基于GNSS的公里级区域大气相位不一致性高精度测量方法与流程

基于gnss的公里级区域大气相位不一致性高精度测量方法
技术领域
1.本发明涉及深空测控领域中的一种基于gnss的公里级区域大气相位不一致性高精度测量方法，特别适用于深空测控1km
×
1km范围内区域上行天线组阵单差电离层延迟和单差对流层延迟的高精度测量。


背景技术：

2.在深空测控中，上行天线组阵发射的深空信号在通过大气层时，会发生电离层折射效应和对流层折射效应，其中对流层波动(扰动)是时空高频扰动，对信号相位的影响很大，电离层折射效应对低频段信号而言也是时空高频扰动，1km范围内s波段延迟差在不利情况下可以达到1厘米，这会导致天线组阵信号合成算法的相位差估计精度降低，是影响天线组阵合成信噪比提高的主要因素。上行天线组阵的关键技术在于如何补偿地面天线组阵信号相位，以使航天器将不同的接收信号对齐，其中，大气扰动是重要的补偿项，这就需要对大气相位不一致性进行实时的高精度测量。
3.大气扰动对信号相位的影响与天线组阵所处的位置、气象和季节因素强相关，使用气象参数建立的大气模型得到的相位差在时效性和精度方面都得不到保障，需要利用其它手段对大气波动的相位影响进行精确标定。当前工程上主要采用三种方法来测量大气的时空特性：一是干涉仪，通过观测高精度标定的射电源求得大气波动相位差，但实际观测中，由于天线口径小，很难在较短时间内接收到足够强度的射电信号；二是水汽辐射仪，由于对流层扰动主要是由于水汽湍流引起，通过测量水汽延迟变化能直接反映信号相位变化，但采用小口径天线时测量波束宽度为20～30
°
，会将1km内上行天线组阵波束路径(波束宽带仅0.05
°
左右)全部覆盖，无法分辨不同上行信号间的大气波动相位差，若采用大口径天线，则每个上行组阵天线旁边要配置一台，工程量和成本代价过高难以承受，即使与组阵天线进行复用，由于频段、信号处理等兼容问题也会导致工程造价过高，而且无法测量电离层延迟引起的相位变化；三是基于gnss信号的方法，测量精度高，实时性好，成本也相对较低，但当前的gnss连续运行参考站网最小的站间距约为10km，相对于小区域(1km
×
1km)上行天线组阵而言，观测数据的水平空间分辨率低，无法反映区域内大气相位的差异，另一方面，基于码伪距观测量的方法精度不够，而基于载波相位观测量的方法存在整周模糊度不易解算、多路径效应影响大等难题，测量精度在厘米量级，无法满足公里级区域上行天线组阵毫米量级的高精度需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种基于gnss的公里级区域大气相位不一致性高精度测量方法。
5.本发明采用的技术方案为：
6.一种基于gnss的公里级区域大气相位不一致性高精度测量方法，包括以下步骤：
7.①
基于公里级范围内布设的多台gnss接收机的观测数据，进行测站间单差，针对
两个测站观测到的所有导航卫星，建立单差方程组：
[0008][0009]
其中，
[0010]
其中，i＝1,2,...,n，n为导航卫星数量，δφ
i
为两个测站对卫星i的载波相位单差，δr
i
为两个测站对卫星i的码伪距单差，δρ
i
为卫星i到两个测站的几何距离差，f为载波频率，c为光速，δt为两个测站的接收机钟差之差，δn
i
为卫星i的单差整周模糊度，δ
φi
为卫星i的相位残差，δ
ri
为卫星i的码伪距残差，δi
i
为两个测站在卫星i方向的单差电离层延迟，δt
i
为两个测站在卫星i方向的单差对流层延迟，δm
i
为卫星i方向的多路径误差，δε
φi
为卫星i的站间载波相位观测噪声，δε
ri
为卫星i的站间码伪距观测噪声；
[0011]
②
解算单差方程组，获得单差整周模糊度的浮点解，并使用lambda算法固定单差整周模糊度δn
i
；
[0012]
③
根据已经固定的单差整周模糊度单差δn
i
，计算接收机钟差之差δt；
[0013]
④
计算包含单差电离层延迟、单差对流层延迟、多路径误差和观测噪声的相位残差δ
φi
：
[0014][0015]
⑤
采用集合平均经验模态分解方法，把相位残差δ
φi
进行分频，利用多路径效应表现为高频特性，单差电离层延迟和单差对流层延迟表现为低频特性的特点，提取多路径模型，通过恒星日滤波消除多路径误差，并进行移动平均滤波去除观测噪声，得到包含单差电离层延迟和单差对流层延迟的站间单差残差v
i
，且有：
[0016][0017]
⑥
针对导航卫星的l1载波和l2载波，分别得到两个载波的站间单差残差v
il1
和v
il2
，从而建立方程：
[0018]
[0019][0020]
对方程求解即得到测量导航卫星方向上的单差电离层延迟δi
i
和单差对流层延迟δt
i
。
[0021]
其中,步骤
①
具体为：
[0022]
基于公里级范围内布设的多台gnss接收机的观测数据，建立两个测站的观测方程：
[0023][0024][0025]
其中，i,j＝1,2,...,p且i≠j，p为测站的数量，φ
i
、φ
j
分别为i,j两个测站的载波相位观测量，r
i
、r
j
分别为i,j两个测站的码伪距观测量，ρ
i
、ρ
j
分别为卫星到i,j两个测站的几何距离，f为载波频率，c为光速，σt
i
、σt
j
分别为i,j两个测站的接收机钟差，σt
s
为卫星钟差，n
i
、n
j
分别为i,j两个测站的相位模糊度，i
i
、i
j
分别为i,j两个测站的电离层折射延迟，t
i
、t
j
分别为i,j两个测站的对流层折射延迟，m
i
、m
j
分别为i,j两个测站的多路径延迟，ε
φi
、ε
φj
分别为i,j两个测站的载波相位观测噪声，ε
ri
、ε
rj
分别为i,j两个测站的码伪距观测噪声；
[0026]
进行i,j测站间单差，得到单差的方程为：
[0027][0028]
采用差分符号，记为：
[0029]
δφ＝φ
i
‑
φ
j
[0030]
δr＝r
i
‑
r
j
[0031]
δρ＝ρ
i
‑
ρ
j
[0032]
δt＝δt
i
‑
δt
j
[0033]
δn＝n
i
‑
n
j
[0034]
δi＝i
i
‑
i
j
[0035]
δt＝t
i
‑
t
j
[0036]
δm＝m
i
‑
m
j
[0037]
δε
φ
＝ε
φi
‑
ε
φj
[0038]
δε
r
＝ε
ri
‑
ε
rj
[0039]
则站间单差观测方程可写为：
[0040][0041]
δr＝δρ cδt δi δt δm δε
r
[0042]
由于上式中的后四项包括电离层、对流层、多路径和观测噪声值较小，将其先作为整体考虑，分别记为相位残差δ
φ
和码伪距残差δ
r
：
[0043][0044]
δ
r
＝δi δt δm δε
r
[0045]
则站间单差观测方程可写为：
[0046][0047]
本发明相比背景技术具有如下优点：
[0048]
本发明基于公里级范围内多台gnss接收机的观测数据来测量区域大气相位不一致性，大大提高了观测数据的水平空间分辨率，能反映公里级区域大气相位的差异性；可最大限度地利用所有可见的gnss卫星信号，信号强度高，能够24小时连续不间断测量，实时性好，成本较低；基于双频载波相位观测量，通过准确解算整周模糊度并消除多路径误差，能够分别求解出单差电离层延迟和单差对流层延迟，测量精度高，可达到毫米量级，满足公里级区域上行天线组阵系统需求。
附图说明
[0049]
图1是本发明基于gnss的公里级区域大气相位不一致性高精度测量方法的流程图。
具体实施方式
[0050]
本发明实施例基于gnss双频接收机的载波相位观测量和码伪距观测量，针对观测到的所有导航卫星建立测站间的单差方程，结合lambda算法解算出单差整周模糊度；利用多路径效应的高频特性，采用集合平均经验模态分解方法提取多路径模型，通过恒星日滤波消除了多路径误差；建立不同载波频率的站间单差残差方程，求解得到测量导航卫星方向上的单差电离层延迟和单差对流层延迟，用于后续高精度区域大气相位空
‑
时建模与修正。本发明的特点是：第一，针对公里级区域大气扰动特点，利用1km
×
1km范围内多台gnss接收机的观测数据进行测量，大大提高了观测数据的水平空间分辨率，更适用于公里级区域上行天线组阵系统；第二，支持全星座gnss信号，实时性好；第三，基于载波相位观测量来求解大气扰动引入的相位不一致性，能够准确解算出载波相位整周模糊度，并有效消除多路径误差的影响，测量精度高，可达到毫米量级，满足公里级区域上行天线组阵系统需求。
[0051]
参照图1，本实施例的具体实现步骤如下：
[0052]
步骤1，基于1km
×
1km范围内布设的多台gnss接收机的观测数据，建立i,j(i,j＝1,2,...,p且i≠j)两个测站的观测方程：
[0053][0054][0055]
其中，p为测站的数量，φ
i
、φ
j
分别为i,j两个测站的载波相位观测量，r
i
、r
j
分别为i,j两个测站的码伪距观测量，ρ
i
、ρ
j
分别为卫星到i,j两个测站的几何距离，f为载波频率，c为光速，σt
i
、σt
j
分别为i,j两个测站的接收机钟差，σt
s
为卫星钟差，n
i
、n
j
分别为i,j两个测站的相位模糊度，i
i
、i
j
分别为i,j两个测站的电离层折射延迟，t
i
、t
j
分别为i,j两个测站的对流层折射延迟，m
i
、m
j
分别为i,j两个测站的多路径延迟，ε
φi
、ε
φj
分别为i,j两个测站的载波相位观测噪声，ε
ri
、ε
rj
分别为i,j两个测站的码伪距观测噪声；
[0056]
进行i,j测站间单差，得到单差的方程为：
[0057][0058]
为了便于描述，采用差分符号，记
[0059][0060]
则站间单差观测方程可写为：
[0061][0062]
由于上式中的后四项(包括电离层、对流层、多路径和观测噪声等误差)值较小，将其先作为整体考虑，分别记为相位残差δ
φ
和码伪距残差δ
r
：
[0063][0064]
则站间单差观测方程(5)可写为：
[0065][0066]
实施例中，测站的数量p＝5；
[0067]
步骤2，在某一个历元，针对两个测站观测到的所有导航卫星，建立单差方程组：
[0068][0069]
其中，i＝1,2,...,n，n为导航卫星数量，δφ
i
为两个测站对卫星i的载波相位单差，δr
i
为两个测站对卫星i的码伪距单差，δρ
i
为卫星i到两个测站的几何距离差，f为载波频率，c为光速，δt为两个测站的接收机钟差之差，δn
i
为卫星i的单差整周模糊度，δ
φi
为卫星i的相位残差，δ
ri
为卫星i的码伪距残差，δi
i
为两个测站在卫星i方向的单差电离层延迟，δt
i
为两个测站在卫星i方向的单差对流层延迟，δm
i
为卫星i方向的多路径误差，δε
φi
为卫星i的站间载波相位观测噪声，δε
ri
为卫星i的站间码伪距观测噪声；
[0070]
实施例中，观测卫星数量n取决于观测时刻和测站的位置；
[0071]
步骤3，解算单差方程组，获得单差整周模糊度的浮点解，并使用lambda算法固定单差整周模糊度δn
i
；
[0072]
步骤4，根据已经固定的单差整周模糊度δn
i
，计算接收机钟差之差δt；
[0073]
步骤5，计算包含单差电离层延迟、单差对流层延迟、多路径误差和观测噪声的相位残差δ
φi
：
[0074][0075]
步骤6，采用集合平均经验模态分解方法，把相位残差δ
φ
进行分频，利用多路径效应表现为高频特性、单差电离层延迟和单差对流层延迟表现为低频特性的特点，提取多路径模型，通过恒星日滤波消除多路径误差，并进行移动平均滤波去除观测噪声，得到包含单差电离层延迟和单差对流层延迟的残差v
i
，且有：
[0076][0077]
步骤7，针对导航卫星的l1载波、l2载波，可分别得到两个载波的站间单差残差v
il1
和v
il2
，从而建立方程：
[0078][0079]
对方程求解即得到测量导航卫星方向上的单差电离层延迟δi
i
和单差对流层延迟δt
i
；
[0080]
完成基于gnss的公里级区域大气相位不一致性高精度测量方法的实现。