一种北斗广播星历异常数据探测方法、系统、介质及设备

技术领域

本发明属于GNSS星基增强技术领域，尤其涉及一种北斗广播星历异常数据探测方法、系统、介质及设备。

背景技术

目前，北斗卫星系统已经正式提供全球服务，基于北斗系统展开的高精度应用也随之开展，特别是以北斗星基增强为代表的实时精密服务成为解决广域高精度定位的一种有效手段。实时轨道解算作为该服务系统中比不可少的一环，为下游用户提供了高精度时空基准数据，实时轨道解算过程中，一般需要用到广播星历作为初始轨道，但是受卫星播发数据、环境干扰、接收设备、处理软件等方面的影响，在极端情况下会发生广播星历数据异常情况，导致通过广播星历数据计算实时轨道初轨时发生错误，进而影响实时精密轨道生成业务。

现有技术一，申请号202010237797.2，公开了一种提供辅助定位数据的方法及系统和定位设备。该方法包括从GNSS参考站网络接收其覆盖范围内卫星的广播星历数据；根据接收的广播星历数据确定对应卫星的当前状态；将接收到的对应于正常状态的卫星的广播星历数据存储为第一数据并对正常状态卫星标记第一优先级；对于异常状态的卫星，预测对应的星历数据，将对应于异常状态的卫星的预测星历数据存储为第二数据并对异常状态卫星标记第二优先级，第一优先级高于第二优先级；响应于定位设备的辅助定位数据请求，将包括第一数据、第二数据以及对应的卫星的优先级的辅助定位数据发送给定位设备，以供定位设备根据可视卫星的优先级由高到低选择卫星进行定位。存在的缺陷是在定位过程中对于异常状态的卫星，没有有效的方法来处理其星历数据，导致定位精度下降。技术方案通过预测对应于异常状态的卫星的星历数据，并将其存储为第二数据并标记第二优先级，能够提高定位设备的选择卫星的准确性，从而提高定位精度。

现有技术二，申请号201910973898.3，公开了一种智能终端伪距差分定位及质量控制方法包括：解码得到智能终端接收到的卫星数据和参考站数据，卫星数据包括智能终端的观测数据、广播星历；对智能终端的观测数据中的信噪比值进行控制；根据智能终端的伪距观测量与参考站的伪距观测量的差值，舍弃无效的智能终端伪距观测量；获取单点定位结果，并对定位结果进行卡尔曼滤波，对智能终端的原始数据进行质量控制，利用信噪比、伪距残差、伪距双差等影响因子进行过滤，剔除异常数据或者降低异常数据的权重。通过伪距差分以及对应的质量控制提高智能终端的定位精度。存在的缺陷是在智能终端定位过程中，没有有效的方法来进行质量控制，对于影响定位精度的异常数据没有进行处理。技术方案通过利用信噪比、伪距残差、伪距双差等影响因子进行过滤，剔除或降低异常数据的权重，能够提高智能终端的定位精度。

现有技术三，申请号202111262027，公开了一种监测数据实时解算星历异常处理方法，它包括：步骤1、分别通过各个分析中心和GNSS变形监测的接收机获取实时广播星历数据；步骤2、将两种方式获取的实时广播星历数据分别通过动静态自适应Kalman滤波算法进行星历融合；步骤3、融合后进行存储，经过星历异常检验及处理，筛选最优星历，得到能在变形监测工程中实时使用的星历；解决了现有技术采用广播星历存在的大型工程中，总是会不可避免地遇到星历异常问题，而广播星历的误差会对GPS定位精度产生严重影响等技术问题。存在的缺陷是在大型工程中使用广播星历数据时，容易遇到星历异常问题，而广播星历的误差会严重影响GPS定位精度。技术方案通过采用动静态自适应Kalman滤波算法对两种方式获取的实时广播星历数据进行融合，并进行异常检验及处理，筛选最优星历，能够解决星历异常问题，提高定位精度。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术在极端情况下会发生广播星历数据异常情况，导致通过广播星历数据计算实时轨道初轨时发生错误，进而影响实时精密轨道生成业务。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种北斗广播星历异常数据探测方法、系统、介质及设备。

本发明是这样实现的，一种北斗广播星历异常数据探测方法，所述北斗广播星历异常数据探测方法利用广播星历数据，通过对上一时段数据积分，获取当前时刻卫星位置，并进行轨道误差判断的方法进行数据异常判断；结合数据判别时刻点前后区间内轨道数据对该时刻数据分析，对该时刻数据是否正常进行判别，并对弧段时刻是否正常进行标记。

进一步，所述北斗广播星历异常数据探测方法，包括以下步骤：

第一步，从北斗卫星播发的广播星历中获取当前时刻及上一时刻卫星开普勒轨道根数；

第二步，通过上一时刻轨道根数计算卫星上一时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；

第三步，通过当前时刻轨道根数计算卫星当前时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；

第四步，对上一时刻惯性系下卫星位置和速度进行积分，计算当前时刻卫星位置；

第五步对比通过轨道积分获取的当前时刻位置与第三步计算位置的差异，判断是否异常；

第六步，对发现数据异常时进行异常时刻标记，否则进行递推进行下一时刻判断。

进一步，所述第一步的轨道根数包括：星历参考时间t

进一步，所述第二步通过上一时刻轨道根数计算卫星上一时刻地固系下位置(X、Y、Z)和速度(v

以r表示某点在历元J2000.0对应的协议地心惯性系CIS中的坐标，以R表示协议地球固定坐标系CTS中的坐标，则有：

r＝P(t)N(t)S(t)P

其中：P(t)为岁差矩阵；N(t)为章动矩阵；S(t)为地球自转矩阵；P

进一步，所述第三步通过当前时刻轨道根数计算卫星当前时刻地固系下位置(X、Y、Z)和速度(v

所述第四步对上一时刻惯性系下卫星位置和速度进行积分，计算当前时刻卫星位置；利用当前历元上一时刻轨道参数，采用Runge-Kutta积分方法6/7阶计算初始10个历元位置，随后采用Adams积分方法进行后续历元连续积分，计算当前时刻卫星位置参数；

Runge-Kutta积分方法6阶和7阶公式表示为：

Adams积分显式公式表示为：

Adams积分隐式公式表示为：

在轨道数值积分计算时，显式公式与隐式公式同时采用，先由显式公式计算出t

进一步，所述第五步的实现过程如下：通过对上一时刻积分得到的当前时刻位置与通过当前时刻北斗开普勒轨道根数计算得到的空间位置做差，并将差异值转换到轨道坐标系中，轨道坐标系的坐标轴在惯性系中的单位矢量借助于惯性系中的卫星位置

若轨道坐标系中某一点坐标为(R

判断当前时刻星历位置是否异常的阈值设置方法的实现过程如下：

将计算得到的卫星坐标差异转换到轨道坐标系后，即可直观显示位置差异在轨道坐标系下的方向和大小，判断广播星历是否异常的标准为坐标差异在R方向大于5米，或N方向大于10米，或T方向大于20米，公式表示为：

式中，s表示星历异常状态，其中1表示发生异常，0表示未发生异常；▽coor为本历元计算的坐标差异，表示为：

R、N、T分别代表轨道坐标系的径向、法向和切向。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述北斗广播星历异常数据探测方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述北斗广播星历异常数据探测方法。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述北斗广播星历异常数据探测方法。

本发明的另一目的在于提供一种基于所述北斗广播星历异常数据探测方法的北斗广播星历异常数据探测系统，所述北斗广播星历异常数据探测系统包括：

数据获取模块，用于从北斗卫星播发的广播星历中获取当前时刻及上一时刻卫星开普勒轨道根数；

数据计算模块，用于通过上一时刻轨道根数计算卫星上一时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；通过当前时刻轨道根数计算卫星当前时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；

积分运行模块，用于对上一时刻惯性系下卫星位置和速度进行积分，计算当前时刻卫星位置；

异常判断模块，用于对比通过轨道积分获取的当前时刻位置与计算位置的差异，判断是否异常；

异常标记模块，用于对发现数据异常时进行异常时刻标记，否则进行递推进行下一时刻判断。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、本发明提供一种能够准确探测数据有效性的方法，该方法利用广播星历数据，通过对上一时段数据积分，获取当前时刻卫星位置，并进行轨道误差判断的方法进行数据异常判断。该方法同样适用于其他卫星导航系统广播星历异常数据探测，具有较好的推广性。

第二，本发明针对现有技术存在的问题，研究一种简单有效的广播星历异常数据探测方法可以有效解决该问题，对于提高高精度北斗星基增强应用稳定性有一定的作用。

第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明所解决的北斗广播星历异常数据探测方法，可以为北斗星基增强实时精密服务提供高精度高可靠性的实时轨道解算，为下游用户提供了高精度时空基准数据。

本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明有助于填补国内星基增强实时精密服务领域的技术空白，并发挥国产化替代的重要作用。

第四，每个步骤在这种北斗广播星历异常数据探测方法中都有具体的技术进步，以下是每个步骤的显著技术进步的详细解释：

第一步，获取卫星轨道根数：

数据提取和处理：能够高效地从广播星历数据中提取必要的卫星轨道根数信息。

数据同步和更新：实时获取广播星历数据，并确保及时更新卫星轨道根数。

第二步，计算上一时刻地固系下位置和速度：

高精度计算：使用精确的轨道计算方法，考虑地球引力、非球形引力等影响，以获得准确的位置和速度信息。

轨道坐标转换：实现从开普勒轨道根数到地固系坐标系下位置和速度的准确转换。

第三步，计算当前时刻地固系下位置和速度：

即时计算：快速准确地计算当前时刻的位置和速度，确保实时性和可靠性。

轨道数据更新：能够应对卫星轨道的动态变化，实时更新计算所需的轨道根数。

第四步，卫星位置积分：

数值积分方法：使用高效的数值积分方法，考虑卫星在过去时间内的运动变化，以预测当前时刻的位置。

积分误差控制：采用积分误差控制策略，确保积分过程中的误差不会累积导致不准确的结果。

第五步，比较判断是否异常：

差异阈值确定：通过分析历史数据和性能要求，确定用于判断异常的位置和速度差异阈值。

多维度比较：考虑位置和速度在多个维度上的差异，提高异常判断的可靠性。

第六步，异常标记或递推判断：

异常标记方法：设计有效的标记机制，能够识别异常时刻并记录，便于后续分析和处理。

递推判断策略：合理设计递推判断策略，确保系统能够连续监测数据异常，及时作出判断和响应。

这些技术进步综合起来，使得这种北斗广播星历异常数据探测方法能够更准确地检测异常数据，提高北斗卫星系统的可靠性和性能。特别是在轨道计算、数据分析和异常判断方面的技术创新，都有助于保障北斗系统在导航、定位和时间服务等领域的稳定运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的北斗广播星历异常数据探测方法流程图；

图2是本发明实施例提供的轨道积分方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的北斗广播星历异常数据探测方法，包括以下步骤：

S101：从北斗卫星播发的广播星历中获取当前时刻及上一时刻卫星开普勒轨道根数；

S102：通过上一时刻轨道根数计算卫星上一时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；

S103：通过当前时刻轨道根数计算卫星当前时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；

S104：对上一时刻惯性系下卫星位置和速度进行积分，计算当前时刻卫星位置；

S105：对比通过轨道积分获取的当前时刻位置与S103计算位置的差异，判断是否异常；

S106：对发现数据异常时进行异常时刻标记，否则进行递推进行下一时刻判断。

本发明实施例提供的北斗广播星历异常数据探测方法，具体包括以下步骤：

第一步，从北斗卫星播发的广播星历中获取当前时刻及上一时刻卫星开普勒轨道根数；

第二步，通过上一时刻轨道根数计算卫星上一时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；其中所述的并将地固坐标系中坐标参数转换到J2000.0惯性坐标系统中，其实现过程如下：

以r表示某点在历元J2000.0对应的协议地心惯性系(CIS)中的坐标，以R表示协议地球固定坐标系(CTS)中的坐标，则有：

r＝P(t)N(t)S(t)P

其中：P(t)为岁差矩阵；N(t)为章动矩阵；S(t)为地球自转矩阵；P

第三步，通过当前时刻轨道根数计算卫星当前时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；

第四步，对上一时刻惯性系下卫星位置和速度进行积分，计算当前时刻卫星位置；利用当前历元上一时刻轨道参数，采用Runge-Kutta积分方法6/7阶计算初始10个历元位置，随后采用Adams积分方法进行后续历元连续积分，计算当前时刻卫星位置参数；

Runge-Kutta积分方法6阶和7阶公式可表示为：

相应的系数表1所示：

表1

Adams积分显式公式可表示为：

Adams积分隐式公式可表示为：

在轨道数值积分计算时，显式公式与隐式公式同时采用，先由显式公式计算出t

第五步，对比通过轨道积分获取的当前时刻位置与第三步计算位置的差异，判断是否异常；

第六步，对发现数据异常时进行异常时刻标记，否则进行递推进行下一时刻判断；

在本发明的实施例中，第五步判断当前时刻星历位置是否异常过程中，误差转换到轨道坐标系的方法，其实现过程如下：

通过对上一时刻积分得到的当前时刻位置与通过当前时刻北斗开普勒轨道根数计算得到的空间位置做差，并将该差异值转换到轨道坐标系中，轨道坐标系的坐标轴在惯性系中的单位矢量可以借助于惯性系中的卫星位置

若轨道坐标系中某一点坐标为(R

在本发明的实施例中，第五步判断当前时刻星历位置是否异常的阈值设置方法，其实现过程如下：

将计算得到的卫星坐标差异转换到轨道坐标系后，即可直观显示位置差异在轨道坐标系下的方向和大小，判断广播星历是否异常的标准为坐标差异在R方向大于5米，或N方向大于10米，或T方向大于20米，公式表示为：

式中，s表示星历异常状态，其中1表示发生异常，0表示未发生异常；

R、N、T分别代表轨道坐标系的径向、法向和切向。

实施例2：

本发明实施例提供的北斗广播星历异常数据探测方法，具体包括以下步骤：

第一步，从北斗卫星播发的广播星历中获取当前时刻及上一时刻卫星开普勒轨道根数，轨道根数包括：星历参考时间(t

第二步，通过上一时刻轨道根数计算卫星上一时刻地固系下位置(X、Y、Z)和速度(v

第三步，通过当前时刻轨道根数计算卫星当前时刻地固系下位置(X、Y、Z)和速度(v

第四步，对上一时刻地固系下卫星位置和速度进行积分，计算当前时刻卫星位置；

第五步，对比通过轨道积分获取的当前时刻位置与第三步计算位置的差异，判断是否异常。判断当前时刻星历位置是否异常过程中，误差转换到轨道坐标系的方法，其实现过程如下：

通过对上一时刻积分得到的当前时刻位置与通过当前时刻北斗开普勒轨道根数计算得到的空间位置做差，并将该差异值转换到轨道坐标系中，轨道坐标系的坐标轴在惯性系中的单位矢量可以借助于惯性系中的卫星位置

若轨道坐标系中某一点坐标为(R

判断当前时刻星历位置是否异常的阈值设置方法，其实现过程如下：

将计算得到的卫星坐标差异转换到轨道坐标系后，即可直观显示位置差异在轨道坐标系下的方向和大小，判断广播星历是否异常的标准为坐标差异在R方向大于5米，或N方向大于10米，或T方向大于20米，公式表示为：

式中，s表示星历异常状态，其中1表示发生异常，0表示未发生异常；

R、N、T分别代表轨道坐标系的径向、法向和切向

第六步，依据第五步，对发现数据异常时进行异常时刻标记，否则进行递推进行下一时刻判断。重复进行第一步-第六步，直至所有广播星历数据处理完成。

本发明实施例提供的北斗广播星历异常数据探测系统，包括：

数据获取模块，用于从北斗卫星播发的广播星历中获取当前时刻及上一时刻卫星开普勒轨道根数；

数据计算模块，用于通过上一时刻轨道根数计算卫星上一时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；通过当前时刻轨道根数计算卫星当前时刻地固系下位置和速度并转化到惯性系；

积分运行模块，用于对上一时刻惯性系下卫星位置和速度进行积分，计算当前时刻卫星位置；

异常判断模块，用于对比通过轨道积分获取的当前时刻位置与计算位置的差异，判断是否异常；

异常标记模块，用于对发现数据异常时进行异常时刻标记，否则进行递推进行下一时刻判断。

本发明的技术方案创造性成果已经通过了国家卫星应用产品质量检验检测中心的检测认可，检测报告编号GJWX22-0029。检测结果显示，基于使用本发明作为核心技术支撑所提供的实时北斗星基增强实时精密服务，可以将北斗卫星定位接收机终端的定位精度从常规的米级提升至10厘米以内(95％)。

本发明实施例在国家卫星应用产品质量检验检测中心的检测报告(编号GJWX22-0029)中的卫星定位精度测试结果，将常规米级卫星定位精度提升至厘米级。

具体实施例1：

根据北斗卫星广播星历获取当前时刻及上一时刻的卫星开普勒轨道根数，包括轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角速度等参数。

利用上一时刻的轨道根数计算卫星在上一时刻的地固系下位置和速度，并将其转化到惯性系。

利用当前时刻的轨道根数计算卫星在当前时刻的地固系下位置和速度，并将其转化到惯性系。

对上一时刻惯性系下的卫星位置和速度进行积分，得到当前时刻卫星的位置。

比较通过轨道积分得到的当前时刻位置与第3步计算得到的位置之间的差异，判断是否存在异常。可以通过设置阈值或采用统计分析方法进行判断。

如果发现数据异常，则进行异常时刻的标记。否则，进行递推，继续下一时刻的判断。

具体实施例2：

根据北斗卫星广播星历获取当前时刻及上一时刻的卫星开普勒轨道根数。

利用上一时刻的轨道根数计算卫星在上一时刻的地固系下位置和速度，并将其转化到惯性系。

利用当前时刻的轨道根数计算卫星在当前时刻的地固系下位置和速度，并将其转化到惯性系。

对上一时刻惯性系下的卫星位置和速度进行积分，计算当前时刻卫星的位置。

比较通过轨道积分得到的当前时刻位置与第3步计算得到的位置之间的差异，判断是否存在异常。可以使用误差判据，例如判断位置误差是否超过预设阈值。如果存在异常，则进行异常时刻的标记。否则，进行递推，继续下一时刻的判断。

这些实施例是基于北斗广播星历数据的异常数据探测方法的一般思路。具体的实现方案可以根据具体需求和数据分析方法进行调整和优化。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。