CN112666578B

CN112666578B - 顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法及计算装置

Info

Publication number: CN112666578B
Application number: CN202011485990.4A
Authority: CN
Inventors: 何海波; 王冰; 郭海荣; 王爱兵; 李金龙; 朱恩慧; 马成
Original assignee: People's Liberation Army 61081 Unit
Current assignee: People's Liberation Army 61081 Unit
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2024-09-20
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: CN112666578A

Abstract

本发明涉及卫星轨道误差计算相关技术领域，具体涉及一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法及计算装置，其中，顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法，包括：基于北斗现有的米级精度广播星历或更高精度的精密星历计算单程几何延迟来减小GEO卫星运动误差；利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟；基于所述电离层延迟和所述单程几何延迟计算用户时钟差。

Description

顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法及计算装置

技术领域

本发明涉及卫星轨道误差计算相关技术领域，具体涉及一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法及计算装置。

背景技术

北斗RDSS双向定时是北斗系统的特色，可有效改进定时精度，使得北斗定时精度可优于10纳秒。现有北斗双向定时算法基于单程几何延迟为双程几何延迟的二分之一的近似公式，利用中心站双向时延测量值来计算获得单程几何延迟，使得北斗双向定时结果中含有较大的GEO卫星运动误差和电离层延迟模型误差影响。

发明内容

有鉴于此，提供一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法，以解决相关技术中的问题。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法，包括：

基于北斗现有的米级精度广播星历或更高精度的精密星历计算单程几何延迟来减小GEO卫星运动误差；

利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟；

基于所述电离层延迟和所述单程几何延迟计算用户时钟差。

可选的，所述利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟包括：

在RDSS双向定时中，具有如下等式：

式中：上标1表示信号从中心站上行至卫星；上标2表示信号从卫星下行至用户机；上标3表示信号从用户机上行至卫星；上标4表示信号从卫星下行至中心站；o表示中心站；r表示用户机；τ¹为信号发射时刻t₀中心站位置到卫星接收信号时刻t₁的卫星位置之间的几何距离时延，τ²为卫星信号转发时刻t₁的卫星位置到信号接收时刻t₂的RDSS接收机位置之间的几何距离时延，τ³为用户机信号发射时刻t₂的位置到卫星接收时刻t₃的天线位置之间的几何距离时延，τ₄为卫星信号转发时刻t₃的位置到中心站接收信号时刻t₄的位置之间的几何距离时延，c为光速；分别为中心站和RDSS接收机处的对流层延迟；和分别为用户机L波段信号至卫星和卫星C2波段信号至中心站的电离层延迟，f_L、为L和C2波段频率；为地球自转引起的sagnac效应改正；分别为接收机处理S出站信号并发射L波段入站信号的设备硬件时延、卫星L/C2转发器时延、中心站接收处理C2波段入站信息的时延；为中心站信号发射设备时延、为卫星C1/S转发器时延；ε₀为中心站接收机的观测噪声和多路径效应；由上述公式得：

令：

则：

由于存在的近似比例关系；

则：

进一步的：

即：

其中，为中心站至用户机之间的双向时延；I_o、I_r分别为与中心站o和用户机r相应的电离层延迟参数；f_C1、f_S为C1和S波段频率；为地球自转引起的sagnac效应改正；分别为中心站C1波段信号至卫星和卫星转发S波段至用户机的电离层延迟。

可选的，所述用户时钟差为

由公式：

其中：式中；为接收机接收处理S波段信号时延；为RDSS接收机的钟差；

由上知：

得到：

其中，为时延观测值，ε_r为RDSS接收机的观测噪声和多路径效应影响。

可选的，

ω为地球自转角速度，(X_o,Y_o)、(X_r,Y_r)、(X_s,Y_s)分别为中心站o、接收机r和卫星s的直角坐标。

第二方面，本申请提供一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算装置，包括：

几何迟延计算模块，用于基于北斗现有的米级精度广播星历或更高精度的精密星历计算几何延迟来减小GEO卫星运动误差；

电离层延迟计算模块，用于利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟；

用户时钟差计算模块，用于基于所述电离层延迟和所述单程几何延迟计算用户时钟差。

可选的，所述电离层延迟计算模块，具体用于：

在RDSS双向定时中，具有如下等式：

式中：上标1表示信号从中心站上行至卫星；上标2表示信号从卫星下行至用户机；上标3表示信号从用户机上行至卫星；上标4表示信号从卫星下行至中心站；o表示中心站；r表示用户机；τ¹为信号发射时刻t₀中心站位置到卫星接收信号时刻t₁的卫星位置之间的几何距离时延，τ²为卫星信号转发时刻t₁的卫星位置到信号接收时刻t₂的RDSS接收机位置之间的几何距离时延，τ³为用户机信号发射时刻t₂的位置到卫星接收时刻t₃的天线位置之间的几何距离时延，τ₄为卫星信号转发时刻t₃的位置到中心站接收信号时刻t₄的位置之间的几何距离时延，c为光速；别为中心站和RDSS接收机处的对流层延迟；和分别为用户机L波段信号至卫星和卫星C2波段信号至中心站的电离层延迟，f_L、f_C2为L和C2波段频率；为地球自转引起的sagnac效应改正；分别为接收机处理S出站信号并发射L波段入站信号的设备硬件时延、卫星L/C2转发器时延、中心站接收处理C2波段入站信息的时延；为中心站信号发射设备时延、为卫星C1/S转发器时延；ε₀为中心站接收机的观测噪声和多路径效应；由上述公式得：

令：

则：

由于存在的近似比例关系；

则：

进一步的：

即：

可选的，所述用户时钟差计算模块，具体用于：

所述用户时钟差为

由公式：

由上知：

得到：

可选的， ω为地球自转角速度，(X_o,Y_o)、(X_r,Y_r)、(X_s,Y_s)分别为中心站o、接收机r和卫星s的直角坐标。

第三方面，提供一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算设备，包括：

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行本申请第一方面所述的顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法。

第四方面，提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如本申请第一方面所述的顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法中各个步骤。

本发明采用以上技术方案，可以基于北斗现有的米级精度广播星历或更高精度的精密星历计算单程几何延迟来减小GEO卫星运动误差；利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟；基于所述电离层延迟和所述单程几何延迟计算用户时钟差。如此设置，减小GEO卫星运动误差和电离层延迟对于用户时钟差的影响，使得得出的用户时钟差更加的精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法中信号交互图；

图3是本发明实施例提供的一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

首先对本发明实施例的应用场景进行说明，北斗RDSS双向定时是北斗系统的特色，可有效改进定时精度，使得北斗定时精度可优于10纳秒。现有北斗双向定时算法基于单程几何延迟为双程几何延迟的二分之一的近似公式，利用中心站双向时延测量值来计算获得单程几何延迟，使得北斗双向定时结果中含有较大的GEO卫星运动误差和电离层延迟模型误差影响。

本技术对北斗双向定时算法进行了改进，利用卫星轨道参数来计算单程几何延迟来减小GEO卫星运动误差，利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟，可有效改进电离层延迟修正精度。根据误差理论对改进后算法进行分析，分析结果表明利用改进后的算法进行双向定时，双向定时精度可以达到5～6纳秒，本申请针对这一问题提出了对应的解决方案。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法的流程图，图2是本发明实施例提供的一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法中信号交互图；参考图1，该方法具体可以包括如下步骤：

S101、基于北斗现有的米级精度广播星历或更高精度的精密星历计算单程几何延迟来减小GEO卫星运动误差；

S102、利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟；

S103、基于所述电离层延迟和所述单程几何延迟计算用户时钟差。

如此设置，减小GEO卫星运动误差和电离层延迟对于用户时钟差的影响，使得得出的用户时钟差更加的精确。

具体的，北斗卫星导航系统提供单向定时和双向定时两种定时服务。北斗RDSS单向定时、RNSS单向定时原理与GPS定时原理相同，定时精度优于50纳秒。北斗RDSS双向定时是北斗卫星导航系统的特色，基于RDSS单向和双向测距功能，同时利用RDSS报文向用户回传时差修正信息，定时精度可优于10纳秒。

中心站向卫星发射频率为C₁波段的出站信号，经北斗GEO卫星转发后变为S波段信号播发给用户，北斗RDSS接收机接收中心站t₀时刻播发的出站信号，可测量获得信号从中心站经GEO卫星转发至用户的时延，该时延观测值方程可写为：

式中：上标1表示信号从中心站上行至卫星；上标2表示信号从卫星下行至用户机；上标3表示信号从用户机上行至卫星；上标4表示信号从卫星下行至中心站；o表示中心站；r表示用户机；τ¹为信号发射时刻t₀中心站位置到卫星接收信号时刻t₁的卫星位置之间的几何距离时延，τ²为卫星信号转发时刻t₁的卫星位置到信号接收时刻t₂的RDSS接收机位置之间的几何距离时延，τ³为用户机信号发射时刻t₂的位置到卫星接收时刻t₃的天线位置之间的几何距离时延，τ₄为卫星信号转发时刻t₃的位置到中心站接收信号时刻t₄的位置之间的几何距离时延，c为光速；和分别为中心站和RDSS接收机处的对流层延迟(s)；和分别为中心站C₁波段信号至卫星和卫星转发S波段至用户机的电离层延迟(s)，I_o、I_r分别为与中心站o和用户机r相应的电离层延迟参数，f_C1、f_S为C₁和S波段频率；为地球自转引起的sagnac效应改正，ω为地球自转角速度，(X_o,Y_o)、(X_r,Y_r)、(X_s,Y_s)分别为中心站o、接收机r和卫星s的直角坐标；分别为中心站信号发射设备时延、卫星C₁/S转发器时延和接收机接收处理S波段信号时延(s)；为RDSS接收机的钟差；ε_r为接收机的观测噪声和多路径效应影响。

(1)式中，中心站信号发射设备时延卫星转发器时延在RDSS电文信息中广播，接收机可从中获取。接收机还从广播信息中获取卫星位置和速度，用于几何距离时延的计算。

令：

则接收机的钟差为：

式中对流层延迟、电离层延迟可利用模型进行修正。

中心站发射出站信号经GEO卫星转发至北斗RDSS接收机，接收机接收并响应中心站出站信号，发射入站信号经卫星s转发至中心站，中心站可测量获得中心站至用户机之间的双向时延：

式中：分别为中心站和RDSS接收机处的对流层延迟(s)；和分别为用户机L波段信号至卫星和卫星C₂波段信号至中心站的电离层延迟(s)，f_L、为L和C₂波段频率；为地球自转引起的sagnac效应改正，分别为接收机处理S出站信号并发射L波段入站信号的设备硬件时延(接收机双向时延)(s)、卫星L/C₂转发器时延、中心站接收处理C₂波段入站信息的时延；ε₀为中心站接收机的观测噪声和多路径效应；其余符号含义同(1)式。

(4)式中，中心站信号发射和接收时延、卫星出站和入站转发器时延、用户机收发双向时延均可精确标定，并存储于中心站。卫星、中心站位置已知，接收机位置多数情况下已知，则4个几何距离延迟τⁱ(i＝1,2,3,4)可以计算获得，也可以通过(5)式计算获得；4个sagnac修正项均可通过模型计算而精确修正；对流层延迟与地点位置和卫星仰角相关，与频率不相关，即可采用Saastamoinen等模型进行修正；电离层延迟可通过模型进行修正。

RDSS双向定时算法，是以中心站至用户机的单程几何延迟为待估参数，以单程几何延迟为双程几何延迟为依据，利用双向测距来计算(1)式中的单程几何延迟

将上式代入(1)式，即可获得用户机钟差

北斗RDSS双向定时算法可能受到卫星双向时间比对方法的启示，其主要出发点是降低北斗双向定时对卫星星历和用户机位置精度要求；不过，由于北斗RDSS双向定时与卫星双向时间比对在原理上略有不同，使得北斗RDSS双向定时算法不仅受电离层延迟误差影响较大，同时仍会受到GEO运动的影响。GEO径向速度最大约10米，RDSS出站信号和入站信号往返经过GEO卫星的时间相差0.2秒以上，因此认为单程几何延迟为双程几何延迟也会引入十余纳秒甚至数十纳秒的误差。

本文将对双向定时算法进行改进，基于北斗现有的米级精度广播星历或更高精度的精密星历，以电离层延迟为待估参数，利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，并利用双向测距计算获得电离层延迟，进而计算用户机钟差。利用(4)式，可获得电离层延迟：

令：

则：

由于存在的近似比例关系，则：

代入(7)式，则有：

考虑对流层延迟，进一步有：

将上式代入方程(3)，则可得用户机钟差为：

式中在中心站进行计算后，通过RDSS发送给用户机进行修正。

图3是本发明实施例提供的一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算装置的结构示意图；参照图3，本申请提供的顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算装置，包括：

几何迟延计算模块31，用于基于北斗现有的米级精度广播星历或更高精度的精密星历计算几何延迟来减小GEO卫星运动误差；

电离层延迟计算模块32，用于利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟；

用户时钟差计算模块33，用于基于所述电离层延迟和所述单程几何延迟计算用户时钟差。

可选的，所述电离层延迟计算模块，具体用于：

在RDSS双向定时中，具有如下等式：

式中：上标1表示信号从中心站上行至卫星；上标2表示信号从卫星下行至用户机；上标3表示信号从用户机上行至卫星；上标4表示信号从卫星下行至中心站；o表示中心站；r表示用户机；τ¹为信号发射时刻t₀中心站位置到卫星接收信号时刻t₁的卫星位置之间的几何距离时延，τ²为卫星信号转发时刻t₁的卫星位置到信号接收时刻t₂的RDSS接收机位置之间的几何距离时延，τ³为用户机信号发射时刻t₂的位置到卫星接收时刻t₃的天线位置之间的几何距离时延，τ₄为卫星信号转发时刻t₃的位置到中心站接收信号时刻t₄的位置之间的几何距离时延，c为光速；别为中心站和RDSS接收机处的对流层延迟；和分别为用户机L波段信号至卫星和卫星C2波段信号至中心站的电离层延迟，f_L、为L和C2波段频率；为地球自转引起的sagnac效应改正；分别为接收机处理S出站信号并发射L波段入站信号的设备硬件时延、卫星L/C2转发器时延、中心站接收处理C2波段入站信息的时延；为中心站信号发射设备时延、为卫星C1/S转发器时延；ε₀为中心站接收机的观测噪声和多路径效应；由上述公式得：

令：

则：

由于存在的近似比例关系；

则：

进一步的：

即：

可选的，所述用户时钟差计算模块，具体用于：

所述用户时钟差为

由公式：

由上知：

得到：

图4是本发明实施例提供的一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算设备的结构示意图。参照图4，本申请提供一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算设备，包括：

处理器41，以及与所述处理器41相连接的存储器；

所述存储器42用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行本申请第一方面所述的顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法中各个步骤。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法，其特征在于，包括：

基于所述电离层延迟和所述单程几何延迟计算用户时钟差；

所述利用出站信号和入站信号之间的频率比例关系，重新构建电离层延迟计算模型，将电离层延迟作为待估参数，利用双向测距直接计算电离层延迟包括：

在RDSS双向定时中，具有如下等式：

式中：上标1表示信号从中心站上行至卫星；上标2表示信号从卫星下行至用户机；上标3表示信号从用户机上行至卫星；上标4表示信号从卫星下行至中心站；o表示中心站；r表示用户机；τ¹为信号发射时刻t₀中心站位置到卫星接收信号时刻t₁的卫星位置之间的几何距离时延，τ²为卫星信号转发时刻t₁的卫星位置到信号接收时刻t₂的RDSS接收机位置之间的几何距离时延，τ³为用户机信号发射时刻t₂的位置到卫星接收时刻t₃的天线位置之间的几何距离时延，τ₄为卫星信号转发时刻t₃的位置到中心站接收信号时刻t₄的位置之间的几何距离时延，c为光速；分别为中心站和RDSS接收机处的对流层延迟；和分别为用户机L波段信号至卫星和卫星C2波段信号至中心站的电离层延迟，f_L、f_C2为L和C2波段频率；为地球自转引起的sagnac效应改正；分别为接收机处理S出站信号并发射L波段入站信号的设备硬件时延、卫星L/C2转发器时延、中心站接收处理C2波段入站信息的时延；为中心站信号发射设备时延、为卫星C1/S转发器时延；ε₀为中心站接收机的观测噪声和多路径效应；由上述公式得：

令：

则：

由于存在的近似比例关系；

则：

进一步的：

即：

2.根据权利要求1所述顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法，其特征在于，所述用户时钟差为

由公式：

得：

由上知：

得到：

3.根据权利要求2所述顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法，其特征在于， ω为地球自转角速度，(X_o,Y_o)、(X_r,Y_r)、(X_s,Y_s)分别为中心站o、接收机r和卫星s的直角坐标。

4.一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算装置，其特征在于，包括：

用户时钟差计算模块，用于基于所述电离层延迟和单程几何延迟计算用户时钟差；

其中，所述电离层延迟计算模块，具体用于：

在RDSS双向定时中，具有如下等式：

令：

则：

由于存在的近似比例关系；

则：

进一步的：

即：

5.根据权利要求4所述顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算装置，其特征在于，所述用户时钟差计算模块，具体用于：

所述用户时钟差为

由公式：

得：

由上知：

得到：

6.根据权利要求5所述顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法，其特征在于， ω为地球自转角速度，(X_o,Y_o)、(X_r,Y_r)、(X_s,Y_s)分别为中心站o、接收机r和卫星s的直角坐标。

7.一种顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时计算设备，其特征在于，包括：

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行权利要求1-3任一项所述的顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法。

8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-3任一项所述的顾及轨道误差和电离层延迟的双向定时算法中各个步骤。