卫星天线能收到国外(卫星通信系统天线)

南宁夜生活 手机知识 2022-07-31 83 0

一种卫星导航系统的完好性监测方法与流程

1.本发明总的来说涉及卫星导航系统技术领域。具体而言,本发明涉及一种卫星导航系统的完好性监测方法。

背景技术:

2.卫星导航系统的完好性是其重要的服务属性之一,所述完好性要求卫星导航系统可以实时监视卫星在轨运行状态,并在影响导航服务的卫星故障后第一时间将不完好标识告知用户。目前的卫星导航系统中,gps系统和galileo系统均设计了逻辑严谨的完好性参数体系及服务机制。而受益于可在全球范围内布设地面监测站和数传链路,gps系统和galileo系统可在全域实时监视卫星的完好状态,并将异常情况告知用户。

3.北斗卫星导航系统是我国独立建设的卫星导航系统。它的建设遵循“三步走”的发展战略。2003年,具备约束高程独立定位的北斗一号系统建设完成,完成第一步发展规划。2012年,北斗二号完成系统建设,向亚太地区提供导航定位授时服务。2020年,北斗三号系统完成组网,正式向全球范围提供服务。

4.然而gps系统和galileo系统利用全球分布监测站的卫星完好性监测方法并不能适用于北斗卫星导航系统。这是因为北斗卫星导航系统并未实现全球分布地面站建设,并且北斗卫星的设计显著不同于gps卫星和galileo卫星,北斗卫星的星上载荷更加复杂,面临更多的完好性监测对象。

5.北斗二号系统设计了完整的卫星状态实时监视及异常告警方法,并延续至北斗三号系统,其通过监测星地双向时间同步实时测量的卫星钟差和利用监测接收机计算的卫星用户等效距离误差实时判断卫星载荷的状态。若卫星钟差异常而用户等效距离误差正常,则可定位为卫星上行扩频接收机异常;若卫星钟差异常且用户等效距离误差异常,则可定位为卫星星载原子钟故障;若卫星钟差正常且用户等效距离误差异常,则可定位为卫星下行导航信号发射异常。

6.然而,由于北斗卫星导航系统仅能区域布站,当北斗卫星运行至境外,无星地双向时间同步结果和监测接收机用户等效距离误差监测结果时,上述监测手段将不再生效。另外,与北斗二号卫星不同,北斗三号卫星还搭载了星间链路载荷,而原有的方法无法满足星间链路载荷的完好性监测需求。

7.因此,需要根据北斗三号卫星导航系统的工程实际,提出一种北斗三号卫星境外弧段完好性监测与异常告警方法。

8.德国宇航局(dlr)的科学工作者提出利用星间链路测量实现卫星完好性状态监视与异常告警。然而,该方法仅能识别出卫星故障,其相信星间链路载荷的可靠性,忽略了其可能的故障情况,无法判断识别出卫星故障载荷,容易产生虚警和漏警。

9.目前北斗三号卫星设计并实现了星上自主完好性监测方法。但是该方法仅能实现对卫星故障的小环监测,无法识别出全部的卫星故障。并且目前北斗三号卫星的在轨运行表明,卫星的星上自主完好性监测载荷还存在可靠性差、虚警多等问题。

技术实现要素:

10.为至少部分解决现有技术中的上述问题,本发明提出一种卫星导航系统的完好性监测方法其中由卫星导航系统执行下列动作:

11.接收星间链路双向测量数据并修正误差,并且利用预报轨道和预报钟差参数对星间链路双向观测数据进行归算以确定第一星间几何距离和第一相对钟差;

12.根据卫星导航电文计算第二星间几何距离和第二相对钟差;

13.将所述第二星间几何距离和第二相对钟差分别与所述第一星间几何距离和第一相对钟差作差以确定几何距离残差以及相对钟差残差;

14.接收地面监测站对卫星下行导航信号的伪距数据和相位数据并修正误差,并且利用卫星导航电文计算导航卫星等效距离误差;以及

15.根据所述几何距离残差、所述相对钟差残差以及所述导航卫星等效距离误差判断卫星载荷的完好状态。

16.在本发明一个实施例中规定,确定第一星间几何距离和第一相对钟差包括下列步骤:

17.在第一时刻t1和第二时刻t2接收星间链路双向测量数据并扣除误差以构建观测方程,表示为下式:

[0018][0019][0020]

其中,ρ

ab

(t1)表示第二卫星在t1时刻收到来自第一卫星的伪距测量,ρ

ba

(t2)表示第一卫星在t2时刻收到来自第二卫星的伪距测量,分别表示第一卫星和第二卫星的三维位置,clka、clkb分别表示第一卫星和第二卫星的卫星钟差,c表示光速,δt1和δt2表示光行时,和分别表示第一卫星的发射时延和接收时延,和分别表示第二卫星的发射时延和接收时延,和分别表示第一误差修正项;

[0021]

将第一时刻t1和第二时刻t2的星间链路双向测量数据归算至目标时刻t0,表示为下式:

[0022][0023][0024]

其中dρ

ab

和dρ

ba

分别表示观测历元与目标历元的卫星距离差和卫星钟差差,利用预报轨道和预报钟差参数进行计算,表示为下式:

[0025][0026][0027]

确定第一星间几何距离,其中将ρ

ab

(t0)和ρ

ba

(t0)相加以消除卫星钟差信息,表示为下式:

[0028][0029]

以及

[0030]

确定第一相对钟差,其中将ρ

ab

(t0)和ρ

ba

(t0)作差以消除卫星轨道信息,表示为下式:

[0031][0032]

在本发明一个实施例中规定,所述第一误差改正项包括卫星天线相位中心误差、相对论效应误差、对流层延迟误差、测站偏心误差以及潮汐效应误差。

[0033]

在本发明一个实施例中规定,计算几何距离残差表示为下式:

[0034][0035]

其中,表示第一卫星和第二卫星的几何距离残差,和分别表示利用卫星导航电文计算的第二卫星和第一卫星的位置;以及

[0036]

计算相对钟差残差表示为下式:

[0037][0038]

其中,表示第一卫星和第二卫星相对钟差的计算残差,clkb(t0)和clka(t0)分别表示利用卫星导航电文计算的第二卫星和第一卫星的钟差。

[0039]

在本发明一个实施例中规定,将地面监测站对卫星下行导航信号的伪距数据p和相位数据表示为下式:

[0040][0041]

其中,λ表示相位数据对应的波长,和分别表示卫星和接收机位置矢量,c表示光速,δt

rcvclk

和δt

satclk

分别表示接收机钟差和卫星钟差,δd

phs

表示卫星天线相位中心偏差,δd

rel

表示相对论效应引起的延迟,δd

trop

表示对流层延迟,δd

ion

表示电离层延迟,δd

ecc

表示测站偏心改正,δd

gtide

表示测站潮汐改正,δd

plm

表示测站位移引起的测距偏差,n表示相位数据模糊度,εc和ε

p

分别表示伪距和相位的多径及噪声;以及

[0042]

将导航卫星等效距离误差uere表示为下式:

[0043]

并未排除二者之间存在中间物的情况。此外,“布置在

上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系,而在一定情况下、如在颠倒产品方向后,也可以转换为“布置在

下或下方”,反之亦然。

[0056]

在本发明中,各实施例仅仅旨在说明本发明的方案,而不应被理解为限制性的。

[0057]

在本发明中,除非特别指出,量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

[0058]

在此还应当指出,在本发明的实施例中,为清楚、简单起见,可能示出了仅仅一部分部件或组件,但是本领域的普通技术人员能够理解,在本发明的教导下,可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外,除非另行说明,本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如,可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征,所得到的实施例同样落入本技术的公开范围或记载范围。

[0059]

在此还应当指出,在本发明的范围内,“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等,而是允许一定的合理误差,也就是说,所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推,在本发明中,表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

[0060]

另外,本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出,各方法步骤可以以不同顺序执行。

[0061]

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

[0062]

针对目前北斗导航卫星在境外弧段缺少有效完好性监测手段问题,在本发明一个实施例中提出一种可以综合星间链路测量、地面监测站观测数据,并且用于境外弧段北斗卫星的完好性监测方法。

[0063]

图1示出了本发明一个实施例中一个卫星导航系统的完好性监测方法的流程示意图。如图1所示,该方法可以包括接收星间链路双向测量数据并修正误差,并且利用预报轨道和预报钟差参数对星间链路双向观测数据进行归算以确定第一星间几何距离和第一相对钟差;根据卫星导航电文计算第二星间几何距离和第二相对钟差;将所述第二星间几何距离和第二相对钟差分别与所述第一星间几何距离和第一相对钟差作差以确定几何距离残差以及相对钟差残差;接收地面监测站对卫星下行导航信号的伪距数据和相位数据并修正误差,并且利用卫星导航电文计算导航卫星等效距离误差;以及根据所述几何距离残差、所述相对钟差残差以及所述导航卫星等效距离误差判断卫星载荷的完好状态。

[0064]

具体而言,本发明的一个实施例中可以包括下列步骤:

[0065]

步骤100:由卫星导航系统实时接收全星座的星间链路双向测量数据,扣除卫星天线相位中心、设备时延和相对论延迟等误差,并且利用预报轨道和钟差参数对星间链路双向观测数据进行归算以得到星间几何距离和相对钟差。

[0066]

步骤200:由卫星导航系统根据卫星播发导航电文所包括的卫星广播星历和钟差参数,计算星间几何距离和相对钟差理论值。并且将所述星间几何距离和相对钟差理论值分别与步骤一中归算得到的星间几何距离和相对钟差作差,以得到几何距离残差和相对钟差残差。

[0067]

步骤300:由卫星导航系统实时接收公开的或者其它形式获得的地面监测站对卫星下行导航信号的伪距相位数据,扣除相对论延迟、对流层延迟、电离层延迟、接收机天线相位中心误差,并且利用北斗卫星导航电文包含的广播星历、钟差和群延迟参数计算导航

卫星等效距离误差(uere,user equivalent range error)。

[0068]

步骤400:由卫星导航系统根据地面监测接收机的所述uere、所述相对几何距离残差以及所述相对钟差残差来判断卫星载荷的实时完好状态,并且当卫星载荷出现异常时立即发出告警。

[0069]

在步骤100中可以包括下列步骤:

[0070]

步骤101:假定第二卫星在t1时刻收到来自第一卫星的伪距测量ρ

ab

(t1),第一卫星在t2时刻收到来自第二卫星的伪距测量ρ

ba

(t2),可以将观测方程表示为下式:

[0071][0072][0073]

其中,分别表示第一卫星和第二卫星的三维位置,clka、clkb分别表示第一卫星和第二卫星的卫星钟差,c表示光速,δt1和δt2表示光行时,和分别表示第一卫星的发射时延和接收时延,和分别表示第二卫星的发射时延和接收时延,和分别表示单向测距中可精确建模的误差改正项。所述误差改正项可以包括卫星天线相位中心和相对论效应等。对于对地观测,所述误差改正项还可以包括对流层延迟、测站偏心、潮汐效应等误差,其中所述误差改正项均可以精确建模。

[0074]

步骤102:以t1和t2表示相差不超过3s的不同时刻。

[0075]

由于同时刻的双向伪距相加可以消除卫星钟差后仅包括卫星距离以用于卫星定轨;并且同时刻的双向伪距相减可以消除卫星轨道后仅包括卫星钟差以用于钟差测定。因此可以将不同时刻的双向观测归算至同一时刻,其中假定将t1和t2测量的测距值需要归算至目标时刻t0,可以将归算公式表示为下式:

[0076][0077][0078]

其中dρ

ab

和dρ

ba

分别表示观测历元与目标历元的卫星距离差和卫星钟差差,并且dρ

ab

和dρ

ba

可以表示为下式:

[0079][0080][0081]

其中dρ

ab

和dρ

ba

可以根据卫星预报轨道和预报钟差参数进行计算。

[0082]

步骤103:步骤102中的ρ

ab

(t0)和ρ

ba

(t0)还不能直接用于卫星轨道和钟差测定,还需进行进一步运算。

[0083]

将ρ

ab

(t0)和ρ

ba

(t0)相加可以消除卫星钟差信息,仅包含对卫星轨道参数的约束,可以直接用于精密定轨处理,表示为下式:

[0084]

[0085][0086]

将ρ

ab

(t0)和ρ

ba

(t0)作差可以消除卫星轨道信息,仅包括卫星钟差可以直接用于钟差测定,表示为下式:

[0087][0088]

在步骤200中可以包括下列步骤:

[0089]

步骤201:利用卫星导航信号下发的广播星历计算卫星位置,并与星间链路归算的几何距离作差,得到两颗卫星的星间链路几何距离残差,表示为下式:

[0090][0091]

其中,表示第一卫星和第二卫星几何距离的计算残差,和分别表示利用广播星历计算的卫星位置。

[0092]

步骤202:利用卫星导航信号下发的广播钟差参数计算卫星位置,并与星间链路归算的相对钟差作差,得到两颗卫星的星间链路相对钟差残差,表示为下式:

[0093][0094]

其中,表示第一卫星和第二卫星相对钟差的计算残差,clkb(t0)和clka(t0)分别表示利用广播星历计算的卫星钟差。

[0095]

在步骤300中可以包括下列步骤:

[0096]

步骤301:伪距相位数据是计算导航卫星等效距离误差(uere)的重要数据源。其中伪距数据p和相位数据的测量模型可以表示为下式:

[0097][0098]

其中,λ表示相位数据对应的波长,和分别表示卫星和接收机位置矢量,c表示光速,δt

rcvclk

和δt

satclk

分别表示接收机钟差和卫星钟差,δd

phs

表示卫星天线相位中心偏差,δd

rel

表示相对论效应引起的延迟,δd

trop

表示对流层延迟,δd

ion

表示电离层延迟,δd

ecc

表示测站偏心改正,δd

gtide

表示测站潮汐改正,δd

plm

表示测站位移引起的测距偏差,n表示相位数据模糊度,εc和ε

p

分别表示伪距和相位的多径及噪声。

[0099]

步骤302:导航卫星等效距离误差(uere)会受到卫星轨道误差、钟差误差、空间段介质延迟改正误差和接收机端多径及热噪声对伪距测量的综合影响。对于特定的导航卫星空间星座,uere越小,用户定位授时精度越高。uere的计算公式可以表示为下式:

[0100][0101]

其中pc表示伪距数据的无电离层组合。

[0102]

如果δt

satclk

采用星地双向时频传递实时测定的卫星钟差,其精度可以优于

0.5ns,ε表示接收机端噪声和多径效应。为避免伪距多径的影响,uere评估可以采用相位数据单向平滑后的伪距观测值。

[0103]

在步骤400中可以包括下列步骤:

[0104]

步骤401:在出现下列情况时判断该卫星的广播星历对卫星轨道运动的描述精度下降:

[0105]

某时刻按照步骤201计算的某卫星对所有其它卫星的星间链路几何距离残差超出设定阈值,并且按照步骤302计算的所有监测站对该卫星的uere超出设定阈值。

[0106]

步骤402:在出现下列情况之一时判断该卫星的星间链路测量异常:

[0107]

某时刻按照步骤201计算的某卫星对所有其它卫星的星间链路几何距离残差超出设定阈值,并且按照步骤302计算的所有监测站对该卫星的uere未超出设定阈值;或者

[0108]

某时刻按照步骤201计算的某卫星对所有其它卫星的星间链路相对钟差残差超出设定阈值,并且按照步骤302计算的所有监测站对该卫星的uere未超出设定阈值。

[0109]

步骤403:在出现下列情况时判断该卫星的星载原子钟异常:

[0110]

某时刻按照步骤201计算的某卫星对所有其它卫星的星间链路相对钟差残差超出设定阈值,并且按照步骤302计算的所有监测站对该卫星的uere超出设定阈值。

[0111]

步骤404:在出现下列情况时判断该卫星的下行导航载荷异常:

[0112]

某时刻按照步骤201计算的某卫星对所有其它卫星的星间链路相对钟差残差未超出设定阈值,按照步骤201计算的某卫星对所有其它卫星的星间链路几何距离残差未超出设定阈值,并且按照步骤302计算的所有监测站对该卫星的uere超出设定阈值。

[0113]

尽管上文描述了本发明的各实施例,但是,应该理解,它们只是作为示例来呈现的,而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是,可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此,此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制,而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

评论

复制成功

QQ: 1950939939
南宁KB舒缓会馆

我知道了
南宁kb舒缓会馆
QQ:1950939939加QQ
1950939939