基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的单频周跳探测方法.pdf
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1、中国空间科学技术A u g.2 5 2 0 2 3 V o l.4 3 N o.4 1 2 0-1 2 5C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yI S S N1 0 0 0-7 5 8 X C N1 1-1 8 5 9/Vh t t p:z g k j.c a s t.c nD O I:1 0.1 6 7 0 8/j.c n k i.1 0 0 0-7 5 8 X.2 0 2 3.0 0 6 0基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的单频周跳探测方法武威1,2,刘荟萃2,*,曹建峰2,鞠冰2,王潜心1,吴志远11.中国
2、矿业大学 环境与测绘学院,徐州2 2 1 1 1 62.北京航天飞行控制中心,北京1 0 0 0 9 4摘 要:针对高轨卫星搭载的GN S S单频接收机观测值精度低导致多普勒法难以准确探测周跳的问题,提出了基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的单频周跳探测方法。首先使用卡尔曼滤波平滑多普勒观测值,以降低观测噪声的影响,然后联合使用平滑后的多普勒值和载波相位观测值按照传统多普勒法计算周跳探测量,并对其进行历元间差分,从而降低系统误差,提高周跳检出率。实验使用探月三期再入返回试验任务中月地转移段返回舱接收到的GN S S观测数据,结果证明提出的方法相比传统的多普勒法可以在低信噪比的环境下更准确地进行周跳探测
3、,可为后续高轨卫星的GN S S搭载试验提供技术支撑。关键词:全球导航定位系统;高轨卫星;单频周跳探测;多普勒观测值;卡尔曼滤波中图分类号:P 2 2 8.4 文献标识码:A收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 6;修回日期:2 0 2 2-1 1-0 8;录用日期:2 0 2 3-0 3-0 5;网络出版时间:2 0 2 3-0 3-1 4 1 4:1 0:1 8基金项目:国家自然科学基金(1 1 9 7 3 0 1 5)*通信作者.E-m a i l:V L C X 2 6g m a i l.c o m引用格式:武威,刘荟萃,曹建峰,等.基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的单频周跳探测方法J.中国
4、空间科学技术,2 0 2 3,4 3(4):1 2 0-1 2 5.WU W,L I U H C,C AO J F,e t a l.S i n g l e f r e q u e n c y c y c l e s l i p d e t e c t i o n b a s e d o n K a l m a n f i l t e r s m o o t h e d D o p p l e r o b s e r v a t i o nJ.C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 3(4
5、):1 2 0-1 2 5(i n C h i n e s e).S i n g l e f r e q u e n c y c y c l e s l i p d e t e c t i o n b a s e d o n K a l m a n f i l t e r s m o o t h e d D o p p l e r o b s e r v a t i o nWU W e i1,2,L I U H u i c u i2,*,C A O J i a n f e n g2,J U B i n g2,WA N G Q i a n x i n1,WU Z h i y u a n11.S
6、c h o o l o f E n v i r o n m e n t a n d G e o-I n f o r m a t i c s,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y,X u z h o u 2 2 1 1 1 6,C h i n a2.B e i j i n g A e r o s p a c e C o n t r o l C e n t e r,B e i j i n g 1 0 0 0 9 4,C h i n aA b s t r a c t:T o s o l v e
7、t h e p r o b l e m t h a t t h e D o p p l e r m e t h o d c a n n o t d e t e c t t h e c y c l e s l i p s d u e t o t h e l o w o b s e r v a t i o n a c c u r a c y o f t h e s i n g l e-f r e q u e n c y G N S S r e c e i v e r s o n h i g h e a r t h o r b i t(HE O)s a t e l l i t e s,a c y c
8、 l e s l i p d e t e c t i o n m e t h o d b a s e d o n t h e K a l m a n f i l t e r s m o o t h e d D o p p l e r o b s e r v a t i o n s w a s p r o p o s e d.F i r s t l y,t h e D o p p l e r o b s e r v a t i o n s w e r e s m o o t h e d b y K a l m a n f i l t e r i n g t o r e d u c e t h e
9、 i n f l u e n c e o f n o i s e.T h e n,t h e s m o o t h e d D o p p l e r o b s e r v a t i o n s a n d c a r r i e r p h a s e o b s e r v a t i o n s w e r e a d o p t e d b y D o p p l e r m e t h o d t o c a l c u l a t e t h e c y c l e-s l i p d e t e c t i o n v a l u e w h i c h s h o u l
10、 d b e d i f f e r e n c e d b e t w e e n e p o c h s t o i m p r o v e t h e c y c l e-s l i p d e t e c t i o n r a t e.T h e G N S S o b s e r v a t i o n s d a t a r e c e i v e d b y C E-5 T 1 m i s s i o n r e t u r n v e h i c l s e w e r e u s e d.T h e p r o p o s e d m e t h o d c a n d e
11、 t e c t t h e c y c l e s l i p s m o r e a c c u r a t e l y t h a n t h e t r a d i t i o n a l D o p p l e r m e t h o d i n a l o w s i g n a l-t o-n o i s e e n v i r o n m e n t,w h i c h c a n s u p p o r t t h e f u t u r e G N S S e x p e r i m e n t s o n HE O s a t e l l i t e s.K e y w
12、o r d s:GN S S;HE O;s i n g l e f r e q u e n c y c y c l e s l i p d e t e c t i o n;D o p p l e r o b s e r v a t i o n;K a l m a n f i l t e r武威,等:基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的单频周跳探测方法1 2 1 1 引言GN S S单频接收机具有成本小、功耗低的优点1,因此在高轨卫星上多搭载此类设备辅助测定轨2。但是,高轨卫星的单频GN S S数据处理还存在一些难以解决的问题,载波相位数据处理中的周跳探测就是其中之一3-4。高轨卫星上搭载的GN S S
13、接收机接收到的信号功率低、失锁频繁,极易导致周跳发生,进而造成定位精度降低;但受到观测值测量精度和采样率等因素的制约,准确的周跳探测较难实现。目前已有的单频周跳探测方法主要有高次差法5、多项式拟合法6-7、伪距相位组合法8、K a l m a n滤波法9-1 0、多普勒法1 1-1 3。这几种方法各有其特点和局限性。高次差法简单易用,但是在放大周跳的同时会放大噪声。多项式拟合法需要保证拟合窗口内没有发生周跳,才能使用拟合结果准确探测周跳。伪距相位组合法受伪距精度影响较大,而单频接收机接收到的伪距观测值观测精度一般较低。K a l m a n滤波法先验观测噪声及过程噪声的精度依赖于工程经验,需要
14、适当的设置以保证滤波效果。传统的多普勒法引入多普勒观测值,并对多普勒值进行积分,以积分值与前后历元载波观测值的变化的差作为周跳检验值,该方法受卫星高度角变化的影响小,但是会受到多普勒观测值精度和采样间隔的影响。针对高轨卫星GN S S数据测量精度较低的现实难题,本文提出了基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的周跳探测方法,以下进行深入阐述分析。2 多普勒法周跳探测2.1传统多普勒法周跳探测的原理载波相位和多普勒观测方程表示为1 4:(t)=(t)+c(dt(t)-dT(t)-I(t)+N(t)+T(t)+(t)(1)Df(t)=(t)+c(dt(t)-dT(t)-I(t)+T(t)+Df(t)(2)式中
15、:(t)和Df(t)分别为载波相位观测值(m)和多普勒观测值(m/s);(t)和(t)分别为卫星与测站间的几何距离(m)和距离的变化率(m/s);c表示光速;dt(t)和dT(t)分别为接收机钟差、卫星钟差;dt(t)和dT(t)分别为接收机钟速、卫星钟速;I(t)和I(t)分别为电离层延迟(m)、电离层延迟变化率(m/s);T(t)和T(t)分别为 对 流 层 延 迟(m)、对 流 层 延 迟 变 化 率(m/s);(t)和Df(t)分别为载波相位观测和多普勒观测值未模型化的误差和观测噪声。对于高轨卫星搭载GN S S试验,可以忽略对流层和电离层延迟的影响。在t-1和t两个相邻历元,对式(2
16、)求均值,对式(1)做差:Df(t)+Df(t-1)2=+cd t-cd T+Df(3)(t)-(t-1)=+cd t-cd T+N+(4)式中:、d t、d T分别为两个相邻历元距离、接收机钟差、卫星钟差变化率的均值;式(3)表示速度的均值,而式(4)表示距离的变化量。如果连续的两个相邻历元时间间隔t充分小,则:t,d ttd t,d Ttd T(5)则式(3)可表示为:Df(t)+Df(t-1)2t=+cd t-cd T+Dft(6)再对式(6)和式(4)做差,消去其中的接收机钟差cd t、卫星钟差cd T,可得:(t)(t)-(t-1)-(Df(t)+Df(t-1)2t)=N+-Dft(
17、7)上式(t)为周跳检测量,可以看出其周跳检出效果主要受载波相位观测值和多普勒观测值测量误差影响。2.2 基于卡尔曼滤波平滑多普勒值周跳探测的原理 在高轨应用背景下,星载GN S S接收机的1 2 2 中国空间科学技术A u g.2 5 2 0 2 3 V o l.4 3 N o.4多普勒观测精度一般较差,导致多普勒法难以探测周跳,为解决这一问题,本文提出了基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的周跳探测方法。采用三阶多项式模型表示系统状态向量X(i),有X(i)=Df(i)Df(i)Df(i)Df(i)T,其中Df(i)、Df(i)和Df(i)分别表示Df(i)的一阶、二阶和三阶导数。则系统状态方程可表
18、示为1 5:X(i)=A X(i-1)+q(i-1)(8)式中:A=1TT2/2T3/60 1TT2/20 01T0 001 ,=T4/2 4T3/6T2/2T ,q(i)为状态方程模型误差,T为采样间隔。将t时刻的多普勒观测值记为Df(i),则观测方程可表示为:Df(i)=B X(i)+v(i)(9)式中:B=1 0 0 0 ,v(i)为测量误差,其方差为2。滤波前需要给定一个用于递推的初始状态向量值X0|0 和初始方差阵D0|0 。X0|0 可由N个连续的多普勒观测值进行多项式平滑求得,本文采用三阶多项式平滑公式如下1 5:X0|0 =Nk=1a(k)a(k)T -1Nk=1a(k)Df(
19、k)T (1 0)式中:a(k)=1(k-N)T(k-N)2T2/2(k-N)3T3/6T,则第k个历元的多普勒观测值Df(i)方差计算公式为:D0|0 =2Nk=1a(k)a(k)T-1(1 1)因此,K a l m a n滤波递推公式过程如下1 5:X i|i+1 =AX i|i+1 ,i0(1 2)D i+1|i =AD i|i+1 AT+Q T(1 3)J(i+1)=D i+1|i BTBD i+1|i BT+2-1(1 4)v(i+1)=(i+1)-BX i+1|i (1 5)X i+1|i+1 =X i+1|i +J(i+1)v(i+1)(1 6)Di+1|i+1 =I-J(i+1
20、)BD i+1|i (1 7)式中:Q表 示 状 态 噪 声 协 方 差 矩 阵,Q=E q(i)2 ,Q的大小反映了状态转移模型的“逼真”程度1 6。当三阶多项式模型能较好地模拟系统状态转移时,Q的元素可以取较小的值。使用平滑后的多普勒值和载波相位观测值根 据 式(7)计 算 得 到 传 统 周 跳 探 测 量K a l m a n(t)。由于卡尔曼滤波平滑多普勒值时易受周跳和粗差影响导致系统性误差,此时得到的传统周跳探测量K a l m a n(t)对于小周跳的探测能力不强,因此使用相同的方法再次计算t+1时刻的传统周跳探测量K a l m a n(t+1),在得到两个相邻 时 刻 的 传
21、 统 周 跳 探 测 量K a l m a n(t)和K a l m a n(t+1)后,对两值做差得到最终的周跳探测量(t,t+1),通过一阶差分,可以在减少系统误差的同时突显周跳。对(t,t+1)设置适当阈值,即可判定是否发生周跳。3 试验与分析采用2 0 1 4年1 1月1日的探月三期再入返回试验任务中月地转移段返回舱接收到的G P S观测数据对上述算法进行验证分析,该段数据的基本情况如表1所示。本文对原始观测数据与添加仿真周跳的观测数据,分别使用传统的多普勒法和基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的周跳探测方法进行周跳探测,对两种方法的结果进行比较,验证基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的周跳探测法相对
22、于传统多普勒周跳探测法的优越性。3.1 两种方法对无周跳数据处理比较试验1分别使用传统的多普勒法和基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的周跳探测方法对实验数据的噪声水平进行检验,不同方法计算得到的残差大小可以反映该方法对观测噪声的敏感程度1 0。从图1可知,传统的多普勒法最大值到了6.3周,标准差为2.2 0 9,对小周跳的检测能力较弱。从图2可知,基于卡尔曼滤波平滑多普武威,等:基于卡尔曼滤波平滑多普勒值的单频周跳探测方法1 2 3 表1 观测数据基本情况T a b l e 1 B a s i c i n f o r m a t i o n o f o b s e r v a t i o n d a
23、t aT y p e o f d a t aS t a t e o f d a t aT i m e1 9:0 02 1:0 0o n O c t o b e r 3 1,2 0 1 4S t a r t u p c o n d i t i o n sW i t h i n 61 04k m f r o m t h e e a r t hS a m p l i n g r a t e1H zB a n d o f G P SL 1M e a n s q u a r e e r r o r o f D o p p l e r0.5 6 5 8m/sM e a n s q u a r e e r
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