一种低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法和系统

技术领域

本发明属于卫星导航领域，涉及一种低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法和系统。

背景技术

GNSS接收机观测噪声包括伪距噪声和载波相位噪声，是GNSS接收机性能的核心指标。当前低轨卫星均通过搭载GNSS接收机，来获取高精度的卫星坐标和时间信息，星载接收机性能的好坏直接影响到低轨卫星的应用水平。目前，对GNSS接收机观测噪声的评估暂没有统一的方法，已有的几种方法也各有优缺点，并不适用于低轨星载GNSS接收机的观测噪声评估任务。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：针对低轨星载GNSS接收机观测噪声评估应用需求，以及解决现有技术方案存在的问题，提供一种低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法和系统，实现了对单台接收机观测噪声的高精度评估，且兼容GNSS各系统各频点信号，不仅适用于真实GNSS卫星观测环境的评估，也适用于GNSS信号模拟仿真环境评估，同时该方法也可以解决地面GNSS接收机的观测噪声评估任务。

本发明所采用的技术方案是：一种低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法，包括：

S1、设置观测数据采样间隔T和观测弧长h，使用待测接收机采集观测数据；

S2、根据采集到的观测数据，从各GNSS系统中选择处理系统isys；

S3、根据选定的处理系统isys，选择处理频率ifreq；

S4、选定参考卫星rsat；依次处理处理系统isys中除参考卫星rsat以外的每一个卫星的所有历元观测数据，计算得到待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

S5、根据待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

S6、重复S3～S5，计算得到待测接收机对处理系统isys中每一个频率的观测噪声；

S7、重复S2～S6，得到待测接收机对各GNSS系统的所有频率的观测噪声。

进一步的，所述观测数据包括载波相位观测值和伪距观测值，待测接收机的观测环境是对真实GNSS卫星进行观测或通过连接GNSS信号模拟仿真环境进行观测。

进一步的，所述S2中，可选择的处理系统包括北斗卫星导航系统、GPS系统、GALILEO系统及GLONASS系统。

进一步的，所述S4中，对采集的观测数据所有历元进行遍历，记录待测接收机对所述处理系统isys中每一颗GNSS卫星在处理频率ifreq下对应的观测值个数，并将观测值个数最多的卫星作为参考卫星rsat。

进一步的，所述依次处理处理系统isys中除参考卫星rsat以外的每一个卫星的所有历元观测数据，计算得到待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

S51、选定处理系统isys中除参考卫星rsat以外的任一卫星记为当前处理卫星isat；

S52、开始依次处理当前处理卫星isat的所有历元观测数据，记当前处理历元t时刻下的处理卫星isat的观测数据为i

S53、在参考卫星rsat的观测数据中，寻找t时刻的观测数据，记为r

其中，α、β均为倍数。

S54、重复S52、S53，得到当前处理卫星isat和参考卫星rsat之间的所有历元的星间单差观测值序列：

S55、计算待测接收机对当前处理卫星isat在处理频率ifreq下的观测噪声

S56、重复S51～S55，得到待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

进一步的，所述待测接收机对当前处理卫星isat在处理频率ifreq下的观测噪声

其中，n表示星间单差四次差

σ

进一步的，所述星间单差四次差

星间单差三次差

星间单差二次差

星间单差一次差

进一步的，所述星间单差四次差的观测噪声放大倍数σ

σ

(-6β)×(-6β)+(-4α)×(-4α)+(4β)×(4β)+α×α+(-β)×(-β)，

其中，星间单差四次差

进一步的，所述待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的观测噪声指标

其中，N

一种根据上述的低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法的评估系统，包括：

第一模块，用于设置观测数据采样间隔T和观测弧长h，接收待测接收机采集观测数据；根据采集到的观测数据，选择处理系统isys；并根据选定的处理系统isys，选择处理频率ifreq；

第二模块，用于选定参考卫星rsat，依次处理处理系统isys中除参考卫星rsat以外的每一个卫星的所有历元观测数据，计算得到待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

第三模块，用于根据待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明针对接收机观测噪声无法通过历元间多次求差方式消除，其高阶项残差严重影响观测噪声评估的问题，提出了在观测噪声评估中，首先通过组成星间单差的方式进行消除的方法，可以完全消除接收机钟差对观测噪声评估的影响；

(2)本发明的方法进一步通过对星间单差观测值作四次差的方法，消除了距离变化量和电离层误差等高阶项影响，提高了观测噪声评估的精度和可靠性；

(3)本发明提出了观测噪声放大倍数的计算方法，避免了由于观测噪声放大引起的观测噪声计算失真或错误的问题；

(4)本发明提出的方法理论清晰，评估精度更优，适用范围更广，可以对单台GNSS接收机进行观测噪声评估，且兼容GNSS各系统各频点信号；不仅适用于真实GNSS卫星观测环境，也可用于GNSS模拟仿真环境，同时该方法也可用于地面GNSS接收机的观测噪声评估。

附图说明

图1为本发明的低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法的流程图；

图2为利用本发明的方法采用实测数据计算得到的低轨星载接收机对G24卫星L1和L2频率载波相位噪声评估结果图；

图3为利用本发明的方法采用实测数据计算得到的低轨星载接收机对GPS系统各卫星L1和L2频率载波相位噪声评估结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开的一种低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法计算流程如图1所示，首先通过观测数据星间单差处理，以消除接收机钟差对观测噪声评估的影响，再通过对星间单差作四次求差的方式进一步消除距离变化量、电离层等误差的高阶项影响，以达到高精度评估接收机观测噪声的目的。

一种低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法，包括：

S1、待测接收机采集观测数据，观测数据包括载波相位观测值和伪距观测值，观测环境是对真实GNSS卫星进行观测或通过连接GNSS信号模拟仿真环境进行观测；观测数据采样间隔设置为T，观测弧长为h(单位为小时)；

S2、对S1中采集的观测数据选择处理系统，可选择的处理系统包括但不局限于北斗卫星导航系统(BDS)、GPS系统、GALILEO系统、GLONASS系统，选择的处理系统记为isys；

S3、在S2的基础上，进一步选择处理频率为ifreq，可选择的处理频率包括但不局限于BDS B1I/B2I/B3I/B1C/B2a，GPS L1/L2/L5，GALILEO E1/E5a/E5；

S4、在S3的基础上，对采集的观测数据所有历元进行遍历，所述观测数据为载波相位观测值或者伪距观测值，记录待测接收机对isys系统ifreq频率对应的每一颗GNSS卫星的观测值个数；

S5、将S4中得到的待测接收机对GNSS卫星观测值个数最多的卫星作为参考卫星，记为rsat；

S6、除rsat卫星外，开始依次处理isys系统所有卫星，记当前处理卫星为isat；

S7、开始依次处理isat卫星所有历元观测数据，记当前处理历元为t，当前历元isat卫星的观测数据记为i

S8、在rsat卫星观测数据中，寻找t时刻的观测数据，记为r

S9、将t时刻isat卫星观测数据i

S10、重复S7～S9，得到isat卫星和rsat卫星所有历元的星间单差观测值序列，如下：

S11、对上述星间单差观测值序列进行前后历元间求差，得到星间单差一次差，记为

S12、对上述星间单差一次差

S13、对上述星间单差二次差

S14、对上述星间单差三次差

S15、对星间单差四次差表达式展开得到：

S16、进一步根据上式，由如下公式计算得到星间单差四次差的观测噪声放大倍数：

σ

(-6β)×(-6β)+(-4α)×(-4α)+(4β)×(4β)+α×α+(-β)×(-β)

S17、根据下式计算待测接收机对isat卫星ifreq频率的观测噪声，式中n表示星间单差四次差

S18、重复S6至S17，得到待测接收机对isys系统ifreq频率每一颗卫星的观测噪声

S19、将S18中计算得到的待测接收机对isys系统ifreq频率所有卫星的观测噪声

S20、重复S3至S19，得到待测接收机对isys系统每一个频率的观测噪声；

S21、重复S2至S20，得到待测接收机对所有GNSS系统所有频率的观测噪声。

根据上述低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法的评估系统，包括：

第一模块，用于设置观测数据采样间隔T和观测弧长h，接收待测接收机采集观测数据；根据采集到的观测数据，选择处理系统isys；并根据选定的处理系统isys，选择处理频率ifreq；

第二模块，用于选定参考卫星rsat，依次处理处理系统isys中除参考卫星rsat以外的每一个卫星的所有历元观测数据，计算得到待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

第三模块，用于根据待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

所述第二模块中，依次处理处理系统isys中除参考卫星rsat以外的每一个卫星的所有历元观测数据，计算得到待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

S51、选定处理系统isys中除参考卫星rsat以外的任一卫星记为当前处理卫星isat；

S52、开始依次处理当前处理卫星isat的所有历元观测数据，记当前处理历元t时刻下的处理卫星isat的观测数据为i

S53、在参考卫星rsat的观测数据中，寻找t时刻的观测数据，记为r

其中，α、β均为倍数。

S54、重复S52、S53，得到当前处理卫星isat和参考卫星rsat之间的所有历元的星间单差观测值序列：

S55、计算待测接收机对当前处理卫星isat在处理频率ifreq下的观测噪声

S56、重复S51～S55，得到待测接收机对处理系统isys在处理频率ifreq下的每一颗卫星的观测噪声

实施例：

一种低轨星载GNSS接收机观测噪声评估方法，包括步骤如下：

(1)将待测接收机连接至GNSS信号模拟器进行仿真观测，设置观测数据包括载波相位观测值和伪距观测值，观测数据采样间隔设置为T＝1s，观测弧长设置为h＝6小时；

(2)对上一步采集的观测数据，选择处理系统，可选择的处理系统包括但不局限于北斗、GPS、GALILEO、GLONASS，选择的处理系统记为isys；本实施例中选择isys＝‘GPS’；

(3)对步骤(1)采集的观测数据，选择处理频率ifreq，可选择的处理频率包括但不局限于BDS B1I/B2I/B3I/B1C/B2a，GPS L1/L2/L5，GALILEOE1/E5a/E5；本实施例中选择ifreq＝‘L1’；

(4)遍历上述观测数据所有历元，统计得到对GPS系统每一颗卫星的L1频率的载波相位观测值个数；

(5)将上一步得到的载波相位观测值个数最多的卫星作为参考卫星，假定为G02卫星；

(6)开始遍历除参考卫星G02以外的GPS系统所有卫星，假定当前处理卫星为G24；

(7)当前卫星G24所有历元L1频率的载波相位观测值y，表示为：

y＝[y1,y2,y3,y4,y5,y6…]

(8)在参考卫星G02所有历元L1频率的载波相位观测值中，匹配得到与G24卫星相同观测时刻L1频率的载波相位观测值r，表示为：

r＝[r1,r2,r3,r4,r5,r6…]

(9)将当前卫星G24和参考卫星G02相同观测时刻的载波相位观测值根据权利要求提出的方法进行求差，选定优选系数为α＝1,β＝1，得到星间单差观测值

(10)对上述星间单差观测值的时间序列进行前后历元间求差，得到星间单差一次差时间序列

(11)对上述星间单差一次差的时间序列进行前后历元间求差，得到星间单差二次差时间序列

(12)对上述星间单差二次差的时间序列进行前后历元间求差，得到星间单差三次差时间序列

(13)对上述星间单差三次差的时间序列进行前后历元间求差，得到星间单差四次差时间序列

(14)根据权利要求提出的方法，计算得到星间单差四次差的观测噪声放大倍数：

σ

(-6)×(-6)+(-4)×(-4)+(4)×(4)+1×1+(-1)×(-1)

＝140

(15)根据下式计算得到待测接收机对GPS系统G24卫星L1频率的观测噪声：

式中，n为星间单差四次差

(16)重复步骤(6)至步骤(15)，得到待测接收机对GPS系统L1频率每一颗卫星的观测噪声，记为

(17)将步骤(16)计算得到的待测接收机对GPS系统L1频率所有卫星的观测噪声

(18)重复步骤(3)至步骤(17)，选择处理频率为ifreq＝‘L2’，得到待测接收机对GPS系统L2频率的观测噪声

(19)重复步骤(2)至步骤(18)，选择处理系统为isys＝‘BDS’，得到待测接收机对GPS、BDS系统所有频率的观测噪声。

图2给出了根据实测数据采用本发明提出方法计算得到的低轨星载接收机对GPS系统G24卫星L1和L2频率的观测噪声，结果显示G24卫星L1载波相位噪声为0.79mm，L2载波相位噪声为0.82mm。

图3给出了根据实测数据采用本发明提出方法计算得到的低轨星载接收机对GPS系统各卫星L1和L2频率的观测噪声，结果显示GPS系统L1载波相位噪声为0.94mm，L2载波相位噪声为1.01mm。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。