一种卫星导航系统的完好性监测方法技术方案

本发明专利技术涉及卫星导航系统技术领域，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：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、相对钟差残差以及导航卫星等效距离误差判断卫星载荷的完好状态。判断卫星载荷的完好状态。判断卫星载荷的完好状态。

An integrity monitoring method for satellite navigation system

【技术实现步骤摘要】
一种卫星导航系统的完好性监测方法


[0001]本专利技术总的来说涉及卫星导航系统
具体而言，本专利技术涉及一种卫星导航系统的完好性监测方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。

技术实现思路

[0010]为至少部分解决现有技术中的上述问题，本专利技术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：
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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
[0015]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。
[0016]在本专利技术一个实施例中规定，确定第一星间几何距离和第一相对钟差包括下列步骤：
[0017]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，clk
A
、clk
B
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]在本专利技术一个实施例中规定，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]在本专利技术一个实施例中规定，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，clk
B
(t0)和clk
A
(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]在本专利技术一个实施例中规定，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，ε<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星导航系统的完好性监测方法，其特征在于，包括由卫星导航系统执行下列动作：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。2.根据权利要求1所述的卫星导航系统的完好性监测方法，其特征在于，确定第一星间几何距离和第一相对钟差包括下列步骤：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：为下式：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，clk
A
、clk
B
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；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：，表示为下式：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：道和预报钟差参数进行计算，表示为下式：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：
以及确定第一相对钟差，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：。3.根据权利要求2所述的卫星导航系统的完好性监测方法，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述的卫星导航系统的完好性监测方法，其特征在于，计算几何距离残差表示为下式：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；以及计算相对钟差残差表示为下式：其中，表示第一卫星和第二卫星相对钟差的计算残差，clk
B
(t0)和clk
A
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐成盼，张之学，杨宇飞，
申请(专利权)人：中国人民解放军六一零八一部队，
类型：发明
国别省市：