一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法

1.本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法。


背景技术：

2.精密卫星轨道和钟差产品为全球卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)提供了精确的卫星时空基准信息。服务端将地面跟踪网络生成的精密卫星轨道和钟差产品播发给用户，用户根据广播星历计算出的卫星位置和卫星钟差加上产品提供的星历改正和星钟改正，从而得到高精度的卫星位置和卫星钟差。精密卫星轨道和钟差产品对高精度定位技术实现高精度，快收敛的定位服务起着不可或缺的重要作用，一旦精密卫星轨道和钟差产品出现异常，将直接导致定位结果出错，进而引发风险。因此，必须对精密卫星轨道和钟差产品的完好性进行监测，从而保障高精度定位技术在自动驾驶、交通运输等生命安全相关领域的应用。
3.目前，许多机构和商业公司都已经开始发布精密卫星轨道和钟差产品，如国际gnss服务组织(international gnss service，igs)的实时服务(real-time service，rts)，日本准天顶卫星系统qzss的厘米级增强系统(centimeter level augmentation service，clas)，trimble公司的centerpoint rtx服务，novatel公司的terrastar-x服务、fugro公司的marinestar g4+服务以及geo++公司的ssrpost服务等。一般情况下，igs-rts的轨道精度可达5cm，钟差精度可达300ps。大部分产品的精度已经达达到了较高的水准，但目前鲜有用于监测卫星轨道和钟差产品完好性的方法。
4.星基增强系统(satellite-based augmentation system，sbas)面向民用航空领域，开发了可用于自家的卫星轨道和钟差产品完好性监测的方法。但随着卫星轨道和钟差产品的精度不断提高，产品来源日趋丰富以及高精度定位技术在各个领域的广泛应用，sbas的卫星轨道和钟差产品完好性监测方法已难以满足高精度定位对精密卫星轨道和钟差产品的完好性监测需求。sbas的卫星轨道和钟差产品完好性监测方法目前主要存在以下几个问题：1)过于保守：基于伪距观测值构建产品误差的检验统计量，受限于伪距观测值的精度，其完好性指标的估计值在米级，并不适用于使用载波相位观测值的高精度定位技术；2)准确性差：产品误差的检验统计量中其他误差源造成的误差没有有效的剔除，如电离层，对流层等，无法准确反映卫星轨道和钟差产品的精度变化；3)兼容性差：只适用于sbas自家产品的完好性监测，该方法对其他来源产品的有效性未得到充分验证。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，以解决现有技术中的问题，为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，包括以下步骤：
7.s1、基于载波相位观测值构建产品故障的检验统计量：对观测载波相位φm和载波
相位φc做差，得到检验统计量dφ；
8.s2、品故障的检验统计量的卫星高度角加权：设定截止高度角，低于该截止高度角的检验统计量dφ排除在udre的解算之外；
9.若检验统计量dφ的高度角高于该截止高度角的完好性监测站数目不超过5个，则将udre视为未被监测；对高度角高于该截止高度角的检验统计量dφ进行加权处理；
10.s3、异常完好性监测站剔除：对于完好性监测站被误判为卫星故障时，剔除该异常完好性监测站；
11.s4、多历元残差统计：使用滑动窗口的方式，利用窗口内的所有观测数据参与udre的估计，得到卫星的单差检验统计量的均值和方差
12.s5、完好性信息udre估计：依靠多历元残差中的单差检验统计量的均值和方差获得卫星轨道和星钟产品误差完整的概率分布，从而获得产品误差满足完好性需求的保护门限udre。
13.进一步的，所述步骤s1中，对于观测载波相位φm：对完好性监测站的双频载波相位观测值进行无电离层组合，并进行参数改正，计算得到观测载波相位φm。
14.进一步的，参数改正包括：对流层改正、接收机钟差改正和载波相位模糊度改正，计算得到观测载波相位φm时采用以下公式：
15.φm＝φ
if-cδt
r-t
model-n
if
；
16.式中，φ
if
为由完好性监测站原始观测值获得的双频载波相位观测值的无电离层组合，δtr为接收机钟差，t
nodel
是倾斜对流层延迟，n
if
为载波相位模糊度，c为光速常量。
17.进一步的，所述步骤s1中，对于载波相位φc：由完好性监测站接收到的实时卫星轨道和星钟产品中提供的卫星坐标和卫星钟差，以及已知的完好性监测站的坐标计算得到载波相位φc，采用以下公式表示：
[0018][0019]
式中，和为由实时轨道和钟差产品提供的卫星坐标和卫星钟差，xr为已知的完好性监测站的坐标。
[0020]
进一步的，所述步骤s2中，截止高度角设定为25
°
，对于检验统计量dφ的加权处理，采用以下公式表示：
[0021][0022]
式中，w
dφ
为检验统计量dφ的权重，e为检验统计量dφ对应的高度角；σ2(
°
)表示高度角为e时观测值的方差。
[0023]
进一步的，σ2(
°
)采用以下公式表示：
[0024][0025]
式中，e为卫星高度角，a、b和f为系数。
[0026]
进一步的，所述步骤s3中，包括：
[0027]
s3-1、计算某一时刻对于同一卫星，计算所有完好性监测站的检验统计量dφ的加权平均值和标准差，分别采用以下公式计算：
[0028][0029][0030]
式中，为完好性监测站j对卫星p的检验统计量；n
site
为观测到卫星的完好性监测站数目；为完好性监测站j对卫星p的检验统计量的权重；
[0031]
s3-2、对于所有完好性监测站，若则剔除该完好性监测站j；
[0032]
s3-3、重复步骤s3-1和步骤s3-2至少3次。
[0033]
进一步的，所述步骤s4中，包括：
[0034]
假设滑动窗口长度为
obs
个历元，在历元共
site,
个完好性监测站观测到卫星，对于卫星，在udre一个更新间隔内共个单差检验统计量对所有多历元残差进行统计，得到卫星单差检验统计量的均值和方差，分别采用以下公式表示：
[0035][0036][0037]
进一步的，所述步骤s5中，卫星的udre计算采用以下公式表示：
[0038]
[0039]
式中，代表所有gps卫星的检验统计量均值中的最大值，为检验统计量dφ的标准差。
[0040]
本发明具有以下有益效果：
[0041]
(1)准确性高：本发明基于载波相位观测值构建了产品故障的检验统计量，与传统方法的基于伪距观测值构建的检验统计量相比，具有更高的精度。同时有效削弱或消除了检验统计量中其他误差源的影响。因此，基于检验统计量估计的udre可以实时准确反映产品的精度变化。
[0042]
(2)可用性高：本发明通过方差膨胀的方法确定产品的完好性信息udre，同时引入了产品误差的历史经验模型，可以有效的保障产品的完好性。在保障完好性的前提下，本发明估计的udre在厘米级，与传统方法米级的udre相比，极大的提高了系统的可用性。
[0043]
(3)兼容性好：本发明的精密卫星轨道和钟差产品完好性监测适用于当前所有机构或者组织提供的产品，用户在更换使用的产品时，不需要更换完好性监测算法，降低了其在实际应用中的成本。
附图说明
[0044]
图1为本发明的方法流程图；
[0045]
图2为本发明具体实施例中的g09卫星和g15卫星的udre误差包络效果图(2021年6月10日)；
[0046]
图3为为本发明具体实施例中的g09卫星和g15卫星的卫星轨道和星钟产品斯坦福完好性图(2021年全年)。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的图1-图3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
[0048]
针对sbas的传统卫星轨道和钟差产品完好性监测方法的不足，本发明旨在提出一种精密卫星轨道和钟差产品的完好性监测方法，通过地面完好性监测网络对产品的完好性信息用户差分测距误差(user differential range error，udre)进行估计，并将其一起播发给用户，使用户知晓当前所使用的精密卫星轨道和钟差产品的精度情况。具体而言，本方法基于地面完好性监测网络的载波相位观测值构建了产品故障的检验统计量，与传统方法的伪距观测值相比，具有更高的精度。同时通过对载波相位观测值进行组合或者使用高精度模型进行改正的方式，进一步削弱或消除了检验统计量中其他误差源的影响，使其可以实时准确反映产品的精度变化。本方法提出了适用于udre解算的高度角加权模型，以削弱大气延迟，多径效应对检验统计量精度的影响。此外，还通过异常完好性监测站剔除进一步消除了完好性监测网络造成的完好性风险，从而使产品完好性信息udre更加准确且合理，可以满足高精度定位对精密卫星轨道和钟差产品的完好性监测需求。
[0049]
如图1，本发明采用的技术方案具体步骤如下：
[0050]
s1、基于载波相位观测值构建产品故障检验统计量：
[0051]
首先对完好性监测站的双频载波相位观测值进行无电离层组合，从而消除了电离
层误差对卫星轨道和星钟产品检验统计量dφ的影响；双频载波相位观测值的无电离层组合经对流层改正，接收机钟差改正，载波相位模糊度改正后得到观测载波相位φm，如公式(1)所示；
[0052]
其中，对流层误差使用gpt2w模型进行改正，gpt2w模型目前公开的标称精度最高和应用最广泛的对流层延迟经验模型；载波相位模糊度n
if
和接收机钟差δtr通过ppp估计得到。
[0053]
计算载波相位φc：由完好性监测站接收到的实时卫星轨道和星钟产品中提供的卫星坐标和卫星钟差，以及已知的完好性监测站的坐标计算得到，如公式(2)所示。
[0054]
对观测载波相位φm和载波相位φc做差，得到检验统计量dφ，如公式(3)所示：
[0055]
φm＝φ
if-cδt
r-t
model-n
if
(1)
[0056][0057][0058]
式中，dφ代表精密轨道和钟差产品的检验统计量，φ
if
为由完好性监测站原始观测值获得的双频载波相位观测值的无电离层组合，δtr为接收机钟差，t
model
是由gpt2w模型得到的倾斜对流层延迟，n
if
为无电离层组合的载波相位模糊度，和为由实时轨道和钟差产品提供的卫星坐标和卫星钟差，xr为已知的完好性监测站的坐标。
[0059]
s2、产品故障的检验统计量的卫星高度角加权：高度角与大气延迟，多径效应有着密切联系，高度角越低，信号传播路径越长，观测值的质量也就越差。虽然我们已经对星钟产品检验统计量dφ中的大气延迟尽可能的剔除，但多径效应的影响不可忽视。因此，我们采用了卫星高度角加权方法来削弱高度角的影响：首先，将截止高度角设定为25
°
，低于该截止高度角的检验统计量dφ排除在udre的解算之外；
[0060]
若检验统计量dφ的高度角高于该截止高度角(25
°
)的完好性监测站数目不超过5个，则将udre视为未被监测；否则，对高度角高于该截止高度角(25
°
)的检验统计量dφ进行加权处理，采用以下公式(4)来表示：
[0061][0062]
式中，w
dφ
为检验统计量dφ的权重，e为检验统计量dφ对应的高度角，σ2(
°
)表示高度角为e时观测值的方差，如公式(5)所示。
[0063][0064]
式中，σ2()为观测值的方差，e为卫星高度角，a和b根据经验取值，通常可以取3、4mm；f在观测值类型为伪距观测值时，取值为100，在观测值类型为载波相位观测值时，取值为1；采用无电离层组合时σ2()应增加三倍。
[0065]
s3、异常完好性监测站剔除：完好性监测站因为硬件故障、大气异常或受周围环境等因素的影响导致检验统计量dφ中的与卫星轨道和钟差产品无关的误差无法得到很好的剔除，存在将完好性监测站异常误判为卫星故障的可能性，因此需要剔除异常完好性监测站，具体流程如下：
[0066]
s3-1、计算某一时刻对于同一卫星，计算所有完好性监测站检验统计量dφ的加权平均值和标准差，公式如(6)和(7)所示：
[0067][0068][0069]
其中，为完好性监测站j对卫星p的检验统计量；n
site
为观测到卫星的完好性监测站数目；为完好性监测站j对卫星p的检验统计量的权重。
[0070]
s3-2、对于所有完好性监测站，若则剔除该完好性监测站j。
[0071]
s3-3、重复步骤s3-1和步骤s3-2至少3次。
[0072]
s4、多历元残差统计：本方法为了使udre的估计值更加稳定，使用滑动窗口的方式，利用窗口内的所有观测数据参与udre的估计。假设滑动窗口长度为
obs
个历元，在历元共
site,
个完好性监测站观测到卫星，那么对于卫星，在udre一个更新间隔内共个单差检验统计量，对所有多历元残差进行统计，即可得到卫星的单差检验统计量的均值和方差，如公式(8)和公式(9)所示。
[0073][0074][0075]
s5、完好性信息udre估计：通常认为产品误差服从正态分布，在满足正态分布的条件下，99.9％的误差应该位于μ
±
3.29范围之内。因此，依靠多历元残差的均值和方差即可
获得卫星轨道和星钟产品误差完整的概率分布，从而获得产品误差满足完好性需求(99.9％)的保护门限udre。卫星的udre计算方法如公式(10)所示。
[0076][0077]
其中，代表所有gps卫星的检验统计量均值中的最大值，从检验统计量长期经验分布获得。
[0078]
本发明提供了一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，根据地面完好性监测网络的载波相位观测值和精密卫星轨道和钟差产品提供的改正数构建产品故障的检验统计量，通过对多站多历元残差的统计，估计得到产品的完好性信息udre。udre可以在保证完好性的前提下，准确的反应产品的精度变化情况，且udre估计值在厘米级，可以满足高精度定位技术对精密卫星轨道和钟差产品完好性监测的需求。
[0079]
下面给出本发明的一个具体实施例：
[0080]
s1：基于载波相位观测值构建产品故障的检验统计量：
[0081]
采用全球均匀分布的100个igs测站构成完好性监测网络，对完好性监测站的双频载波相位观测值进行无电离层组合，从而消除了电离层误差对卫星轨道和星钟产品的残差res
orb+clk
的影响；完好性监测站载波相位无电离层组合经对流层改正，接收机钟差改正，载波相位模糊度改正后得到观测载波相位φm；其中，对流层误差使用gpt2w模型进行改正，gpt2w模型目前公开的标称精度最高和应用最广泛的对流层延迟经验模型；载波相位模糊度n
if
和接收机钟差δtr通过ppp估计得到。而计算载波相位φc则由完好性监测站接收到的igs最终卫星轨道和星钟产品中提供的卫星坐标和卫星钟差，以及已知的完好性监测站的坐标计算得到。对观测载波相位φm和计算伪距φc做差，得到检验统计量dφ。本实施例的时长设置为2021年全年。
[0082]
s2、品故障的检验统计量的卫星高度角加权：根据卫星高度角，利用如公式(4)所示的高度角加权模型计算每个检验统计量的权重。
[0083]
s3、异常完好性监测站剔除：对于完好性监测站被误判为卫星故障时，剔除该异常完好性监测站，具体为：
[0084]
s3-1、对于同一卫星，当前时刻在内的前10个历元(总计300s)的所有检验统计量构成一个序列，计算序列的加权平均值和标准差，公式如(6)和(7)所示：
[0085]
s3-2、对于所有测站，若则剔除测站j。
[0086]
s3-3、重复步骤s3-1和步骤s3-2至少3次或所有测站经过检验。
[0087]
s4、多历元残差统计：当前时刻在内的前10个历元(总计300s)内，所有通过步骤三检验的测站的检验统计量构成误差序列，通过统计可得到卫星多站多历元检验统计量的均值和方差，如公式(8)和公式(9)所示。
[0088]
s5、完好性信息udre估计：依据igs最终卫星轨道和钟差产品过去三年的误差经验模型，可以得到从而可以根据公式(10)估计出卫星p的udre。
[0089]
本实施例以2021年6月10日对g09卫星和g15卫星的完好性监测结果为例，说明本方法的误差包络效果。如附图2所示，精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法估计得到的
udre可以实施准确的反映产品的精度变化情况，同时能够很好的包络产品误差。将实验时长拓展到2021年全年，附图3展示了2021年全年g09卫星和g15卫星的igs最终卫星轨道和星钟产品斯坦福完好性图。斯坦福完好性图是业内广泛使用的用于评估算法完好性的统计图。如附图3所示，g09和g15的完好性风险概率均低于0.1％，且udre估计值在0-10cm之间，说明本方法在保障系统完好性的前提下，提高了系统的可用性，可以满足高精度定位技术对精密卫星轨道和钟差产品完好性监测的需求。
[0090]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、基于载波相位观测值构建产品故障的检验统计量：对观测载波相位φ
m
和载波相位φ
c
做差，得到检验统计量dφ；s2、品故障的检验统计量的卫星高度角加权：设定截止高度角，低于该截止高度角的检验统计量dφ排除在udre的解算之外；若检验统计量dφ的高度角高于该截止高度角的完好性监测站数目不超过5个，则将udre视为未被监测；对高度角高于该截止高度角的检验统计量dφ进行加权处理；s3、异常完好性监测站剔除：对于完好性监测站被误判为卫星故障时，剔除该异常完好性监测站；s4、多历元残差统计：使用滑动窗口的方式，利用窗口内的所有观测数据参与udre的估计，得到卫星的单差检验统计量的均值和方差s5、完好性信息udre估计：依靠多历元残差中的单差检验统计量的均值和方差获得卫星轨道和星钟产品误差完整的概率分布，从而获得产品误差满足完好性需求的保护门限udre。2.根据权利要求1所述的一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，所述步骤s1中，对于观测载波相位φ
m
：对完好性监测站的双频载波相位观测值进行无电离层组合，并进行参数改正，计算得到观测载波相位φ
m
。3.根据权利要求2所述的一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，参数改正包括：对流层改正、接收机钟差改正和载波相位模糊度改正，计算得到观测载波相位φ
m
时采用以下公式：φ
m
＝φ
if-cδt
r-t
model-n
if
；式中，φ
if
为由完好性监测站原始观测值获得的双频载波相位观测值的无电离层组合，δt
r
为接收机钟差，t
nodel
是倾斜对流层延迟，n
if
为载波相位模糊度，c为光速常量。4.根据权利要求1所述的一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，所述步骤s1中，对于载波相位φ
c
：由完好性监测站接收到的实时卫星轨道和星钟产品中提供的卫星坐标和卫星钟差，以及已知的完好性监测站的坐标计算得到载波相位φ
c
，采用以下公式表示：式中，和为由实时轨道和钟差产品提供的卫星坐标和卫星钟差，x
r
为已知的完好性监测站的坐标。5.根据权利要求1所述的一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，所述步骤s2中，截止高度角设定为25
°
，对于检验统计量dφ的加权处理，采用以下公式表示：
式中，w
dφ
为检验统计量dφ的权重，e为检验统计量dφ对应的高度角；σ2(e
°
)表示高度角为e时观测值的方差。6.根据权利要求5所述的一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，σ2(e
°
)采用以下公式表示：式中，e为卫星高度角，a和b根据经验取值，通常可以取3、4mm；f在观测值类型为伪距观测值时，取值为100，在观测值类型为载波相位观测值时，取值为1；采用无电离层组合时,σ2(e)应增加三倍。7.根据权利要求1所述的一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，所述步骤s3中，包括：s3-1、计算某一时刻对于同一卫星，计算所有完好性监测站的检验统计量dφ的加权平均值和标准差分别采用以下公式计算：分别采用以下公式计算：式中，为完好性监测站j对卫星p的检验统计量；n
site
为观测到卫星的完好性监测站数目；为完好性监测站j对卫星p的检验统计量的权重；s3-2、对于所有完好性监测站，若则剔除该完好性监测站j；s3-3、重复步骤s3-1和步骤s3-2至少3次。8.根据权利要求7所述的一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，所述步骤s4中，包括：假设滑动窗口长度为n
obs
个历元，在k历元共n
site,k
个完好性监测站观测到卫星，对于卫星，在udre一个更新间隔内共个单差检验统计量对所有多历元残差进行统计，得到卫星单差检验统计量的均值和方差分别采用以下公式表示：
9.根据权利要求8所述的一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，其特征在于，所述步骤s5中，卫星p的udre计算采用以下公式表示：式中，代表所有gps卫星的检验统计量均值中的最大值，为检验统计量dφ的标准差。

技术总结
本发明属于卫星导航领域，公开了一种精密卫星轨道和钟差产品完好性监测方法，该方法根据地面完好性监测网络的载波相位观测值和精密卫星轨道和钟差产品提供的改正数构建产品故障的检验统计量，通过对多站多历元残差的统计，估计得到产品的完好性信息UDRE。UDRE可以在保证完好性的前提下，准确的反应产品的精度变化情况，且UDRE估计值在厘米级，可以满足高精度定位技术对精密卫星轨道和钟差产品完好性监测的需求。性监测的需求。性监测的需求。


技术研发人员：郑福 薛宇 施闯
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/6