一種導航衛星時延偏差建模方法
1.本發明屬于全球衛星導航系統信號監測與誤差建模領域，尤其涉及一種導航衛星時延偏差建模方法。
背景技術：
2.衛星導航系統建設初期，地面運控系統一般只使用單一類型的監測接收機數據進行定軌，不同監測接收機之間具有較好的一致性。隨著衛星導航系統的應用與發展，地面系統接收機和應用終端接收機種類和數量不斷增多。在導航衛星定軌數據處理中發現，使用不同類型的接收機，偽距雙差均值不為零，且不同衛星間偽距雙差均值互不相同，呈現“分層”現象。該現象在各大衛星導航系統中均存在，雖有一定規律特征，但其產生機理當時并不清晰，既不能被衛星鐘差/衛星碼偏差、接收機鐘差/接收機碼偏差等特征參數吸收，也不能通過站間作差或歷元間作差的方式直接消除，難以利用精準的數學解析公式表達，是影響導航業務處理和用戶定位授時服務精度的重要誤差源，在衛星導航系統級仿真軟件中必須考慮。
3.但該類測量誤差建模難度大，美歐現有仿真軟件均無對該類誤差建模能力。美國agi和ost等公司聯合開發了衛星導航軟件工具箱（navtk），該軟件支持大氣傳播損耗、地形影響、飛行航跡、覆蓋性和精度分析等模型，可用于gps衛星導航(satnav)任務的建模、仿真、軍事行動和分析，但目前公開資料未顯示其具備偽距測距偏差等微小誤差建模能力。歐洲gssf軟件是歐空局為評估和分析galileo系統性能而開發的一種仿真軟件，它對galileo系統的空間星座、地面監控站和接收設備都進行了全面的仿真，能夠分析自由空間損耗、多徑、大氣層折射，電離層散射等導航信號產生的影響，但公開資料顯示其并不具備偽距測距偏差建模能力。
4.在現有技術中，有的是通過對觀測數據進行預處理，確定各歷元各衛星高度角；根據各歷元各衛星高度角，剔除小于第一閾值的觀測數據；通過偽距觀測值星間單差減去理論星地距離，消除公共誤差，剔除不滿足第二閾值要求的誤差項；采用弧段均值法，獲取偽距偏差；根據接收機差分計算的基準，將偽距偏差修正到偽距觀測值中。該方法是從數據層的角度計算出偽距偏差并改善定位結果，對偽距偏差的產生機理并不關注。
5.有的是利用地面天線對下行導航信號進行直接射頻采樣，通過捕獲跟蹤處理后，利用預失真算法，生成相應的預失真參數，并通過參數上注動態調整星上預失真濾波器的幅相頻參數。它主要應用于導航信號質量監測和星上下行導航信號的參數預失真，它無法對不同用戶接收算法和不同通道特性函數下產生的用戶偽距“分層”偏差進行建模。
6.通過標定星地距離，測量接收端傳輸時延，可分析星間信號差異，同時利用軟件接收機，可進一步驗證偽距測量修正參數的修正精度。該方法是一種導航信號偽距偏差的修正方法，側重于末端的導航信號質量監測和接收機應用，不能直接應用于系統級仿真軟件。
7.總結起來，現有技術中只公開了一些從數據層或信號層修正偽距偏差的方法，也有從信號質量監測角度優化偽距偏差的方法，但未從星地收發設備級聯后的射頻信道整體
特性考慮，通道非理想特性對測量誤差的影響，只有在衛星導航系統級仿真軟件中才有可能需要考慮星地兩端級聯后的通道特性，以及對理想信號帶來的偏差影響。
技術實現要素：
8.為解決上述技術問題，本發明提出了一種導航衛星時延偏差建模方法，通過對偽距雙差數據規律進行分析與理論研究，搞清了衛星偽距“分層”偏差現象機理是由衛星信號波形非理想所導致的，建立了衛星信號微小失真對衛星導航接收機測距偏差影響的理論模型，并通過利用高增益天線接收衛星數據對信號失真模型參數進行反演與一致性校驗，實現了北斗衛星偽距“分層”偏差納秒級建模，確保了導航衛星高精度定位定軌試驗能力。
9.為實現上述目的，本發明提供了一種導航衛星時延偏差建模方法，包括：獲取衛星導航接收機對導航衛星的偽距雙差值，基于所述偽距雙差值，獲取信號畸變的衛星列表；獲取高增益導航衛星信號，基于所述高增益導航衛星信號，獲取各衛星偽距偏差值；基于所述高增益導航衛星信號，反演導航衛星發射通道特性；基于所述衛星列表、各衛星偽距偏差值和導航衛星發射通道特性，構建不同導航接收衛星時延偏差的傳遞模型。
10.可選地，獲取衛星導航接收機對導航衛星的偽距雙差值包括：基于所述衛星導航接收機接收導航衛星信號，獲取所述衛星導航接收機對導航衛星的偽距觀測值；利用零基線雙差法，對不同所述衛星導航接收機的同一所述導航衛星的所述偽距觀測值進行雙差處理，獲取所述偽距雙差值。
11.可選地，所述偽距觀測值為：其中，為偽距觀測量，為視線方向幾何距離，為接收機和衛星的鐘差，為光速，為電離層延遲誤差，與信號分量所調制頻率的平方成正比，為對流程延遲誤差，為衛星廣播星歷誤差在星地方向上的投影，為對應觀測量的多徑和熱噪聲，為接收機對衛星的偽距測距偏差。
12.可選地，所述零基線差分方式為：其中，為m和n兩個接收機站間單差觀測量，為光速，為站間接收機鐘差的單差，為同一衛星在不同接收機參數下的偽距偏差差分值，為組合觀測量噪聲；
所述偽距雙差值為：其中，分別為接收機對衛星引入的偽距偏差，分別為接收機對衛星引入的偽距偏差。
13.可選地，獲取信號畸變的所述衛星列表包括：采用k-means均值聚類方式，對所述偽距雙差值進行相似聚類，獲取信號畸變的所述衛星列表。
14.可選地，獲取各衛星偽距偏差值包括：獲取所述高增益導航衛星信號；利用通道均衡方式，對所述高增益導航衛星信號進行補償與校準；基于校準后的所述高增益導航衛星信號，獲取所述各衛星偽距偏差值。
15.可選地，所述通道均衡方式包括：基于經典維納濾波理論和最小二乘理論，利用一個l點的fir濾波器逼近期望均衡器，選擇預設線性相位通道作為參考通道；基于最小均方誤差準則，構建一個基于跟蹤偏差最小的時域均衡濾波器，補償因采集通道帶來的偏差。
16.可選地，所述各衛星偽距偏差值為站間不同接收機收到的同一顆衛星導航信號由于通道差異引入的測距偏差差異；所述測距偏差差異為：其中，分別為經過通道1、2的理想衛星導航信號產生的測距偏差；所述測距偏差為：其中，為別為兩個接收機通道的幅頻響應和相頻響應函數，，為衛星通道的幅頻響應和相頻響應函數，g為理想導航信號功率譜密度函數，d為相關器間隔，b為接收機前端帶寬，f為信號頻率。
17.可選地，反演所述導航衛星發射通道特性包括：預設第一導航信號；基于所述高增益導航衛星信號和所述第一導航信號，利用通道函數反推出所述導航衛星發射通道特性。
18.可選地，所述通道函數h為：
其中，x為輸入信號矢量，y為經過通道后的輸出信號矢量，h為矩陣轉置。
19.與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果：本發明通過衛星導航接收機零基線法采集實際衛星數據分析衛星偽距偏差問題，對偽距偏差機理展開分析，得出偽距偏差產生的根本原因是導航衛星發射的導航信號失真，結合高增益天線和軟件接收機設備采集衛星數據分析衛星載荷通道特性，計算通道預失真參數，并通過誤差建模軟件模擬調整衛星載荷通道參數，可通過系統級試驗床驗證衛星導航接收機參數校驗后衛星偽距的一致性，實現對衛星偽距偏差建模的高精度模擬，支撐對衛星導航信號問題的排查。
附圖說明
20.構成本技術的一部分的附圖用來提供對本技術的進一步理解，本技術的示意性實施例及其說明用于解釋本技術，并不構成對本技術的不當限定。在附圖中：圖1為本發明實施例的一種導航衛星時延偏差建模方法流程示意圖。
具體實施方式
21.需要說明的是，在不沖突的情況下，本技術中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本技術。
22.需要說明的是，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行，并且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執行所示出或描述的步驟。
實施例
23.如圖1所示，本實施例提供了一種導航衛星時延偏差建模方法，包括：獲取衛星導航接收機對導航衛星的偽距雙差值，基于所述偽距雙差值，獲取異常信號畸變的衛星列表；獲取高增益導航衛星信號，基于所述高增益導航衛星信號，獲取各衛星偽距偏差值；基于所述高增益導航衛星信號，反演導航衛星發射通道特性；基于所述衛星列表、各衛星偽距偏差值和導航衛星發射通道特性，構建不同導航接收衛星時延偏差的傳遞模型。
24.進一步地，獲取衛星導航接收機對導航衛星的偽距雙差值包括：基于所述衛星導航接收機接收導航衛星信號，獲取所述衛星導航接收機對導航衛星的偽距觀測量；利用零基線差分方式，對不同所述衛星導航接收機的所述偽距觀測量進行雙差處理，獲取所述偽距雙差值。
25.進一步地，獲取異常信號畸變的衛星列表包括：采用k-means均值聚類方式，對所述偽距雙差值進行相似聚類，獲取異常信號畸變
的是多數衛星列表。
26.進一步地，獲取各衛星偽距偏差值包括：利用大口徑窄波束天線獲取所述高增益導航衛星信號；利用通道均衡方式，對所述高增益導航衛星信號進行補償與校準；基于校準后的所述高增益導航衛星信號，獲取所述各衛星偽距偏差值。
27.進一步地，所述通道均衡方式包括：基于經典維納濾波理論和最小二乘理論，利用一個l點的fir濾波器逼近期望均衡器，選擇預設線性相位通道作為參考通道；基于最小均方誤差準則，構建一個基于跟蹤偏差最小的時域均衡濾波器，補償因采集通道帶來的偏差。
28.進一步地，所述各衛星偽距偏差值包括：站間不同接收機收到的由于通道差異引入的測距偏差差異，以及單個接收機通道引入的測距偏差；進一步地，反演所述導航衛星發射通道特性包括：預設第一導航信號；基于所述高增益導航衛星信號和所述第一導航信號，利用通道函數反推出所述導航衛星發射通道特性。
29.使用兩組不同接收機參數處理同一北斗二號衛星b3i信號時存在偽距偏差，且在接收不同衛星信號時偽距偏差不同，從而出現不同衛星偽距雙差分層現象，各衛星偽距偏差不一致性約在亞米級。
30.根據偽距偏差產生的根本原因是導航衛星信號失真，本實施例設計了一種基于實測數據反演與一致性校驗的衛星偽距“分層”偏差建模方法驗證系統。
31.本實施例提供的算法具體包括如下步驟：s1：基于衛星導航接收機雙差實測數據的偽距偏差計算。利用零基線雙差法，對零基線條件下的不同導航接收機偽距值做雙差處理，計算導航衛星的偽距偏差值。
32.具體的，gnss全向天線接收導航衛星信號，對于某一衛星導航接收機接收到的導航衛星某一信號分量的偽距觀測方程為：式中，為偽距觀測量，為視線方向幾何距離，為接收機和衛星的鐘差，為光速，為電離層延遲誤差，與信號分量所調制頻率的平方成正比，為對流程延遲誤差，為衛星廣播星歷誤差在星地方向上的投影，為對應觀測量的多徑和熱噪聲，為接收機對衛星的偽距觀測距偏差，此處為絕對偏差值，包含所有衛星相同的部份和各衛星獨立偏差量。
33.利用零基線差分方法，可以消除或削弱偽距觀測量中的衛星星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲、對流層延遲和接收機鐘差等大部分誤差。利用并置接收機對衛星的偽距觀測量作接收機間差分，可得兩個接收機站間單差觀測量為：
其中，為m和n兩個接收機站間單差觀測量，為光速，為站間接收機鐘差的單差，為接收機m和衛星的鐘差，為接收機n和衛星的鐘差，為同一衛星在不同接收機參數下的偽距偏差差分值，為組合觀測量噪聲；
[0034] 進一步地，接收機對兩顆衛星的偽距雙差可表示為：式中，分別為接收機對衛星引入的偽距偏差，分別為接收機對衛星引入的偽距偏差。
[0035]
因此，以某顆持續可見的geo衛星為參考，即可獲得其他導航衛星對該geo衛星的偽距雙差值。
[0036]
s2：基于均值聚類的畸變信號衛星分析。對所有衛星偽距雙差均值進行聚類，出可能存在信號畸變的導航衛星。
[0037]
具體的，采用k-means均值聚類方法對步驟s1中獲得的各顆衛星偽距雙差值進行相似聚類，獲得可能發生異常信號畸變的衛星列表。
[0038]
步驟s3：導航信號高增益接收采集。利用高增益天線和寬帶采集設備采集在軌導航衛星信號文件。
[0039]
具體的，利用大口徑窄波束天線獲取高增益的導航衛星信號，避免導航接收信號受空間大氣傳播環境以及地面反射環境的影響。同時，利用寬帶采集設備采集待處理的導航信號，避免接收信號受采集通道濾波器、變頻器等通道特性影響。
[0040]
s4：接收通道效應補償與校準。利用通道均衡算法對傳輸通道特性進行均衡校準，補償因信號采集和傳輸引入的非理想特性。
[0041]
具體地，基于經典維納濾波理論和最小二乘理論，利用一個l 點的fir濾波器逼近期望均衡器，通常選擇“虛擬”的理想線性相位通道（即預設的線性相位通道）作為參考通道。根據最小均方誤差準則，設計一個基于跟蹤偏差最小的時域均衡濾波器，補償因采集通道帶來的微小偏差。考慮到采集設備通道長期使用可能帶來的老化原因，該組均衡參數還應定期調整。
[0042]
s5：衛星偽距偏差跟蹤計算。利用軟件接收機對采集的高增益寬帶采集信號進行捕獲跟蹤處理，計算各衛星偽距偏差。
[0043]
具體的，利用軟件接收機進行捕獲跟蹤處理，輸出跟蹤環路偽距偏差。對于同一顆衛星，站間不同接收機收到的由于通道差異引入的測距偏差差異為：其中，分別為經過通道1、2的理想衛星導航信號產生的測距偏差；
其中，單個接收機通道引入的測距偏差為：其中，單個接收機通道引入的測距偏差為：式中，為別為兩個接收機通道的幅頻響應和相頻響應函數，為衛星通道的幅頻響應和相頻響應函數，g為理想導航信號功率譜密度函數，d為相關器間隔，b為接收機前端帶寬，f為信號頻率。
[0044] 上述偏差是采用偽碼跟蹤時采用相干eml 鑒別器，采用其他鑒相方式，則上述偽距偏差公示略有差別。
[0045]
步驟s6：衛星發射通道特性反演。利用采集的高增益導航信號數據和理想導航信號（即預設的第一導航信號）反演衛星發射通道特性。
[0046]
具體的，導航信號經歷星上發射通道、空間傳播通道和地面接收通道的影響，會產生一定程度信號失真，設定信號傳輸通道函數為，則下行導航信號可表示為：式中，為理想無失真信號，為高斯白噪聲，可利用最小二乘法估計出通道函數向量表達式：其中，x為輸入信號矢量，y為經過通道后的輸出信號矢量，h為矩陣轉置。
[0047]
地面采集設備通道特性可利用理想導航信號提前測量獲得，而利用高增益天線接收時可近似忽略空間大氣傳播通道影響，因此，可利用上述通道函數反推出導航衛星發射通道特性。
[0048]
步驟s7：衛星時延偏差建模與校準。在系統級試驗床上建立衛星信號微小失真對衛星導航接收機測距偏差的影響模型，同時利用上述實測數據對該模型進行校準。
[0049]
具體的，根據步驟s1-s6獲得的衛星列表、偽距偏差值和反演的衛星發射通道特性，建立不同導航接收衛星時延偏差的傳遞模型，并利用零基線雙差獲得的實測數據對該模型不斷進行校準，從而獲得高精度衛星時延偏差模型。
[0050]
以上，僅為本技術較佳的具體實施方式，但本技術的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本技術揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本技術的保護范圍之內。因此，本技術的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
