一种导航信号伪距偏差修正方法与流程

本发明属于导航信号偏差修正领域，具体涉及一种导航信号伪距偏差修正方法。

背景技术：

由于卫星下行导航信号的非理想特性，会导致同一台接收机观测相同频点不同卫星信号时的伪距差值不相等，两台不同技术状态的接收机观测相同频点相同卫星信号时的伪距差值也不相等，这一现象称为伪距偏差。伪距偏差是由于卫星导航信号失真不一致造成的，直接影响用户的测距定位。目前伪距偏差修正方法研究均聚焦于接收端，通过接收机的前端带宽和相关器间隔等参数来减轻伪距偏差的影响。该现象不但不能通过差分的方式进行消除，在进行双频电离层误差修正时还会被进一步放大，对卫星导航系统服务精度的提高已构成严重危害。

卫星导航信号在产生、传播和接收的过程中，每个环节都会给信号带来失真，对于大多数用户而言，这种信号失真而产生的测距偏差不会对其定位功能造成严重损害。但是，该信号在用于gnss差分应用中，由于参考接收机和用户接收机的性能存在不一致，具体来说，参考接收机和用户接收机前端带宽、码鉴相器类型和相关间隔不同，给用户接收机产生了伪距偏差。如图1所示，在差分应用中，通过零基线测量可以消除大部分公共误差，诸如轨道偏差、钟差、电离层和对流层而产生的偏差等，但多径、热噪声和导航卫星有效载荷失真而引入的偏差无法消除，本发明主要目标是分析因载荷失真而产生的伪距偏差。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种导航信号伪距偏差修正方法，削弱伪距偏差对软件接收机测距的影响，提高系统定位精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种导航信号伪距偏差修正方法，包括以下步骤：

s1：伪距偏差特性参数标定

1）卫星与天线之间的星地距离测量；

2）基于大口径天线的接收终端传输时延精确测量；

3）基于软件接收机伪距测量的误差特性分析：对b1频点采集数据进行捕获跟踪，得到码相位测距值，记为，进一步得到引起伪距偏差现象的卫星端误差；

s2：星间差异标定

1）接收机接收通道时延标定；

2）站间距离测量：接收机安放在坐标点已知的位置，记为，利用天线与接收机二者坐标，计算天线与接收机之间的距离；

3）星地距离测量：利用卫星坐标与接收机坐标，计算得到二者之间的星地距离，记为；

4）开展天线与全向接收天线的同步测量测试，进行发射与传播环节误差参数解算，实现接收端误差精确标定；

5）可视范围内卫星导航信号星间差异同步标定；

6）gnss卫星星间差异同步标定：重复以上方法，可得不同卫星导航系统不同信号的卫星端误差；

s3：测试验证

1）接收机定位误差分析，验证伪距测量修正参数的修正精度；

2）调整软件接收机伪距测量相关器间隔、滤波器带宽关键参数，研究接收机参数与信号测距偏差之间的量化关系。

进一步的，所述步骤s1的1）中卫星与天线之间的星地距离测量的具体步骤为：

①计算卫星与天线之间的星地距离；

②对某一颗卫星i，利用事后精密星历得到其坐标，记为；

③天线坐标已知，记为；

④利用卫星坐标与天线坐标，计算得到二者之间的星地距离，记为；

步骤s1的2）中基于大口径天线的接收终端传输时延精确测量步骤为：

①测量电磁波-电信号-采集这三个阶段的时延；

②利用信号源生成方波，从天线副面向下发射；

③利用示波器比较接收与发射时刻的差异，计算得到时延。

进一步的，所述步骤s1的3）中基于软件接收机伪距测量的误差特性分析的具体步骤为：

①原始伪距观测量方程为：（1）

r为接收机与卫星之间的几何距离（真实距离），；

用户接收机钟差，此处为软件接收机与采集数据，该误差不存在；

40米大口径天线无地面多径的影响，此处不存在；

测量噪声忽略不计；

卫星钟差，通过精密钟差参数得到；

b接收机硬件延时，此处即为时延；

与t分别为电离层与对流层误差，分别通过模型进行求解得到；

轨道误差、b卫星硬件延时、信号畸变引起的伪距测量误差均统一称为卫星端误差，表现为伪距偏差，记为；

②通过以上归类与分析，将伪距观测量方程简化为：

（2）

上述方程中，只有卫星端误差一个未知参数，通过该方程即可求得。

进一步的，所述步骤s2的4）中开展天线与全向接收天线的同步测量测试的具体步骤为：

①将接收机输出的与天线采集数据同一时刻的伪距观测值记为：

（3）

用户接收机钟差与b接收机硬件延时，统一记为接收机端误差，记为；

测量噪声忽略不计；

卫星钟差，通过精密钟差参数得到；

与t分别为电离层与对流层误差，分别通过模型进行求解得到；

已经通过天线的采集数据求解；

通过cmc算法进行求解（4）

②通过以上归类与分析，将伪距观测量方程简化为：

（5）

上述方程中，只有接收机端误差一个未知参数，通过该方程即可求得。

进一步的，所述步骤s2的5）可视范围内卫星导航信号星间差异同步标定的具体步骤为：

①利用全向天线接收机，得到同一时刻另外一颗卫星j的伪距观测量：

（6）

其中，由接收机输出；由卫星坐标与接收机坐标求解得到；由精密钟差产品得到；与t由模型求解得到；已通过式（5）求解得到；通过式（4）求解得到；卫星j的卫星端误差则为：

（7）

依次类推，即可得到同一时刻可视范围内的北斗卫星b1i信号的卫星端误差。

进一步的，利用软件接收机u测量卫星i时，伪距理论解析式表达为：

上式中，为在观测时间t内，软件接收机u对卫星i进行观测得到的伪距值，为软件接收机和卫星的真实距离，为电离层引入的偏差，为对流层引入的偏差；为导航卫星载荷失真引入的伪距偏差；为接收机引入的偏差，该误差和接收机通道特性，卫星俯仰角和相关器间隔d相关；为多径偏差，为其他卫星在同频点对i卫星引入的互干扰，为其他随机零均值误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明从导航卫星载荷的信号测距偏差精密标定入手，结合大口径天线与全向天线、软件接收机与硬件接收机的特点，提出了基于星间差异精密标定的导航卫星伪距偏差修正方法，得到基于星间测距性能差异的伪距测量修正参数，从而削弱伪距偏差对软件接收机测距的影响，提高系统定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中各类偏差示意图；

图2为本发明星地距离站间距离示意图；

图3为本发明伪距测量参数修正步骤图；

图4为本发明软件接收机伪距测量相关器关键参数调整图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

卫星导航信号在产生、传播和接收的过程中，每个环节都会给信号带来失真，对于大多数用户而言，这种信号失真而产生的测距偏差不会对其定位功能造成严重损害。但是，该信号在用于gnss差分应用中，由于参考软件接收机和用户软件接收机的性能存在不一致，具体来说，参考软件接收机和用户软件接收机前端带宽、码鉴相器类型和相关间隔不同，给用户软件接收机产生了伪距偏差。如图1所示，在差分应用中，通过零基线测量可以消除大部分公共误差，诸如轨道偏差、钟差、电离层和对流层而产生的偏差等，但多径、热噪声和导航卫星有效载荷失真而引入的偏差无法消除，本发明主要目标是分析因载荷失真而产生的伪距偏差。

利用接收机u测量卫星i时，伪距理论解析式可表达如下：

上式中，为在观测时间t内，软件接收机u对卫星i进行观测得到的伪距值，为软件接收机和卫星的真实距离，为电离层引入的偏差，为对流层引入的偏差；为导航卫星载荷失真引入的伪距偏差；导航信号在产生、调制、滤波和功率放大时均会产生失真，可将该类失真建模为导航卫星通道失真；此外，这些失真在观测时间t中，不仅可能随卫星俯仰角而发生改变，而且在不同相关器间隔下，引入的失真大小各异，因而i卫星伪距偏差为卫星载荷多项误差源的集合；同理，为接收机引入的偏差，该误差和接收机通道特性，卫星俯仰角和相关器间隔d相关；为多径偏差，为其他卫星在同频点对i卫星引入的互干扰，为其他随机零均值误差。本发明的研究点为导航卫星载荷失真引入的伪距偏差。

如图2所示的一种导航信号伪距偏差修正方法，包括以下步骤：

s1：伪距偏差特性参数标定

1）卫星与天线之间的星地距离测量；

①计算卫星与天线之间的星地距离；

②对某一颗卫星i，利用事后精密星历得到其坐标，记为；

③天线坐标已知，记为；

④利用卫星坐标与天线坐标，计算得到二者之间的星地距离，记为；

步骤s1的2）中基于大口径天线的接收终端传输时延精确测量步骤为：

2）基于大口径天线的接收终端传输时延精确测量；

①测量电磁波-电信号-采集这三个阶段的时延；

②利用信号源生成方波，从天线副面向下发射；

③利用示波器比较接收与发射时刻的差异，计算得到时延。

3）基于软件接收机伪距测量的误差特性分析：对b1频点采集数据进行捕获跟踪，得到码相位测距值，记为，进一步得到引起伪距偏差现象的卫星端误差；

①原始伪距观测量方程为：（1）

r为接收机与卫星之间的几何距离，；

用户接收机钟差，此处为软件接收机与采集数据，该误差不存在；

40米大口径天线无地面多径的影响，此处不存在；

测量噪声忽略不计；

卫星钟差，通过精密钟差参数得到；

b接收机硬件延时，此处即为时延；

与t分别为电离层与对流层误差，分别通过模型进行求解得到；

轨道误差、b卫星硬件延时、信号畸变引起的伪距测量误差均统一称为卫星端误差，表现为伪距偏差，记为；

②通过以上归类与分析，将伪距观测量方程简化为：

（2）

上述方程中，只有卫星端误差一个未知参数，通过该方程即可求得。

s2：星间差异标定

1）接收机接收通道时延标定；

2）站间距离测量：接收机安放在坐标点已知的位置，记为，利用天线与接收机二者坐标，计算天线与接收机之间的距离；

3）星地距离测量：利用卫星坐标与接收机坐标，计算得到二者之间的星地距离，记为；

4）开展天线与全向接收天线的同步测量测试，进行发射与传播环节误差参数解算，实现接收端误差精确标定；

①将接收机输出的与天线采集数据同一时刻的伪距观测值记为：

（3）

用户接收机钟差与b接收机硬件延时，统一记为接收机端误差，记为；

测量噪声忽略不计；

卫星钟差，通过精密钟差参数得到；

与t分别为电离层与对流层误差，分别通过模型进行求解得到；

已经通过天线的采集数据求解；

通过cmc算法进行求解（4）

②通过以上归类与分析，将伪距观测量方程简化为：

（5）

上述方程中，只有接收机端误差一个未知参数，通过该方程即可求得。

5）可视范围内卫星导航信号星间差异同步标定；

①利用全向天线接收机，得到同一时刻另外一颗卫星j的伪距观测量：

（6）

其中，由接收机输出；由卫星坐标与接收机坐标求解得到；由精密钟差产品得到；与t由模型求解得到；已通过式（5）求解得到；通过式（4）求解得到；卫星j的卫星端误差则为：

（7）

依次类推，即可得到同一时刻可视范围内的北斗卫星b1i信号的卫星端误差。

6）gnss卫星星间差异同步标定：重复以上方法，可得不同卫星导航系统不同信号的卫星端误差；

s3：测试验证

1）接收机定位误差分析，验证伪距测量修正参数的修正精度；

2）调整软件接收机伪距测量相关器间隔、滤波器带宽关键参数，研究接收机参数与信号测距偏差之间的量化关系。

本发明从导航卫星载荷的信号测距偏差精密标定入手，结合大口径天线与全向天线、软件接收机与硬件接收机的特点，提出了基于星间差异精密标定的导航卫星伪距偏差修正方法，得到基于星间测距性能差异的伪距测量修正参数，从而削弱伪距偏差对软件接收机测距的影响，提高系统定位精度。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。