基于低轨监测的GNSS服务性能自主评估方法及系统

本发明涉及卫星服务性能评估，具体而言，涉及基于低轨监测的gnss服务性能自主评估方法及系统。

背景技术：

1、目前，针对全球导航卫星系统（global navigation satellite system，gnss）服务性能评估工作，主要依赖于地面监测站网络来开展。典型的星基增强系统（satellite-based augmentation system，sbas）会利用分布在有限区域内的若干地面监测站，对其监测范围内的gnss卫星展开连续的跟踪观测。且sbas会利用伪距、载波相位等观测数据来生成完好性参数，进而实现对监测站覆盖区域内gnss卫星的完好性监测。

2、然而，受国土疆域、地理环境和政治因素的限制，sbas中的地面监测站仅能在有限区域建设，导致其监测范围局限于覆盖区域上空，gnss卫星一旦离开覆盖区域，其完好性状态便无法得知，难以实现对gnss卫星的连续监测覆盖。同时，这一监测覆盖的局限性也制约了对gnss卫星的告警效率，造成gnss卫星未及时告警风险的增加。

3、基于此，本技术提出基于低轨监测的gnss服务性能自主评估方法及系统。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有的gnss卫星的服务性能评估方法监测范围局限于覆盖区域上空，难以实现对gnss卫星的连续监测覆盖，且制约了对gnss卫星的告警效率，造成gnss卫星未及时告警风险增加的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供基于低轨监测的gnss服务性能自主评估方法及系统。

3、根据本发明的第一方面，提供基于低轨监测的gnss服务性能自主评估方法，包括：

4、监测数据获取环节：基于若干颗低轨卫星中的每颗低轨卫星和至少一个地面监测站的监测范围，获取处于监测范围内的每颗gnss卫星的导航电文并生成每颗gnss卫星的伪距观测值和载波相位观测值，并根据每颗低轨卫星之间的星间链路获取对应的星间伪距观测值；

5、观测方程构建环节：根据导航电文、对应低轨卫星的轨道初值以及对应gnss卫星的伪距观测值和载波相位观测值，构建伪距观测方程和载波相位观测方程，并基于对应低轨卫星的轨道初值和对应的星间伪距观测值构建星间伪距观测方程；

6、卫星联合定轨环节：基于预选取的节点低轨卫星提取星间伪距观测方程和每颗gnss卫星的伪距观测方程和载波相位观测方程，并生成联合定轨矩阵，以根据参数估计算法，计算每颗gnss卫星和每颗低轨卫星的精密轨道和钟差估计值，并传输至每颗低轨卫星；

7、服务性能评估环节：每颗低轨卫星根据其监测范围内的每颗gnss卫星和每颗低轨卫星的精密轨道和钟差估计值，对每颗gnss卫星进行空间信号精度评估和定位性能评估，并将评估结果输出至节点低轨卫星，以生成每颗gnss卫星的完好性信息电文并广播至每颗低轨卫星。

8、作为可选的是，所述监测数据获取环节，具体包括：

9、基于每颗低轨卫星和每颗地面监测站所搭载的gnss监测接收机，接收gnss监测接收机的监测范围内的每颗gnss卫星的下行导航信号，获取导航电文并生成每颗gnss卫星的伪距观测值和载波相位观测值；

10、通过预构建的星间链路对每颗低轨卫星之间进行双向测距，并生成对应的星间伪距观测值。

11、作为可选的是，所述观测方程构建环节，具体包括：

12、选取同一颗gnss卫星的两个不同载波频率所分别对应的伪距观测值和载波相位观测值，构建无电离组合伪距观测值和无电离组合载波相位观测值；

13、基于无电离组合伪距观测值和无电离组合载波相位观测值，结合导航电文和预获取的对应低轨卫星的轨道初值，构建伪距观测方程和载波相位观测方程；

14、基于对应低轨卫星的轨道初值和对应的星间伪距观测值构建星间伪距观测方程。

15、作为可选的是，所述选取同一颗gnss卫星的两个不同载波频率所分别对应的伪距观测值和载波相位观测值，构建无电离组合伪距观测值和无电离组合载波相位观测值，具体包括：

16、基于gnss卫星的系统类型选取对应的同一颗gnss卫星的两个不同载波频率所分别对应的伪距观测值和载波相位观测值；

17、根据同一颗gnss卫星的两个不同载波频率所分别对应的伪距观测值和载波相位观测值，构建伪距非差观测方程和载波相位非差观测方程：

18、

19、

20、式中：

21、、和分别表示低轨卫星所搭载的gnss监测接收机、gnss卫星和载波频率序号；

22、表示为星地几何距离；

23、表示为真空中光速；

24、和分别表示低轨卫星所搭载的gnss监测接收机钟差和gnss卫星原始钟差；

25、和分别表示对流层延迟和电离层延迟；

26、和分别表示低轨卫星所搭载的gnss监测接收机和gnss卫星的伪距硬件时延；

27、分别表示低轨卫星所搭载的gnss监测接收机和gnss卫星的载波相位硬件时延；

28、表示为载波相位波长；

29、表示整周模糊度；

30、和表示其他误差；

31、和分别表示伪距观测噪声和载波相位观测噪声；

32、基于伪距非差观测方程和载波相位非差观测方程，构建无电离组合伪距观测方程和无电离组合载波相位观测方程：

33、

34、

35、式中：

36、和分别表示为两个载波频率；

37、表示为对伪距非差观测方程和载波相位非差观测方程的消电离层组合操作；

38、表示为无电离层组合波长，且；

39、表示为相应的模糊度参数，且；

40、分别表示为gnss监测接收机和gnss卫星的无电离层组合伪距硬件时延，且，；

41、分别表示为gnss监测接收机和gnss卫星的载波相位硬件时延。

42、作为可选的是，所述基于无电离组合伪距观测值和无电离组合载波相位观测值，结合导航电文和预获取的对应低轨卫星的轨道初值，构建伪距观测方程和载波相位观测方程，具体包括：

43、基于无电离组合伪距观测方程和无电离组合载波相位观测方程，结合导航电文和预获取的对应低轨卫星的轨道初值，构建伪距观测方程和载波相位观测方程：

44、

45、

46、式中：

47、表示为低轨卫星所搭载的gnss监测接收机的钟差，且；

48、表示为gnss卫星的钟差，且；

49、表示为未标准的硬件延迟参数，且。

50、作为可选的是，所述基于对应低轨卫星的轨道初值和对应的星间伪距观测值构建星间伪距观测方程，具体包括：

51、对星间伪距观测值进行粗差探测处理；

52、基于对应低轨卫星的轨道初值和处理后的星间伪距观测值，并结合星间链路的类型构建星间伪距观测方程。

53、作为可选的是，所述卫星联合定轨环节，具体包括：

54、基于预选取的节点低轨卫星提取星间伪距观测方程和每颗gnss卫星的伪距观测方程和载波相位观测方程；

55、提取星间伪距观测值以及每颗gnss卫星的伪距观测值和载波相位观测值，以根据观测值矩阵化组织法，生成观测值矩阵；

56、根据观测值加权定权法，以单位权中误差为基准，通过误差反比定权规则对观测值矩阵中的每颗观测值进行定权，并生成对角型权矩阵；

57、基于对角型权矩阵，结合最小二乘估计法解算得到每颗gnss卫星和每颗低轨卫星的精密轨道和钟差估计值，并传输至每颗低轨卫星。

58、作为可选的是，所述服务性能评估环节，具体包括：

59、每颗低轨卫星根据其监测范围内的每颗gnss卫星和每颗低轨卫星的精密轨道和钟差估计值，结合导航电文对其进行空间信号精度评估，其中，空间信号精度评估包括空间信号测距误差、空间信号测距变化率误差、空间信号测距二阶变化率误差、空间信号可用性以及空间信号连续性；

60、基于导航电文以及每颗gnss卫星的精密轨道和钟差估计值，对每颗gnss卫星进行定位性能评估，其中，定位性能评估包括pdop可用性、定位精度、定位可用性以及授时精度；

61、将评估结果输出至节点低轨卫星，以生成每颗gnss卫星的完好性信息电文并广播至每颗低轨卫星。

62、根据本发明的第二方面，还提供基于低轨监测的gnss服务性能自主评估系统，用于实现上述任一项所述的基于低轨监测的gnss服务性能自主评估方法，所述gnss服务性能自主评估系统，包括：

63、监测数据获取模块，能够基于若干低轨卫星中的每颗低轨卫星和至少一个地面监测站的监测范围，获取处于监测范围内的每颗gnss卫星的导航电文并生成每颗gnss卫星的伪距观测值和载波相位观测值，并根据每颗低轨卫星之间的星间链路获取对应的星间伪距观测值；

64、观测方程构建模块，用于根据导航电文、对应低轨卫星的轨道初值以及对应gnss卫星的伪距观测值和载波相位观测值，构建伪距观测方程和载波相位观测方程，并基于对应低轨卫星的轨道初值和对应的星间伪距观测值构建星间伪距观测方程；

65、卫星联合定轨模块，能够基于预选取的节点低轨卫星提取星间伪距观测方程和每颗gnss卫星的伪距观测方程和载波相位观测方程，并生成联合定轨矩阵，以根据参数估计算法，计算每颗gnss卫星和每颗低轨卫星的精密轨道和钟差估计值，并传输至每颗低轨卫星；

66、服务性能评估模块，用于通过每颗低轨卫星根据其监测范围内的每颗gnss卫星和每颗低轨卫星的精密轨道和钟差估计值，对每颗gnss卫星进行空间信号精度评估和定位性能评估，并将评估结果输出至节点低轨卫星，以生成每颗gnss卫星的完好性信息电文并广播至每颗低轨卫星。

67、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

68、本发明提出的基于低轨监测的gnss服务性能自主评估方法，通过每颗低轨卫星和至少一个地面监测站的组合监测数据获取方式，以打破地面监测站地域限制，覆盖gnss卫星全飞行弧段的连续监测；再通过预选取的节点低轨卫星提取观测方程并生成联合定轨矩阵，根据参数估计算法计算每颗gnss卫星和每颗低轨卫星的精密轨道与钟差估计值并传输至每颗低轨卫星，实现为全域gnss卫星服务性能评估提供精准基准数据；又通过每颗低轨卫星对其监测范围内的每颗gnss卫星进行空间精度评估和定位性能评估，并将结果输出至节点低轨卫星，实现每颗gnss卫星的完好性信息电文的生成；还通过将完好性信息电文传输至每颗低轨卫星，实现全球范围内的及时播发，有效提高对gnss卫星监测的告警效率，从而能够解决监测范围局限于覆盖区域上空、难以连续监测覆盖和未及时告警风险增加的问题。

69、本发明的基于低轨监测的gnss服务性能自主评估系统，与本发明的基于低轨监测的gnss服务性能自主评估方法属于同一个发明构思，至少应当具有与基于低轨监测的gnss服务性能自主评估方法相同的技术效果，因而，本发明在此不再过多赘述。

70、根据以上内容可知，采用本发明的技术方案能够有效地解决现有的gnss卫星的服务性能评估方法监测范围局限于覆盖区域上空，难以实现对gnss卫星的连续监测覆盖，且制约了对gnss卫星的告警效率，造成gnss卫星未及时告警风险增加的问题。

71、本发明的其他特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。