CN108563108A - 一种gnss卫星钟健康状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS卫星钟健康状态监测方法，利用多种卫星钟差数据，可对卫星钟异常状态进行相互之间有效验证，解决了引起卫星钟各类异常现象故障定位难、误报警、难预警以及时效性差的问题，实现了卫星钟健康状态的长期实时监测。本发明包括的步骤为：通过一次，二次差分精密钟差数据获得频率和漂移率数据，利用中位数法探测相位、频率跳变；利用二次多项式拟合钟差获得长时间相位残差、残差标准差；利用重叠哈达玛方差统计卫星钟的频率稳定度；最后对各项指标进行综合评价，给出卫星钟性能的变化的预警信息以及频率、相位跳变的告警信息。结果表明：基于多种数据源采用相位拟合残差的星载原子钟健康状态监测方法是可行的。

Description

一种GNSS卫星钟健康状态监测方法

技术领域

本发明涉及一种GNSS卫星钟健康状态监测方法，适用于全球连续监测评估***中卫星钟性能评估、卫星钟状态监测以及质量评价。

背景技术

GNSS是以时间测量为基础的***，星载原子钟作为***的重要有效载荷，是维持高精度时频的核心，是生成导航信号和距离测量的星上时间基准，其性能直接决定导航、定位和授时的质量。自从1974年第一个原子钟上天后，至今在空间的原子钟约有500多个，星载原子钟主要有铯钟、铷钟和氢钟三种，这些原子钟经过不断研制开发，卫星钟性能有了长足的改进。铷原子钟应用在GPS、BDS与Galileo星座中，铯原子钟应用在 GPS和GLONASS星座中，氢钟则应用于Galileo星座以及新近发射入轨的BDS全球实验星座中。星座中的每颗卫星都至少载有两台原子钟，以之作为所有与时间有关操作的参考。

BDS在轨卫星搭载的均为国产铷原子钟，相较于GPS和Galileo星载原子钟，其精度和稳定性稍显逊色。随着我国北斗全球***的建设，新的高精度原子钟的研制及投入使用，可进一步提升星载原子钟的性能。我国的北斗全球实验***中，已经采用星载氢钟。根据研制技术要求，星载高精度氢原子钟的各项性能指标均比星载铷钟的指标高1～2个数量级。高精度的星载氢钟在轨性能如何，与国外导航卫星***的差距有多大，能否用于高精度的卫星导航***，是我国北斗卫星导航***建设需要迫切解决的问题。同时，由于我国北斗***是异质星座，采用了三种不同轨道高度和功能的卫星类型，造成卫星星座中星载原子钟钟差精度呈现出不均匀性。加上北斗卫星导航***的正式启用，星载原子钟的特性指标在运行期间也会由于设备因素和外部环境的变化，以及轨道调整等原因影响，其输出的钟差出现钟跳，粗差等不健康的异常情况。这些卫星钟不健康情况相对于其他导航***而言具有突发、非连续等新的特点。如果不能对这些异常进行有效的监测和预判，则会对导航定位服务的实际效用造成很大干扰。

近年来，随着GLONASS卫星导航***的现代化，GLONASS卫星钟已全部更新为GLONASS-M型卫星钟。同时，GPS卫星导航***也步入了老龄化阶段，其中仍在服役的GPSBLOCK IIA型卫星钟的平均运行时间已超过了18年。我国在大力发展北斗二代卫星导航***，目前已有14 颗卫星组网并提供亚太地区全天候服务，分别包括5颗静止轨道卫星、5 颗倾斜地球同步轨道卫星、4颗中地球轨道卫星。北斗在轨卫星钟均为铷原子钟，最早发射时间为2010年01月17日，距今已有7年时间，最晚发射时间为2012年10月25日，距今也已有将近5年的时间。鉴于卫星钟在卫星导航***中占有至关重要的地位，为了保障卫星导航定位服务的质量与稳定，有必要对GNSS在轨卫星钟的特性进行评价与比较分析，***各卫星钟的健康状态。

GNSS在轨卫星钟健康状态的指标主要包括：相位、频率、频漂、稳定度、钟差观测噪声等。在卫星钟的长期运行过程中，由于受自身物理特性改变和复杂太空电磁环境的影响干扰，经常会产生粗差，数据中断等异常扰动。因此对卫星钟进行实时监测分析，及时发现异常现象，并迅速定位故障及处理具有极其重要的作用。目前，国内外对星载原子钟健康状态的分析，大多集中在某一特性方面，并没有形成较为全面的星载原子钟性能评价体系；其次，已有的研究成果主要基于几天到几十天的数据进行较短时间的分析与评估，较长时间段性能评估的相关研究报道相对较少；再次，当前星载原子钟分析只是事后给出了质量评价和故障原因符合，没有进行实时长时间的监测，未能给出卫星钟健康状态恶化的预警。

发明内容

本发明技术解决问题是：本发明是基于多种卫星精密钟差数据采用相位二次多项式拟合残差的星载原子钟健康状态监测方法，利用多种卫星钟差数据，可对卫星钟监测出的问题进行相互之间有效验证，解决了引起卫星钟各类异常现象故障定位难、误报警、难预警以及时效性差的问题，实现了卫星钟健康状态的长期实时监测。

本发明的技术方案是：

一种GNSS卫星钟健康状态监测方法，具体包括以下步骤：

步骤1，获取GNSS卫星钟的精密钟差数据，对精密钟差数据进行一次差分处理，获得卫星钟的频率数据；

步骤2，利用中位数法分别对钟差和频率数据进行粗差探测，通过钟差粗差探测来判断是否为相位跳变，通过频率数据粗差探测来判断是否为频率跳变；

步骤3，对频率数据进行一次差分处理，获得频率漂移率数据,；

步骤4，对长时间的精密钟差数据采取逐日单天二次多项式拟合，将拟合后的钟差值与原始精密钟差值做差，可以获得长时间的相位残差，对长时间的相位残差进行单天std统计获得长时间的残差标准差；

步骤5，利用重叠哈达玛方差统计每天卫星钟的频率稳定度，对卫星钟的各项指标进行综合评价，获得卫星钟的长期变化趋势，进而给出卫星钟性能的变化的预警信息以及频率、相位跳变的告警信息。

作为本发明一种GNSS卫星钟健康状态监测方法的进一步优选方案，所述步骤2具体步骤如下：

步骤2.1，读取单天的卫星钟差相位数据，并转换为频率数据；

步骤2.2，采用n倍中位数法探测粗差，中位数法具体公式如下：

MAD＝Median{|y_i-m|/0.6745}

式中，m为时间序列的中间数，即m＝Median{y_i}；当观测量 |y_i-m|＞n*MAD时，就认为时粗差点；

步骤2.3，若卫星钟差、频率粗差很大，且随着n的增大而缓慢减小，则认为出现了调相，调频或相位跳变、频率跳变，将用短信、电话、邮件进行告警；

步骤2.4，若卫星钟差、频率粗差很大，但随着n的增大而大幅减小，则认为钟差、频率数据有较大的波动，用此来判断卫星钟的状态。

作为本发明一种GNSS卫星钟健康状态监测方法的进一步优选方案，在步骤4中，二次多项式拟合的步骤具体如下：

步骤4.1，采用二次多项式对单天的钟差数据进行拟合，二次多项式具体公式为：

Δt_i＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)+a₂(t-t₀)²

式中，a₀、a₁、a₂分别为相位、频率和频漂；t0为星钟参数的参考历元，Δt_i为钟差相位观测值；

步骤4.2，用拟合钟差值和原始钟差值作差获得相位残差；

步骤4.3，提取二次多项式常数项a₀为相位，提取二次多项式一次项 a₁为频率，提取二次多项式二次项a₂为漂移率；

步骤4.4，对单天的相位残差值计算标准差，对相位残差值进行频谱分析，获得周期项，对多天的残差标准差进行多项式拟合预报；

步骤4.5，根据已给阈值判断卫星钟性能的趋势并预警。

作为本发明一种GNSS卫星钟健康状态监测方法的进一步优选方案，在步骤5中，利用重叠哈达玛方差统计每天卫星钟的频率稳定度，具体如下：

步骤5.1，获取剔除粗差的频率数据；

步骤5.2，将频率数据转换为相位数据；

步骤5.3，采用具有较高置信空间的重叠哈达玛方差计算各颗卫星的频率稳定度，重叠哈达玛方差的具体公式为：

式中，τ＝mτ₀为平滑时间；τ₀为相邻钟差数据的采样间隔；x_i为钟差数据；N为钟差数据的个数；m为平滑因子，一般取1≤m≤[(N-1)/3]；

步骤5.4，单天相位数据采用重叠哈达玛方差计算获得万秒稳定度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)利用长时间的多种精密钟差数据实现了卫星钟健康状态的实时监测，实现了不同基准数据对卫星钟健康状态的相互验证，提高了卫星钟报警的可靠性；

(2)基于中位数探测联合使用相位和频率数据，实现了相位粗差和频率粗差的准确定位；

(3)钟差数据预处理时，探测的粗差值不进行内插，直接删除，防止插值后引入的新数据造成一定程度上的失真；

(4)基于相位二次多项式拟合残差，残差标准差数据分析时，相位数据不进行数据预处理，可监测相位数据每一时刻的变化情况，实现了相位跳变，频率跳变故障的实时报警，卫星钟性能健康状态长期变化的预警功能；

(5)给出了卫星钟健康状态各指标变化情况的相关性；

(6)结合卫星钟差的相位，频率，漂移率，稳定度，相位残差等多种指标的长期特征，给出了卫星钟健康状态的综合性能评价；

(7)本发明可应用于全球卫星导航***监测评估卫星钟差数据处理，通过实时获取卫星精密钟差数据，评估其性能质量，监测卫星钟各种异常情况，迅速定位卫星钟故障，通过长时间卫星钟各项指标的分析，对卫星钟健康状态给出预警，该发明在一定程度上对保证卫星导航***的完好性做出了贡献。

附图说明

图1为本发明数据接收与处理流程总体架构图；

图2为GNSS星载原子钟健康状态监测与质量评价路线图；

图3为GNSS星载原子钟健康状态监测方法数据处理流程；

图4为卫星钟差相位变化趋势图；

图5为卫星钟频率数据变化趋势图；

图6为卫星钟频率漂移率变化趋势图；

图7为卫星钟频率稳定度变化趋势图；

图8-1为北斗C06号卫星2016年到2017年卫星钟差相位残差变化趋势图；

图8-2为北斗C13号卫星2016年到2017年卫星钟差相位残差变化趋势图；

图9-1为北斗C06号卫星2016年到2017年卫星钟差相位残差标准差变化趋势图；

图9-2为北斗C13号卫星2016年到2017年卫星钟差相位残差标准差变化趋势图；

图10为卫星钟相位跳变、频率跳变告警信息。

具体实施方式

下面结合附图3和具体实施例对本发明作进一步的阐述。

如图3所示，本发明的技术方案是：一种GNSS卫星钟健康状态监测方法，具体实施步骤：

步骤1，获取武汉大学wum精密钟差数据、德国GFZ gbm精密钟差数据、产品综合中心isc精密钟差数据：

步骤2，开始循环所有测站的精密钟差数据；

步骤3，选择第一天的精密钟差进行处理；

步骤4，相位数据二次多项式拟合，其中包含的具体子步骤为：

1.1采用二次多项式对单天钟差数据进行拟合，二次多项式具体公式为：

Δt_i＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)+a₂(t-t₀)²

式中a₀、a₁、a₂分别为相位、频率和频漂；t₀为星钟参数的参考历元，Δt_i为钟差相位观测值。

1.2用拟合钟差值和原始钟差值作差获得相位残差；

1.3提取二次多项式常数项a₀为相位；

1.4提取二次多项式一次项a₁为频率；

1.5提取二次多项式二次项a₂为漂移率；

1.6对单天的相位残差值计算标准差；

1.7对相位残差值进行频谱分析，获得周期项；

1.8对多天的残差标准差进行多项式拟合预报；

1.9根据已给阈值判断卫星钟性能的趋势并预警。

步骤5，钟差数据中位数法探测粗差，其中包含的具体子步骤为：

1.1读取单天的卫星钟差相位数据；

1.2采用n倍中位数法探测粗差，中位数法具体公式如下：

MAD＝Median{|y_i-m|/0.6745}

式中，m为时间序列的中间数，即m＝Median{yi}；当观测量

|y_i-m|＞n*MAD时，就认为时粗差点；

1.3若卫星钟差粗差很大，且随着n的增大而缓慢减小，则认为出现了调相或相位跳变，将用短信、电话、邮件进行告警；

1.4若卫星钟差粗差很大，但随着n的增大而大幅减小，则认为钟差数据有较大的波动，用此来判断卫星钟的状态。

步骤6，粗差数据去除；

步骤7，钟差数据一次差分，获得频率数据；

步骤8，频率数据中位数法探测粗差，其中包含的具体子步骤为：

1.1读取单天的卫星频率数据；

1.2采用n倍中位数法探测频率粗差；

1.3若卫星钟频率粗差很大，且随着n的增大而缓慢减小，则任务出现了调频或频率跳变，将用短信、电话、邮件进行告警；

1.4若卫星钟频率粗差很大，但随着n的增大而大幅减小，则认为频率数据有较大的波动，用此来判断卫星钟的状态。

步骤9，频率数据一次差分，获得频率漂移率数据；

步骤10，频率数据进行重叠哈德玛方差计算，获得频率稳定度数据，其中包含的具体子步骤为：

1.1获取剔除粗差的频率数据；

1.2将频率数据转换为相位数据；

1.3采用具有较高置信空间的重叠哈达玛方差计算各颗卫星的频率稳定度，重叠哈达玛方差的具体公式为：

式中，τ＝mτ₀为平滑时间；τ₀为相邻钟差数据的采样间隔；x_i

为钟差数据；N为钟差数据的个数；m为平滑因子，一般取

1≤m≤[(N-1)/3]。

1.4单天相位数据采用重叠哈达玛方差计算获得万秒稳定度。

步骤11，卫星钟差单天各项指标结果存储到文档中；

步骤12，多种卫星钟差数据多天各项指标存储到文档中；

步骤13，卫星钟差各项指标长期趋势性能分析；

步骤14，对卫星钟性能分析异常情况用多种数据源的结果进行相互验证；

步骤15，综合多种数据，多种指标分析后，对卫星钟异常情况通过短信、电子邮件、电话进行告警和预警。

下面结合附图和实时例对本发明进一步说明。

如图1所示，GNSS卫星钟健康状态监测中数据接收和数据处理的总体架构图，从上往下，第一部分为空间段的GNSS导航卫星，第二部分为全球地面监测站，监测布置有GNSS导航接收机、时频设备等，从卫星中接收下行导航信号，地面站将收集到的观测数据，星历数据发送到数据中心，数据中心对原始数据进行格式化预处理，最后将统一标准格式的数据发送到分析中心，分析中心通过多星联合精密定轨和时间同步的算法，获得了卫星钟精密钟差。分析中心将GNSS精密钟差产品数据发送到监测评估中心，监测评估中心通过工作站将数据储存起来，通过软件模块对 GNSS精密钟差数据进行预处理和处理，最后获得卫星钟差的相位、频率、漂移率、稳定度、相位残差、残差标准差、周期项等指标，经过卫星钟健康状态评估算法的综合评价，给出卫星钟相位跳变，频率跳变等异常情况的告警信息，给出卫星性能的变化趋势以及性能下降的预警信息。最后将这些评估信息和报警信息发送给用户。

图2为GNSS星载原子钟健康状态监测与质量评价路线图，具体介绍参见发明内容中的技术方案。

图3为GNSS星载原子钟健康状态监测方法数据处理流程，具体介绍参见上述具体实施方式。

图4为卫星钟差相位变化趋势图，从图中可以看出卫星钟存在明显的相位跳变现象，频繁的出现相位跳变这种现象，对维持原子钟的稳定度是极其不利的。

图5为卫星钟频率数据变化趋势图，从图中可以看出卫星总存在明显频率跳变现象，卫星钟长期频率数据变化趋势，代表了卫星钟的频率准确度即卫星钟的***误差大小。

图6为卫星钟频率漂移率变化趋势图，频率漂移率是原子钟运行期间，频率随时间变化产生的速率，代表了卫星钟的频率老化率，它是描述原子钟频率变化特征的参数。

图7为频率稳定度变化趋势图。

图8-1和图8-2为北斗C06和C13号卫星钟相位残差变化趋势图，星载原子钟的频率稳定性直接决定卫星钟差模型的噪声水平，二者有一定的数学函数关系。从图8-1，图8-2可以看出C06卫星，C13号卫星在切换钟之前，卫星钟性能较差。

图9-1和图9-2为北斗C06和C13号卫星钟相位残差标准差变化趋势图，通过对每天的相位残差标准数据进行拟合并进行预报，根据预报值和所输入的阈值进行比较，预测出卫星钟性能下降的时长，并给出预警。从图9-1，图9-2可以看出C13号卫星钟在2017年01月20号切换后，C06 在2017年02月14日卫星钟切换后，卫星钟性能趋于稳定。

图10为卫星钟相位跳变，频率跳变的短信告警内容，包括卫星钟PRN 号，故障时间，故障类型，故障原因，故障级别。

本发明是基于多种卫星精密钟差数据采用相位二次多项式拟合残差的星载原子钟健康状态监测方法，利用多种卫星钟差数据，可对卫星钟监测出的问题进行相互之间有效验证，解决了引起卫星钟各类异常现象故障定位难、误报警、难预警以及时效性差的问题，实现了卫星钟健康状态的长期实时监测。即用多星联合定轨解算的长时间精密钟差数据，采用钟差一次差分获得频率偏差，钟差二次差分获得频率漂移，采用哈德玛方差用每天钟差数据获得万秒稳定度，采用相位和频率联合中位数法探测粗差的数据预处理方法实现相位跳变，频率跳变的监测，采用钟差二次多项式模型对预处理后的卫星钟差数据进行逐天拟合，得到卫星钟的相位、频率、频率漂移、频率稳定度、相位残差和残差标准差的长期数据序列，通过对这些长时间数列的实时监测分析，可以获得卫星钟相位跳变、频率跳变、卫星钟性能质量变化情况，结合卫星钟上述各指标，综合评价卫星钟的健康状态，给出了卫星钟异常情况实时报警，卫星钟性能长期变化预警的功能。

Claims (4)

1.一种GNSS卫星钟健康状态监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，获取GNSS卫星钟的精密钟差数据，对精密钟差数据进行一次差分处理，获得卫星钟的频率数据；

步骤2，利用中位数法分别对钟差和频率数据进行粗差探测，通过钟差粗差探测来判断是否为相位跳变，通过频率数据粗差探测来判断是否为频率跳变；

步骤3，对频率数据进行一次差分处理，获得频率漂移率数据,；

步骤4，对长时间的精密钟差数据采取逐日单天二次多项式拟合，将拟合后的钟差值与原始精密钟差值做差，可以获得长时间的相位残差，对长时间的相位残差进行单天std统计获得长时间的残差标准差；

步骤5，利用重叠哈达玛方差统计每天卫星钟的频率稳定度，对卫星钟的各项指标进行综合评价，获得卫星钟的长期变化趋势，进而给出卫星钟性能的变化的预警信息以及频率、相位跳变的告警信息。

2.根据权利要求1所述的GNSS卫星钟健康状态监测方法，其特征在于：所述步骤2具体步骤如下：

步骤2.1，读取单天的卫星钟差相位数据，并转换为频率数据；

步骤2.2，采用n倍中位数法探测粗差，中位数法具体公式如下：

MAD＝Median{|y_i-m|/0.6745}

式中，m为时间序列的中间数，即m＝Median{y_i}；当观测量|y_i-m|＞n*MAD时，就认为时粗差点；

步骤2.3，若卫星钟差、频率粗差很大，且随着n的增大而缓慢减小，则认为出现了调相，调频或相位跳变、频率跳变，将用短信、电话、邮件进行告警；

步骤2.4，若卫星钟差、频率粗差很大，但随着n的增大而大幅减小，则认为钟差、频率数据有较大的波动，用此来判断卫星钟的状态。

3.根据权利要求1所述的GNSS卫星钟健康状态监测方法，其特征在于：在步骤4中，二次多项式拟合的步骤具体如下：

步骤4.1，采用二次多项式对单天的钟差数据进行拟合，二次多项式具体公式为：

Δt_i＝a₀+a₁(t-t₀)+a₂(t-t₀)+a₂(t-t₀)²

式中，a₀、a₁、a₂分别为相位、频率和频漂；t₀为星钟参数的参考历元，Δt_i为钟差相位观测值；

步骤4.2，用拟合钟差值和原始钟差值作差获得相位残差；

步骤4.3，提取二次多项式常数项a₀为相位，提取二次多项式一次项a₁为频率，提取二次多项式二次项a₂为漂移率；

步骤4.4，对单天的相位残差值计算标准差，对相位残差值进行频谱分析，获得周期项，对多天的残差标准差进行多项式拟合预报；

步骤4.5，根据已给阈值判断卫星钟性能的趋势并预警。

4.根据权利要求1所述的GNSS卫星钟健康状态监测方法，其特征在于：在步骤5中，利用重叠哈达玛方差统计每天卫星钟的频率稳定度，具体如下：

步骤5.1，获取剔除粗差的频率数据；

步骤5.2，将频率数据转换为相位数据；

步骤5.3，采用具有较高置信空间的重叠哈达玛方差计算各颗卫星的频率稳定度，重叠哈达玛方差的具体公式为：

式中，τ＝mτ₀为平滑时间；τ₀为相邻钟差数据的采样间隔；x_i为钟差数据；N为钟差数据的个数；m为平滑因子，一般取1≤m≤[(N-1)/3]；

步骤5.4，单天相位数据采用重叠哈达玛方差计算获得万秒稳定度。