一种用于航空gps信号延迟的估算系统及其方法
阅读说明：本技术 一种用于航空gps信号延迟的估算系统及其方法 (Estimation system and method for aviation GPS signal delay ) 是由 丛超 杨良勇 孙闻 邴志光 曾杰 王飞 肖振飞 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于航空GPS信号延迟的估算系统,同时公开了航空GPS信号延迟的估算方法,是针对GPS信号定位的时间延迟提出了一种估算方法,通过比较GPS更新时间和导航服务器更新时间,选择延迟估算时间相对接近的一种,并且增加一个时间延迟的估计值△test,最大限度的减少未知延迟时间的影响,且将误差最大值限定在△test范围内；采用本技术方案,得出的估算值能最大限度的靠近真实值,并且可以将延迟误差限定在一定范围内,实施起来也较为方便。(The invention discloses an estimation system for aviation GPS signal delay, and simultaneously discloses an estimation method for aviation GPS signal delay, which provides an estimation method for time delay of GPS signal positioning, selects one of delay estimation time which is relatively close by comparing GPS update time with navigation server update time, and adds an estimated value △ test of time delay to reduce the influence of unknown delay time to the maximum extent, and limits the maximum value of error to the range of △ test.)
技术领域
本发明属于航空飞行领域，更具体地说，本发明涉及一种用于航空飞行过程中对GPS信号延迟的估算系统及其方法。
背景技术
GPS信号的时间同步延迟估算对于实现飞机位置和速度的解算至关重要。由于时间延迟而产生的非同步运动对制导控制产生影响较大。
已有的对于GPS定位延迟的研究中，国外采用过在已知坐标的地面参考点上安装能垂直反射阳光的镜面组合，当飞机以一定的速度飞跃其上空时，飞机的电路装置能够检测到光束并记录时间。将该时间飞机上GPS输出的位置与该参考点位置进行比较可得到由于定位之后造成的定位偏差。该研究并没有直接计算定位滞后时间，利用测量出的数据推导出滞后时间的大小。然而该方法需要GPS具有很高的定位精度，并且实施难度较大，很难推广应用。还有的学者提出将定位滞后时间、自主定位仪器的定位输出以及GPS的定位输出建立了一个非线性的系统状态方程，通过扩张卡尔曼滤波进行计算。该状态方程成立的前提是认为滞后时间是一个固定不变的量。因而该方法仅适合于滞后时间波动不大的场合，对于速度变化等运动误差较大。上述方法局限性均很大，难以推广应用，尤其对飞行运动不太适合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于航空飞行过程中对GPS信号延迟的估算系统及其方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于航空GPS信号延迟的估算系统，包括用于GPS信号接收的信号接收机(C101)和与其通讯连接航空计算资源分区(C102)，其中，航空计算资源分区(C102)内包括GPS服务器(C103)和导航服务器(C104)，GPS服务器(C103)和导航服务器(C104)之间通过信号接口通讯连接，GPS服务器(C103)通过信号接收机(C101)接收GPS信号且输出于导航服务器(C104)。
本发明公开的一种用于航空GPS信号延迟的估算系统，所述信号接收机(C101)与GPS服务器通信连接，以接收信号接收机(C101)输入的GPS位置信号并转化为通讯信号传递于GPS服务器，GPS服务器将接收的GPS信号处理并发布到与导航服务器(C104)之间相连的通信接口，导航服务器(C104)通过该通信接口获取数据并使用
本发明公开的一种用于航空GPS信号延迟的估算方法，包括以下步骤：
S1、比较GPS更新时间和导航服务器更新时间，选择延迟估算时间相对接近的一种；
S2、增加一个时间延迟的估计值△test，最大限度的减少未知延迟时间的影响，且将误差最大值限定在△test范围内；
S3、得出最佳时间延迟估算策略。
本发明公开的一种用于航空GPS信号延迟的估算方法，所述S1步骤中包括GPS更新之间经过的GPS时间(△tGPSB102)、导航服务器更新之间经过的消息接收间隔时间(△tNavB112)、第一次更新时的未知时间延时(△t0B110)、第n此更新期间的未知时间延时(△tnB104)、第一次更新时GPS服务器发布到接口到导航服务器使用的时间(△tacr,0B111)、第n此更新时GPS服务器发布到接口到导航服务器使用的时间(△tacr,nB105)、第一次GPS定位的实际计算时间(T0B101)、第n次GPS定位的实际计算时间(TnB103)、导航服务器接收第n次GPS定位的实际使用时间(Tn+1B106)；估算方程如下：
估计第n次GPS定位的实际接收时间，不包含未知时间延迟：
TNav,n＝T0+△tNav+△tacr,0按导航服务器时间估算
TGPS,n＝T0+△tGPS+△tacr,n＝Tn+△tacr,n按GPS时间估算
实际时间延迟：
Tn+1-Tn
估计时间延迟，不包含未知时间延迟：
TNav,n-Tn
估计时间的误差：
Tn+1-TNav,n＝△t0按导航服务器时间估算
Tn+1-TGPS,n＝△tn按GPS时间估算
由于经过时间导致的估计时间的差异
TGPS,n-TNav,n＝△t0-△tn
如果TGPS,n-TNav,n>0,即△t0>△tn，那么按GPS时间估算的误差较小，其更新的未知时间延迟更小，因此，TGPS和TNav相比，TGPS对实际时间的估计更准确，将导航服务器的时间表示按TGPS,n同步；
反之，如果TGPS,n-TNav,n<0，那么按GPS时间估算的误差较大，因为△t0<△tn，因此，导航服务器的时间表示TNav,n是对实际时间的更准确估计。
本发明公开的一种用于航空GPS信号延迟的估算方法，所述S2步骤中的估计时间中存在科学误差通过增加一个时间延迟的估计值△test，将未知的时间延迟分为两部分，利用观测试验对△test进行测算，可以将这种延迟的影响进一步减小；具体分析如下：
假设△tu,0为总的未知时间延迟中未被△test覆盖的未知分量部分，那么
△t0＝△test+△tu,0第一次更新的未知时间延迟
△tn＝△test+△tu,n第n次更新的未知时间延迟
将估计的时间延迟应用于GPS更新后的实际时间估计及其相应的误差，得出第n次GPS定位的实际接收时间估计：
TNav,n＝T0+ΔtNav+Δtacr,0+Δtest按导航服务器时间估算
TGPS,n＝T0+ΔtGPS+Δtacr,n+Δtest按GPS时间估算
估计时间误差：
Tn+1-TNav,n＝Δtu,0按导航服务器时间估算
Tn+1-TGPS,n＝Δtu,n按GPS时间估算
由于经过的时间导致的估计时间差异：
TGPS,n-TNav,n＝Δtu,0-Δtu,n
如果估算值△test接近实际时间延迟△t0&△tn，则可以显著减少误差。并且该误差的大小限制为△test。
因为Δtn>＝0&Δtn＝Δtest+Δtu,n,
如果Δtu,n<0,
|Δtu,n|＝<Δtest。
本发明公开的一种用于航空GPS信号延迟的估算方法，通过收集多次飞行数据的记录数据，比较飞行数据中大气数据姿态航向参考系统ADAHR和GPS轨迹的拐弯之间不同步的实际偏差值，求出该偏差值的平均值，结合GPS的更新周期，得出适用于该机的最佳△test值。
采用本技术方案，通过算法比较GPS时间戳之间的经过时间和导航服务器使用GPS消息之间的经过时间，以减少未知分量，减小GPS时间估算的误差，TGPS和TNav相比，TGPS对实际时间的估计更准确，将导航服务器的时间表示按TGPS,n同步，可以进一步减少对时间延迟估计的误差；由于该算法中还增加了估计值△test，最大限度的减少未知延迟时间的影响，并且将误差值限定在估计值内，因此估算的GPS信号延迟更加精确，对于飞行动态中的GPS信号定位具有更大的辅助作用。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明中现有技术的非同步GPS更新图；
图2为本发明中GPS信号接收使用流程图；
图3为本发明中GPS更新之间的延时示意图。
图中标记为：C101：信号接收机；C102：航空计算资源分区；C103：GPS服务器；C104：导航服务器；△tGPSB102：GPS更新之间经过的GPS时间；△tNavB112：导航服务器更新之间经过的消息接收间隔时间；△t0B110：第一次更新时的未知时间延时；△tnB104：第n此更新期间的未知时间延时；△tacr,0B111：第一次更新时GPS服务器发布到接口到导航服务器使用的时间；△tacr,nB105：第n此更新时GPS服务器发布到接口到导航服务器使用的时间；T0B101：第一次GPS定位的实际计算时间；TnB103：第n次GPS定位的实际计算时间；Tn+1B106：导航服务器接收第n次GPS定位的实际使用时间。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
图1为本发明中现有技术的非同步GPS更新图；其中T1时间点时飞行管理系统中传播的飞机位置在A101处，而飞机此时的实际位置在A102处，此时T1点更新开始，T2时间点时更新完成，飞行管理系统根据A101处时飞行的位置及速度计算，T2时飞机显示在A105处，但此时更新完成，飞机在T1时间点的实际位置A102被更新至飞行管理系统，所以飞机的显示位置瞬间由更新前的A105处跳转到更新后的A104处，即飞机在T1时刻的实际位置A102处。但此时飞机实际已经飞到A106处；由此可见，时间延迟的存在导致飞机位置的瞬时跳转，且飞行管理系统传播的位置同飞机的实际位置误差较大。
图2为本发明中GPS信号接收使用流程图；如图所示的一种用于航空GPS信号延迟的估算系统，包括用于GPS信号接收的信号接收机(C101)和与其通讯连接航空计算资源分区(C102)，其中，航空计算资源分区(C102)内包括GPS服务器(C103)和导航服务器(C104)，GPS服务器(C103)和导航服务器(C104)之间通过信号接口通讯连接，GPS服务器(C103)通过信号接收机(C101)接收GPS信号且输出于导航服务器(C104)；信号接收机(C101)与GPS服务器通信连接，以接收信号接收机(C101)输入的GPS位置信号并转化为通讯信号传递于GPS服务器，GPS服务器将接收的GPS信号处理并发布到与导航服务器(C104)之间相连的通信接口，导航服务器(C104)通过该通信接口获取数据并使用。
产生时间延迟的因素主要有4部分，一是GPS内在的计算时间，即从信号发出到接收机处理完毕所经过的时间；二是从GPS接收机传输到航空计算资源分区ACR的传输时间；三是ACR中GPS服务器处理并更新接口所耗费的时间；四是ACR中导航服务器读取接口数据并使用所耗费的时间。
本方法采用三步进行延迟时间的估算，第一步比较GPS更新时间和导航服务器更新时间，选择延迟估算时间相对接近的一种；第二步增加一个时间延迟的估计值△test，最大限度的减少未知延迟时间的影响，且将误差最大值限定在△test范围内；第三步，给出最佳时间延迟估算策略。下面详细描述：
(一)比较GPS更新时间和导航服务器更新时间
图3为本发明中GPS更新之间的延时示意图；其中△tGPSB102是GPS更新之间经过的GPS时间(即GPS时间戳之间的时间)；△tNavB112是导航服务器更新之间经过的ACR时间(即消息接收间隔时间)；△t0B110是第一次更新时的未知时间延时；△tnB104是第n此更新期间的未知时间延时；△tacr,0B111是第一次更新期间测量的时间延迟(第一次更新时GPS服务器发布到接口到导航服务器使用的时间)；△tacr,nB105是第n次更新期间测量的时间延迟(第n此更新时GPS服务器发布到接口到导航服务器使用的时间)；T0B101是第一次GPS定位的实际计算时间；TnB103是第n次GPS定位的实际计算时间；Tn+1B106是导航服务器接收第n次GPS定位的实际使用时间。
估计第n次GPS定位的实际接收时间，不包含未知时间延迟：
TNav,n＝T0+△tNav+△tacr,0按导航服务器时间估算
TGPS,n＝T0+△tGPS+△tacr,n＝Tn+△tacr,n按GPS时间估算
实际时间延迟：
Tn+1-Tn
估计时间延迟，不包含未知时间延迟：
TNav,n-Tn
估计时间的误差：
Tn+1-TNav,n＝△t0按导航服务器时间估算
Tn+1-TGPS,n＝△tn按GPS时间估算
由于经过时间导致的估计时间的差异
TGPS,n-TNav,n＝△t0-△tn
由于时间延迟由一个已知和未知的分量组成，该算法通过比较GPS时间戳之间的经过时间和导航服务器使用GPS消息之间的经过时间，来尽量减少未知分量。
如果TGPS,n-TNav,n>0,即△t0>△tn，那么按GPS时间估算的误差较小，其更新的未知时间延迟更小。因此，TGPS和TNav相比，TGPS对实际时间的估计更准确，将导航服务器的时间表示按TGPS,n同步，可以进一步减少对时间延迟估计的误差。
反之，如果TGPS,n-TNav,n<0，那么按GPS时间估算的误差较大，因为△t0<△tn。因此，导航服务器的时间表示TNav,n是对实际时间的更准确估计，因为经过的时间占到了增加的时间延迟。
(二)增加一个时间延迟的估计值△test
估计时间中的误差由于未知的时间延迟(图2中△t0B110&△tnB104)的存在而总是存在。通过增加一个时间延迟的估计值△test，将未知的时间延迟分为两部分，利用观测试验对△test进行测算，可以将这种延迟的影响进一步减小。具体分析如下：
1.增加△test的原理分析
假设△tu,0为总的未知时间延迟中未被△test覆盖的未知分量部分，那么
△t0＝△test+△tu,0第一次更新的未知时间延迟
△tn＝△test+△tu,n第n次更新的未知时间延迟
将估计的时间延迟应用于GPS更新后的实际时间估计及其相应的误差，得出第n次GPS定位的实际接收时间估计：
TNav,n＝T0+ΔtNav+Δtacr,0+Δtest按导航服务器时间估算
TGPS,n＝T0+ΔtGPS+Δtacr,n+Δtest按GPS时间估算
估计时间误差：
Tn+1-TNav,n＝Δtu,0按导航服务器时间估算
Tn+1-TGPS,n＝Δtu,n按GPS时间估算
由于经过的时间导致的估计时间差异：
TGPS,n-TNav,n＝Δtu,0-Δtu,n
如果估算值△test接近实际时间延迟△t0&△tn，则可以显著减少误差。并且该误差的大小限制为△test。
因为Δtn>＝0&Δtn＝Δtest+Δtu,n,
如果Δtu,n<0,
|Δtu,n|＝<Δtest
2.△test的估算方法
△test的估算主要靠经验数据的分析提炼来定值。收集多次飞行数据的记录数据，比较飞行数据中大气数据姿态航向参考系统ADAHR和GPS轨迹的拐弯之间不同步的实际偏差值，求出该偏差值的平均值，结合GPS的更新周期，得出适用于该机的最佳△test值。
(三)给出最佳策略
导航服务器根据步骤(一)和步骤(二)的结果，给出最佳估算策略，求出最终的延迟时间估算值。
采用本技术方案，通过算法比较GPS时间戳之间的经过时间和导航服务器使用GPS消息之间的经过时间，以减少未知分量，减小GPS时间估算的误差，TGPS和TNav相比，TGPS对实际时间的估计更准确，将导航服务器的时间表示按TGPS,n同步，可以进一步减少对时间延迟估计的误差；由于该算法中还增加了估计值△test，最大限度的减少未知延迟时间的影响，并且将误差值限定在估计值内，因此估算的GPS信号延迟更加精确，对于飞行动态中的GPS信号定位具有更大的辅助作用。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。