[發明專利]基于自適應測量噪聲方差估計的星載GPS定軌方法

有效

• 申請號: 201710723234.2
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107367744B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 李理敏;林宇豪;肖洋;曾國強;陳孝敬;阮秀凱;張威
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: G01S19/37
• 分類號: G01S19/37
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

技術領域

本發明涉及一種星載GPS定軌方法，尤其涉及一種基于自適應測量噪聲方差估計的星載GPS定軌方法。

背景技術

隨著全球定位系統(Global Positioning System,GPS)的發展，為航天器導航定軌提供了一種全新的方式。與傳統的地基定軌相比，星載GPS能夠提供更加精確、連續的導航、定軌服務，因此星載GPS技術已逐漸成為低軌衛星定軌的一條有效途徑。

目前，根據是否采用低軌衛星動力學信息，星載GPS定軌主要分為以下3種：1)幾何法，該方法直接利用星載GPS接收機的偽距信息進行定位計算，其最大特點是不受動力學模型誤差的影響，但對觀測量誤差及GPS衛星幾何分布敏感，只能確定觀測時刻的衛星位置，不能對衛星軌道進行預報；2)動力法，該方法利用衛星動力學模型建立含參數的衛星運動方程，確定衛星理論軌跡，然后利用實測數據做軌道改進，能以較少的觀測數據獲得可靠的衛星軌道，并能對影響衛星運動的各種攝動力進行定量估計，對衛星長期運動趨勢定量預報，但由于動力學模型的誤差會隨時間而增長，限制了其長弧段定軌的精度；3)約化動力法，該方法通過在低軌衛星的動力學模型上附加一個假想的力(過程噪聲)，并在定軌過程中進行估計來平衡幾何觀測和動力學模型的貢獻，解決了動力法對動力學模型誤差非常敏感和幾何法取決于相對幾何與測量精度的問題。約化動力法定軌通常都可以采用卡爾曼濾波(Kalman Filtering,KF)進行數學描述，每次使用一個時刻的觀測數據，序貫輸出當前時刻的估計結果，十分適合于實時定軌，而且精度與事后處理相當。

KF算法只有在函數模型和隨機模型精確已知的條件下才具有最小的均方誤差，其中隨機模型參數通常是根據經驗選取的，需要良好的關于過程噪聲方差Q和測量噪聲方差R的先驗知識，這通常來自于大量的實驗分析。然后，它們的值在整個估計過程中都被認為是保持不變的。這種不變性結構會導致KF不能獲得最優的估計結果，有時甚至會導致濾波器發散，因為過程噪聲和測量噪聲往往取決于實際的應用環境和動態條件。為了能夠在不同的環境下正常工作，Q和R的值必須取得比較保守，以保持KF算法在最差情況下的穩定性，這會導致濾波結果變差。因此，需要尋找更加合理的確定隨機模型參數的方法，這對于提高星載GPS定軌精度具有十分重要的意義。

發明內容

為了克服傳統KF定軌方法在隨機模型參數取值上的問題，本發明提出了一種基于自適應測量噪聲方差估計(Adaptive Measurement Noise Variance Estimation,AMNVE)的星載GPS定軌方法，該方法可以根據接收機載噪比(Carrier Noise Ratio,C/N₀)自適應調整R，從而使其更好地反映測量值的噪聲統計特性，能夠獲得更高的定軌精度。

本發明解決技術問題所采用的技術方案如下：一種基于自適應測量噪聲方差估計的星載GPS定軌方法，該方法包括如下步驟：

(1)根據星載GPS接收機跟蹤環中的I、Q兩路信號，利用窄帶寬帶功率比值法估計信號載噪比C/N₀；

(2)根據各通道跟蹤環C/N₀，計算L1、L2雙頻信號的偽距測量誤差；

(3)組合L1、L2雙頻偽距測量值得到無電離層延遲的偽距測量值ρ_IF及其誤差σ_IF；

(4)以ρ_IF為觀測量，利用EKF算法對衛星的軌道信息進行估計。

進一步的，所述利用窄帶寬帶功率比值法估計信號載噪比的具體過程如下：

(1.1)根據星載GPS接收機跟蹤環中的I、Q支路信號，計算寬帶功率和窄帶功率，其中第k時刻的寬帶功率WBP_k為：

第k時刻的窄帶功率NBP_k為：

式中，M表示計算寬帶和窄帶功率的累加樣點數，通常取1≤M≤20；I_i表示第i時刻I(同相)支路積分清零輸出；Q_i表示第i時刻Q(正交)支路積分清零輸出；

(1.2)進一步計算第k時刻的窄帶和寬帶功率比值：

(1.3)為了降低噪聲誤差，對N個時刻的NP計算平均值μ_NP：

(1.4)求得GPS接收機的信號載噪比C/N₀：

其中，T表示相干積分時間。

進一步的，所述步驟(2)具體如下：