一种双频多星座星基增强系统多路径误差特性验证方法

文献发布时间：2023-06-19 18:27:32

技术领域

本发明涉及卫星增强技术领域，是一种双频多星座(Dual-Frequency Multi-Constellation,DFMC)星基增强系统(Satellite Based Augmentation System,SBAS) 多路径误差特性验证的方法，能够为DFMC SBAS多路径误差模型的建立和精化提供理论支持和设计思路。

背景技术

SBAS通过地球静止轨道卫星向用户播发全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System，GNSS)卫星轨道/时钟和电离层延迟等多种修正信息，进而为用户提供更精确和可靠的位置信息。SBAS因其在完好性方面具有高性能的保障能力，在民航、海事、铁路等领域已经成为当前及未来最重要的时空基准信息增强服务手段之一。

目前国外已经建立多个SBAS，现存的SBAS主要服务于GPS(Global PositioningSystem，GPS)L1信号，其中已经通过民航机构认证的包括美国的WASS(Wide AreaAugmentation System，WASS)、欧洲的EGNOS(European Geostationary NavigationOverlay Service，EGNOS)，日本的MSAS(MTSAT Satellite-based Augmentation System，MSAS)和印度的GAGAN(GPS Aided GEO Augmentation Navigation，GAGAN)，而俄罗斯联邦的SDCM(System for Differential Corrections and Monitoring，SDCM)和韩国的KASS(Korean Augmentation Satellite System，KASS)正处于建设阶段，尚未向民航提供正式服务，为了实现SBAS一类精密服务CAT-I和全球的无缝连接，目前各个SBAS成员国正在积极开展双频多星座SBAS的设计与验证工作，并制定了向 DFMC SBAS过度的发展计划。DFMCSBAS用户可以通过双频观测量消除电离层异常对服务性能的影响，进而实现CAT-I指标，北斗星基增强系统(BeiDou Satellite Based Augmentation System，BDSBAS)在设计阶段就同时兼顾了SF SBAS服务能力和DFMC SBAS服务能力，目前已经正式向用户提供服务，下一步工作是进入国际标准，推动北斗服务全球化，提升北斗系统国际影响力。

DFMC SBAS多路径误差特性验证是国际民航组织DFMC SBAS工作组一项重要的议题，BDSBAS急需开展相关方面的研究并形成工作文件，开展DFMC SBAS多路径误差特性的验证工作势在必行。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双频多星座星基增强系统多路径误差特性验证方法。本发明是一种DFMC SBAS多路径特性误差验证方法，适用于BDSBAS 以及其他增强系统。主要原理是基于导航卫星原始观测值之间的线性组合，通过无电离层组合方式消除电离层误差的影响，经过数据预处理以及滤波处理得到多路径误差序列，验证DFMC多路径误差序列是否满足国际民航组织给出的多路径误差模型。 DFMC SBAS多路径误差特性验证方法具体通过以下6个步骤进行实施。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤为：

步骤1：确定符合DO-373标准接收机群延时要求的GNSS接收机天线；

步骤2：采集GNSS观测数据，对原始观测数据进行预处理，预处理包括数据筛选，粗差剔除，周跳探测和标记；

步骤3：利用双频伪距观测值和载波相位观测值分别组成虚拟无电离层组合观测值，并计算双频伪距虚拟无电离层组合观测值和双频载波相位虚拟无电离层组合观测值的差值，差值即观测值CMC

步骤4：依据步骤2中双频载波观测值周跳标记位置，消除CMC

步骤5：通过滤波处理消除初始多路径误差序列中的高频噪声，获得最终的多路径误差序列；

步骤6：以2°高度角区间对最终多路径误差序列进行分区，并统计各区间的多路径误差标准差，绘制多路径误差标准差随高度角变化的特征曲线，验证该曲线是否被国际民航组织DFMC多路径模型曲线所包络。

所述步骤1中，确定符合DO-373标准中“接收机天线群延时(Antenna GroupDelay， AGD)”项目要求的GNSS接收机天线，在微波暗室中完成，具体步骤如下：

1)在微波暗室进行测试环境搭建，矢量网络分析仪端口1与标准天线连接，矢量网络分析仪端口2通过直流耦合器与被测天线连接，标准天线和被测天线的垂直中心线重合；

2)设置矢量网络分析仪测试频点；

在星基增强频点处校准矢量网络分析仪，对于BDSBAS，在B1C(1575.42MHz) 频点和B2a(1176.45MHz)频点分别校准矢量网络分析仪；

3)启动直流电源，给被测天线上电5V；

4)将被测天线的高度角从0°开始，控制被测天线转动一周，同时记录矢量网络分析仪在不同方位角Az(0°、10°、20°、30°……、330°、340°、350°)的天线群延时值Γ(Az，El)，其中Az为方位角，El为高度角；

5)控制被测天线在高度角方向转动5°，重复步骤4)，逐步增大高度角的角度，直至完成垂直方向90°的测试，同时依次记录对应高度角和方位角下的天线群延时数据；

6)计算高度角El＝85°时各个方位角天线群延时的平均值

7)根据DO-373天线群延时计算要求：

8)绘制最大天线群延迟Γ(El

验证该曲线是否被公式(1)的DO-373天线群延时规定曲线所包络。

所述步骤2中，基于满足DO-373标准天线群延时要求的被测天线，采集GNSS 观测数据，数据采样率设置为1秒，截止高度角设置为0°，对原始观测数据进行预处理，包括数据筛选，粗差剔除，周跳探测和标记；

数据筛选是剔除信噪比小于28dbHZ对应的历元数据。

粗差剔除是对双频伪距值相差大于50米的观测值对应的历元数据做剔除处理；

周跳检测使用无几何距离(Geometry Free，GF)周跳检测和MW组合 (Melbourne-Wubeena combination,MW)周跳探测方法，并对检测出来的周跳进行标记；

GF周跳检测量b

MW周跳检测量b

其中：ρ

所述步骤3中，利用双频伪距观测值和载波相位观测值分别组成虚拟无电离层组合观测值，并作差；

双频无电离层组合：

CMC

式中，ρ

所述步骤4中，依据步骤2中双频载波观测值周跳标记位置，消除CMC

式(7)中i为观测历元时刻，k为周跳标记位置，N为前后两个周跳标记位置的历元个数，

所述步骤5中，为了削弱

其中，T为滤波时间窗口，T取值100秒，

所述步骤6中，以2°高度角区间对最终多路径误差序列

如果公式(9)的曲线将多路径误差标准差曲线包络住，那证明双频多星座星基增强系统的多路径误差特性满足国际民航曲线的要求。

本发明的有益效果在于适用于全球DFMC SBAS多路径误差特性验证，给出了具体的理论基础和试验过程，能够为全球DFMC SBAS多路径误差模型的建立和精化提供理论支持和设计思路。在国内首次开展DFMC SBAS多路径误差特性的验证工作，助力BDSBAS写入国际民航组织工作文件。

附图说明

图1是本发明双频多星座基增强系统多路径误差特性验证流程图。

图2是本发明微波试验设备连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明是一种DFMC星基增强系统多路径误差特性验证的方法，具体实施步骤如下所示：

步骤1：确定符合DO-373标准中“接收机天线群延时(Antenna Group Delay，AGD)”项目要求的GNSS接收机天线，此步骤需要在微波暗室中完成，具体由以下几步实施：

1)在微波暗室进行测试环境搭建。微波试验设备连接示意图如图2。矢量网络分析仪端口1与标准天线连接，矢量网络分析仪端口2通过直流耦合器与被测天线连接，标准天线和被测天线的垂直中心线重合；

2)设置矢量网络分析仪测试频点。在星基增强频点处校准矢量网络分析仪，对于BDSBAS，在B1C(1575.42MHz)频点和B2a(1176.45MHz)频点分别校准矢量网络分析仪。

3)启动直流电源，给被测天线上电5V。