抽象性
论文基于北都卫星导航系统伪误差分析系统测量原理面向系统测量误差指数系统的困难,建议以实验估计法和误差分布模型为基础的测量误差系统总体构造法基于分析层次化进程,构建测量误差索引相关分析模型,分析指标之间的关系,并构建系统误差指数层次结构基于实验估计法和错误分布模型,索引值分解并分配基于系统最终服务性能,并实现索引匹配复杂关系清晰表示最后,通过分析地面运输控制模式定位函数原理,以卫星时钟误差为例,模型逐层分解并相关指标项建立研究索引术语之间的关系,量化指标值与当前系统实际操作条件相比,验证方法正确性,为演示卫星导航系统索引值提供基础实验估计法和差错分布模型作为一种新式计算法基础,根据一套条件建立的索引系统是合理的,可应用到卫星导航系统工程构造的差错控制调整中。
开工导 言
全球导航卫星系统是卫星无线电导航定位系统。它可以为各类用户提供精确三维定位、三维速度、导航数据、精确卫星时间参考和其他信息显示越来越多的重要用途用于军事和民事应用及其应用前景远超出人们想象一号..以实验估计法和差错分布模型为新类型计算法,根据一套条件建立的索引系统是合理的,可应用到卫星导航系统工程构造的差错控制调整中[2-8..
北都卫星导航系统建设是一个复杂大系统项目北都卫星导航系统用于定位或导航时,观察测量有各种错误,如北都系统自身信号错误,包括卫星时差错误和卫星时钟错误iDou信号从卫星向用户接收天线传播错误包括电离层延迟校正错误和对流层延迟校正错误等北都用户接收器生成信号测量误差,包括观察噪声误差和天线相位中心误差论文定义北都卫星导航系统测量误差系统为北都卫星导航系统测量过程误差指数元素有机组合九九-15..单度误差指示数性能和多度误差指示数之间的关联和约束关系,卫星导航系统固有部分以及确保卫星导航系统稳定运行的关键基础确定并限制卫星导航系统功能和性能
eiDou系统存在的各种测量错误将对系统测量精度产生一定影响,误差不可避免但也可用某些技术减少误差对测量精度的影响为了确保系统最终服务精度满足设计需求,系统演示设计中需要多次调整和模拟各种差错,以便根据系统服务精度需求计算系统定位精度,并最后根据当前误差分布指标技术开发水平满足精度指数条件并引导工程开发过程每种链路的误控
如何从系统服务性能出发,建立索引系统并清晰描述索引系统所存复杂关系已成为北都卫星导航系统研究热题基于BeiDou卫星导航系统测量误差索引研究,本论文构建系统误差指标层次分析分级进程指导,并提议基于实验预测法和误差分布模型方法的总体误差系统研究索引系统指标之间的关系并量化相关索引值
二叉北都卫星导航系统定位原理和错误分析
2.1.系统定位原理
北都卫星导航系统定位原理主要基于空间几何物理知识相关原理,使用卫星空间分布和卫星与地球表面距离计算地面点的具体位置不同于陆基光电距离测量法,北都卫星导航系统执行伪测法16-19号..原则上它需要两个时钟,一个称卫星时钟,另一个称用户时钟(局部时钟)。卫星时钟和用户接收器时钟间有时钟误差,距离测量被称为伪测距为了便于分析各种误差对测量精度的影响,误差通常归结为卫星伪参数测量,可视之为伪差值等值误差论文重分析物理定义伪数和各种误源参数20码-23号..假设时间调用卫星传输信号时的传输时间,时间调用用户接收信号时的接收时间图一号显示北都卫星导航系统信号代码伪测量原理
用户时钟通常不与北都卫星时钟同步北都导航系统时间实际上等于t用户接收时间t ,用户接收时间和北都导航系统时间差记录 ;也就是说 类似地 edorange定义信号接收时间与传输时间之间的距离: 去哪儿 表示从卫星向接收器发送信号的实际传播时间
替代物一号进上方程也就是说
北都卫星导航信号的实际传播时间由两部分组成:一是信号穿行几何距离的时间,二是大气造成的传播延迟也就是说
大气传播延迟可分解成两个部分:电离层延迟 对流层延迟 .替代式5插进4)
公式中 表示伪值观察; 实距离卫星接收器 表示噪声误差方程分解6常被称为伪值观察方程,即用户接收器使用伪值实现单点绝对定位的基本方程
北都卫星导航系统误定位精度 公式中PDOP为空间定位几何精度因子 表示误差因子
2.2.测量错误分析
北都卫星导航系统生成定位精度有多次误差,例如卫星轨道、大气折射和北都定位接收器本身误差对北都卫星导航系统定位精度有极大影响导航定位系统测量误差可全部等同伪测值差错误差统称等值用户距离误差 )
为了分析各种误差对精度的影响,假设影响定位精度的误差源都是独立的,卫星近似表示为零值高斯随机变量,差数由每个构件差数总和确定测量误差因子为卫星 .
按公式计算6北都卫星导航系统定位精度与测量误差密切相关测量误差受多因素影响,如卫星轨道误差、卫星时钟误差、电离层误差、对流层误差、多路和热噪声按照测量误差的不同统计特征,这些误差可划分为意外误差、系统误差和异常误差,如图所示2.
系统错误指由某些因素系统影响引起的特定法则错误,如常系统错误、周期系统错误等系统错误效果累积动态模型误差、卫星轨道误差、坐标系误差、电离层延迟误差和对流层延迟误差等系统误差随机误差指各种随机因子引起的误差个人这类错误随机异常,但在统计上服从具体统计规则,例如正常分布或重尾分布(Huber分布),例如卫星测距误差、空间信号奇差等异常错误指设备异常和观察条件异常变化引起的错误,通常以异常值表示。卫星轨道操作、卫星设备故障、接收器故障和其他极端错误引起的卫星测距错误或载体测量错误异常错误
3级测量错误指数构建模型基础解析层次进程
3.1.系统测量错误层次分解法
AHP原理是先分解决策,抽取一些重要影响因素并分类构建多级结构模型从下层开始后,分析底层因素对上层因素和排名的相对重要性AHP特征量化分级分解复杂问题成数个相对简单小问题
AHP具体应用步骤如下:确定需要决定的具体问题并分解成目标层、标准层和指标层决策问题为目标层次,最终解决方案为指标层次,标准层次包括决策时需要考虑的关键标准,如图所示3.
分析层次进程显示BeiDou卫星导航系统测量误差分解成系统目标、标准和指标在此基础上进行定性和定量分析复杂系统测量错误问题表示为有序层次结构图显示层次分析结构5.导航卫星节能状态、信号传播环境以及地面接收设备直接反映测量误差源和全系统节能水平导航卫星、信号传播环境、陆基接收设备(包括BeiDou用户接收器和被控BeiDou接收器的地面运输设备)和以上三段不同段联通时段(导航卫星、信号传播环境以及陆基接收设备)很难明确界定误差为标准图层2指标
同时,卫星延迟误差、卫星误差、电离层对流层和北用户接收器噪误、多路误差和许多其他因素对测量误差节能产生极大影响,并按规则分解为三因子指示值水平,如图所示4.
3.2系统误差指示器关联分析模型
北都卫星系统测量指标物理意义上存在量化关系,但两种测量之间的视觉关系变化,测量误差指标数据之间的关联关系以及通过一或数项指标出现关联关系,如果有可能辨别法变的其他指标或计量变化依赖一个或多个索引,例如关系仍有待进一步分析。
北都卫星导航系统测量误差指标量化关系可划分为两类:第一类确定式关系,即功能关系另一则不确定关系,称为相关关系系统测量误差指标之间的功能关系取决于BeiDou卫星导航系统操作的物理特征和测量误差特征指标定义相关关系反映相关表度和相关度研究变量或反映正则变量修改时,另一变量将遵循相应修改法则,而这一修改值不确定初始查找北都卫星导航系统测量误差索引中的不确定性可通过以下方式确定:对测量误差特征索引进行相关分析并查找误差特征索引数据之间的关联系数
相关测量误差索引数据分析希望通过数据挖掘技术清除统计索引数据隐藏的固有法则在大多数情况下,我们进行的关联分析是在两个指标间执行的。需要二进制变量关联分析不同类型的变量数据应使用不同的关联分析方法当测量误差统计指标用于相关分析时,误差指标通常是数值变量皮尔逊相关系数分析法用于确定负载特征法之间的相关系数
任两个随机变量Xy, 则两个变量相关系数
去哪儿 共变两个变量; X和Y之差整体关联系数衡量两个变量间的关联系数
然而,事实上总体相关系数一般不为人知,需要使用样本相关系数估计测量误差特征,让我们 , 由测量误差特征索引X和索引Y生成的两个时间序列 : , 并 表示平均值XY序列和测量误差特征索引数据样本相关系数 统一估计索引整体相关系数
3cm3系统计量错误分布模型
eiDou卫星导航系统测量误差指示器的建立实际上是基于系统服务设计需求差错分配过程差错分配应考虑到所有差错组件分布北都卫星导航系统测量误差,根据BeiDou二类卫星导航系统工程经验,对给定系统误差,撞击可先从总误差中去除,然后分析剩余随机误差和不确定系统误差分布问题误差允许范围确定后,其他误差则根据误差分配误差允许范围无法确定索引项,则按等同动作原理分布
平权原则首先考虑BeiDou卫星导航系统每一部分的误差对整体误差有同等影响也就是说,当分配错误时,误差因子都是随机误差,互不关联,然后误差转移公式任意函数 无关变量 中公式 , 分片误差直接测量按照差错分布要求,当给定时 ,判定值 或 ,需要满足公式 ,按照分配原理,它需要
差错按平权分配似不合理,因为计算本地差错均相等点数很容易实现某些测量值以确保其测量误差不超出允许范围,而其中一些测量值难以满足需求满足测量精度,使用昂贵高精度工具或支付大工发件人九九)可以看到,当每个直接量的错误固定时,对应测量误差与误差移位系数成反比因此,每个测量错误不相等,当局部差错等值时,相位差值有时可能很大由于上述两种情况,分配给平权原则的错误必须根据具体情况调整误差术语测量时难以保证,允许误差值应适当扩展易于保证测量错误时,应尽量减少允许误差值误差调整后,总误差也应根据误差分布公式计算,以判断它是否超出给定函数误差允许值
3.4.测量错误索引构建模型
选择正确度分析和差错指数分配的适当过程是设计过程的密钥图中显示流程流5实际模型分析使用并实现工程应用效果
4级北都卫星导航系统计量错误结果和讨论分析
4.1.相关性分解系统计量错误因子图层指标
分析北都卫星导航系统误差指标测量指标之间的相互关系并判定它是否符合索引系统确定的原则,我们可以使用计算相关关系法评估索引项目之间的相互关系
以BeiDou卫星导航系统数据发布为例数据使用包括1卫星时钟误差(I1)、2卫星延迟误差(I2)、3相对效果误差(I3)、4卫星瞬时误差(I4)、5电离层反射误差(I5)、6对流层反射误差(I6)、7多路或隔离误差(I7)和8BeiDou卫星导航接收器测量误差(I8)地面控制状态下,地面控制段误差包含在时间错误和卫星时钟误差中相关计算结果显示于表一号.
计算相关值 按公式计算10)传值 介于-1和1间并描述线性相关度和方向 ,两种测量误差特征指标间有正相关关系; ,两种测量误差特征索引间有负相关关系; ,两种负载特征索引完全相关; ,两种测量误差特征索引之间没有线性关联经验显示,相关程度划分为下列情形: ,可视之为负载特征之间的高度关联性时间 ,可视之为适度关联误差时间 ,判断误差特征索引低度相关时间 ,误差特征索引关联极弱可视之无关测量误差特征指标之间的关联度根据相关系数大小确定,并进行排序消除无关索引
表2一号具有一定意义,但它不完全表示测量误差指标的关联性此处仅提供典型例子构建模型方法表显示一号,卫星时钟误差与其他误差指示器之间有强连通性即卫星时钟误差被用作进一步分解的示例,直到分解指标项相互独立卫星时钟误差源主要包括卫星时钟性能、卫星对地时间比较精度和星钟参数更新率卫星时钟误差与分解索引项相关联,如图所示6.
4.2索引项目分配基于实战估计法
4.2.1.估计每一指标项经验分布
北都卫星导航系统可用性与接收器使用截角相关下降截取角可提高可用性然而,降低截取角观察更多卫星将引入较大的大气误差,因此应在达到可用性索引的基础上合理选择截取角根据系统可用度统计 不同截取角显示 当截取角为5度时 可用度大于98%因此,为了确保泛泛性,当PDOP值从本文测量误差指数值计算时,截取角为5摄氏度此时,当PDOP小于或等于2.5时,系统可用性强,系统可用性强百分百提供系统已能更好地满足中国及其邻接区定位和导航需求
北都卫星导航系统误定位精度与空间定位几何精度系数和测算误差系数相关 .地面操作控制模式中系统定位精度优于10m,系统位置精度因子为PDOP=2.5
卫星延迟错误指示数分配.从卫星系统零点延迟信号转换电路输出,从信号转换电路输出延迟波调器输出,从微波调制器输出延迟电源放大器输出,从电源放大器输出延迟天线相向中心,信号相向偏差和卫星对地时间比误差为导航卫星延迟误差目前卫星延迟误差对定位的影响预期在0.2ns内
2分配相对效果错误指标.按照相对论原理 时钟振荡器以不同速度运动 产生频率偏移 时钟振荡器带不同重力位北都卫星导航定位测量期间,由于北都卫星时钟和接收器时钟的不同状态,它们的运动速度和重力不同。
频率稳定表达式卫星原子时钟近似 内地 第二稳定 日期稳定 表示测量区间)卫星时钟偏差 由它引起的由时间间隔和标定方法决定卫星时钟同步标定(地面时钟一般以氢时钟为基础) 内地 当前时间 标定时间)表22显示关系 , ,同步校准间隔 并 ,并测距错误
相邻性对铃声稳定性的影响低于1E-15可忽略此项 。
3分配卫星Epheris错误指标.卫星短程误差也称卫星轨道误差估计和处理卫星轨道误差比较困难,因为卫星受轨道操作多扰动综合效果的影响,地面监测系统难以准确理解这些强力变化法则北都系统卫星配有激光反射器卫星激光反射器精度可达1至2cm,现有轨迹测定技术与扰动模型得到改进精确轨迹精度从理论上讲可达分解或中分排序北都卫星导航系统所有三个地面监测站都位于中国,卫星跟踪弧数极少,分布极不均匀。使用3个监测站的观察数据确定轨迹的精度很难提高目前,时间误差对定位的影响预计将控制在1米以内
4电离层反射错误索引分配.电离层反射误差指电离层特效观测误差北都卫星导航信号穿透电离层时,导航信号路径将弯曲,传播速度也将变化,载波传播速度将加速,代码传播速度将下降,以便测量距离偏差电离层反射南方一些地区位于赤道异常区,天线和卫星高角差震荡电离层反射误差,电离层误差平均估计值需要计算电离层折射角为30o平均值,电离层反射误差约20m,等值误差距离约6m,图中显示7.中国电离层电网划分图8.
使用克洛布查尔模型纠正电离层时间折射,北半球中度平均有效率达70%以上结合电离层差错网格校正算法并使用5+5摄氏度网格模型计算用户站渗透点经度和纬度垂直电离层延迟得出的结论是,电离层模型参数校正后遗留的大气折射误差预计将在3m内控制
5流层折错索引分配.大气密度大于电离层,而大气层状态也更加复杂化,同时对流层与地面接触并接收地面光热能温度随高度增高下降北都卫星导航信号穿透对流层时,还会导致传播路径弯曲,从而导致测量距离偏差这种现象被称为对流层反射没有什么更好的方法纠正对流层延迟错误通常校正使用Hopfield和Sastomonin等模型后遗误预期会达lm
6多路或隔离错误指标分配.多路特效果引起的错误难以完全消除,其影响只能尽量削弱常用做法是在定位期间避免强反射面,使用带反多路特效接收天线并使用延长观察时间和平均法简言之,多路报错2m内可用适当方法控制
7BeiDou卫星导航接收器测量错误指示数分配.北都卫星导航接收器噪声有多种意义,包括接收器时钟斜率、热噪声生成代码跟踪错误、干扰等,也称伪测错还包括天线热、放大器和各种电子设备热噪声、信号量化误差、卫星信号交叉关系、确定代码相程和载波相程算法误差以及接收器软件各种计算误差综合统计显示前北都卫星导航接收器噪声误差对定位的影响可控制在1ns内
8基调控制段差错指示器分布.卫星导航系统地面段复杂化,这是整个导航系统控制中心系统典型任务临界系统并负责整个导航系统的运作和管理中心负责卫星时间同步、精确轨道测定和电离层延迟处理、系统完整性监测和关键服务区广域差分处理、导航消息参数上行注入以及卫星星座和有效载荷管理和维护系统误差对定位的影响预期小于0.3ns,地面站测距接收器精度和地面收发器通道校准误差
4.2.2.2卫星时钟指示项分配
卫星延时误差、相对误差、对流层误差、对流层误差、接收器误差和卫星时差误差显示卫星时钟误差指示数计算
通过将上述定性分配指标替换为上述方程,可获取等量卫星时钟误差 即,为了实现定位服务精度10米,当系统执行卫星时钟偏差预测时,卫星时钟偏差预测精度优于3.2ns
4.3错误分配卫星时钟索引值建模
频相偏转相位噪声、伪码信号和导航卫星标称载波和伪程信号间隔偏差接收器导航信号主要反映为捕捉和辨别信号的能力前端接收器通过信号滤波清除相邻频带干扰信号同时,为更好地捕捉弱信号,信号电量应安装约10-1011倍即,如果载波频率误差小于1E-11Hz,则接收者在信号获取和恢复期间不能区别载波频率误差,对系统服务精度没有影响卫星传时频参考10.23M信号二阶稳定性 一般高0.5至1级北都卫星导航系统卫星载原子时钟开发显示,卫星载时频参考10.23M信号二阶稳定性为5E-12,相应的二阶原子时钟卫星稳定性至少为5E-12
图显示7相关卫星时钟误差指标包括卫星时钟性能、卫星对地双向时间比较和卫星时钟参数更新率卫星时钟参数更新速率是一个约束性指标,但在控制卫星时钟错误方面起关键作用卫星时钟参数更新速率越高,卫星时钟精度越高,同时它能补偿卫星时钟性能不足引起的错误本文用一小时预测预测策略分解指标值提高星钟参数更新率
4.3.1.卫星时钟性能错误指标分布
原子时钟噪声特征显示卫星时钟稳定5E-12秒频率稳定数万秒与时间间隔相关τ一二二观察策略观察1小时预报1小时,卫星原子时钟稳定1小时
基于误差估计公式计算结果 表示模型预测的最终精度实际模型预测结果有一定程度的精度减慢为了确保实际精度有效,必须保留30%的差值,并可实现卫星原子时钟性能(1小时稳定)
卫星时钟的其他稳定性估计如下:
第二稳定度
十秒稳定度
百秒稳定度
千秒稳定
百万二分位稳定
日稳定度 :
卫星原子时钟性能(1小时稳定)对卫星时钟误差的影响
4.3.2.二分时比精确度索引分解
按照误差分布原理,卫星和卫星双向时间误差
恒星和地球双向比较精度划分为时钟误差预测模型精度和时钟误差预测模型源精度其中包括时钟预测模型应用使用线性模型常用模型,包括多元模型、灰模型和时序模型由时钟误差预测模型特征引导的误差为0.1ns至0.01ns超出0.1ns值时,预测模型没有使用值取最大误差0.1ns并转换等量距离误差为0.03m,时钟误差预测模型数据源精度为
4.3.3.时钟错误预测模型数据源精度索引项量化分解
数据源偏差预测模型引入错误分为系统误差和随机误差系统误差主要指时钟差数据观察过程时间比较链路所引入的系统误差按照误差分配原理
时钟预测模型数据源精确性随机错误.图显示7随机误差时钟预测模型主要是由子时钟和注入站时间比较引起的误差和注入站时钟与主时钟对比的误差造成的
2 卫星时钟和监控站随机差错指示词量化比较.相关分解显示,卫星时钟与监测站时钟随机误差可划分为卫星对地链路随机误差、卫星时钟参考性能和注入站时钟参考性能
假设观察策略为观察1小时预测1小时,卫星时频引用性能直接关系到卫星时钟稳定1小时根据上章,卫星时钟性能分解,卫星时钟一小时稳定 .等值距离误差 .
注入站时钟性能略优于卫星时钟性能,但反映为用户等值距离误差,几乎相等
按照差错分配原则
等量距离误差星际随机误差0.45m即时对站随机误差 卫星对地时间为1.5ns从模型分析观点看,站和卫星间时对站比较等同随机误差
4星时随机差错指示词比较.图显示7使用相关分解,卫星链路随机误差包括伪测精度、设备延迟误差、电离层延迟误差和多路误差等
按公式计算31号)等量误差伪测精度、设备延迟误差、电离层延迟误差和多路误差0.22m
5 主时钟性能指数量化分解.自观察策略观察1小时预测1小时后,可先判定主钟稳定1小时等于卫星时钟稳定1小时即二维稳定5E12实际操作中,当主控台选择主时钟时,所选主时钟比卫星时钟至少高半秒,所以主时钟二度稳定性为1E-12上章索引分解性能理论估计主钟稳定指数
秒稳定度 :
十秒稳定度
百秒稳定度
千秒稳定
百万秒稳定度
日稳定度 :
北都卫星导航系统导航消息预测模型对时差常数最大要求,卫星时钟时间和系统时间之间的物理偏差应小于1毫秒高一毫秒原子时钟需要物理调整,而这一调整将影响机载原子时钟稳定输出指标需要少调整,通用调整区间应大于100天,并可以估计卫星时钟频率精度
为了确保实用应用可靠性,有必要保留一定比值并取高一阶指数值即卫星时钟频率精度约1E-11经验显示 主时钟频率精度比卫星时钟高2级量级因此 主时钟频率精度可定为1E-13
频流速率卫星时钟近似
为了确保实用应用可靠性,有必要保留一定比值并取高一阶指数值即卫星时钟频率漂移率约2E-13每一次比较后,其精度的可追踪性需要增加一阶级主时钟频率流率比卫星时钟频率流率高一阶级因此 主时钟频率漂移率可算作2E14
5级北都卫星导航系统测量错误指数量化验证
通过分析北都卫星导航系统测量误差指标的大小和值关系,可以归纳北都卫星导航系统地面控制模式测量误差指标的大小与BeiDou卫星导航系统测量误差指标比较目前完成后可验证方法正确性,如表所示3.
时钟偏差预测精度是影响北都卫星导航系统测量精度的重要指标系统使用地面控制模式下的指标系统输入,量化卫星时钟误差指示器,并比对总线卫星导航系统测量误差指标推理主时钟 卫星时钟 注入时钟 分秒十秒 分百二十二稳定指数1000多秒距离系统精度范围不远,这与千秒后chime时钟购物特征一致地面伪测精度、机上伪测精度、设备延迟误差和电离层延迟误差均按误差分配原理0.7其中包括地面伪测精度和机内伪测精度与导航信号使用测距码相关0.7ns表示范围取向范围内实值证明方法有效设备延时错误发射接收设备包括延时和卫星转发器延时不稳定等0.7ns在真值范围以内,验证法正确无误,电离层延迟误差可使用多站和双频监测观察进一步减为0.5ns,显示0.7ns在验证范围以内,方法有效多路出错与接收者位置环境相关,量化值在系统真值内,有典型意义。
6级结论
iDou卫星导航系统演示过程期间,需要多次调整错误并模拟计算系统定位精度最后,提供指标分布满足当前技术开发水平并满足精度索引条件,并指导工程开发流程中每项链路的误控论文基于北都卫星导航系统伪测错,建议基于实证预测法和量化分解建模的测量误差系统总体构造法清晰表示索引匹配的复杂关系并定性地结合数值匹配关系和约束关系,即与系统服务性能有关的指标索引值与所建BeiDou卫星导航系统测量误差索引系统之间的关系和约束关系从验证结果看,这种方法可行并可用于指导系统工程构造中的错误控制
数据可用性
支持本研究发现的数据可应请求从相关作者处获取。
利益冲突
作者声明他们没有利益冲突
感知感知
这项工作得到了中国自然科学基金会91538109奖和中国自然科学基金会61203226奖的支持。