CN108107455A - 一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，获取原始卫星钟差数据序列，预处理，对处理后的卫星钟差相位序列进行多项式拟合，去除相位序列的周期项，计算拟合精度；拟合精度小于阈值，预报卫星钟差，结束，若大于阈值，从后向前探测频率异常值，获得前后若干数据，若频率不存在异常且数据平稳，则预报卫星钟差，结束，若频率异常和/或数据存在跳变，采用跳变后的钟差数据，预报卫星钟差，结束。本发明充分考虑原子钟的频率稳定性和频漂特性，分别对GPS、GLONASS、BDS、Galileo进行阶次选择，应用于星基增强***实时钟差预报，预报钟差稳定可靠，提高播发的SSR改正信息中钟差误差精度，提高终端定位服务精度。

Description

一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法
技术领域
本发明属于无线电定向；无线电导航；采用无线电波测距或测速；采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测；采用其他波的类似装置的技术领域，特别涉及一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法。
背景技术
钟差在GPS定位***中是一个非常重要的概念，它直接影响到GPS定位***的精度，当卫星钟差无法被准确获知时，将影响到整体的定位***的正常工作。
为了获得高精度的卫星预报钟差，不同类型的卫星钟一般采用不同类别的多项式预报模型。如，由于Rb原子钟主要用在小型守时平台上，精度要求不太高，因此Rb原子钟比Cs原子钟的频漂特性更为明显，前者通常采用二次多项式模型，而后者则采用一次多项式模型预报卫星钟差，自动选择多项式模型的阶次的同时考虑周期性趋势项和起点偏差项还可以进一步提高钟差预报精度。
进一步来说，由于卫星钟自身性能的影响或外部环境的干扰，卫星钟经常会产生粗差和数据中断，相位跳变也时有出现，尤其是在实时卫星钟差解算中，基准钟的变换或者基准测站数据缺失都有可能导致实时卫星钟差的跳变，而现有技术中，采用滑动窗口的传统实时钟差预报模型难以抵御这种钟差异常，造成了在实时卫星钟差解算中，基准钟的变换或者基准测站数据缺失都有可能导致实时卫星钟差的跳变，进而导致钟差不能被准确获知，影响到整体的定位***的正常工作的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种优化的基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取原始卫星钟差数据序列；
步骤2：对原始卫星钟差数据序列进行预处理，得到处理后的卫星钟差相位序列；
步骤3：对处理后的卫星钟差相位序列进行多项式拟合，去除相位序列的周期项，计算拟合精度；
步骤4：判断计算得到的拟合精度是否大于阈值T，若是，进行步骤5，若否，则进行步骤7；其中，0≤T≤10ns；
步骤5：从后向前探测频率异常值，获得前后若干数据；若频率不存在异常且数据平稳，则进行步骤7，若频率异常和/或数据存在跳变，则进行步骤6；
步骤6：卫星钟差发生相位跳变，采用跳变后的钟差数据；
步骤7：预报卫星钟差；结束。
优选地，所述步骤2中，所述对原始卫星钟差数据序列的预处理包括剔除无效钟差、采用相位数据和频率数据探测粗差。
优选地，所述处理后的卫星钟差相位序列为{x1 x2 ... xi}，其中，xi为ti时刻的钟差值，a0、a1、a2、…、am为m个钟差模型参数，m为多项式的阶数；ei为模型误差，0≤i≤n。
优选地，所述处理后的卫星钟差相位序列拟合后得到Δti＝a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2+vi，其中，a0，a1，a2为星钟参数，t0为星钟参数的参考历元，Δti为钟差相位观测值。
优选地，所述a0，a1，a2分别对应视为相位数据的钟差、视为频率数据的钟速和视为频漂数据的钟漂。
优选地，所述T为5ns。
优选地，所述步骤5中，异常值包括跳变、钟差、钟速和钟漂的值不符合线性规律的值。
优选地，所述步骤5中，若探测不到频率异常值，则获得的是平滑窗口内的若干频率数据；如果探测到了频率异常值，则以此频率异常值为跳变点，记录前后的若干频率数据，方便探测频率异常后，从频率异常值跳变点之后开始预报。
优选地，所述步骤7中，预报卫星钟差采用预报模型其中，t为时间自变量，y(t)为钟差值，t0为发生相位跳变时刻，a0为相位跳变前的相位，a′0为相位跳变后的相位，a1为频率，a2为频漂，ε为钟差噪声，Δa0为起点偏差改正，β参数取值为0或1，Al,ωl,分别为周期项的振幅，角速度，相位。
优选地，当一次多项式拟合残差标准差小于二次多项式拟合标准差时，β为0；反之，β为1。
本发明提供了一种优化的基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，对于GNSS卫星钟差预报而言，一阶模型和二阶模型被分别应用于GPS和GLONASS***的广播星历实时钟差预报中，多项式模型的阶次选择主要取决于原子钟的频率稳定性和频漂特性，本发明充分考虑了原子钟的频率稳定性和频漂特性，分别对GPS、GLONASS、BDS、Galileo进行了阶次选择，解决了在实时卫星钟差解算中，基准钟的变换或者基准测站数据缺失都有可能导致实时卫星钟差的跳变的问题导致实时钟差预报异常的关键问题，本发明应用于星基增强***实时钟差预报，可以得到稳定可靠的预报钟差，提高播发的SSR改正信息中钟差误差精度，从而提高终端定位服务精度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，所述方法包括以下步骤。
步骤1：获取原始卫星钟差数据序列。
步骤2：对原始卫星钟差数据序列进行预处理，得到处理后的卫星钟差相位序列。
所述步骤2中，所述对原始卫星钟差数据序列的预处理包括剔除无效钟差、采用相位数据和频率数据探测粗差。
本发明中，相位序列又称为时间偏差数据，即原子钟输出时间与标准时间的偏差值，一般单位以秒或纳秒表示。GNSS***中常说的卫星钟差和接收机钟差数据均为相位序列。
步骤3：对处理后的卫星钟差相位序列进行多项式拟合，去除相位序列的周期项，计算拟合精度。
所述处理后的卫星钟差相位序列为{x1 x2 ... xi}，其中，xi为ti时刻的钟差值，a0、a1、a2、…、am为m个钟差模型参数，m为多项式的阶数；ei为模型误差，0≤i≤n。
所述处理后的卫星钟差相位序列拟合后得到Δti＝a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2+vi，其中，a0，a1，a2为星钟参数，t0为星钟参数的参考历元，Δti为钟差相位观测值。
所述a0，a1，a2分别对应视为相位数据的钟差、视为频率数据的钟速和视为频漂数据的钟漂。
步骤4：判断计算得到的拟合精度是否大于阈值T，若是，进行步骤5，若否，则进行步骤7；其中，0≤T≤10ns。
所述T为5ns。
步骤5：从后向前探测频率异常值，获得前后若干数据；若频率不存在异常且数据平稳，则进行步骤7，若频率异常和/或数据存在跳变，则进行步骤6。
所述步骤5中，异常值包括跳变、钟差、钟速和钟漂的值不符合线性规律的值。
所述步骤5中，若探测不到频率异常值，则获得的是平滑窗口内的若干频率数据；如果探测到了频率异常值，则以此频率异常值为跳变点，记录前后的若干频率数据，方便探测频率异常后，从频率异常值跳变点之后开始预报。
本发明中，从后向前探测表示平滑窗口内的时间由最后历元时间至初始历元时间。
步骤6：卫星钟差发生相位跳变，采用跳变后的钟差数据。
步骤7：预报卫星钟差；结束。
本发明之前，以GPS卫星钟差相位跳变的数学模型为基础，通过比较拟合数据段残差的标准差来自动选择一次多项式或二次多项式模型，并兼顾周期性变化趋势项的提取以及起点偏差的改正，同时根据离预报历元的远近来确定观测权矩阵，得到顾及相位跳变的GPS卫星钟差预报模型。
式中，t为时间自变量，y(t)为钟差值，t0为发生相位跳变时刻，a0为相位跳变前的相位，a0′为相位跳变后的相位，a1为频率，a2为频漂，ε为钟差噪声，Δa0为起点偏差改正，β参数取值为0或1(当一次多项式拟合残差标准差小于二次多项式拟合标准差时，β为0；反之，β为1)，Al,ωl,分别为周期项的振幅，角速度，相位。
上式是在卫星钟差相位跳变模型的基础上，增加起点偏差改正、周期项改正、一次或二次多项式自动选择的新模型。虽然该模型不受相位跳变的影响，但是其并不能确定相位跳变发生时间。因此，在顾及相位跳变的GPS卫星钟差预报模型基础上，构建一种准确探测相位跳变发生时刻的GPS实时卫星钟差预报算法是非常重要的。
根据GPS卫星钟差相位跳变的特征，用钟差的拟合精度来判断是否发生相位跳变，用相位跳变两端的相位数据是否平稳来定位跳变，然后结合顾及相位跳变的GPS卫星钟差预报模型，采用序贯最小二乘算法对钟差实时预报，最终得到本发明的方法。
本发明在顾及相位跳变的GPS实时卫星钟差预报算法中，首先对卫星钟差的原始相位序列，剔除无效钟差、采用相位数据和频率数据探测粗差等数据预处理操作，得到“干净”的卫星钟差相位序列。然后，进行多项式拟合并扣除周期项，计算其拟合精度，若拟合精度小于经验阈值(5.0ns)，则认为没有发生相位跳变，直接预报卫星钟差；若拟合精度大于经验阈值，且从后向前探测不到频率异常，则认为没有发生相位跳变，也直接进行钟差预报；如果探测到频率异常且前后钟差数据平稳，则认为发生相位跳变，准确确定相位跳变的时刻，利用后续数据进行钟差预报。反之，直接进行钟差预报。以上算法采用平滑窗口的方式，连续实时不间断地进行GPS卫星钟差预报。
本发明提供了一种优化的基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，对于GNSS卫星钟差预报而言，一阶模型和二阶模型被分别应用于GPS和GLONASS***的广播星历实时钟差预报中，多项式模型的阶次选择主要取决于原子钟的频率稳定性和频漂特性，本发明充分考虑了原子钟的频率稳定性和频漂特性，分别对GPS、GLONASS、BDS、Galileo进行了阶次选择。解决了在实时卫星钟差解算中，基准钟的变换或者基准测站数据缺失都有可能导致实时卫星钟差的跳变的问题导致实时钟差预报异常的关键问题，本发明应用于星基增强***实时钟差预报，可以得到稳定可靠的预报钟差，提高播发的SSR改正信息中钟差误差精度，从而提高终端定位服务精度。

Claims (10)

1.一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取原始卫星钟差数据序列；
步骤2：对原始卫星钟差数据序列进行预处理，得到处理后的卫星钟差相位序列；
步骤3：对处理后的卫星钟差相位序列进行多项式拟合，去除相位序列的周期项，计算拟合精度；
步骤4：判断计算得到的拟合精度是否大于阈值T，若是，进行步骤5，若否，则进行步骤7；其中，0≤T≤10ns；
步骤5：从后向前探测频率异常值，获得前后若干数据；若频率不存在异常且数据平稳，则进行步骤7，若频率异常和/或数据存在跳变，则进行步骤6；
步骤6：卫星钟差发生相位跳变，采用跳变后的钟差数据；
步骤7：预报卫星钟差；结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述步骤2中，所述对原始卫星钟差数据序列的预处理包括剔除无效钟差、采用相位数据和频率数据探测粗差。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述处理后的卫星钟差相位序列为{x1 x2 ... xi}，其中，xi为ti时刻的钟差值，a0、a1、a2、…、am为m个钟差模型参数，m为多项式的阶数；ei为模型误差，0≤i≤n。
4.根据权利要求3所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述处理后的卫星钟差相位序列拟合后得到Δti＝a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2+vi，其中，a0，a1，a2为星钟参数，t0为星钟参数的参考历元，Δti为钟差相位观测值。
5.根据权利要求4所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述a0，a1，a2分别对应视为相位数据的钟差、视为频率数据的钟速和视为频漂数据的钟漂。
6.根据权利要求1所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述T为5ns。
7.根据权利要求1所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述步骤5中，异常值包括跳变、钟差、钟速和钟漂的值不符合线性规律的值。
8.根据权利要求1所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述步骤5中，若探测不到频率异常值，则获得的是平滑窗口内的若干频率数据；如果探测到了频率异常值，则以此频率异常值为跳变点，记录前后的若干频率数据，方便探测频率异常后，从频率异常值跳变点之后开始预报。
9.根据权利要求1所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：所述步骤7中，预报卫星钟差采用预报模型其中，t为时间自变量，y(t)为钟差值，t0为发生相位跳变时刻，a0为相位跳变前的相位，a0′为相位跳变后的相位，a1为频率，a2为频漂，ε为钟差噪声，Δa0为起点偏差改正，β参数取值为0或1，分别为周期项的振幅，角速度，相位。
10.根据权利要求9所述的一种基于相位跳变的卫星钟差实时预报方法，其特征在于：当一次多项式拟合残差标准差小于二次多项式拟合标准差时，β为0；反之，β为1。
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