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一種用于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共視數(shù)據(jù)的預處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共視數(shù)據(jù)的預處理方法，該方法步驟包括根據(jù)時頻實驗室的觀測狀態(tài)和衛(wèi)星狀態(tài)，選取合適的共視數(shù)據(jù)；對選取后的共視數(shù)據(jù)信號傳播過程中的延遲進行修正；對修正后的共視數(shù)據(jù)進行粗大誤差剔除處理；采用k階Vondrak濾波器對共視數(shù)據(jù)進行平滑處理，通過最小二乘估計法迭代選取最佳平滑因子，消除隨機誤差。本發(fā)明所述技術方案計算量小，運算速度快，能夠快速獲得合適的平滑因子，能夠有效的消除共視數(shù)據(jù)中的隨機誤差。
【專利說明】一種用于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共視數(shù)據(jù)的預處理方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理方法，特別是涉及一種用于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共視時間頻率傳遞的數(shù)據(jù)預處理方法。

【背景技術】
[0002]在北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共視時間頻率傳遞過程中，參與共視的兩個時頻實驗室在同一時刻觀測同一顆北斗衛(wèi)星，分別得到各自本地鐘與該北斗衛(wèi)星星載鐘的時差數(shù)據(jù)，經(jīng)通信鏈路將各自測得的數(shù)據(jù)相互交換，經(jīng)數(shù)據(jù)處理去掉星載鐘即可得到兩時頻實驗室之間時差，從而實現(xiàn)北斗共視時間傳遞。
[0003]由于在接收北斗信號時存在干擾，為獲得更精確的本地鐘與星載鐘時差，在進行數(shù)據(jù)交換之前，需要在本地進行數(shù)據(jù)預處理，包括:共視數(shù)據(jù)的選取，信號傳播時延的修正，隨機誤差的削除。信號傳播時延修正是指對時差數(shù)據(jù)中幾何時延、空間傳播介質時延、相對論時延、接收機硬件延遲等進行修正，可通過建立模型和校準的方式實現(xiàn)，而隨機誤差的削弱只能通過數(shù)據(jù)平滑的方式實現(xiàn)。
[0004]數(shù)據(jù)平滑是數(shù)據(jù)處理中一項很重要的工作，用戶要從測量數(shù)據(jù)中得到有效的信息，必須對測量數(shù)據(jù)做預處理，盡可能減小隨機誤差的影響，同時還可以評估測量數(shù)據(jù)的質量。目前常用的平滑方法有曲線擬合，滑動平均方法和Vondrak平滑方法。曲線擬合方法的前提是給出函數(shù)形式，大多數(shù)為多項式，其階數(shù)往往根據(jù)經(jīng)驗而定，人為因素影響較大；滑動平均方法要求數(shù)據(jù)必須是等間距而且采樣點比較密集，具有很大的局限性。Vondrak平滑方法實質是通過選擇平滑因子，在對測量序列的絕對擬合和絕對平滑之間尋求一個平衡，在未知擬合函數(shù)形式的情況下Vondrak方法也能對測量資料進行合理的平滑，其關鍵是選擇合理的平滑因子。目前常用的選擇平滑因子方法有:觀測誤差法、頻率響應法、交叉認證法。觀測誤差法要求預先知道觀測數(shù)據(jù)先驗標準差，而通常我們并不能準確的知道標準差信息；頻率響應法對于已經(jīng)知道頻率或周期的觀測數(shù)據(jù)才能夠得到較好的濾波效果；交叉認證方法是通過反復的試驗選擇平滑因子，運算量大，速度緩慢，選擇的平滑因子隨機性也比較大。
[0005]因此，需要提供一種共視數(shù)據(jù)的預處理方法，以快速選取平滑因子，降低運算量，提聞運行速度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種用于北斗共視時間頻率傳遞的數(shù)據(jù)預處理方法，解決目前共視數(shù)據(jù)處理中，常用平滑方法平滑效果不理想以及傳統(tǒng)Vondrak平滑方法中平滑因子難以選擇的問題。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案。
[0008]一種用于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共視數(shù)據(jù)的預處理方法，該方法步驟包括
[0009]S1、根據(jù)時頻實驗室的觀測狀態(tài)和衛(wèi)星狀態(tài)，選取合適的共視數(shù)據(jù)；
[0010]S2、對選取后的共視數(shù)據(jù)信號傳播過程中的延遲進行修正；
[0011]S3、對修正后的共視數(shù)據(jù)進行粗大誤差剔除處理；
[0012]S4、采用k階Vondrak濾波器對共視數(shù)據(jù)進行平滑處理，通過最小二乘估計法迭代選取最佳平滑因子，消除隨機誤差。
[0013]優(yōu)選的，所述步驟SI中對共視數(shù)據(jù)的選取條件包括
[0014]保證兩個時頻實驗室在同一時刻觀測同一顆衛(wèi)星；
[0015]被觀測衛(wèi)星的高度角不小于15° ;
[0016]根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)特點延長全長跟蹤時間。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟S2中需要修正的延遲項包括幾何距離延遲、電離層延遲、對流層延遲，sagnac效應以及接收機延遲。
[0018]優(yōu)選的，延遲修正方法包括
[0019]利用雙頻數(shù)據(jù)對電離層延遲進行修正；
[0020]根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機當行電文中提取的延遲參數(shù)和衛(wèi)星星歷建模，消除幾何距離延遲、對流層延遲和sagnac效應；
[0021]通過校準接收機的方式克服接收機延遲。
[0022]優(yōu)選的，所述步驟S3中采用3 σ準則剔除共視數(shù)據(jù)中的粗大誤差。
[0023]優(yōu)選的，所述步驟S4中采用最小二乘迭代法選取平滑因子，其步驟包括
[0024]S41、取平滑后的時差序列作為待估量，由Vondrak濾波基本原理，將時差序列和時差序列的k階差分作為兩類觀測值，分別建立誤差方程，從而將Vondrak濾波轉化為最小二乘平差問題；
[0025]S42、給定初始平滑因子，利用最小二乘法求解觀測值的誤差方程，獲得一次平滑結果;
[0026]S43、利用Helmert方差分量估計的方法，根據(jù)前次平滑得到的改正數(shù)向量V來估計方差分量，修正初始平滑因子；
[0027]S44、通過多次迭代，獲得最佳平滑因子，同時迭代結束即完成消除隨機誤差。
[0028]本發(fā)明的有益效果如下:
[0029]本發(fā)明所述技術方案計算量小，運算速度快，能夠快速獲得合適的平滑因子，能夠有效的消除共視數(shù)據(jù)中的隨機誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明；
[0031]圖1示出本發(fā)明所述的一種用于北斗共視時間頻率傳遞的數(shù)據(jù)預處理方法的示意圖。

【具體實施方式】
[0032]下面結合一組實施例及附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[0033]本發(fā)明公開了一種用于北斗共視時間傳遞的數(shù)據(jù)預處理方法，該方法具體步驟包括:
[0034]第一步、共視數(shù)據(jù)的選取
[0035]在北斗共視時間傳遞技術中，選取共視數(shù)據(jù)時，除了接收的是同一顆衛(wèi)星信號以外，還必須同時滿足以下三個條件:
[0036]I)跟蹤時刻相同，兩個時頻實驗室須在同一時刻觀測同一顆衛(wèi)星，這樣才可以完全消除衛(wèi)星鐘的誤差；
[0037]2)高度角不小于15°，當衛(wèi)星高度角過低時，電離層延遲誤差難以改正，且多路徑效應影響加??；
[0038]3)跟蹤長度，對于GPS來說，一次全長跟蹤為13分鐘，加上2分鐘預置準備和I分鐘數(shù)據(jù)處理，對于北斗共視來說，由于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)含GEO和IGSO衛(wèi)星，可適當延長一次全長跟蹤時間。
[0039]第二步、信號傳播時延修正
[0040]選取共視數(shù)據(jù)后，應對衛(wèi)星信號在傳播過程中的各項延遲，包括幾何距離延遲、電離層延遲、對流層延遲，sagnac效應以及接收機延遲等進行修正，并在共視數(shù)據(jù)中予以扣除。其中，電離層延遲可利用雙頻數(shù)據(jù)修正，幾何距離延遲、對流層延遲、sagnac效應等可根據(jù)從北斗接收機導航電文中提取的延遲參數(shù)、衛(wèi)星星歷等建模消除，接收機延遲則通過校準的方式獲得。
[0041]第三步粗大誤差剔除
[0042]由于Vondrak平滑易受粗大誤差的影響，在進行數(shù)據(jù)平滑之前首先采用3 σ準則剔除共視數(shù)據(jù)中的粗大誤差。由于共視數(shù)據(jù)為每秒一次，前后兩次測量相差不大，故可以直接利用粗差前后數(shù)據(jù)均值替代剔除掉的粗差。
[0043]第四步Vondrak平滑
[0044]采用Vondrak平滑的方法對經(jīng)信號傳播延遲修正及粗差剔除后的共視數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)平滑，消除隨機誤差。
[0045]Vondrak方法平滑測量數(shù)據(jù)的基本原理是:
[0046]Q = F+λ 2S = min (I)
[0047]其中，F(xiàn)= Σρ^/ Ii)2,S = Σ (Akyi)^yiQ = I, 2，…，N)為時間引數(shù)為 Xi 的測量資料。Ii1為待求的平滑值，Pi為測量數(shù)據(jù)的權重。
[0048]本方案采用k階Vondrak濾波器對共視平滑數(shù)據(jù)建模如下:
[0049]在和兩點之間的間隔上用一個通過i，i+l，…，i+k共
k+1個點的k階拉格朗日多項式來定義平滑結果y' =y' (t)，相應的，平滑值的k階差分可表示為

【權利要求】
1.一種用于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共視數(shù)據(jù)的預處理方法，其特征在于，該方法步驟包括 s1、根據(jù)時頻實驗室的觀測狀態(tài)和衛(wèi)星狀態(tài)，選取合適的共視數(shù)據(jù)； s2、對選取后的共視數(shù)據(jù)信號傳播過程中的延遲進行修正； s3、對修正后的共視數(shù)據(jù)進行粗大誤差剔除處理； s4、采用k階Vondrak濾波器對共視數(shù)據(jù)進行平滑處理，通過最小二乘估計法迭代選取最佳平滑因子，消除隨機誤差。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)預處理方法，其特征在于，所述步驟SI中對共視數(shù)據(jù)的選取條件包括 保證兩個時頻實驗室在同一時刻觀測同一顆衛(wèi)星； 被觀測衛(wèi)星的高度角不小于15° ; 根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)特點延長全長跟蹤時間。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)預處理方法，其特征在于，所述步驟S2中需要修正的延遲項包括幾何距離延遲、電離層延遲、對流層延遲，sagnac效應以及接收機延遲。
4.根據(jù)權利要求3所述的數(shù)據(jù)預處理方法，其特征在于，延遲修正方法包括 利用雙頻數(shù)據(jù)對電離層延遲進行修正； 根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機當行電文中提取的延遲參數(shù)和衛(wèi)星星歷建模，消除幾何距離延遲、對流層延遲和sagnac效應； 通過校準接收機的方式克服接收機延遲。
5.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)預處理方法，其特征在于，所述步驟S3中采用3σ準則剔除共視數(shù)據(jù)中的粗大誤差。
6.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)據(jù)預處理方法，其特征在于，所述步驟S4中采用最小二乘迭代法選取平滑因子，其步驟包括 s41、取平滑后的時差序列作為待估量，由Vondrak濾波基本原理,將時差序列和時差序列的k階差分作為兩類觀測值，分別建立誤差方程，從而將Vondrak濾波轉化為最小二乘平差問題； s42、給定初始平滑因子，利用最小二乘法求解觀測值的誤差方程，獲得一次平滑結果; s43、利用Helmert方差分量估計的方法，根據(jù)前次平滑得到的改正數(shù)向量V來估計方差分量，修正初始平滑因子； s44、通過多次迭代，獲得最佳平滑因子，同時迭代結束即完成消除隨機誤差。
【文檔編號】G01S19/23GK104199054SQ201410419574
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2014年8月22日
【發(fā)明者】易航, 王宏博, 張升康, 王海峰 申請人:北京無線電計量測試研究所