一种基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法

1.本发明涉及卫星导航定位技术领域，具体为一种基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法。


背景技术：

2.随着北斗导航卫星系统(beidou navigation satellite system，缩写为bds)高精度定位技术的发展，bds高精度定位在不同领域得到广泛应用，如手机导航、无人车辆和船舶导航以及交通部门对交通的智能管理等。在无人农场、海洋牧场、智能驾驶等生命安全相关的少人、无人化应用场景中，除对定位精度需求较高外，还要求同步保障定位结果的可靠性。
3.以高精度定位技术ppp-rtk为例，该ppp-rtk是一项综合了ppp(precise point position，精密单点定位技术)和rtk(real time kinematic，实时动态差分定位技术)优势的定位技术。ppp-rtk既吸收了ppp对基站的密度要求不高的优势，又将收敛时间过长的缺陷做了提升。ppp-rtk通过服务平台向用户广播卫星钟轨、偏差、区域对流层和区域电离层改正信息，辅助用户进行误差校正，提升收敛速度与定位精度。广播星历合成是ppp-rtk各类改正信息生成的基础，由于北斗星座的异构性，北斗星历星钟状态参数在周期内存在不唯一性，且不同观测站广播星历可能存在星历参数不一致、参数错误、参数丢失等问题，影响合成广播星历的可靠性，进而降低ppp-rtk改正信息的可用性，并可能导致用户终端定位结果不再可靠。
4.为保障ppp-rtk服务信息以及用户终端定位结果的可靠性，必须针对不同星座的异构特征设计严密的广播星历合成方法，确保合成的广播星历满足可靠性要求。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法。
6.所述基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法包括：
7.s1：对广播星历文件进行解析；
8.s2：对解析后的广播星历文件，采用最低有效位算法进行参数恢复；
9.s3：对于经过最低有效位算法参数恢复后的单个广播星历文件中出现重复的同时同星同星历参数的多个广播星历，只保留一个广播星历，删掉多余的具有同时同星同星历参数的广播星历，对剩下广播星历中的广播星历参数进行优化处理；
10.s4：对参数优化后的广播星历，确定正确的信号传输时间参数；
11.s5：针对被确定的正确的信号传输时间参数所决定的计算卫星位置和时钟时应选取的广播星历，综合prn参数和t
oc
参数，剔除其中存在鲁棒参数错误的广播星历；
12.s6：用空间信号误差参数替代原用户距离精度参数，生成合成后的北斗广播星历。
13.其中，采用最低有效位算法将广播星历参数恢复成原有格式后，再转换成双精度
浮点数。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.本发明提供的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，能有效解决或改善bds广播星历在实际播发过程中存在参数缺失、异常、星钟状态参数和ura参数在周期内出现重复值，导致合成文件中包含错误广播星历的问题；适用无人农场与海洋牧场所需相关的ppp-rtk定位服务；对北斗广播星历进行快速优选与可靠综合，保障广播星历的可靠性，满足北斗ppp-rtk用户的高精度与高可靠定位需求，具有重要意义。
附图说明
16.图1为本发明提供的一种基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法的流程图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明提出的北斗广播星历合成方法，可有效应对和改善bds广播星历在实际播发过程中可能存在缺失、异常、星钟状态参数和ura参数在周期内出现重复值的问题，下面结合附图1，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
19.附图1是本发明的一种基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，其包括：
20.步骤1：对广播星历文件进行解析，即按照特定格式读取内容。
21.具体的，北斗ppp-rtk主控站服务器的数据处理服务器读取覆盖服务区域所有测站的北斗广播星历文件，判断当前的广播星历文件是否覆盖当前服务区域，当确认读取的广播星历文件全部覆盖当前服务区域后，对各个测站的广播星历文件(rinex格式文件)解析，即按照特定格式进行读取，并将读取的数据按数据类型存储在系统的存储器里；否则继续收集广播星历文件。星历是指天体运行随时间而变的精确位置或轨迹表，它是时间的函数，在应用中有广播星历和后处理的精密星历之分。
22.步骤2，对解析后的广播星历文件，采用最低有效位(lsb)算法进行参数恢复。
23.基于步骤1中已解析的rinex格式的广播星历文件，文件中的星历参数均由12位十进制浮点数表示。由于解析过程多数是通过已知软件来执行，解析出来的数据可能会出现错误，导致星历参数的有效位数表达方式不一致。针对这个问题，采用已知的lsb(least significant bit，最低有效位)算法进行参数恢复，可以在rinex格式的广播星历文件中执行参数恢复。在将所有广播星历参数恢复成原有格式后，再转换成双精度浮点数，使得有效位数不一致的星历参数在计算机的存储器中表征的形式相同，保障星历参数有效位数的一致性。
24.步骤3，对于经过lsb算法参数恢复后的单个广播星历文件中出现重复的同时同星同星历参数的多个广播星历，只保留一个广播星历，删掉多余的具有同时同星同星历参数
的广播星历，对剩下广播星历中的广播星历参数进行优化处理。
25.对于经过lsb算法参数恢复后的单个广播星历文件中出现重复的同时同星同星历参数的多个广播星历，对此只保留一份广播星历，删掉多余的具有同时同星同星历参数的广播星历，然后将单个广播星历文件中所有剩下的广播星历集中以形成第一集合o，对第一集合o中的广播星历参数进行优化，该星历参数优化具体分为4步：
26.(1)由于相关协议规定了每个广播星历的参数数量和类型都是固定的，所以进行广播星历参数特性分析，可以将广播星历参数分为鲁棒参数和脆弱参数两部分，鲁棒参数选取为卫星定轨的15个星历参数：{m0、ω0、ω、i0、c
uc
、c
rs
、c
us
、c
rc
、c
ic
、c
is
、δn、e、as、ω
dot
、i
dot
}，详细解释见表1，其余的广播星历参数为脆弱参数。
27.表1
[0028][0029][0030]
(2)将第一集合o中的同时同星相同鲁棒参数的多个广播星历作为一组pi，同时是指多个广播星历的时间相同，同星是指多个广播星历来自同一个卫星，相同鲁棒参数是指对于2个以上的星历参数各自包含的上述15个鲁棒参数，相同类型的鲁棒参数的数值是相同的，例如有同时同星的2个广播星历，各自有15个鲁棒参数值，相同类型的鲁棒参数值相同，则认为该2个广播星历具有相同鲁棒参数，用一个鲁棒参数举例说明，其中1个广播星历的鲁棒参数m0的值与另1个广播星历的鲁棒参数m0的值相同，同理对其余的14个鲁棒参数也是这样；遍历第一集合o中所有广播星历，直至将第一集合o中所有的同时同星相同鲁棒参数的广播星历进行分组完毕。对于第一集合o中不符合同时同星相同鲁棒参数条件的广播星历不进行分组，即同时同星相同鲁棒参数这3个条件中有一个条件不符合的广播星历都
无法进行分组。
[0031]
(3)将分组后的广播星历添加到第二集合p中，由于每个分组pi中具有2个或更多的广播星历，需要将每个分组里的多个广播星历合并成1个广播星历。以一个分组pi为例来介绍合并方法。合并方法如下：对分组pi中的多个广播星历包含的每个脆弱参数进行投票统计，由于多个广播星历各自所包含的脆弱参数类型和数量都是相同的，但是同一类型的脆弱参数的值存在相同和不同两种情况，按少数服从多数原则将同一类型的脆弱参数中相同值最多的那个数值作为该类型的脆弱参数的值，这样对于分组pi中的多个广播星历各自包含的鲁棒参数和脆弱参数的值都是相同的，此时对于每个分组只保留一个广播星历即可，由此实现将每个分组里的多个广播星历合并成1个广播星历。通过举例来说明，假设一个分组pi中有5个广播星历，5个广播星历各自的脆弱参数a1的值分别是4、5、3、4、6，由于脆弱参数a1的值为4是最多的，因此选取4作为这5个广播星历各自的脆弱参数a1的值；再或者，5个广播星历各自的脆弱参数a2的值分别是4、5、5、4、5，由于脆弱参数a2的值为5是最多的，因此选取5作为这5个广播星历的脆弱参数a2的值。通过上述操作，可以将每个分组里的多个广播星历合并成1个广播星历，保证所有脆弱参数的值都尽可能的正确。
[0032]
(4)将第二集合p中合并后的广播星历和第一集合o中未进行分组的广播星历列为参数优化处理后的广播星历。
[0033]
步骤4，对参数优化后的广播星历，确定正确的信号传输时间参数。
[0034]
地面接收机产生的信号传输时间(transmission time of message,ttom)参数是基站接收到新的广播星历时由接收机记录的星历参数。ttom参数决定了计算卫星位置和时钟时应该选取的广播星历，因此确定正确的ttom参数非常重要。对于经过参数优化处理后的广播星历，对记载的ttom参数进行排序，具体而言：广播星历文件包含ttom参数，ttom参数是脆弱参数。ttom参数就在rinex格式的广播星历文件每个历元中的最后一行第一个数据。排序规则就是按照ttom数值大小从小到大依次进行排序。以30秒作为参照标准对每个ttom参数进行四舍五入处理，具体而言：ttom参数本身就是一个以秒为单位的时间参数，对ttom参数除以30，余数小于15且大于0，则用ttom减去余数的值作为新的ttom；余数大于等于15且小于30，则用ttom减去余数再加30的值作为新的ttom；获得排序后的ttom参数的中值；将比中值早于7200秒或晚于7200秒的ttom参数剔除掉，从剩下的ttom参数中找出由2个或2个以上基站最早确认的一个ttom参数，操作方法是：由于ttom参数是从最小值到最大值排序的，找出经由2个或2个以上的基站接收确认的数值相同且最小的一个ttom参数，这个ttom参数即是正确的ttom参数，从而消除了任何剩余的异常值。ttom参数是时间参数，数值越小，意味着被基站接收确认的时间越早，2个或2个以上基站接收确认的ttom参数的数值相同，意味着多个基站认可该ttom参数是正确的，因此经由2个或2个以上的基站接收确认的数值相同且最小的一个ttom参数，就是由2个或2个以上基站最早确认的ttom参数。
[0035]
步骤5，针对被确定的正确的信号传输时间参数所决定的计算卫星位置和时钟时应选取的广播星历，综合卫星伪随机噪声码参数和星历历元的时钟时间参数，剔除其中存在鲁棒参数错误的广播星历。
[0036]
在执行步骤3和步骤4后的广播星历中的鲁棒参数可能会出现错误，这些存在鲁棒参数错误的广播星历通常由少数基站造成的。由于bds的星钟状态参数相较于gps在其周期内存在重复值，为此本发明提出一种综合卫星伪随机噪声码参数(pseudo-random noise，
缩写prn)和星历历元的时钟时间t
oc
参数来剔除其中存在鲁棒参数错误的广播星历的方法，实现对出现鲁棒参数错误的广播星历的剔除。具体的剔除方法步骤如下：(1)首先，查找出具有相同prn参数和t
oc
参数的所有广播星历；(2)然后，查找具有相同prn参数和t
oc
参数的每条广播星历确认的基站数，记录具有相同prn参数和t
oc
参数的广播星历的个数和由该广播星历确认的基站数量，其中每个基站都会发自己的观测到的广播星历，观测到的广播星历以单个文件播发，一个广播星历文件就是一个基站播发的，因此可以通过广播星历来确认基站；(3)最后，对于具有相同prn参数和t
oc
参数的所有广播星历，只保留经由最多数量的基站所接收确认的那一条广播星历，剔除其余的广播星历，这样实现了对于bds具有错误的鲁棒参数的广播星历的剔除。
[0037]
步骤6，用空间信号误差参数sise替代原用户距离精度参数ura，生成合成后的北斗广播星历。
[0038]
通过步骤5，对于剔除掉具有错误的鲁棒参数的广播星历后剩下的bds广播星历，由于不同类型卫星的空间信号精度差异很大，广播星历中给出的ura(user range accuracy，用户距离精度)参数无法准确表达空间信号精度。为使所合成的bds广播星历能够对空间信号精度进行更准确的表达，首先利用合成后的广播星历计算空间信号误差sise(signal-in-space error)。sise是由于卫星星历和卫星钟差引起的距离域上的最大误差，它是时间和用户位置的函数。计算空间信号误差sise的方法如下：
[0039][0040]
式中，r指卫星径向(radial)、c指卫星法向(cross-track)、a指卫星切向(along-track)和clk指卫星钟差误差(clock)，α是卫星径向方向的投影系数，β是卫星法向方向和切向方向的投影系数。
[0041]
然后根据sise的统计分布，获取sise的最小标准偏差sisa(空间信号精度)，它是衡量sise的指标。由于sisa通过事后统计分析获取，相比实时生成的ura精度更高，因此可精确地表征空间信号精度。因此，优选用sisa替换广播星历中的ura参数，生成合成后的北斗广播星历。
[0042]
本发明提供的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，能有效解决或改善bds广播星历在实际播发过程中存在参数缺失、异常、星钟状态参数和ura参数在周期内出现重复值，导致合成文件中包含错误广播星历的问题；对北斗广播星历进行快速优选与可靠综合，保障广播星历的可靠性，满足北斗ppp-rtk用户的高精度与高可靠定位需求，具有重要意义。
[0043]
以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以作出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

技术特征：
1.一种基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，包括：s1：对广播星历文件进行解析；s2：对解析后的广播星历文件，采用最低有效位算法进行参数恢复；s3：对于经过最低有效位算法参数恢复后的单个广播星历文件中出现重复的同时同星同星历参数的多个广播星历，只保留一个广播星历，删掉多余的具有同时同星同星历参数的广播星历，对剩下广播星历中的广播星历参数进行优化处理；s4：对参数优化后的广播星历，确定正确的信号传输时间参数；s5：针对被确定的正确的信号传输时间参数所决定的计算卫星位置和时钟时应选取的广播星历，综合prn参数和t
oc
参数，剔除其中存在鲁棒参数错误的广播星历；s6：用空间信号误差参数替代原用户距离精度参数，生成合成后的北斗广播星历。2.如权利要求1所述的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，其特征在于，在步骤s2中，采用最低有效位算法将广播星历参数恢复成原有格式后，再转换成双精度浮点数。3.如权利要求1所述的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，其特征在于，在步骤s3中，所述对剩下广播星历中的广播星历参数进行优化处理的步骤包括：将剩下的广播星历集中形成第一集合，对广播星历参数特性进行分析，将广播星历参数分为鲁棒参数和脆弱参数两部分，将第一集合中同时同星相同鲁棒参数的多个广播星历分为一组，遍历第一集合中所有广播星历，直至所有的同时同星相同鲁棒参数的广播星历都分组完毕，对于第一集合中不符合同时同星相同鲁棒参数条件的广播星历不进行分组；将每个分组中的多个广播星历按一定规则合并为1个广播星历，合并方法是：对每个分组中的多个广播星历各自包含的每个脆弱参数值进行统计，按少数服从多数原则将同一类型的脆弱参数中相同值最多的那个数值作为该类型的脆弱参数的值，此时对于每个分组只保留一个广播星以实现合并，最后将合并后的广播星历和未分组的广播星历列为参数优化处理后的广播星历。4.如权利要求1所述的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，其特征在于，在步骤s4中，所述确定正确的信号传输时间参数的步骤包括：对信号传输时间参数进行从小到大排序，以30秒作为参照标准对每个ttom参数进行四舍五入处理，获得排序后的信号传输时间参数的中值，将比中值早于7200秒或晚于7200秒的信号传输时间参数剔除掉，从剩下的信号传输时间参数中找出由2个或2个以上基站最早确认的一个ttom参数，这个ttom参数即是正确的ttom参数。5.如权利要求4所述的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，其特征在于，所述以30秒作为参照标准对每个信号传输时间参数进行四舍五入处理的方法包括：对信号传输时间参数除以30，余数小于15且大于0，则用该信号传输时间减去余数的值作为新的信号传输时间；余数大于等于15且小于30，则用该信号传输时间减去余数再加30的值作为新的信号传输时间。6.如权利要求1所述的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，其特征在于，在步骤s5中，所述剔除其中存在鲁棒参数错误的广播星历的方法包括：查找出具有相同prn参数和t
oc
参数的所有广播星历，查找具有相同prn参数和t
oc
参数的每条广播星历确认的基站数，记录具有相同prn参数和t
oc
参数的广播星历的个数和由该广播星历确认的基站
数量，对于具有相同prn参数和t
oc
参数的所有广播星历，只保留经由最多数量的基站所接收确认的那一条广播星历，剔除其余的广播星历。7.如权利要求1所述的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，其特征在于，在步骤s6中，所述用空间信号误差参数替代原用户距离精度参数的步骤包括：利用合成后的广播星历计算空间信号误差，计算空间信号误差的方法如下：式中，r指卫星径向、c指卫星法向、a指卫星切向和clk指卫星钟差误差，α是卫星径向方向的投影系数，β是卫星法向方向和切向方向的投影系数；用计算出的空间信号误差参数替换广播星历中的用户距离精度参数。8.如权利要求7所述的基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，其特征在于，然后根据空间信号误差的统计分布，获取空间信号误差的最小标准偏差作为空间信号精度，用该空间信号精度参数替换广播星历中的用户距离精度参数。

技术总结
本发明涉及一种基于改进星历参数优选法的北斗广播星历合成方法，包括：对广播星历文件进行解析；对解析后的广播星历文件，采用LSB算法进行参数恢复；将经过LSB算法参数恢复后的星历文件中出现的重复星历参数进行删除，并对剩下的广播星历参数进行优化处理；对优化后的广播星历，确定正确的信号传输时间参数；针对所确定的正确的信号传输时间参数所决定的计算卫星位置和时钟时应选取的广播星历，剔除其中存在鲁棒参数错误的广播星历；用空间信号误差参数替代用户距离精度参数，生成合成后的北斗广播星历。北斗广播星历。北斗广播星历。


技术研发人员：李亮 蔡淦 那志博 李瑞杰 王柳淇 杨福鑫
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/20