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星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法

申请号 CN202111043462.8 申请日 2021-09-07 公开(公告)号 CN113885055A 公开(公告)日 2022-01-04
申请人 中国科学院上海天文台; 中国人民解放军32021部队; 中国人民解放军61081部队; 发明人 刘利; 唐成盼; 刘金获; 胡小工; 郭睿; 周善石; 李晓杰; 曹月玲; 刘帅; 杨宇飞; 郭靖蕾; 蒲俊宇;
摘要 本 发明 提供了一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法,其中该系统包括:误差修正单元,被配置为根据卫星钟差对北斗系统不同地面监测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正,其中:所述卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步;以及多星定轨单元,被配置为利用经误差修正单元修正后的定轨伪距观测量进行多星精密定轨。
权利要求

1.一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,包括:
误差修正单元,被配置为根据卫星钟差对北斗系统的不同地面监测站的接收机的定轨伪距观测量进行误差修正,其中所述卫星钟差是通过基于无线电双向法的星地时间同步确定的;以及
多星定轨单元,被配置为利用经误差修正单元修正后的定轨伪距观测量进行多星精密定轨。
2.如权利要求1所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,所述定轨伪距观测量误差修正通过如下公式进行:
s
ρ(tk)=R(tk‑δtk‑τ,tk‑δtk)+cδtk‑cδt+ΔDtrop+ΔDion+ΔDrel+ΔDant+ΔDtide+ΔDsys+εs
其中ρ为实测的伪距,t为卫星的钟面时,tk为接收机的钟面时,c为光速,卫星钟和接收s
机测站钟相对于标准时的钟差分别为δτ、δτk,τ为信号从卫星至接收机真实几何距离对应的传播时间,R(tk‑δtk‑τ,tk‑δtk)为卫星位置至接收机之间的几何距离,ΔDtrop为对流层延迟误差,ΔDion为电离层延迟误差,ΔDrel为广义相对论误差,ΔDant为天线相位中心偏差,ΔDtide为地球潮汐误差,ΔDsys为独立时间同步系统与监测接收机时频系统差,ε为偶然误差。
3.如权利要求2所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,利用跟踪站实测的气象观测数据,在定轨解算中完成对流层延迟误差的修正,伪距相位观测数据采用Saastamoinen‑Neil模型进行对流层延迟误差修正,在Saastamoinen‑Neil模型中,输入温度、气压和湿度完成对流层延迟误差计算;
在具备双频观测条件下,采用双频消电离层组合进行电离层延迟误差修正,在只具备单频观测条件下,采用欧洲定轨中心提供的全球精密电离层延迟模型,利用全球电离层延迟图计算各监测站与卫星所对应穿刺点的电离层延迟量。
4.如权利要求2所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,采用以下公式计算广义相对论误差:
2
Δτ=2·R·V/C
其中R、V分别为卫星的位置和速度矢量,C为光速;
采用以下公式计算地球潮汐误差:
式中,GM是地球引常数;GMj为引潮天体引力常数,j=2时为月球,j=3为太阳;
r,Rj分别为测站和引潮天体的地心位置, 为对应的单位矢量,h2为Love数,l2为Shida数;
对钟差进行修正,其包括卫星钟差和测站钟差的修正,测站钟差来源于多星定轨解算的测站钟差。
5.如权利要求4所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,北斗导航系统设计采用星地无线电双向时间比对方法进行导航卫星与主控站的时间同步,包括:
卫星S和地面k站分别在本地钟的控制下产生并发播伪码测距信号,地面站k在本地
1pps对应的钟面时Tk(t0)时刻观测得到下行伪距 该伪距中含有负的卫星钟差,卫星S在本地1pps对应的钟面时TS(t1)时刻观测得到上行伪距 该伪距中含有正的卫星
钟差;
同时,卫星将自己的上行伪距观测值通过通信链路发送给地面站k,地面站k利用本地测量的下行伪距和接收到的上行伪距求差,以得到卫星相对于地面站k的钟差,从而完成卫星与地面之间的时间比对,卫星与地面之间的时间比对结果即为卫星钟差。
6.如权利要求4所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,根据测站钟差来源于多星定轨解算的测站钟差,多星定轨采用多个测站对多颗卫星的观测量进行一体化定轨,得到高精度的轨道信息、动力学信息和测量信息;
监测接收机进行伪距观测,获得更高精度的相位数据;
多星定轨综合伪距与相位数据进行定轨,并进行对卫星钟差与测站钟差的估计,定轨中采用批处理最小二乘方法进行混合星座的精密轨道确定。
7.如权利要求1所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,根据各历元间卫星和接收机钟差变化量呈随机变化规律,对钟差进行简单多项式建模时,钟差多项式拟合残差被轨道部分参数吸收,多星定轨解算中对单历元卫星和接收机钟差进行建模与估计;
根据单历元需解算卫星和接收机钟差,精密定轨估计钟差参数;
多星定轨采用钟差约化算法,逐历元约化钟差参数,保留卫星状态参数和相位模糊度,以减小法方程大小,降低存储空间,加快求解速度。
8.如权利要求1所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,多星定轨单元利用经误差修正单元修正后的定轨伪距观测量进行多星精密定轨包括:
读取定轨参数,所述定轨参数包括定轨弧长、定轨用站、数据降频频度;
读取经误差修正单元修正后的监测站距离观测量;
利用读取的定轨参数和距离观测量进行轨道参数解算。
9.如权利要求8所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统,其特征在于,利用读取的定轨参数和距离观测量进行轨道参数解算包括:
确定动力学模型和观测模型以进行动力学定轨法;其中动力学模型为:
其中 是卫星的位置矢量和速度矢量,μ=GMe地心引力常数,ε是有关物理参数如辐射压系数等,t为任意时刻,t0为初始时刻, 是卫星的初始位置矢量和初始速度矢量, 为中心体的引力加速度和摄动加速度两项之和;
观测模型为:
Y=G(X,ρ,t)+v
其中Y为伪距观测量,X为轨道参数和动力学参数,ρ为运动学参数;
采用传统的基于最小二乘法的批处理方法进行参数估计。
10.一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法,其特征在于,包括:
由误差修正单元根据卫星钟差对北斗系统的不同地面监测站的接收机的定轨伪距观测量进行误差修正,其中所述卫星钟差是通过基于无线电双向法的星地时间同步确定的;
以及
由多星定轨单元利用经误差修正单元修正后的定轨伪距观测量进行多星精密定轨。

说明书全文

星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法

技术领域

[0001] 本发明总的来说涉及导航卫星技术领域,更具体而言涉及一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法。

背景技术

[0002] 我国的区域卫星导航系统采用GEO/IGSO/MEO卫星组成的混合星座,依靠境内的区域监测站实现对卫星的监测。与GPS和Galileo导航系统相比,该混合星座所具有的特殊性在于,目前导航卫星采用的定轨技术为多星多站支持条件下的伪距定轨方法。
[0003] 在伪距定轨方法中,我国区域卫星导航系统主要采用L波段的伪距导航体制。该导航体制首先需要从伪距数据中扣除卫星钟差和测站钟差的影响,然后才能进行伪距定轨。伪距定轨目前采用多星定轨的方法,同时解算卫星轨道、卫星钟差和测站钟差。GEO卫星是空间星座中重要的组成部分,但是GEO卫星的静地特性导致地面监测网中的测距误差会被放大至GEO卫星的定轨结果,导致卫星轨道与钟差参数相关性增加,从而造成GEO卫星的轨道精度明显差于IGSO卫星和MEO卫星。如果仅依靠境内区域监测站进行定轨处理,则会因网型较差而导致卫星轨道和钟差参数相关性较强。可见上述方法在应用于区域导航系统中的导航卫星精密定轨时有一定的局限性。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法,以解决现有的多星定轨应用于区域导航系统中的导航卫星精密定轨时有一定的局限性的问题。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明提供一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法,包括:
[0006] 误差修正单元,被配置为根据卫星钟差对北斗系统的不同地面监测站的接收机的定轨伪距观测量进行误差修正,其中所述卫星钟差是通过基于无线电双向法的星地时间同步确定的;以及
[0007] 多星定轨单元,被配置为利用经误差修正单元修正后的定轨伪距观测量进行多星精密定轨。
[0008] 可选的,在所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统中,所述定轨伪距观测量误差修正模型如下:
[0009] ρ(tk)=R(tk‑δtk‑τ,tk‑δtk)+cδtk‑cδts+ΔDtrop+ΔDion+ΔDrel+ΔDant+ΔDtide+ΔDsys+ε
[0010] 其中ρ为实测的伪距,ts为卫星的钟面时,tk为接收机的钟面时,c为光速,卫星钟和s接收机测站钟相对于标准时的钟差分别为δτ、δτk,τ为信号从卫星至接收机真实几何距离对应的传播时间,R(tk‑δtk‑τ,tk‑δtk)为卫星位置至接收机之间的几何距离,ΔDtrop为对流层延迟误差,ΔDion为电离层延迟误差,ΔDrel为广义相对论误差,ΔDant为天线相位中心偏差,ΔDtide为地球潮汐误差,ΔDsys为独立时间同步系统与监测接收机时频系统差,ε为偶然误差。
[0011] 可选的,在所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统中,利用跟踪站实测的气象观测数据,在定轨解算中完成对流层延迟误差的修正,伪距相位观测数据采用Saastamoinen‑Neil模型进行对流层延迟误差修正,在Saastamoinen‑Neil模型中,输入温度、气压和湿度完成对流层延迟误差计算;
[0012] 在具备双频观测条件下,采用双频消电离层组合进行电离层延迟误差修正,在只具备单频观测条件下,采用欧洲定轨中心提供的全球精密电离层延迟模型,利用全球电离层延迟图计算各监测站与卫星所对应穿刺点的电离层延迟量。
[0013] 可选的,在所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统中,采用以下公式计算广义相对论误差:
[0014] Δτ=2·R·V/C2
[0015] 其中R、V分别为卫星的位置和速度矢量,C为光速;
[0016] 采用以下公式计算地球潮汐误差:
[0017]
[0018] 式中,GM是地球引常数;GMj为引潮天体引力常数,j=2时为月球,j=3为太阳;
[0019] r,Rj分别为测站和引潮天体的地心位置, 为对应的单位矢量,h2为Love数,l2为Shida数;
[0020] 对钟差进行修正,其包括卫星钟差和测站钟差的修正,测站钟差来源于多星定轨解算的测站钟差。
[0021] 可选的,在所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统中,北斗导航系统设计采用星地无线电双向时间比对方法进行导航卫星与主控站的时间同步,包括:
[0022] 卫星S和地面k站分别在本地钟的控制下产生并发播伪码测距信号,地面站k在本地1pps对应的钟面时Tk(t0)时刻观测得到下行伪距 该伪距中含有负的卫星钟差,卫星S在本地1pps对应的钟面时TS(t1)时刻观测得到上行伪距 该伪距中含有正的卫星钟差;
[0023] 同时,卫星将自己的上行伪距观测值通过通信链路发送给地面站k,地面站k利用本地测量的下行伪距和接收到的上行伪距求差,以得到卫星相对于地面站k的钟差,从而完成卫星与地面之间的时间比对,卫星与地面之间的时间比对结果即为卫星钟差。
[0024] 可选的,在所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统中,
[0025] 根据测站钟差来源于多星定轨解算的测站钟差,多星定轨采用多个测站对多颗卫星的观测量进行一体化定轨,得到高精度的轨道信息、动力学信息和测量信息;
[0026] 监测接收机进行伪距观测,获得更高精度的相位数据;
[0027] 多星定轨综合伪距与相位数据进行定轨,并进行对卫星钟差与测站钟差的估计,定轨中采用批处理最小二乘方法进行混合星座的精密轨道确定。
[0028] 可选的,在所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统中,根据各历元间卫星和接收机钟差变化量呈随机变化规律,对钟差进行简单多项式建模时,钟差多项式拟合残差被轨道部分参数吸收,多星定轨解算中对单历元卫星和接收机钟差进行建模与估计;
[0029] 根据单历元需解算卫星和接收机钟差,精密定轨估计钟差参数;
[0030] 多星定轨采用钟差约化算法,逐历元约化钟差参数,保留卫星状态参数和相位模糊度,以减小法方程大小,降低存储空间,加快求解速度。
[0031] 可选的,在所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统中,多星定轨单元利用经误差修正单元修正后的定轨伪距观测量进行多星精密定轨包括:
[0032] 读取定轨参数,所述定轨参数包括定轨弧长、定轨用站、数据降频频度;
[0033] 读取经误差修正单元修正后的监测站距离观测量;
[0034] 利用读取的定轨参数和距离观测量进行轨道参数解算。
[0035] 可选的,在所述的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统中,利用读取的定轨参数和距离观测量进行轨道参数解算包括:
[0036] 确定动力学模型和观测模型以进行动力学定轨法;其中动力学模型为:
[0037]
[0038] 其中 是卫星的位置矢量和速度矢量,μ=GMe地心引力常数,ε是有关物理参数如辐射压系数等,t为任意时刻,t0为初始时刻, 是卫星的初始位置矢量和初始速度矢量, 为中心体的引力加速度和摄动加速度两项之和;
[0039] 观测模型为:
[0040] Y=G(X,ρ,t)+v
[0041] 其中Y为伪距观测量,X为轨道参数和动力学参数,ρ为运动学参数;
[0042] 采用传统的基于最小二乘法的批处理方法进行参数估计。
[0043] 本发明还提供一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法,包括:
[0044] 误差修正单元根据卫星钟差对北斗系统不同地面监测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正,其中:
[0045] 所述卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步;以及
[0046] 多星定轨单元利用经误差修正单元修正后的定轨伪距观测量进行多星精密定轨。
[0047] 在本发明提供的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法中,通过卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步,即卫星钟差源为星地时间同步解算的卫星钟差,由于星地时间同步解算的卫星钟差不受轨道误差影响,则根据卫星钟差对北斗系统不同地面监测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正,不仅降低了精密定轨时待估轨道参数与钟差参数的相关性,也提高了北斗卫星尤其是GEO卫星的定轨精度。
[0048] 本发明提出了星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法,该方法为一种高精度、高稳定度和独立的定轨方法,相比伪距定轨方法,该方法的优势在于:本发明的卫星钟差源为星地时间同步解算的卫星钟差,由于星地时间同步解算的卫星钟差不受轨道误差影响,降低了精密定轨时待估轨道参数与钟差参数的相关性,提高了北斗卫星尤其是GEO卫星的定轨精度。本方法有效提高了北斗区域卫星导航系统中导航卫星的定轨精度,提高了区域卫星导航系统的可用度。附图说明
[0049] 图1是本发明一实施例星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法流程示意图;
[0050] 图2是本发明一实施例星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法的预报24小时弧段的UERE精度示意图。

具体实施方式

[0051] 下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
[0052] 应当指出,各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出,而不一定是比例正确的。在各附图中,给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
[0053] 在本发明中,除非特别指出,“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外,“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系,而在一定情况下、如在颠倒产品方向后,也可以转换为“布置在…下或下方”,反之亦然。
[0054] 在本发明中,各实施例仅仅旨在说明本发明的方案,而不应被理解为限制性的。
[0055] 在本发明中,除非特别指出,量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
[0056] 在此还应当指出,在本发明的实施例中,为清楚、简单起见,可能示出了仅仅一部分部件或组件,但是本领域的普通技术人员能够理解,在本发明的教导下,可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外,除非另行说明,本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如,可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征,所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
[0057] 在此还应当指出,在本发明的范围内,“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等,而是允许一定的合理误差,也就是说,所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推,在本发明中,表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
[0058] 另外,本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出,各方法步骤可以以不同顺序执行。
[0059] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0060] 本发明的目的在于提供一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法,以解决现有的多星定轨应用于区域导航系统中的导航卫星精密定轨时有一定的局限性的问题。
[0061] 本发明的目的还在于提供一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法,该方法能够利用伪距数据联合使用星地时间同步方法提供的卫星钟差数据进行多星精密定轨,从而提高了定轨精度。
[0062] 为实现上述目的,本发明提供了一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法,包括:误差修正单元,被配置为根据卫星钟差对北斗系统不同地面监测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正,其中:所述卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步;以及多星定轨单元,被配置为利用经误差修正单元修正后的定轨伪距观测量进行多星精密定轨。
[0063] 具体的,本发明公开了一种星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法,包括:S1:对不同测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正,卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步;S2:利用经S1修正后的伪距观测量进行多星精密定轨。本发明降低了区域监测站下网型较差导致的卫星轨道与钟差参数相关性,同时降低了GEO的静地特性导致的GEO卫星轨道与钟差参数相关性,提高了定轨精度。基于北斗区域卫星导航系统中导航卫星的试验分析,星地双向钟差约束多星定轨的轨道预报24h的视向精度优于1.2m,用户等效距离误差精度优于2m。
[0064] 本实施例提供了星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法,多星定轨即采用多个测站对多颗卫星的观测量进行一体化定轨,得到高精度的轨道信息、动力学信息和测量信息。监测接收机不仅能够进行伪距观测,而且可以获得更高精度的相位数据。多星定轨可以综合伪距与相位数据进行定轨,并实现对卫星钟差与测站钟差的单历元估计获得高精度的卫星钟差和测站钟差,定轨中采用批处理最小二乘方法进行混合星座的精密轨道确定。
[0065] 本实施例的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法流程如图1所示,包括:S1:对北斗系统地面监测站接收机接受的伪距观测量进行误差修正,卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步;监测站接收机伪随机码测距的原理是通过对接收机的本地码和卫星信号的伪随机码进行相关处理,测定信号从卫星至接收机的传播时间τ′。若用T表s
示统一的北斗时,设t为卫星s的钟面时,tk为接收机k的钟面时,卫星钟和接收机钟相对于Ts
标准时的钟差分别为δτ、δτk,其定义为:
[0066]
[0067] 卫星s在卫星钟ts时刻发射信号(相应于北斗时Ts),于接收机钟tk时刻(相应于Tk时刻)到达接收机k,通过伪随机码测出观测量τ′,则
[0068] τ′=tk‑ts
[0069] =(Tk+δtk)‑(Ts+δts)=(Tk‑Ts)+(δtk‑δts)
[0070] =τ+δtk‑δts       (2)
[0071] 两边同时乘以光速c得:
[0072] ρ=cτ′=cτ+cδtk‑cδts=R(Ts,Tk)+cδtk‑cδts   (3)
[0073] 由于ts无法由观测得到,所以将上式写成以接收机钟面时tk为标准的观测方程:
[0074] ρ(tk)=R(tk‑δtk‑τ,tk‑δtk)+cδtk‑cδts   (4)
[0075] 其中ρ为实测的伪距,R(tk‑δtk‑τ,tk‑δtk)为卫星位置至接收机之间的几何距离,即是真实距离。考虑到前面分析的对流层延迟ΔDtrop和电离层延迟ΔDion以及广义相对论ΔDrel、天线相位中心偏差ΔDant、地球潮汐的影响ΔDtide、独立时间同步系统与监测接收机时频系统差ΔDsys,偶然误差ε等对τ的影响,则修正上式得到伪距非差观测模型:
[0076]
[0077] 对各测站接收机的定轨伪距观测量进行误差修正时,首先各跟踪站都进行了天线相位中心改正,即扣除天线相位中心偏差,其次从伪距数据中扣除相对论效应和地球潮汐误差,再次需要从L波段伪距数据中传播扣除对流层误差,非消电离层组合观测量还需要扣除电离层延迟误差,最后需要扣除卫星钟差与接收机测站钟差;
[0078] 对于天线相位中心改正,在测量设备出厂过程中均会进行精确标定,并将标定结果提供用户使用,因此可以利用厂家提供参数对此误差进行修正。
[0079] 对于对流层延迟误差,利用跟踪站实测的气象观测数据,在定轨解算中完成该误差的修正,伪距相位观测数据都是采用Saastamoinen‑Neil模型进行误差修正。在该模型中,输入温度、气压和湿度即可完成对流层延迟误差计算。
[0080] 对于电离层延迟误差,在具备双频观测条件下,采用双频消电离层组合其中f1、f2分别为两个频点的频率,L1、L2分别为两个频点伪
距观测量,通过LC组合可以消除电离层误差影响进行电离层误差修正,只具备单频观测条件下,采用欧洲定轨中心(CODE)提供的全球精密电离层延迟模型,利用全球电离层延迟图计算各监测站与卫星所对应穿刺点的电离层延迟量。
[0081] 对于广义相对论误差,可以采用以下公式进行计算:
[0082] Δτ=2·R·V/C2        (6)
[0083] 其中R、V分别为卫星的位置和速度矢量,C为光速。
[0084] 对于地球潮汐误差,可以采用以下公式进行计算:
[0085]
[0086] 式中,GM是地球引力常数;GMj为引潮天体引力常数(j=2时为月球,j=3为太阳),r,Rj分别为测站和引潮天体的地心位置, 为对应的单位矢量,h2为Love数,l2为Shida数。
[0087] 对钟差进行修正,其中包括卫星钟差和测站钟差的修正,卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步,测站钟差来源于多星定轨解算的测站钟差。
[0088] 伪距修正中的卫星钟差来源于基于无线电双向法的星地时间同步,北斗导航系统设计采用了星地无线电双向时间比对方法来实现导航卫星与主控站的时间同步。其基本原理是:卫星S和地面k站分别在本地钟的控制下产生并发播伪码测距信号,地面站k在本地1pps对应的钟面时Tk(t0)时刻观测得到下行伪距 (该伪距中含有负的卫星钟差),卫星S在本地1pps对应的钟面时TS(t1)时刻观测得到上行伪距 (该伪距中含有正的卫星钟差)。同时,卫星将自己的上行伪距观测值通过通信链路发送给地面站k,地面站k利用本地测量的下行伪距和接收到的上行伪距求差,就能够得到卫星相对于地面站k的钟差,从而完成卫星与地面之间的时间比对,卫星与地面之间的时间比对结果即为卫星钟差。
[0089] 测站钟差来源于多星定轨解算的测站钟差。多星定轨即采用多个测站对多颗卫星的观测量进行一体化定轨,得到高精度的轨道信息、动力学信息和测量信息。
[0090] 监测接收机不仅能够进行伪距观测,而且可以获得更高精度的相位数据。多星定轨可以综合伪距与相位数据进行定轨,并实现对卫星钟差与测站钟差的估计,定轨中采用批处理最小二乘方法进行混合星座的精密轨道确定。
[0091] 由于各历元间卫星和接收机钟差变化量呈随机变化规律,如果对钟差进行简单多项式建模时,会使钟差多项式拟合残差被轨道部分参数吸收,从而影响精密定轨精度。因此,多星定轨解算中对单历元卫星和接收机钟差进行建模与估计。
[0092] 由于单历元需解算卫星和接收机钟差,精密定轨需估计大量钟差参数。为提高处理效率,多星定轨将采用钟差约化算法,逐历元约化钟差参数,仅保留卫星状态参数、相位模糊度等全局参数,从而减小法方程大小,降低存储空间,加快求解速度。
[0093] 设观测误差方程为:
[0094] y=HX+ε         (8)
[0095] 其中y为观测量,H为系数矩阵,X为定轨解算参数即待估参数,ε为观测噪声,根据最小二乘原理,待解参数估值为:
[0096] X=(HTH)‑1HTy       (9)
[0097] 其中:待估参数为 为m0个全局参数, 为第i(i=1,2,…N)个观测历元mi个待估钟差参数,包括卫星和接收机钟差。
[0098] 法方程为(HT·H)·X=HT·y,分量形式为:
[0099]
[0100] 方程组第二式可化为: 代入方程组第一式即可消除第一历元钟差参数 整理后得:
[0101]
[0102] 按上述方法逐历元消除钟差,消除大量钟差参数,使得法方程仅保留卫星状态和相位模糊度等参数。
[0103] 由上述方法可以得到多星定轨的精密轨道结果和卫星钟差与测站钟差的解算结果。
[0104] 本实施例的星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨方法的S2包括:利用经S1修正后的伪距观测量进行定轨。具体如下:
[0105] S2.1,读取定轨参数;根据定轨需求,读取定轨中使用的各种参数,包括定轨弧长、定轨用站、数据降频频度,为定轨观测量生成提供有效信息;S2.2,读取通过S1预处理之后的伪距观测量,形成定轨观测量;S2.3,定轨解算。其中动力学定轨法首先要确定动力学模型和观测模型,动力学模型的求解过程如下:
[0106] 卫星在空间的运动由如下常微分方程初值问题来描述:
[0107]
[0108] 其中 是卫星的位置矢量和速度矢量,μ=GMe地心引力常数,ε是有关物理参数如辐射压系数等,t为任意时刻,t0为初始时刻, 是卫星的初始位置矢量和初始速度矢量, 为中心体的引力加速度和摄动加速度两项之和。摄动加速度由摄动力提供,摄动力相对于地球中心引力为小量,具体分两种类型,即保守力摄动和非保守力摄动,其中保守力摄动包括N体摄动、地球形状摄动、潮汐摄动(固体潮、海潮摄动),非保守力摄动包括大气阻力摄动、太阳直射辐射压摄动、地球反照辐射压摄动和卫星本体辐射摄动,对于GEO卫星,大气阻力摄动项可以忽略。其中地球引力场采用10×10阶JGM‑3模型,行星历表采用JPL DE403参数,章动模型采用IAU80模型,太阳光压和地球反照辐射压模型采用了简单的Box‑Wing模型,固体潮采用IERS96模型。对(12)式进行积分计算即可由初始历元t0时刻的位置速度矢量,推算任意时刻的位置速度矢量。方程(12)的解即为动力学模型的形式,其函数模型可写为如下形式:
[0109] X=F(X0,σ,t)       (13)
[0110] 其中X0为参考历元t0时刻状态量,即卫星的位置速度矢量,状态量的形式为:σ为动力学参数,主要包括太阳辐射压参数,即卫星表面反射系数。
[0111] 观测模型的求解过程如下:
[0112] 经过数据预处理后的伪距数据中的几何距离的定义如下:
[0113]
[0114] 式中Y为伪距观测量, 和 分别为t时刻卫星和测站在地心惯性系中的位置矢量,和 则为t时刻卫星和测站在地固系中的位置矢量,两种不同坐标系的位置矢量可以通过坐标旋转进行转换。将(13)式带入(14)式子即可得到修正后观测方程,其中(13)式中的X等同于(10)式 或 得到的函数模型可以写成如下形式:
[0115] Y=G(X,ρ,t)+v     (15)
[0116] 其中Y为伪距观测量,X为轨道参数和动力学参数。ρ为运动学参数,这里主要指各测站的公共系统误差。
[0117] 定轨解算还包括参数估计,参数估计采用传统的基于最小二乘法的批处理方法。动力学模型(13)式和观测模型(15)式中包含的动力学参数和运动学参数都具有不确定性,因此估计参数除了初始历元的位置速度外还应该包括动力学参数(太阳光压参数等)和运动学参数(各测站的公共系统误差)。(13)和(15)式为非线性方程,首先需要进行线性化:
[0118] Y=G(X,ρ,t)=G(F(X0,σ,t),ρ,t)+v   (16)
[0119] 组建新的状态量如下
[0120]
[0121] 则
[0122]
[0123] (16)式即为:
[0124] Y=G(F(X0,t))+v     (19)
[0125] 其中X0即为带估计状态量,动力学定轨需要初值,设状态量初值为 将(19)式在处展开为:
[0126]
[0127] 其中
[0128] 令 称 为 观 测 矩 阵 , 称 为 状 态 转 移 矩阵 ,略去(18)式的高阶项,最终的形式为:
[0129] y=HΦx0+v                     (21)
[0130] 根据最小二乘法,x0的最优估值为:
[0131]
[0132] 其中R‑1为的观测权矩阵,如果没有该信息则设置为单位矩阵, 和 分别为状态量与其权逆阵的先验值,如果没有此信息,都置为0。得出改正后的状态量为:
[0133]
[0134] 为定轨解算得到的轨道状态量和其余动力学参数及运动学参数。
[0135] 利用北斗区域监测网测量数据进行定轨试验,Sat01为GEO卫星,Sat08和Sat10为IGSO卫星,Sat11为MEO卫星,各卫星的定轨精度见表1。
[0136] 表1北斗卫星约束卫星钟差定轨的激光评估精度
[0137] 卫星 定轨残差 SLR评估外符视向精度Sat01 0.871 0.470
Sat08 0.655 0.185
Sat10 0.584 0.307
Sat11 0.818 0.368
[0138] 从表1中的数据可以看出,星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨的轨道视向精度优于0.5m,且定轨精度较稳定。
[0139] 由于导航用户的定位精度取决于测距误差和观测几何两方面。UERE正是反映了用户等效测距误差,因此UERE精度是评估轨道精度的另一种外符合手段,UERE的定义为:伪距数据扣除各种误差修正项后得到卫星到测站的距离观测量,然后与卫星到测站的理论距离(由短短弧定轨得到的精密轨道和已知测站坐标,可以计算测站到卫星的理论距离)作差,该差值即UERE值。表2给出了Sat01、Sat02、Sat03、Sat04和Sat05卫星在星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨预报24小时的UERE精度统计结果,Sat01、Sat02、Sat03、Sat04和Sat05均为GEO卫星。
[0140] 表2 GEO卫星定轨精度统计表(Unit:m)
[0141]卫星 UERE(RMS)
Sat01 0.55
Sat02 0.53
Sat03 0.52
Sat04 0.84
Sat05 1.15
[0142] 从表2中的结果可以看出本发明预报24小时UERE精度优于1.2m。图2给出了Sat01、Sat02、Sat03、Sat04和Sat05卫星预报24小时的UERE精度图,其中红色和绿色分别代表利用常规多星定轨预报轨道和固定卫星钟差定轨模式预报轨道计算的UERE。
[0143] 从图2中可以看出采用本发明提出的星地双向钟差约束的定轨方法进行多星精密定轨,预报24小时的UERE精度整体优于2m。其中UERE的线性变化趋势为轨道的周期性误差引起的,GEO卫星的轨道周期为1天,则UERE每天都有一个周期性的震荡。绿色曲线周期起伏明显小于红色曲线。固定卫星钟差后,GEO卫星UERE明显减小,轨道精度得到提升。
[0144] 基于上述试验,可以得出如下结论,星地双向钟差约束多星定轨的轨道预报24h的视向精度优于1.2m,且定轨精度较稳定,GEO卫星UERE精度整体优于2m,有效提高了北斗区域卫星导航系统中导航卫星特别是GEO卫星的定轨精度,提高了区域卫星导航系统的服务精度。
[0145] 综上,上述实施例对星地双向钟差约束的导航卫星多星定轨系统及方法的不同构型进行了详细说明,当然,本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型,任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容,均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
[0146] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
[0147] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述,并非对本发明范围的任何限定,本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。
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