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1 ，概述

共視法是利用2個不同地點觀測站的衛(wèi)星接收機同時跟蹤同一顆衛(wèi)星，從而降低2站間共同誤差，提高時間同步精度的方法。高精度的共視授時技術(shù)不僅是滿足世界標準時間(UTC)形成和準確度保持的需要，而且也是衛(wèi)星系統(tǒng)高精度系統(tǒng)時間建立和維持的基礎(chǔ)。原創(chuàng)今日頭條：臥龍會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，是一個不斷預(yù)測和修正的過程，采用遞推處理方法，用上一個采樣時刻的估計值和當前時刻的觀測值來估計當前時刻的估計值。基于衛(wèi)星共視比對系統(tǒng)中，衛(wèi)星信號的傳播過程中會受到電離層、對流層等的影響，故對收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)在處理分析過程中會出現(xiàn)很強的噪聲[2]。卡爾曼濾波能夠在數(shù)據(jù)有噪聲的情況下實現(xiàn)對信號的最優(yōu)估計、平滑測量數(shù)據(jù)，提高共視時間比對精度。原創(chuàng)今日頭條：臥龍會IT技術(shù)

卡爾曼濾波用反饋控制的方法估計過程狀態(tài)，濾波器估計過程某一時刻的狀態(tài)，然后以測量變量的方式獲得反饋。卡爾曼算法分為兩個部分，時間更新方程和測量更新方程。其中(7)、(8)式為時間更新方程，負責及時向前推算當前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差估計值，以便為下一個時間狀態(tài)構(gòu)造先驗估計。(9)、(10)、(11)三個方程為測量更新方程負責反饋，將先驗估計和新的測量變量結(jié)合以得到當前狀態(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 卡爾曼算法對鑒相數(shù)據(jù)處理

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

誤差源對接收機輸出1PPS信號的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為1PPS輸出信號跳變，一般為幾十納秒，偶爾會達到幾百納秒。如果直接用它來進行共視比對,則會產(chǎn)生較大波動，造成共視系統(tǒng)輸出信號不穩(wěn)定。為了盡量減小接收模塊輸出的1PPS信號中存在的隨機抖動對共視系統(tǒng)的影響，首先必須對接收到的對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行濾波處理。由于卡爾曼濾波能解決最佳線性過濾和估計的問題，通過狀態(tài)方程和遞推方法進行處理。用前一個估計值和最近一個觀測數(shù)據(jù)來估算，卡爾曼濾波算法適用于衛(wèi)星1PPS抖動處理。原創(chuàng)今日頭條：臥龍會IT技術(shù)

由衛(wèi)星共視原理可知，接收機輸出1PPS信號質(zhì)量會直接影響共視比對輸出性能。而實際應(yīng)用中，衛(wèi)星接收機易受信號干擾等特點，如圖2所示，其輸出的1PPS信號具有一定的抖動。

圖2衛(wèi)星接收機輸出1PPS

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

下面分別采用卡爾曼算法進行濾波處理如圖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濾衛(wèi)星接收機的信號抖動，平滑測量數(shù)據(jù)，減小了衛(wèi)星接收機1PPS信號抖動帶來的影響。而從圖4可以看出衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)抖動范圍在0ns～1000ns，經(jīng)卡爾曼濾波處理后0ns～860ns。可以看出對具有大跳變的數(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濾衛(wèi)星接收機的1PPS信號微抖動，效果較好。而對較大擾動信號不能全部過濾，不能實現(xiàn)系統(tǒng)高精度，高可靠性要求。根據(jù)出現(xiàn)擾動數(shù)據(jù)明顯偏大或者偏小正常值的特點，提出了一種抖動檢測機制。在卡爾曼濾波算法過程中引入檢測機制。對時間間隔數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，檢測時間間隔增量，如果大于統(tǒng)計均值的n倍我們可以認為出現(xiàn)了異常抖動，則將該異常數(shù)據(jù)過濾，然后再將正常的數(shù)據(jù)使用卡爾曼濾波算法進行處理。改進后濾波數(shù)據(jù)如下圖5所示:

圖5改進后卡爾曼濾波數(shù)據(jù)

經(jīng)過改進后的卡爾曼濾波算法，無論采集數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)大的跳變，都可以有效的進行濾波處理，較大的跳變數(shù)據(jù)被有效的過濾掉。經(jīng)過卡爾曼濾波后對系統(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)星共識中的比對結(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)過卡爾曼濾波后過濾掉了噪聲，平滑了測量數(shù)據(jù)。原創(chuàng)今日頭條：臥龍會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。通過卡爾曼濾波算法，提高了衛(wèi)星共視系統(tǒng)信號的輸出精度。

圖 8 A站與B站的鐘差數(shù)據(jù)

原創(chuàng)：臥龍會 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！...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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