專利名稱：一種基于廣域差分增強(qiáng)的衛(wèi)星授時(shí)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于廣域差分增強(qiáng)的衛(wèi)星授時(shí)方法，是利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差分技術(shù)和衛(wèi)星授時(shí)方法的技術(shù)達(dá)到授時(shí)提高衛(wèi)星授時(shí)精度的方法。

背景技術(shù)：
衛(wèi)星授時(shí)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)、定位和測(cè)速三大功能之一，目前，衛(wèi)授時(shí)主要依靠地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定并在衛(wèi)星的導(dǎo)航電文中給出，由導(dǎo)航電文給出的衛(wèi)星授時(shí)精度大約在20nsec左右。對(duì)于需要更高精度定時(shí)的用戶，這種精度顯得過(guò)于粗略。因此，有必要研究能進(jìn)一步提高衛(wèi)星授時(shí)精度的方法。
衛(wèi)星授時(shí)的實(shí)時(shí)性要求高，而當(dāng)前滿足實(shí)時(shí)性好的廣域差分方法如美國(guó)的WASS等傳統(tǒng)的廣域差分方法采用單一的偽距觀測(cè)量且采用星鐘和星歷統(tǒng)一解算方法，偽距觀測(cè)量存在隨機(jī)誤差較大的缺點(diǎn)，而星鐘和星歷統(tǒng)一解算，其幾何精度因子較大，衛(wèi)星的實(shí)時(shí)授時(shí)精度不易提高。


發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于廣域差分增強(qiáng)的衛(wèi)星授時(shí)方法，可以克服傳統(tǒng)的廣域差分方法在授時(shí)方面的局限性，利用基于廣域差分方法的衛(wèi)星授時(shí)方法。
技術(shù)方案 本發(fā)明的基本思想是利用時(shí)間嚴(yán)格同步的主差分站和時(shí)間不嚴(yán)格同步的多個(gè)副站建立差分網(wǎng)，在這一差分網(wǎng)中，利用星鐘誤差在主差分站進(jìn)行第一次和第二次分離并修正，得到經(jīng)過(guò)兩次修正的星鐘時(shí)間。
本發(fā)明方法的特征在于步驟如下各個(gè)差分站同時(shí)進(jìn)行碼相位和載波相位的偽距觀測(cè)，且主差分站與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步，均能測(cè)得偽距的碼相位觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值位置，具體步驟如下 步驟1碼相位的偽距觀測(cè)量利用載波相位觀測(cè)量平滑，得到平滑后的偽距觀測(cè)量； 步驟2在主差分站進(jìn)行星鐘誤差的第一次改正，得到星鐘誤差的第一次改正數(shù)-ρCLKk(E)，其中ρ1k為衛(wèi)星k到主差分站的偽距，R1k(E)為衛(wèi)星k到主差分站的幾何距離，E表示衛(wèi)星的廣播星歷； 步驟3在副差分站進(jìn)行星歷誤差的相對(duì)分離，得到該副差分站星歷偽距的相對(duì)改正量Δρik-Δi1 其中Δρik表示衛(wèi)星k到副差分站i的站星星歷偽距誤差，Δρi1表示基準(zhǔn)星到副差分站i的站星星歷偽距誤差，ρik表示衛(wèi)星k到副差分站i的偽距，ρi1表示基準(zhǔn)星到副差分站i的偽距，ρ11表示基準(zhǔn)星到主差分站的偽距；R11(E)表示基準(zhǔn)星的廣播星歷到主差分站的幾何距離，Rik(E)表示衛(wèi)星k的廣播星歷到差分站i的幾何距離，Ri1(E)表示基準(zhǔn)星的廣播星歷到差分站i的幾何距離； 步驟4利用三個(gè)或三個(gè)以上的差分站得到的該副差分站星歷偽距的相對(duì)改正量Δρik-Δρi1，采用三維用戶定位方程解算得到星歷改正數(shù)； 步驟5在主差分站進(jìn)行星鐘誤差的第二次改正，得到星鐘第二次改正數(shù)ΔρCLKk， 其中R1k(S)表示衛(wèi)星k的真實(shí)位置到主差分站的幾何距離，Δtu表示用戶定時(shí)結(jié)果的真值解，Δtu′表示用戶定時(shí)結(jié)果的實(shí)際解； 所述用戶定時(shí)結(jié)果的真值解對(duì)于主差分站為Δtu＝0； 所述用戶定時(shí)結(jié)果的實(shí)際解將多顆衛(wèi)星利用步驟2得到的星鐘改正數(shù)和步驟4得到星歷改正數(shù)，代入四維用戶定位方程，得到主差分站的定時(shí)結(jié)果的實(shí)際解Δtu′；將主差分站的定時(shí)結(jié)果的實(shí)際解Δtu′作為星鐘第二次改正數(shù)； 步驟6以第一次改正數(shù)-ρCLKk(E)和星鐘第二次改正數(shù)ΔρCLKk修正衛(wèi)星鐘的星鐘誤差后進(jìn)行授時(shí)。
有益效果 本發(fā)明的一種基于廣域差分增強(qiáng)的衛(wèi)星授時(shí)方法，主要效果有兩個(gè)(1)提高衛(wèi)星授時(shí)精度，利用本方法能使衛(wèi)星授時(shí)達(dá)到1～3nsec。(2)簡(jiǎn)化地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配置，降低差分網(wǎng)的建設(shè)成本。



圖1本發(fā)明實(shí)施的廣域差分系統(tǒng) 圖2星鐘誤差一站式分離原理圖 圖3各個(gè)差分站和用戶的定時(shí)偏差 圖4各個(gè)差分站和用戶二次改正后的定時(shí)同步誤差
具體實(shí)施例方式 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 本實(shí)施例中圖1中地面的差分網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括主差分站(主站)，它是與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間嚴(yán)格同步的，多個(gè)副差分站(副站)，建設(shè)時(shí)不要求與系統(tǒng)時(shí)間嚴(yán)格同步?？臻g部分包括在差分網(wǎng)內(nèi)可視的多顆衛(wèi)星組成。
圖2中M1表示主差分站(主站)，Sk表示導(dǎo)航衛(wèi)星，其中S1表示基準(zhǔn)星，Ek表示導(dǎo)航衛(wèi)星的廣播星歷位置，E1表示基準(zhǔn)星的廣播星歷位置，Eik導(dǎo)航衛(wèi)星經(jīng)過(guò)徑向星歷偽距誤差改正后的修正星歷位置。R1k分別表示主站到導(dǎo)航衛(wèi)星幾何距離，Δρ1k分別表示導(dǎo)航星到主站的星歷偽距誤差在主站到廣播星歷方向的徑向投影，即星歷偽距誤差，ρCLKk(S)表示導(dǎo)航衛(wèi)星的星鐘偽距誤差真值(與系統(tǒng)時(shí)間比較，超前為正，滯后為負(fù))，ΔΔρ1k表示相對(duì)于基準(zhǔn)星的星歷偽距改正量。
本實(shí)施例的具體步驟 (1)星鐘誤差的一站式分離 假設(shè)主站是與系統(tǒng)時(shí)間是嚴(yán)格同步的，主站觀測(cè)的偽距在經(jīng)過(guò)雙頻電離層校正和對(duì)流層模型校正這一數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程后，若不考慮偽距殘差的影響，可以認(rèn)為ρ1k只包括主站到衛(wèi)星真實(shí)位置(S)的幾何距離R1k(S)、星鐘偽距誤差ρCLKk(S)，可表示為 (1) 真實(shí)的星鐘誤差表示為 (2) 假設(shè)廣播星歷的徑向偽距誤差為Δρ1k，根據(jù)圖2衛(wèi)星廣播位置與真實(shí)位置的關(guān)系，有上式可改寫(xiě)為 (3) 可變?yōu)? (4) 等式的左邊表示星鐘和星歷誤差的總和，等式的右邊表示相對(duì)于Ek的星鐘偽距誤差，可以表示為 (5) 將-ρCLKk(E)作為星鐘改正數(shù)廣播給用戶，這就是星鐘誤差的第一次改正。
根據(jù)公式(5)和公式(2)的比較，廣播星歷分離的星鐘誤差ρCLKk(E)與真實(shí)的星鐘誤差ρCLKk(s)存在一定的偏差(簡(jiǎn)稱星鐘偏差)。假設(shè)星鐘偏差為ΔρCLKk，其值等于主站分別到廣播星歷與真實(shí)星歷的幾何距離之差，表示為 (6) 這種偏差的大小取決于廣播星歷的預(yù)報(bào)精度，為了減少這種星鐘偏差對(duì)用戶定時(shí)的影響，需要進(jìn)一步改正，這一步稱為星鐘二次改正。
如果副站也是時(shí)間同步的，除差分站的編號(hào)不同外，偽距的表達(dá)式與公式(3)是一致的，即 (7) (2)星歷誤差相對(duì)分離 由于衛(wèi)星的真實(shí)位置是未知的，所以在改正時(shí)用星鐘誤差的第一次改正數(shù)ρCLKk(E)代替真實(shí)星鐘誤差ρCLKk(S)，將副站觀測(cè)的偽距誤差扣除這個(gè)量得到這個(gè)站對(duì)這顆星的星歷偽距誤差貢獻(xiàn)量，表示為 (8) 將多個(gè)副站聯(lián)立可得星歷改正數(shù)，此處將上述過(guò)程稱為星歷偽距誤差的絕對(duì)分離。
如果副站時(shí)間不同步，選擇一顆基準(zhǔn)星(衛(wèi)星1)，通過(guò)星際單差將觀測(cè)其它衛(wèi)星和觀測(cè)基準(zhǔn)星的偽距相減，可消除副站鐘差，得到這個(gè)站的星歷相對(duì)偽距誤差貢獻(xiàn)量，表示為 (9) Δρik-Δρi1表示第i站對(duì)兩顆衛(wèi)星的徑向偽距誤差的相對(duì)誤差，將這個(gè)量分配給第k站，作為第i站對(duì)第K顆衛(wèi)星的星歷偽距改正的貢獻(xiàn)量。利用三個(gè)或三個(gè)以上副站的貢獻(xiàn)量，采用三維解算方程聯(lián)合解算可以得到星歷改正數(shù)，此處將上述過(guò)程稱為星歷偽距誤差的相對(duì)分離。
相對(duì)分離方法只修正了徑向偽距誤差中相對(duì)于基準(zhǔn)星的的不同部分，而其公有部分，其值等于主站與基準(zhǔn)星之間的徑向偽距誤差R11(S)-R11(E)，并沒(méi)有改正。這部分誤差對(duì)用戶定時(shí)會(huì)產(chǎn)生固定偏差。其固定偏差等于用戶定時(shí)的真值解和實(shí)際解之差 (10) 圖3給出了經(jīng)過(guò)星鐘一次改正和星歷誤差改正后的用戶定時(shí)結(jié)果。從圖中可以看出，各個(gè)差分站和用戶的定時(shí)偏差基本相等，表明存在一個(gè)固定偏差，這個(gè)固定偏差通過(guò)星鐘二次改正。
(3)星鐘二次改正 逆向推理如果所有衛(wèi)星的星鐘誤差和星歷誤差均修正為真值，那么根據(jù)用戶定位方程，利用N≥4顆衛(wèi)星的真實(shí)星歷和真實(shí)星鐘可以得到用戶的定時(shí)和定位結(jié)果的真值解，主站作為一個(gè)特殊的用戶具有測(cè)繪位置(與真實(shí)位置的誤差可忽略)已知和時(shí)間同步(Δtu＝0)的特點(diǎn)，這個(gè)已知的真值解可以看作是由真實(shí)星歷和真實(shí)星鐘導(dǎo)出的真值解，這樣可以不再求解Δtu。因此星鐘二次修正方法可以簡(jiǎn)化為 (14) 根據(jù)前面得出的多顆星(N≥4)的差分改正數(shù)和用戶定位方程可以解算出主差分站的差分定時(shí)解，在主站，這個(gè)解的負(fù)值就是星鐘二次改正數(shù)。
(4)以第一次改正數(shù)-ρCLKk(E)和星鐘第二次改正數(shù)ΔρCLKk修正衛(wèi)星鐘的星鐘誤差后進(jìn)行授時(shí)。
由圖3看出表示采用星鐘一次改正數(shù)和星歷改正數(shù)的用戶定時(shí)結(jié)果，圖中結(jié)果顯示差分后各個(gè)差分站和用戶的定時(shí)偏差，可以看出存在一個(gè)固定偏差。
圖4給出了星鐘二次改正的結(jié)果，從圖4可以看出，武漢，成都兩個(gè)網(wǎng)內(nèi)用戶的定時(shí)同步誤差經(jīng)過(guò)星鐘二次修正后，用戶定時(shí)結(jié)果控制在1～3nsec之內(nèi)，間接地說(shuō)明了衛(wèi)星授時(shí)精度可達(dá)1～3nsec。這說(shuō)明這種方法是非常有效的。
權(quán)利要求
1.一種基于廣域差分增強(qiáng)的衛(wèi)星授時(shí)方法，其特征在于各個(gè)差分站同時(shí)進(jìn)行碼相位和載波相位的偽距觀測(cè)，且主差分站與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步，均能測(cè)得偽距的碼相位觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值位置，具體步驟如下
步驟1碼相位的偽距觀測(cè)量利用載波相位觀測(cè)量平滑，得到平滑后的偽距觀測(cè)量；
步驟2在主差分站進(jìn)行星鐘誤差的第一次改正，得到星鐘誤差的第一次改正數(shù)-ρCLKk(E)，其中ρ1k為衛(wèi)星k到主差分站的偽距，R1k(E)為衛(wèi)星k到主差分站的幾何距離，E表示衛(wèi)星的廣播星歷；
步驟3在副差分站進(jìn)行星歷誤差的相對(duì)分離，得到該副差分站星歷偽距的相對(duì)改正量Δρik-Δρi1
其中Δρik表示衛(wèi)星k到副差分站i的站星星歷偽距誤差，Δρi1表示基準(zhǔn)星到副差分站i的站星星歷偽距誤差，ρik表示衛(wèi)星k到副差分站i的偽距，ρi1表示基準(zhǔn)星到副差分站i的偽距，ρ11表示基準(zhǔn)星到主差分站的偽距；R11(E)表示基準(zhǔn)星的廣播星歷到主差分站的幾何距離，Rik(E)表示衛(wèi)星k的廣播星歷到差分站i的幾何距離，Ri1(E)表示基準(zhǔn)星的廣播星歷到差分站i的幾何距離；
步驟4利用三個(gè)或三個(gè)以上的差分站得到的該副差分站星歷偽距的相對(duì)改正量Δρik-Δρi1，采用三維用戶定位方程解算得到星歷改正數(shù)；
步驟5在主差分站進(jìn)行星鐘誤差的第二次改正，得到星鐘第二次改正數(shù)ΔρCLKk，
其中R1k(S)表示衛(wèi)星k的真實(shí)位置到主差分站的幾何距離，Δtu表示用戶定時(shí)結(jié)果的真值解，Δtu′表示用戶定時(shí)結(jié)果的實(shí)際解；
所述用戶定時(shí)結(jié)果的真值解對(duì)于主差分站為Δtu＝0；
所述用戶定時(shí)結(jié)果的實(shí)際解將多顆衛(wèi)星利用步驟2得到的星鐘改正數(shù)和步驟4得到星歷改正數(shù)，代入四維用戶定位方程，得到主差分站的定時(shí)結(jié)果的實(shí)際解Δtu′；將主差分站的定時(shí)結(jié)果的實(shí)際解Δtu′作為星鐘第二次改正數(shù)；
步驟6以第一次改正數(shù)-ρCLKk(E)和星鐘第二次改正數(shù)ΔρCLKk修正衛(wèi)星鐘的星鐘誤差后進(jìn)行授時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于廣域差分增強(qiáng)的衛(wèi)星授時(shí)方法，技術(shù)特征在于各個(gè)差分站同時(shí)進(jìn)行碼相位和載波相位的偽距觀測(cè)，且主差分站與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步，均能測(cè)得偽距的碼相位觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值位置。主要效果有兩個(gè)(1)提高衛(wèi)星授時(shí)精度，利用本方法能使衛(wèi)星授時(shí)達(dá)到1～3nsec。(2)簡(jiǎn)化地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的配置，降低差分網(wǎng)的建設(shè)成本。
文檔編號(hào)G01S5/14GK101609143SQ20091002230
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者蔡成林, 李孝輝, 吳海濤, 王文利, 常興旺 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心