一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，包括如下操作步骤：首先通过文件或者网络获取单台GNSS静态测站观测值和广播星历；其次进行数据预处理和误差改正；然后建立多普勒频移测速模型，求解接收机三维速度；再构建北斗卫星轨道机动时间判别因子和机动卫星判别因子；最后确定卫星轨道机动的时刻及卫星PRN号。该方法仅利用单台GNSS静态接收机，使用多普勒观测值进行卫星机动探测，不需要复杂的轨道力模型，具有精度高，计算量小，成本低等优势，可以快捷的探测卫星轨道机动，十分方便用户使用。十分方便用户使用。十分方便用户使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法


[0001]本专利技术涉及卫星机动探测
，具体而言，涉及一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法。

技术介绍

[0002]由于地球非球形重力等因素会影响导航卫星，使轨道长周期项发生摄动及卫星位置偏移，导航卫星需要进行轨道机动来使其稳定在名义轨道位置上，尤其是GEO和IGSO卫星，为保持它们的地球同步特性，需要经常进行轨道机动。与其他全球导航卫星系统GNSS不同，北斗系统中的混合星座的轨道机动更为频繁。在轨道机动过程中，卫星的实际位置和名义位置相差可达数十公里，对卫星的正常运行和定位效果产生严重影响。为了在偏差发生后及时重新定轨，需要尽快识别异常状态与机动情况。然而北斗卫星的机动信息对普通用户而言难以获取，北斗广播星历中的卫星健康标识为逐小时播报，采样率低且有时对异常卫星识别误差大，这使得大量有效有用的观测数据丢失，寻找一种实时有效的卫星机动探测方法是非常重要的。
[0003]尽管目前卫星机动探测的各种方法都取得了一定的成果，但是部分采用了复杂的力模型，还有部分采用了普通用户难以获得的原始数据，计算复杂，难以快速探测，对于普通用户来说成本较高，因此，我们对此做出改进，提出一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法。

技术实现思路

[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，利用单台GNSS静态接收机，使用多普勒观测值进行卫星机动探测，不需要复杂的轨道力模型，具有精度高，计算量小，成本低等优势，可以快捷的探测卫星轨道机动，十分方便用户使用，解决了普通用户，计算复杂，精度低，难以快速探测以及成本较高的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0008]一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，包括如下操作步骤：
[0009]S1：原始数据获取,通过文件或者网络获取单台GNSS静态测站的观测值和广播星历；
[0010]S2：数据预处理，包括北斗卫星坐标计算，以及提取出观测文件中的多普勒观测值；
[0011]S3：对多普勒观测值进行误差改正，包括卫星钟差、电离层误差和对流层误差；
[0012]S4：构建多普勒频移测速模型，并求解接收机三维速度；
[0013]S5：构建卫星轨道机动时间判别因子；
[0014]S6：构建卫星轨道机动卫星判别因子；
[0015]S7：根据时间判别因子和卫星判别因子，确定轨道机动的时刻及卫星PRN号。
[0016]作为优选，步骤S4的具体方法是：多普勒频移测速的原理是基于接收机到卫星之间的距离变化来确定接收机的运动速度，多普勒测速的数学模型可以表示为：
[0017][0018]式中，为k时刻卫星与接收机之间的多普勒频移，d
s
(k)为卫星在k时刻的多普勒观测值，λ为相应频率的波长，v
s
(k)为卫星在k时刻的运动速度，v
r
(k)为接收机在k时刻的运动速度，e
i
(k)为k时刻接收机与卫星连线的方向余弦；b'为接收机钟差变化率，ε
i
包含卫星钟差、电离层误差、对流层变化引起的误差项，采用最小二乘法对多普勒频移测速参数进行估计：
[0019][0020]其中V为观测残差，A为待估参数的系数矩阵，为待估参数，L为经校正后的观测向量。
[0021]作为优选，步骤S5的具体方法是：利用观测残差的STD来构建卫星轨道机动时间的判别因子：
[0022]S
M
＝STD
‑
3S
healthy
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0023]其中S
M
是时间判别因子，S
healthy
是由健康期观测残差的STD来确定的经验阈值，当S
M
大于0且持续5分钟及以上时，则认为对应的时刻为卫星轨道机动的开始时刻。
[0024]作为优选，步骤S6的具体方法是：采用矩阵L来构建卫星判别因子，进而探测机动卫星的PRN号，由公式(1)可知，L矩阵可以由下式计算：
[0025][0026]在轨道机动期间，广播星历中的轨道参数将不再正确，用这些参数计算出的L会产生严重的误差，因此，它可以用来探测哪个卫星正在发生机动，由于L矩阵中包含了接收机钟差变化率，而接收机的初始钟差是未知的，为了消除接收机钟差变化率的影响，可以引入不同卫星直接的单差,那么，新的L可以构建为：
[0027]L
k,j
＝|L
k
‑
L
j
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0028]其中，L
k,j
是由卫星k和参考卫星j之间的星间单差所计算出来的新的卫星判别因子，||为绝对值，选定的参考卫星j应该是处于正常、健康状态的，当所选择的参考卫星j存在异常或轨道机动时，由上述方法计算出的所有L
k,j
值都会出现跳变，同时数值也会产生异常。
[0029]作为优选，步骤S7的具体方法是：根据公式(1)及高度角相关的随机模型进行最小二乘参数估计，获取各历元的观测残差，根据公式(3)及公式(5)定义的两种判别因子，确定轨道机动开始时刻和机动卫星的PRN号。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0031]通过利用多普勒频移测速，统计观测残差的STD来探测轨道机动的开始时刻和星差L值来探测机动卫星的PRN号，使用了北斗测站数据来分析并验证，使用这种方法可以快速准确的探测到卫星轨道机动的开始时刻和机动卫星的PRN号，进而可以增加用户的可用数据量。因此，该方法仅使用单台静态北斗接收机，十分方便用户使用，同时增加的可用数据有利于提高北斗系统PNT服务的性能，使用广播星历及多普勒观测值，不需要额外的数据
信息和轨道力模型，成本更低、计算量小，可以方便快捷的探测卫星轨道机动。
附图说明
[0032]图1为本专利技术一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法的方案示意图；
[0033]图2为广播星历中C02的健康状态，其中蓝框表示健康，标识为0；红框表示不健康，标识为1；自5:00:00至15:00:00，C02的健康标识在广播星历中均标识为1；
[0034]图3为卫星轨道机动时间判别因子σ
M
的时间序列；(a)图使用正常比例显示整体信息；(b)图使用放大的比例显示详细信息；
[0035]图4为卫星轨道机动时间判别因子S
M
的时间序列；(a)图使用正常比例显示整体信息；(b)图使用放大的比例显示详细信息；
[0036]图5为C02卫星的星差L值的时间序列(C01星被选为参考星)，(a)图使用正常比例显示整体信息；(b)图使用放大比例显示详本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，其特征在于：包括如下操作步骤：S1：原始数据获取,通过文件或者网络获取单台GNSS静态测站的观测值和广播星历；S2：数据预处理，包括北斗卫星坐标计算，以及提取出观测文件中的多普勒观测值；S3：对多普勒观测值进行误差改正，包括卫星钟差、电离层误差和对流层误差；S4：构建多普勒频移测速模型，并求解接收机三维速度；S5：构建卫星轨道机动时间判别因子；S6：构建卫星轨道机动卫星判别因子；S7：根据时间判别因子和卫星判别因子，确定轨道机动的时刻及卫星PRN号。2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，其特征在于：所述步骤S4的具体方法是，多普勒频移测速的原理是基于接收机到卫星之间的距离变化来确定接收机的运动速度，多普勒测速的数学模型可以表示为：式中，为k时刻卫星与接收机之间的多普勒频移，d
s
(k)为卫星在k时刻的多普勒观测值，λ为相应频率的波长，v
s
(k)为卫星在k时刻的运动速度，v
r
(k)为接收机在k时刻的运动速度，e
i
(k)为k时刻接收机与卫星连线的方向余弦；b'为接收机钟差变化率，ε
i
包含卫星钟差、电离层误差、对流层变化引起的误差项；采用最小二乘法对多普勒频移测速参数进行估计：其中V为观测残差，A为待估参数的系数矩阵，为待估参数，L为经校正后的观测向量。3.根据权利要求2所述的一种基于多普勒观测值的北斗卫星机动探测方法，其特征在于：所述步骤S5的具体方法是：利用观测残差的STD来构建卫星轨道机动时间的判别因子：S
M
＝STD
‑
3S
healthy

【专利技术属性】
技术研发人员：聂文锋，刘筱琪，方震龙，徐天河，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：