leo衛星與gnss衛星之間的幾何距離ρ。
65.對於步驟s400，星載觀測數據包括偽距觀測量和相位觀測量，衛星觀測方程包括對應偽距觀測量的第一觀測方程和對應相位觀測量的第二觀測方程；
66.參照圖3，根據星載觀測數據、幾何距離、導航衛星鐘差構建衛星觀測方程，包括但不限於以下步驟：
67.步驟s410，根據幾何距離、電離層延遲影響數值、光速值、導航衛星鐘差構建對應偽距觀測量的第一觀測方程；
68.步驟s420，根據幾何距離、載波相位波長、電離層延遲影響數值、光速值、模糊度、
導航衛星鐘差構建對應相位觀測量的第二觀測方程。
69.其中，第一觀測方程可以表示為：第二觀測方程可以表示為：其中，pi為偽距觀測量(以周為單位)；li為相位觀測量(以周為單位)；ρ為leo衛星與gnss衛星之間的幾何距離；δ
iono,
為電離層延遲影響數值；c為光速值；dt為leo衛星鐘差，dt為gnss衛星鐘差，λi為載波相位波長，ni為整周模糊度；為偽距可被模型化的誤差項；為載波相位可被模型化的誤差項。可以理解的是，leo衛星位於電離層之上，leo衛星的高度一般高於200km，所以衛星觀測方程不存在對流層誤差。
70.對於電離層延遲影響數值δ
iono,i
，可以通過將星載觀測數據組成無電離層組合進行削弱。另外，在固定leo衛星軌道(短弧段預報軌道)後，已經得到leo與gnss衛星的幾何距離ρ。
71.對於第一觀測方程，第一觀測方程可以進一步簡化為：
72.對於第二觀測方程，第二觀測方程可以進一步簡化為：
73.偽距觀測量、相位觀測量等不同觀測數據的定位方程的精度並不一致；即便對於同類型觀測數據，也會因數據質量不同而存在不同精度；因此需要對觀測方程進行定權。
74.由於leo衛星的星載觀測數據在低高度角時往往存在多路徑誤差和觀測噪聲等較大的問題，因此需要基於leo衛星的高度角對衛星觀測方程進行定權。
75.參照圖4，定權步驟包括但不限於以下步驟：
76.步驟s430，根據預設的定權原則對衛星觀測方程進行定權，定權原則基於leo衛星的高度角。
77.具體地，定權原則為：其中，針對於偽距觀測值，σ0取值為1m；針對於相位觀測值，σ0取值為1cm。
78.經過定權後，衛星觀測方程可以進一步表示為：y＝gx+ε；其中，y為觀測值殘差；g為係數矩陣；x為模糊度參數、leo衛星鐘差這些待估參數，ε為誤差項。
79.需要求解的未知參數只有兩個，模糊度參數和leo衛星鐘差。
80.參照圖5，對於步驟s500，求解衛星觀測方程，得到leo衛星實時鐘差，包括但不限於以下步驟：
81.步驟s510，獲取leo衛星鐘差初始值和模糊度參數初始值；
82.步驟s520，通過序貫濾波法根據leo衛星鐘差初始值和模糊度參數初始值求解衛星觀測方程，進而得到leo衛星實時鐘差。
83.對於步驟s510，leo衛星鐘差初始值可通過標準單點定位(spp)或鐘差預報獲取。
84.模糊度參數初始值可以通過以下式子獲得：amb
prn
＝phase-ρ-c(dt-dt)；其中，amb
prn
為leo衛星相對於編號為的gnss衛星的模糊度參數；phase為相位無電離層組合值；ρ為leo衛星與gnss衛星之間的幾何距離；dt為leo衛星鐘差，dt為gnss衛星鐘差。
85.對於步驟s520，通過序貫濾波法對衛星觀測方程進行求解，可滿足對於解算時效性及精度的要求。序貫濾波算法是由經典卡爾曼濾波算法進行改進的。
86.當使用序貫濾波算法對衛星觀測方程進行求解時，將觀測值按照曆元順序進行處理，不需要儲存大量歷史信息，依靠狀態轉移矩陣將前後曆元的狀態聯繫起來，並充分平衡觀測值和狀態預測值的關係。
87.例如，針對於leo衛星鐘差，根據狀態轉移矩陣將leo衛星鐘差的曆元狀態聯繫；根據聯繫的leo衛星鐘差的曆元狀態由leo衛星鐘差初始值推導得到leo衛星實時鐘差。
88.基於第n-1個曆元預測第n個曆元的待估參數為：基於第n-1個曆元預測第n個曆元的協方差矩陣為：1個曆元預測第n個曆元的協方差矩陣為：式中，φ為參數狀態轉移矩陣；q為過程噪聲矩陣。
89.進而，預測狀態為：實測觀測值為：
90.可以得到的是，第n個曆元對應的時刻的濾波解為：可以得到的是，第n個曆元對應的時刻的濾波解為：
91.可以理解的是，本實施例給出了求解衛星觀測方程的方法是序貫濾波法，但這並不能對本技術實施例中的求解衛星觀測方程的方法進行限制。在其他實施例中，可以選擇其他估算方法。
92.在解算出leo衛星實時鐘差之後，需對leo衛星實時鐘差進行精度評估。
93.參照圖6，精度評估步驟包括但不限於以下步驟：
94.步驟s600，通過事後全天解對比及重疊鐘差對比的方法對leo衛星實時鐘差的精度進行評估，得到精度評估結果。
95.其中，事後全天精密鐘差採用24h數據，使用整體最小二乘算法解算，鐘差解算穩定，殘差僅為mm級別，因此可作為對比產品。
96.重疊鐘差對比是將前後兩段具有相同時間的鐘差進行對比，儘管理論上鐘差僅有一個值，但是由於前後兩段鐘差解算採用的數據不同，因此會出現重疊鐘差對比會出現差異，從而反映出鐘差產品的精度。
97.下面對傳統的leo衛星鐘差估算方法和本技術的leo衛星鐘差估算方法進行對比。
98.策略1為傳統的leo衛星鐘差估算方法，基於星載觀測數據構建觀測方程並同時解算leo衛星軌道和鐘差數據的方法，參數估計方法採用整體最小二乘法。
99.策略2為本技術的leo衛星鐘差估算方法。
100.參照圖7、圖8、圖9、圖10和圖11，在解算精度方面，策略1解算結果與全天事後精密解對比精度為0.05ns，重疊鐘差對比為0.04ns，策略2解算結果與全天事後精密解對比精度為0.07ns，重疊鐘差對比為0.06ns。策略1將全部數據儲存，羅列觀測方程及法方程後一同解算，因此解算結果較為穩定。而策略2僅儲存上個曆元及本曆元數據，解算精度與策略1相當，均能實現優於0.10ns的高精度解算。在耗時方面，由於策略1需要估計初始軌道及動力學參數，且需進行變分方程、運動方程、軌道積分等計算，因此解算4h鐘差耗時長達49s。且策略1需要積累一定時長的觀測數據才可解算leo衛星鐘差參數，不能滿足實時性需求。策略2由於已得到leo衛星軌道，因此僅需要解算模糊度及leo衛星鐘差參數，因此耗時較短，解算4h鐘差僅需5s，明顯優於策略1，能夠滿足對於實時鐘差的解算需求。
101.本技術的實施例還提供了一種電子設備。電子設備包括存儲器、處理器、存儲在存
儲器上並可在處理器上運行的程序以及用於實現處理器和存儲器之間的連接通信的數據總線，所述程序被處理器執行時實現如上的leo衛星實時鐘差估計方法。
102.該電子設備可以為包括平板電腦、車載電腦等任意智能終端。
103.總體而言，對於電子設備的硬體結構，處理器可以採用通用的cpu(centralprocessingunit，中央處理器)、微處理器、應用專用集成電路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、或者一個或多個集成電路等方式實現，用於執行相關程序，以實現本技術實施例所提供的技術方案。
104.存儲器可以採用只讀存儲器(readonlymemory，rom)、靜態存儲設備、動態存儲設備或者隨機存取存儲器(randomaccessmemory，ram)等形式實現。存儲器可以存儲作業系統和其他應用程式，在通過軟體或者固件來實現本說明書實施例所提供的技術方案時，相關的程序代碼保存在存儲器中，並由處理器來調用執行本技術實施例的數據監控方法。
105.輸入/輸出接口用於實現信息輸入及輸出。
106.通信接口用於實現本設備與其他設備的通信交互，可以通過有線方式(例如usb、網線等)實現通信，也可以通過無線方式(例如行動網路、wifi、藍牙等)實現通信。
107.總線在設備的各個組件(例如處理器、存儲器、輸入/輸出接口和通信接口)之間傳輸信息。處理器、存儲器、輸入/輸出接口和通信接口通過總線實現彼此之間在設備內部的通信連接。
108.本技術的實施例還一種計算機可讀存儲介質，計算機可讀存儲介質存儲有計算機可執行指令，計算機可執行指令用於使計算機執行如上所述的leo衛星實時鐘差估計方法。
109.本領域普通技術人員可以理解，上文中所公開方法中的全部或某些步驟、系統可以被實施為軟體、固件、硬體及其適當的組合。某些物理組件或所有物理組件可以被實施為由處理器，如中央處理器、數位訊號處理器或微處理器執行的軟體，或者被實施為硬體，或者被實施為集成電路，如專用集成電路。這樣的軟體可以分布在計算機可讀介質上，計算機可讀介質可以包括計算機存儲介質(或非暫時性介質)和通信介質(或暫時性介質)。如本領域普通技術人員公知的，術語計算機存儲介質包括在用於存儲信息(諸如計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或其他數據)的任何方法或技術中實施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介質。計算機存儲介質包括但不限於ram、rom、eeprom、快閃記憶體或其他存儲器技術、cd-rom、數字多功能盤(dvd)或其他光碟存儲、磁盒、磁帶、磁碟存儲或其他磁存儲裝置、或者可以用於存儲期望的信息並且可以被計算機訪問的任何其他的介質。此外，本領域普通技術人員公知的是，通信介質通常包含計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或者諸如載波或其他傳輸機制之類的調製數據信號中的其他數據，並且可包括任何信息遞送介質。在本說明書的上述描述中，參考術語「一個實施方式/實施例」、「另一實施方式/實施例」或「某些實施方式/實施例」等的描述意指結合實施方式或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本技術的至少一個實施方式或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施方式或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施方式或示例中以合適的方式結合。
110.本領域普通技術人員可以理解，上文中所公開方法中的全部或某些步驟、系統、設備中的功能模塊/單元可以被實施為軟體、固件、硬體及其適當的組合。
111.上述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯
示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。
112.另外，在本技術各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以採用硬體的形式實現，也可以採用軟體功能單元的形式實現。
113.集成的單元如果以軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本技術的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的全部或部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括多指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本技術各個實施例的方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：u盤、移動硬碟、只讀存儲器(read-only memory，簡稱rom)、隨機存取存儲器(random access memory，簡稱ram)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序的介質。
114.在本技術所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，上述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特徵可以忽略，或不執行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。
115.儘管已經示出和描述了本技術的實施方式，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本技術的原理和宗旨的情況下可以對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變型，本技術的範圍由權利要求及其等同物限定。
116.以上是對本技術的較佳實施進行了具體說明，但本技術並不限於實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本技術精神的前提下可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本技術權利要求所限定的範圍內。