基于BD导航卫星的空基伪卫星网络动态共视授时技术-论文.pdf

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2O14．06兵工自动化33(6)OrdnanceIndustryAutomation·43·doi：10．7690／bgzdh．2014．06．012基于BD导航卫星的空基伪卫星网络动态共视授时技术史海青，郁丰(1．南京航空航天大学自动化学院，南京210016；2．南京航空航天大学高新技术研究院，南京210016)摘要：为实现广域空基伪卫星网络的精确共视授时，提出了网内传递共视授时方法；为进一步削弱对流层延迟误差的影响，提出了卫星共视选星策略；通过分析sIN／BD组合导航系统定位误差的统计特性，在揭示授时误差与组合导航系统定位误差之间数学关系的基础上，又提出采用整网平均法用以减少动态平台定位误差的影响。仿真结果表明：传递共视方法能很好地完成大区域网络的授时，有选星策略比无选星策略的对流层延迟减少约80％，运用整网平均的方法能实现优于0．3ns的高精度共视授时，所提方法能够大幅度提高动态共视授时的精度。关键词：空基伪卫星网络；传递共视授时；共视选星；SIN／BD组合导航；整网平均中图分类号：TJ861文献标志码：ADynamicCommon—ViewTimeServiceofWideAreaAir．．BornePseudo．．SatelliteNetworkBasedonBDNavigationSatelliteShiHaiqing，YuFeng2(1．CollegeofAutomationEngineering，NanjingUniversityofAeronautics＆Astronautics，Nanjing210016，China；2．AcademyofFrontierScience，NanjingUniversityofAeronautics＆Astronautics，Nanjing21O016，China)Abstraet：Toachievehighprecisiontimeserviceofwideareapseudo．satellitenetwork，thisarticleproposedthemethodoftransmissioncommon．viewtimeserviceinsidethenetwork。analyzedtheerrorsoftheprocessofcommon．viewtimeservice．putforwardthemethodofsatellitecommon．viewselectioninordertofurtherreducedtheeflfectOftropospheredelay，afterthatanalyzedthedistributionofpositionerroroftheSIN／BDintegratednavigationsystem，thenraisedthenetaveragetoeliminatetheef_fectOfpositionerror．improvedtheprecisionoftimeserviceofpseudo．satellitenetworksignificantly．Simulationresultshowedthatthemethodoftransmissioncommon．viewcandoagoodj0btofinishthelarge．scalenetworktimeservice；common．viewselectionreducedalmost80％oftropospheredelaythannone；andnetaveragecanachievetheserviceprecisionofcommon．viewtimelessthan0．3as，themethodthatthisarticleproposedcanimprovetheprecisionofdynamictimeserviceofpseudo．satellitenetworksignificantly．Keywords：air-bornepseudosatellitenetwork：transmissioncommon．viewtimeservice；common—viewsatelliteselection；SIN／BDintegratednavigation；netaverageO引言了2颗相距200km静态伪卫星6～9ns精度的共视授时；这些研究虽然实现了一定精度的授时，但研空基伪卫星网络L1J能有效改善导航卫星导航定究所用伪卫星及导航卫星不仅数量少、处于静止状位的性能，在军事等领域的应用越来越广泛。为使态，而且所用共视方法适用范围小、授时精度不高，空基伪卫星增强网络更好地辅助BD导航卫星完成对多导航卫星条件下大区域动态载体高精度的授时高精度的导航定位，网络中各个伪卫星与地面控制无法实现。站间高精度的时间同步技术显得尤为关键。笔者针对共视授时存在的问题，先提出了一种共视授时是在小范围内2个观测站同时跟踪同广域动态伪卫星网络授时的网内传递共视授时方一颗星，通过消除2条相近传播路径上的共同误差法，又提出了共视选星策略；然后对SIN／BD组合实现两站间时间高精度同步的技术方法。目前，对导航系统定位误差的统计特性进行了分析，最后通伪卫星共视授时技术的研究多数停留在通过单颗卫过数学仿真验证了该方法的有效性。星实现地面或空基静态的几个测站与地面控制站间广域网的传递共视授时的时间同步。如许国宏等L2J利用一颗GEO卫星实现了地面静态2颗伪卫星15ns精度的共视授时；严1．1网内传递共视授时及卡尔曼滤波建华等【3】采用共视授时技术，利用一颗北斗导航卫共视授时是针对小区域服务的授时方法，通过星实现了相距约700km的2颗静态伪卫星12ns精消除两观测站传播路径上的共同误差实现高精度的度的共视授时；谭建华等L4]利用单颗GPS卫星实现时间同步，使信号传播误差、卫星轨道误差等得到收稿日期：2014-0卜18；修回日期：2014-02—27基金项目：国家自然科学基金(61203197)作者简介：史海青(1987一)，男，山东人，硕士，从事卫星导航、应用研究。 ·44·兵工自动化第33卷进一步削弱，能大幅度提高时间同步的性能。导出网内传递共视授时的观测方程，为：对于大范围的空基增强网络，共视授时可能无一(，一If+1)+tgi~tr。++法消除远距离观测站间传播路径上的共同误差，无,法保证伪卫星与地面控制站间的时间同步精度；因(6，f一~ttropIf+1)+(6fi，f一6i。，1)一△(5)此，笔者提出了网内传递共视授时方案：以离地面在共视传递观测方程中，△f为前一颗伪卫星的控制站最近的伪卫星作为第一个授时对象，完成其钟差，相当于授时协方差矩阵P，由此可见前一颗与地面控制站间的共视授时；把授时后的伪卫星当伪卫星的时钟钟差对当前伪卫星的时钟有影响；f作下一步授时的基础，即把它看作地面控制站，再为地面站或前一颗伪卫星钟估计值；X，Y，2表示地完成网络中离其最近伪卫星的共视授时；以此类推面站或前一颗伪卫星的位置(f=1⋯，z)，Xf+l，Yf+l，2州就可以实现广域空基伪卫星网络的共视授时，原理为待授时伪卫星的位置，由于伪卫星安装在无人机如图1所示。等动态平台上，所以坐标值可由INS／BD组合导航系统给出；咒y，Z表示导航卫星在地球坐标系下的三维坐标值；ts表示导航卫星的时钟差；表示经过统一标定接收机的随机噪声；C表示光速；L表示卫星至接收机的空间几何距离；6f为卫星信号地面站伪卫星1伪卫星2伪卫星3至基站或伪卫星的对流层延迟；6‰为卫星信号至图1网内共视传递授时原理基站或伪卫星的电离层延迟；t+1为待授时伪卫星根据共视传递授时方法，对广域空基伪卫星授钟模拟值，可由时钟系统状态模型求解得到。时过程的传递观测方程进行推导。由于伪卫星在不目前星载时钟一般为性能优异的铯原子钟或铷断地运动，其位置可由惯性导航系统结算得到，那原子钟，频率漂移非常缓慢，时钟系统的状态模么根据图l导航卫星f至地面控制站或前一颗空基型1]也比较成熟，笔者采用二维的线性系统来表伪卫星的伪距示，状态方程为：Pi=4(xf—)+(Yf一】，)+(zf—z)+(f)=AX(t)+GW(t)(6)c(—t“)+cSt。口f+cStti。，f+6i(1)式中：x(f)=Xf】。，(f)：[wwf]，X、Xf分导航卫星f至待授时空基伪卫星的伪距为别表示卫星钟的相位误差、频率误差；wt、wf分Pi+1=4(xf+1一)+(f+1一y)+(zf+1一z)+别表示卫星钟的相位噪声、频率噪声。c(t—tr，f+1)+c5f脚。f+l+cStti0n，f+1++1(2)因为当前伪卫星的时钟数值受到前一颗伪卫星由式(1)、式(2)可以得出一般情况下的共视授时观时钟钟差的影响，所以卡尔曼滤波过程中的观测噪测方程：声的协方差矩阵风变为：旦二+J一生：l二生：=tr,i+1-tri-F．二三Rk=Rk+Ati=R+(7),根据式(7)及时钟状态方程，采用卡尔曼滤波(6_op，f一6_0pIj+1)+(6onIj一60n，f+1)(3)技术J即可求解当前伪卫星时钟的估计值。改进后该观测方程能够求解任意一颗伪卫星与地面控制站的滤波原理如图2所示。或任意2颗伪卫星的共视授时，但无法突出前一颗伪卫星与待授时伪卫星间的传递关系；因此，笔者将根据提出的传递共视方法对其进行改进。在计算过程中，由于无法得到前一颗伪卫星时钟的真值，只能用其估计值进行计算，因此推导了钟偏真值t与估计值，的关系：trl=t+(4)为了得出后一颗伪卫星与前一颗伪卫星或地面站时钟估计值间的传递关系，结合式(3)、式(4)推图2卡尔曼滤波原理 第6期史海青等：基于BD导航卫星的空基伪卫星网络动态共视授时技术．45．1．2迟误差分析及共视选星策略导航系统定位误差的统计特性，并针对这一特性，采用整网平均的方法对位置误差进行处理。共视授时提高授时精度的关键在于消除共同误差，因此须对授时过程中的误差项进行分析。2．1钟差与位置误差之间的关系在对流层延迟及其变化率的研究中发现，它们伪卫星设备由无人机等载体携带，伪卫星的位的大小与接收机相对于导航卫星高度角的大小有置只能由INS／BD组合导航系统导航解算的三维坐关，以一颗BD导航卫星为列，由霍普菲尔德标毫，，乏来表示，其与实际位置坐标的关系为(Hopfield)模型p】得出，伪卫星高度为20km，高度r一角不断变化时，对流层延迟的变化趋势如图3所示。Ixixi+{1+^y，f1I一zZi+6z。f．f，8y’f，8z，f为伪卫星3个轴向的位置误差，那么对几何距离进行线性化，线性化系数如下角度值。)图3对流层延迟随高度角的变化由图3能够看出：伪卫星高度一定时，对流层延迟及其变化率随其高度角的增大而减小，当高度式中，丘，=二-二二丽为BD卫角大于40。时，对流层延迟小于1ns，随着高度角星至伪卫星几何距离的解算值，那么位置误差1，为的进一步增加，对流程延迟变化率逐渐趋于0。根镌===据伪卫星高度角与对流层延迟及其变化率的关系，提出了共视选星策略。待授时的观测测站及基准站^^^鲁(8)应尽量选取高度角均较大的卫星作为共视星，这样一一一可以进一步减少对流层延迟的影响，提高授时的精由观测方程式(4)可以一得到钟差△f+l与位置误1，●●●J—．．．．．．．。．L度。选星策略的具体过程为：首先，根据地面控制差之间的关系如下．．J．站、伪卫星及导航卫星的坐标计算地面控制站与伪：：：△：卫星相对导航卫星的高度角；其次，比较每一次相⋯C‘应地面控制、伪卫星高度角的大小；最后，选出两二L—+△ff+(9)者高度角都比较大的共视导航卫星作为共视星。C由于电离层延迟与信号的频率有关，因此可通式中，劬为授时过程产生的残差项，包括3个部分t-过双频【l¨】LC线性组合对其进行消除，采用这种1)经过共视选星后对流层延迟的残差；2)电离层方式能够消除约99．9％的电离层一阶项延迟误差，延迟通过双频LC线性组合后二阶项、三阶项的残使得电离层延迟二阶项和三阶项的残差仅分别为差；3)伪卫星接收机间的随机噪声差。定位误差大0～2cm及0～2mm。小直接影响授时精度的高低，是授时误差产生的主2钟差特性统计及位置误差消除方法要因素之一，如果INS／BD组合导航系统位置误差精度约为1．5m，那么单个载体位置误差影响的时共视授时的精度虽然受到很多误差因素的影间偏差约为5ns。响，但定位误差是其中的主要因素，其大小直接影2．2钟差特性与消除方法响授时精度的高低。为有效减小位置误差对授时精度的影响，笔者在推导了授时误差与组合导航系统多套惯性导航系统定位误差的统计特性基本上定位误差之间数学关系的基础上，分析了空基组合服从正态分布】，笔者认为这可根据概率论中的 ·46·兵工自动化第33卷中心极限定理来解释，因为各个伪卫星平台上惯性21根据共视选星策略选择合适BD卫星作为共导航系统的陀螺、加速度计等器件误差状态各不一视卫星，由步骤1)得到的坐标值分别计算地面站、样，并相互独立，而且各个惯性导航系统的初始对伪卫星共视于此北斗卫星的高度角，此处共视选星准误差也各不相同，所以多套惯性导航系统定位误的目的是降低对流层延迟误差。差在统计上逼近正态分布。3)分别计算地面控制站、伪卫星与北斗卫星的进一步，伪卫星载体上一般采用INS／BD组合空间几何距离及电离层、对流层延迟、伪卫星位置导航系统，各个北斗接收机的定位误差各不相同，误差等，进一步得到伪距方程。根据伪距方程推导用于信息融合的各个滤波器的状态也有所差异，而出伪卫星与地面控制站间的共视观测方程。且各个载体的定位误差对伪距测量的影响也不尽相4)根据观测方程及时钟系统状态方程，运用卡同，各个伪卫星设备上原子钟的误差特性也有差异，尔曼滤波技术得到地面控制站与离其最近空基伪卫用于授时计算的滤波器状态也不一样，所以根据中星间的时间差，完成该伪卫星与地面控制站间的共心极限定理可以推断，伪卫星网络各个节点的授时视时间同步。误差也将逼近正态分布。因此在传递共视授时的基51把授时后的伪卫星当作地面控制站重复前础上，提出采用整网平均的方法来提高授时精度。面四步，就可以逐次实现广域空基网络所有伪卫星空基网络各伪卫星钟差平均的表达式为：的共视授时。∑△。∑trI『．。∑tgl『+3．2结果分析E(Atf+1)=一=一一～0n设地面控制站的时钟差为0IIS，距离地面的高则有度为0=2．5km；位置为(32。N，105。E)，接收机随机误差为0．5m(1；信号传播速度c=3×10m／s。∑∑所用的8颗BD卫星：3颗分布在倾角为55。，上L≈上L=t(10)nn交叉在118。的IGSO轨道上，其余的5颗分别位于3仿真与分析58．75。E，70。E，110。E，140。E，160。E的GEO轨道上。3．1仿真流程图设计星载时钟的初始相位误差及频率误差分别为根据网内传递共视授时方法设计的空基伪卫星Xt=l×10ns，X，=2×10Hz；时钟的相位噪声授时仿真流程如图4所示。及频率噪声为=2x10一s(1cr)，wf=1×10Hz(1cr)；BD、基准站及伪卫星坐标仿真时间5h；离散步长T=1s。—离I位置笔者选取了13颗空基伪卫星仿真说明，相邻伪、壹壁鱼I簦／簇主卫星的高度不同，分别为1=l7．18km或19．89km；在比较有、无选星策略对流层延迟的影响时，以地选择BD共视叫’上釜延迟面控制站与离其最近一颗伪卫星为例进行研究。伪卫星、厂f伪距＼、＼模拟钟偏／／＼、整壁／图5(a1为无选星策略的对流层延迟影响伪卫————————一／———工—一星钟差的仿真图。该仿真过程单独研究了对流层延时钟系统、f共视条件下1迟对伪卫星钟差的影响，为有偏估计，地面控制站与伪卫星对BD卫星的共视高度角分别为11．77。、卡尔曼滤波器求解钟偏估计值11．70o，仿真1000S后对流层延迟影响的钟差偏离约为3．5I1S，因为仿真过程为有偏估计，因此伪卫图4共视授时方案设计星钟差轴较远，误差较大。图5(b)为有选星措施具体步骤如下：的对流层延迟影响伪卫星钟差的仿真图，经选星11首先根据北斗卫星、伪卫星及地面控制站后，地面控制站与伪卫星共视于某一颗BD卫星的(基准站)的经、纬度数值计算其在地球坐标系下的高度角分别为84．55。、84．44。，仿真相同时间后对三维坐标。流层延迟影响的钟差偏离约0．7ns，比无选星措施 第6期史海青等：基于BD导航卫星的空基伪卫星网络动态共视授时技术·47·的3．5IlS减少了约80％，同样道理，该仿真与图数值最大约为0．006ns，其他伪卫星频率偏差与其5(a)一样属于有偏估计。由此可以看出有选星策略相似，这里不再一一给出。的授时能够大大削弱对流层延迟的影响，提高总体表1各伪卫星钟偏差估计最大值统计的授时精度。伪卫星最大值／ns伪卫星最大值／ns12．585．825．594．132O104．444．Oll2．752-3128．066．0131．871．54_3譬21坦0一1_14(a)无选星措施钟差仿真染-j_4一5-6坦啉图6伪卫星频偏与其估计值差值仿真赠图7为网路伪卫星钟差的均值，从图中能看到古该数值在仿真5h后，最大不超过0-3ns，也就是说蝗蠡经过整网平均后该网络BD共视授时精度优于0-3ns，折算成距离约为0．09m。钟差精度相对于表1无位仿具时N／s置误差消除的8ns提高了约96％，该数值验证了笔(b)有选星措施钟差仿真者运用整网平均方法的可行性，而且该方法不仅能图5有、无选星措施对流层延迟影响伪卫星钟差的仿真大大减少动态平台定位误差对授时过程的影响，还能削弱对流层延迟的残差、电离层延迟二阶项与三表1为各伪卫星钟偏差估计最大值统计，伪卫阶项的残差及伪卫星接收机间的随机噪声差等，显星钟差估计为时钟模拟值与估计值的差值，从该图著提高了网络动态共视授时的精度，实现了广域空能看出，经过5h后，伪卫星钟差估计的最大值约基网络整体精度高于0．3ns的共视授时。为6ns，由于各个伪卫星设备上原子钟的误差特性有所差异，因此最后的钟差大小也各不相同。授时过程中的电离层延迟经过双频LC线性组合后二阶项、三阶项的残差非常小，对流层延迟经选星后的影响不超过1ns见图5(b)，而在INS／BD组合导航系统定位误差的影响下，仿真5h后伪卫星估计值误差达到8ns，见表1数据。由此可见，位置误差对授时的影响非常大。图6为频偏与其估计值差值仿真，该数值能够反映时钟频率偏移的大小，从此图能够看出，仿真5h后，单颗伪卫星时钟频率偏差数值一直比较稳定，为在0处震荡的高斯噪声，图7伪卫星网络钟差均值__髓舞鞠黪