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低轨卫星下行导航信号天线PCO及硬件时延的标定方法

所属分类:电子信息产业

所属单位:中国科学院国家授时中心

联系人:-

联系方式:0951-6087161 /5020588

所在地:

成果简介

GNSS卫星往往利用批量地面站观测信号进行网解求得卫星钟差及轨道,求得的卫星钟差常含有下行导航信号天线的无电离层组合(Ionosphere-free,IF)伪距硬件时延,地面用户在进行定位时只须依托此信息,根据自身使用的伪距观测类型进行差分码偏差(Differential Code Bias,DCB)改正。区别于GNSS卫星产品的地面站网解求解方式,低轨卫星由于轨道高度低,在地球的投影面积远小于GNSS卫星,即使在陆地密集建造地面站,也难以拥有连续持续的地面观测。因此,低轨卫星的高精度轨道星钟的求解往往依赖于其星载GNSS观测信号,使低轨卫星作为GNSS信号的用户求得精密轨道与星钟。这直接导致了一个问题,即求解的低轨卫星钟含有的硬件时延为星载GNSS接收机及天线的IF伪距硬件时延,而非下行导航信号发射器及天线的IF伪距硬件时延,对于用户而言,需进行两层硬件时延改正才可得到传统意义上的卫星钟产品,从而以传统的定位方式进行后续定位授时。首先,须扣除解算得到的低轨卫星钟中所含有的星载GNSS接收机及天线的IF伪距硬件时延;其后,须添加低轨卫星下行导航信号发射器及天线的IF伪距硬件时延。这两类硬件标定都可在卫星上天之前通过地面标定得到,然而由于相关硬件标定的在轨及地面表现可能呈现较大不同,为减少相应偏差影响,应使用在轨标定硬件时延。低轨卫星星载GNSS接收机及天线的IF伪距硬件时延可通过星载GNSS信号求解得到,然而下行导航信号发射器及天线的IF伪距硬件时延只能利用接收到该下行导航信号的地面站进行求解。鉴于低轨卫星的地面投影面积小,且能接收低轨导航信号的地面站数量在可预见的短期未来内将相当有限,下行导航信号发射器及天线的IF伪距硬件时延求解面临挑战。
与硬件时延类似,低轨卫星下行导航信号天线相位中心偏差(PCO)的地面和在轨表现很可能有较大差异,须使用在轨标定PCO方能减少其偏差影响。同样,下行导航信号天线的PCO也须利用能接收低轨卫星下行导航信号的地面站进行求解,面临较大挑战。
当前的GNSS卫星使用全球地面站网解求得其精密轨道其星钟产品,星钟产品的求解直接面向下行导航信号天线,提供给用户的星钟产品含有其下行导航信号天线的IF伪距硬件时延,不存在低轨卫星钟的上行与下行跨天线使用的问题。由于GNSS卫星为中高轨卫星,其远高于低轨卫星的轨道高度直接决定了其远大于低轨卫星的地面投影面积,一定数量均匀分布的地面站(数十至上百)即可保证其连续的地面观测,从而助力GNSS卫星下行导航信号天线的在轨PCO标定。
当前,低轨卫星下行导航信号目前尚未真正投入广泛使用,为解决下行导航信号天线的硬件时延与PCO使用问题,最简单直接的方式是直接使用卫星上天前的地面标定。
本发明要解决的技术问题是:利用能接收低轨卫星下行导航信号的地面站及其接收的下行导航信号,对低轨卫星下行导航信号天线硬件时延及PCO进行在轨标定。这其中,顾及此硬件时延随温度的变化,利用低轨卫星下传的下行导航信号天线的温度,求解硬件时延的常数项和对温度的一阶导数项。
本发明针对低轨卫星钟所面临的跨天线硬件时延的问题及低轨卫星地面投影面积小的问题,结合GNSS观测,拟通过有限的能接收低轨卫星下行导航信号的地面站及其接收的导航信号,求解低轨卫星下行导航信号天线在天线坐标系中的北向、东向、及天顶向PCO,同时求解其IF伪距硬件时延的常数项和对温度的一阶导数项。

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