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1 ，概述

共視法是利用2個(gè)不同地點(diǎn)觀測(cè)站的衛(wèi)星接收機(jī)同時(shí)跟蹤同一顆衛(wèi)星，從而降低2站間共同誤差，提高時(shí)間同步精度的方法。高精度的共視授時(shí)技術(shù)不僅是滿(mǎn)足世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(UTC)形成和準(zhǔn)確度保持的需要，而且也是衛(wèi)星系統(tǒng)高精度系統(tǒng)時(shí)間建立和維持的基礎(chǔ)。原創(chuàng)今日頭條：臥龍會(huì)IT技術(shù)

2，衛(wèi)星共視算法原理

3，卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波采用最優(yōu)化遞歸數(shù)據(jù)處理方法，是一個(gè)不斷預(yù)測(cè)和修正的過(guò)程，采用遞推處理方法，用上一個(gè)采樣時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)值。基于衛(wèi)星共視比對(duì)系統(tǒng)中，衛(wèi)星信號(hào)的傳播過(guò)程中會(huì)受到電離層、對(duì)流層等的影響，故對(duì)收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)在處理分析過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的噪聲[2]。卡爾曼濾波能夠在數(shù)據(jù)有噪聲的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的最優(yōu)估計(jì)、平滑測(cè)量數(shù)據(jù)，提高共視時(shí)間比對(duì)精度。原創(chuàng)今日頭條：臥龍會(huì)IT技術(shù)

卡爾曼濾波用反饋控制的方法估計(jì)過(guò)程狀態(tài)，濾波器估計(jì)過(guò)程某一時(shí)刻的狀態(tài)，然后以測(cè)量變量的方式獲得反饋。卡爾曼算法分為兩個(gè)部分，時(shí)間更新方程和測(cè)量更新方程。其中(7)、(8)式為時(shí)間更新方程，負(fù)責(zé)及時(shí)向前推算當(dāng)前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差估計(jì)值，以便為下一個(gè)時(shí)間狀態(tài)構(gòu)造先驗(yàn)估計(jì)。(9)、(10)、(11)三個(gè)方程為測(cè)量更新方程負(fù)責(zé)反饋，將先驗(yàn)估計(jì)和新的測(cè)量變量結(jié)合以得到當(dāng)前狀態(tài)的最優(yōu)化估算值。

卡爾曼算法處理如圖1所示：

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圖1卡爾曼算法處理流程

4卡爾曼濾波在衛(wèi)星共視中的應(yīng)用

4.1 卡爾曼算法對(duì)鑒相數(shù)據(jù)處理

衛(wèi)星共視比對(duì)中出現(xiàn)的主要誤差源由多徑效應(yīng)和大氣折射引起，在進(jìn)行共視比對(duì)時(shí)，接收機(jī)天線(xiàn)除接受直接來(lái)自衛(wèi)星方向的信號(hào)外，還接收到其他物體反射回來(lái)的信號(hào)，由于這兩種信號(hào)路徑不同，從而使接收到的組合信號(hào)變形，產(chǎn)生測(cè)量誤差，多路徑主要由接收機(jī)附近的反射表面引起[3]。衛(wèi)星信號(hào)在傳播時(shí)，由于受到大氣折射的影響，傳播路徑會(huì)發(fā)生彎曲，造成信號(hào)的傳播誤差。

誤差源對(duì)接收機(jī)輸出1PPS信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為1PPS輸出信號(hào)跳變，一般為幾十納秒，偶爾會(huì)達(dá)到幾百納秒。如果直接用它來(lái)進(jìn)行共視比對(duì),則會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，造成共視系統(tǒng)輸出信號(hào)不穩(wěn)定。為了盡量減小接收模塊輸出的1PPS信號(hào)中存在的隨機(jī)抖動(dòng)對(duì)共視系統(tǒng)的影響，首先必須對(duì)接收到的對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。由于卡爾曼濾波能解決最佳線(xiàn)性過(guò)濾和估計(jì)的問(wèn)題，通過(guò)狀態(tài)方程和遞推方法進(jìn)行處理。用前一個(gè)估計(jì)值和最近一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估算，卡爾曼濾波算法適用于衛(wèi)星1PPS抖動(dòng)處理。原創(chuàng)今日頭條：臥龍會(huì)IT技術(shù)

由衛(wèi)星共視原理可知，接收機(jī)輸出1PPS信號(hào)質(zhì)量會(huì)直接影響共視比對(duì)輸出性能。而實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星接收機(jī)易受信號(hào)干擾等特點(diǎn)，如圖2所示，其輸出的1PPS信號(hào)具有一定的抖動(dòng)。

圖2衛(wèi)星接收機(jī)輸出1PPS

衛(wèi)星1pps鑒相數(shù)據(jù)采集是通過(guò)對(duì)比銫鐘1PPS與接收機(jī)1PPS獲取，采集了86400個(gè)鑒相數(shù)據(jù)。從上圖我們可看出，衛(wèi)星接收機(jī)在較好狀態(tài)下可以輸出抖動(dòng)范圍約50ns的1PPS鑒相數(shù)據(jù)。而在受信號(hào)干擾等影響輸出時(shí)，出現(xiàn)了三次突變數(shù)據(jù)，約1000ns左右的抖動(dòng)數(shù)據(jù)，持續(xù)時(shí)間約為300s，這些測(cè)量數(shù)據(jù)比正常測(cè)量值偏大。

下面分別采用卡爾曼算法進(jìn)行濾波處理如圖3所示。

圖3正常衛(wèi)星數(shù)據(jù)卡爾曼濾波

從圖3可以看出卡爾曼濾波算法可以有效的過(guò)濾衛(wèi)星接收機(jī)的信號(hào)抖動(dòng)，平滑測(cè)量數(shù)據(jù)，減小了衛(wèi)星接收機(jī)1PPS信號(hào)抖動(dòng)帶來(lái)的影響。而從圖4可以看出衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)抖動(dòng)范圍在0ns～1000ns，經(jīng)卡爾曼濾波處理后0ns～860ns。可以看出對(duì)具有大跳變的數(shù)據(jù)濾波后，數(shù)據(jù)跳變值有所衰減，但仍然存在。

圖4具有抖動(dòng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)卡爾曼濾波

從以上分析可知，卡爾曼濾波算法可以過(guò)濾衛(wèi)星接收機(jī)的1PPS信號(hào)微抖動(dòng)，效果較好。而對(duì)較大擾動(dòng)信號(hào)不能全部過(guò)濾，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度，高可靠性要求。根據(jù)出現(xiàn)擾動(dòng)數(shù)據(jù)明顯偏大或者偏小正常值的特點(diǎn)，提出了一種抖動(dòng)檢測(cè)機(jī)制。在卡爾曼濾波算法過(guò)程中引入檢測(cè)機(jī)制。對(duì)時(shí)間間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，檢測(cè)時(shí)間間隔增量，如果大于統(tǒng)計(jì)均值的n倍我們可以認(rèn)為出現(xiàn)了異常抖動(dòng)，則將該異常數(shù)據(jù)過(guò)濾，然后再將正常的數(shù)據(jù)使用卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理。改進(jìn)后濾波數(shù)據(jù)如下圖5所示:

圖5改進(jìn)后卡爾曼濾波數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的卡爾曼濾波算法，無(wú)論采集數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)大的跳變，都可以有效的進(jìn)行濾波處理，較大的跳變數(shù)據(jù)被有效的過(guò)濾掉。經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后對(duì)系統(tǒng)高精度、高可靠性控制輸出提供了有力保障。

4.2 卡爾曼濾波在衛(wèi)星共識(shí)中的比對(duì)結(jié)果

A站與B站采集的鑒相原始數(shù)據(jù)如圖 6所示，A站鑒相數(shù)據(jù)范圍為-7ns～99ns，B站鑒相數(shù)據(jù)范圍為6ns～77ns。

圖 6 A站與B站原始鑒相數(shù)據(jù)

A站與B站的鑒相數(shù)據(jù)通過(guò)卡爾曼濾波算法后，A站的鑒相數(shù)據(jù)范圍-9ns～15ns，B站的鑒相數(shù)據(jù)范圍2ns～18ns。鑒相數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后過(guò)濾掉了噪聲，平滑了測(cè)量數(shù)據(jù)。原創(chuàng)今日頭條：臥龍會(huì)IT技術(shù)

圖 7 A站與B站卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)

根據(jù)圖 8所示，A站與B站原始鑒相鐘差范圍-89ns～76ns， A站與B站鑒相數(shù)據(jù)濾波后的鐘差范圍-6ns～4ns。通過(guò)卡爾曼濾波算法，提高了衛(wèi)星共視系統(tǒng)信號(hào)的輸出精度。

圖 8 A站與B站的鐘差數(shù)據(jù)

原創(chuàng)：臥龍會(huì) 大漠蒼狼

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的卡尔曼滤波与组合导航原理_卫星知识科普：一种基于卫星共视的卡尔曼滤波算法！...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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