深空测距上下行设备零值的标定与分离方法与流程

1.本发明属于深空探测标定技术领域，具体涉及深空测距上下行设备零值的标定与分离方法。


背景技术：

2.深空测距获取的测量值为距离和，其上下行设备零值难以分离。通常方法是进行单站双向测距，扣除探测器转发时延和大气折射时延后，标定距离和系统误差，简单折半得到上下行设备零值。零值均分法在进行收发异站测距时，会引入数十米到百米的误差，这是不可忽略的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供深空测距上下行设备零值的标定与分离方法，建立零值组合的非齐次线性方程组，通过解方程获得准确的上下行设备零值。
4.本发明所采用的技术方案是，深空测距上下行设备零值的标定与分离方法，其特征在于，设待标定深空测量站为a站和b站，c站辅助标定站，l为月球表面着陆器，通过以下步骤对a站、b站进行上下行设备零值标定与分离；
5.步骤1，选取合作式月球表面着陆器l作为标定靶目标，将a站作为主站进行观测；从时间t0到t1，使用a站发送上行信号，a站、b站、c站均接收月球表面着陆器转发的下行信号，获取三组距离和数据ρ
aa
(t),ρ
ab
(t),ρ
ac
(t)；从时间t1到t2，使用b站发送上行信号，a、b、c三站接收月球表面着陆器转发的下行信号，获取三组距离和数据ρ
bb
(t),ρ
ba
(t),ρ
bc
(t)；
6.步骤2，对步骤1中的距离和数据分别进行修正，得到修正后的距离和实测数据ρ
′
aa
，ρ
′
bb
，ρ
′
ab
，ρ
′
ba
，ρ
′
ac
，ρ
′
bc
；
7.步骤3，使用光行时回溯迭代法，求解距离和理论值；
8.步骤4，将步骤2和3的结果对应相减，得到误差标定结果；将误差结果序列对时间求平均，得到系统偏差；
9.步骤5，根据系统偏差将测站a、b的上下行设备零值进行精确的标定和分离。
10.本发明的特点还在于，
11.步骤2中，具体为：
12.步骤2.1，对步骤1得到的六组距离和数据扣除地面测试获得的等效附加距离，完成转发器时延修正；
13.步骤2.2，测量信号穿过大气，受到大气折射影响，传播路径增加引入时延；通过gnss双频接收机或大气折射经验模型予以修正；
14.步骤2.3，利用高精度共视接收机，通过共视gnss卫星传递收发站站间钟差，钟差折算成距离误差，在测量数据中予以扣除。
15.步骤3中，具体为：以a站上行b站下行为例；
16.步骤3.1，以数据接收时刻t∈[t1,t2]，着陆器r
l
(t)和下行测站位置rb(t)为初始
值，进行光行时迭代，求解着陆器转发时刻t-τ1着陆器精确位置r
l
(t-τ1)，获得理论下行距离
[0017]
τ1为下行光行时，即信号在t-τ1时刻，从着陆器出发，在t时刻，到达下行测站；
[0018]
步骤3.2，以着陆器转发时刻t-τ1，着陆器r
l
(t-τ1)和上行测站位置ra(t-τ1)为初始值，进行光行时迭，求解上行测站发送时刻t-τ
1-τ2上行测站精确位置ra(t-τ
1-τ2)，获得理论上行距离τ2为下行光行时；
[0019]
步骤3.3，将所得结果相加，得到距离和的理论值同样方法获得
[0020]
步骤4中，系统偏差表示为：
[0021][0022]
步骤5中，系统偏差等于各组合上下行设备零值之和，六组数据组成一个非齐次线性方程组：
[0023][0024]
获得最小二乘解：
[0025]
[0026]
至此，测站a、b的上下行设备零值得到精确的标定和分离。
[0027]
本发明的有益效果是：通过辅助接收站增加观测冗余，建立零值组合的非齐次线性方程组，通过解方程获得准确的上下行设备零值。本发明方法相比于现有的比零值均分法，更准确的反映设备上下行零值情况，在深空异站收发测量中有明显的效益。
附图说明
[0028]
图1是本发明方法与零值均分法的误差分析图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0030]
本发明深空测距上下行设备零值的标定与分离方法，具体按照以下步骤进行实施：
[0031]
设待标定深空测量站为a站和b站，c站辅助标定站，l为月球表面着陆器，通过以下步骤对a站、b站进行上下行设备零值标定与分离；
[0032]
步骤1，选取合作式月球表面着陆器l作为标定靶目标，将a站作为主站进行观测，从时间t0到t1，使用a站发送上行信号，a站、b站、c站均接收月球表面着陆器转发的下行信号，获取三组距离和数据ρ
aa
(t),ρ
ab
(t),ρ
ac
(t)，t＝t0,t0 δt,t0 2δt,
…
,t1，δt为测量间隔；
[0033]
从时间t1到t2，使用b站发送上行信号，a、b、c三站接收月球表面着陆器转发的下行信号，获取三组距离和数据ρ
bb
(t),ρ
ba
(t),ρ
bc
(t)，t＝t1,t1 δt,t1 2δt,
…
,t2，δt为测量间隔。
[0034]
步骤2，对步骤1中的距离和数据分别进行修正，具体为：
[0035]
步骤2.1，着陆器、转发器接收和转发信号，会引入一个等效附加距离。该距离通过地面测试获得，通常为一常值，对上面得到的六组距离和数据扣除地面测试获得的等效附加距离，完成转发器时延修正；
[0036]
步骤2.2，测量信号穿过大气，受到大气折射影响，传播路径增加引入时延。可通过gnss双频接收机或大气折射经验模型予以修正；
[0037]
步骤2.3，利用高精度共视接收机，通过共视gnss卫星传递收发站站间钟差，钟差折算成距离误差，在测量数据中予以扣除；
[0038]
步骤1中的到的六组距离和数据，减去步骤2中三个步骤计算的修正量，得到修正后的距离和实测数据ρ
′
aa
，ρ
′
bb
，ρ
′
ab
，ρ
′
ba
，ρ
′
ac
，ρ
′
bc
；
[0039]
步骤3，使用光行时回溯迭代法，求解距离和理论值；以a站上行b站下行为例；
[0040]
步骤3.1，以数据接收时刻t∈[t1,t2]，着陆器r
l
(t)和下行测站位置rb(t)为初始值，进行光行时迭代，求解着陆器转发时刻t-τ1着陆器精确位置r
l
(t-τ1)，获得理论下行距离
[0041]
τ1为下行光行时，即信号在t-τ1时刻，从着陆器出发，在t时刻，到达下行测站；
[0042]
步骤3.2，以着陆器转发时刻t-τ1，着陆器r
l
(t-τ1)和上行测站位置ra(t-τ1)为初始值，进行光行时迭，求解上行测站发送时刻t-τ
1-τ2上行测站精确位置ra(t-τ
1-τ2)，获得理论
上行距离τ2为下行光行时；
[0043]
步骤3.3，将所得结果相加，得到距离和的理论值同样方法获得
[0044]
步骤4，将步骤2和3的结果对应相减，得到误差标定结果；将误差结果序列对时间求平均，得到系统偏差；
[0045]
在着陆器位置精确，测量误差修正充分的情况下，标定结果预期呈仅含系统偏差的白噪声分布，噪声水平与设备热噪声相当，而系统偏差即为设备零值。系统偏差表示为：
[0046][0047]
步骤5，将测站a、b的上下行设备零值进行精确的标定和分离；
[0048]
步骤4中系统偏差等于各组合上下行设备零值之和，六组数据组成一个非齐次线性方程组：
[0049][0050]
式中up表示上行零值，down表示下行零值，脚标表示测站。该方程组含有6个方程5个未知数，是一个超定方程，使用矩阵左除等方法可获得最小二乘解：
[0051]
[0052]
至此，测站a、b的上下行设备零值得到精确的标定和分离。
[0053]
实施例
[0054]
某次标定试验的示例如下。距离和系统偏差为：
[0055]
bias
aa
＝944.653
[0056]
bias
bb
＝710.409
[0057]
bias
ab
＝796.521
[0058]
bias
ba
＝860.759
[0059]
bias
ac
＝743.625
[0060]
bias
bc
＝651.532
[0061]
通过求解得到测站a、b上下行设备零值，与零值均分法对比如下：
[0062]
表1上下行零值分离比较
[0063][0064]
可以看出，零值均分法存在较大误差，本发明方法可以更准确的反映设备上下行零值情况，为深空异站收发测量奠定了基础。
[0065]
如图1所示，选取三个比较项目，前两个项目本发明方法误差均小于0.1％，小于零值均分法3％-4％的误差，第三个项目误差约8％，远优于零值均分法24％的误差。可以看出，本发明方法可以更准确的反映设备上下行零值情况，为深空异站收发测量奠定了基础。