区域导航卫星系统广播星历及钟差参数计算方法

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区域导航卫星系统广播星历及钟差参数计算方法
申请号	CN202111053611.9	申请日	2021-09-08	公开(公告)号	CN114035211A	公开(公告)日	2022-02-11
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	周善石; 胡小工; 刘利; 唐成盼; 曹月玲; 郭睿; 刘金获; 李晓杰; 刘帅; 杨宇飞; 郭靖蕾; 蒲俊宇;
摘要	本发明涉及卫星导航技术领域，提出一种区域导航卫星系统的广播星历及钟差参数计算方法，包括在L波段进行观测以获取L波段的星地双向时间同步观测数据以及伪距相位观测数据；对所述星地双向时间同步观测数据进行预处理和比对以计算星地双向测定钟差；对所述伪距相位观测数据进行数据预处理，并且扣除所述星地双向测定钟差以获得无钟差的距离测量数据；基于所述无钟差的距离测量数据进行多星统计学定轨以获得轨道参数；利用卫星初轨以及太阳辐射压经验参数确定区域导航卫星系统的广播星历；以及从所述星地双向测定钟差扣除常数偏差，并且进行钟差预报以确定区域导航卫星系统的钟差。
权利要求	1.一种区域导航卫星系统的广播星历及钟差计算方法，其特征在于，由区域导航卫星系统执行下列动作：在L波段进行观测以获取L波段的星地双向时间同步观测数据以及伪距相位观测数据，其中所述星地双向时间同步观测数据包括星地上行观测数据以及星地下行观测数据；对所述星地双向时间同步观测数据进行预处理和比对以计算星地双向测定钟差；对所述伪距相位观测数据进行数据预处理，并且扣除所述星地双向测定钟差以获得无钟差的距离测量数据；基于所述无钟差的距离测量数据进行多星统计学定轨以获得轨道参数，其中所述轨道参数包括卫星初轨、太阳辐射压经验参数以及所述星地双向测定钟差的常数偏差；利用所述卫星初轨以及太阳辐射压经验参数确定区域导航卫星系统的广播星历；以及从所述星地双向测定钟差扣除所述常数偏差，并且进行钟差预报以确定区域导航卫星系统的钟差。 2.根据权利要求1所述的区域导航卫星系统的广播星历及钟差计算方法，其特征在于，对星地双向时间同步观测数据进行预处理包括：分别从所述星地上行观测数据和星地下行观测数据扣除误差项，并且通过预报轨道获得星地上行O‑C序列和星地下行O‑C序列。 3.根据权利要求2所述的区域导航系统的广播星历及钟差计算方法，其特征在于，计算所述星地双向测定钟差包括分别对星地上行O‑C序列和星地下行O‑C序列进行时标对齐并且依次作差。 4.根据权利要求1所述的区域导航卫星系统的广播星历及钟差计算方法，其特征在于：对所述伪距相位观测数据进行数据预处理以获得无电离层组合观测数据，并且从所述双频无电离层组合观测数据中扣除所述星地双向测定钟差以获得所述无钟差的距离测量数据。 5.根据权利要求4所述的区域导航卫星系统的广播星历及钟差计算方法，其特征在于，所述数据预处理包括粗差剔除、周跳探测以及扣除群延迟参数。 6.根据权利要求1所述的区域导航卫星系统的广播星历及钟差计算方法，其特征在于，所述多星统计学定轨采用的力学模型包括：地球对卫星的中心引力；保守力摄动，所述保守力摄动包括体摄动、地球形状摄动、固体潮摄动以及海潮摄动；以及非保守力摄动，所述非保守力摄动包括太阳直射辐射压摄动、地球反照辐射压摄动以及卫星本体辐射摄动。 7.根据权利要求1所述的区域导航卫星系统的广播星历及钟差计算方法，其特征在于，利用所述卫星初轨以及太阳辐射压经验参数确定区域导航卫星系统的广播星历包括下列步骤：利用所述卫星初轨以及所述太阳辐射压经验参数进行动力学轨道预报以获得预报数值轨道；以及以所述预报数值轨道为输入进行区域导航卫星系统的广播星历的拟合以获得所述广播星历。 8.根据权利要求1所述的区域导航卫星系统的广播星历及钟差计算方法，其特征在于：由区域导航卫星系统分别播发所述广播星历以及所述区域导航卫星系统的钟差。
说明书全文	区域导航卫星系统广播星历及钟差参数计算方法技术领域 [0001] 本发明总的来说涉及卫星导航技术领域。具体而言，本发明涉及一种区域导航卫星系统的广播星历及钟差参数计算方法。背景技术 [0002] 在我国目前经济底子薄、技术积累不足，难以直接构建全球导航卫星系统的情况下，可以通过发射少量卫星，部署GEO卫星(地球静止轨道卫星)、IGSO卫星(倾斜地球同步轨道卫星)和MEO卫星(地球中圆轨道卫星)构成的混合星座构建区域卫星导航系统，来为区域范围内军民提供陆、海、空导航定位服务，以满足国家安全、经济和社会发展对时空基准的需求。我国北斗二号卫星导航系统是第一个提供服务的区域卫星导航系统。印度NAVIC系统和日本QZSS系统也都提出利用少量卫星组合混合星座实现区域导航服务。 [0003] 卫星广播星历与钟差参数精度是卫星导航系统服务性能的关键因素。然而相比于全球卫星导航系统，区域卫星导航系统的卫星广播星历与钟差参数计算过程中存在下列问题： [0004] 地球静止轨道卫星是空间组合混合星座中重要的组成部分，然而地球静止轨道卫星的静地特性会导致在定轨过程中区域卫星导航系统地面监测网的测距误差被放大，造成地球静止轨道卫星的定轨精度严重下降。 [0005] 由于卫星的高度较高，卫星精密定轨处理时卫星轨道和钟差参数相关性也会随之增加，定轨解算获得的卫星钟差参数因此包含周期性波动，预报性较差。 [0006] 区域卫星导航系统的区域跟踪网对倾斜地球同步轨道卫星、地球中圆轨道卫星的跟踪弧段不足，导致卫星轨道预报精度衰减较快。 [0007] 以及由于卫星进出地影期间太阳辐射压模型误差的增加，卫星轨道精度会严重恶化。 [0008] 针对区域卫星导航系统在卫星广播星历与钟差参数计算过程中存在的上述问题，北斗二号卫星导航系统采用精密定轨与时间同步独立开展的技术方案，其中采用L波段区域跟踪网伪距相位数据计算卫星广播星历，并且采用L波段星地双向时间同步测量卫星钟差。其避免了卫星轨道与钟差相互耦合带来的卫星钟差序列的周期波动。上述卫星轨道与钟差参数的独立计算虽然有效解决了不利条件下的北斗二号精密定轨与时间同步难题，但是也存在下列新的问题： [0009] 用于L波段星地双向时间同步的卫星信号并不与导航信号完全相同，因此卫星钟差参数会存在常数偏差。 [0010] 以及由于区域跟踪网几何构型较差、卫星定轨几何精度因子较大、太阳辐射压模型误差较大等因素，导致卫星轨道精度较低并且随着卫星进出地影卫星轨道精度的衰减明显。发明内容 [0011] 为至少部分解决现有技术中卫星钟差参数会存在常数偏差以及卫星轨道精度较低并且随着卫星进出地影卫星轨道精度的衰减明显的这些问题，本发明提出一种区域导航卫星系统的广播星历及钟差参数计算方法，包括： [0012] 在L波段进行观测以获取L波段的星地双向时间同步观测数据以及伪距相位观测数据，其中所述星地双向时间同步观测数据包括星地上行观测数据以及星地下行观测数据； [0013] 对所述星地双向时间同步观测数据进行预处理和比对以计算星地双向测定钟差； [0014] 对所述伪距相位观测数据进行数据预处理，并且扣除所述星地双向测定钟差以获得无钟差的距离测量数据； [0015] 基于所述无钟差的距离测量数据进行多星统计学定轨以获得轨道参数，其中所述轨道参数包括卫星初轨、太阳辐射压经验参数以及所述星地双向测定钟差的常数偏差； [0016] 利用所述卫星初轨以及太阳辐射压经验参数确定区域导航卫星系统的广播星历；以及 [0017] 从所述星地双向测定钟差扣除所述常数偏差，并且进行钟差预报以确定区域导航卫星系统的钟差。 [0018] 在本发明一个实施例中规定，对星地双向时间同步观测数据进行预处理包括：分别从所述星地上行观测数据和星地下行观测数据扣除误差项，并且通过预报轨道获得星地上行O‑C序列和星地下行O‑C序列。 [0019] 在本发明一个实施例中规定，计算所述星地双向测定钟差包括分别对星地上行O‑C序列和星地下行O‑C序列进行时标对齐并且依次作差。 [0020] 在本发明一个实施例中规定：对所述伪距相位观测数据进行数据预处理以获得无电离层组合观测数据，并且从所述双频无电离层组合观测数据中扣除所述星地双向测定钟差以获得所述无钟差的距离测量数据。 [0021] 在本发明一个实施例中规定，所述数据预处理包括粗差剔除、周跳探测以及扣除群延迟参数。 [0022] 在本发明一个实施例中规定，所述多星统计学定轨采用的力学模型包括： [0023] 地球对卫星的中心引力； [0024] 保守力摄动，所述保守力摄动包括体摄动、地球形状摄动、固体潮摄动以及海潮摄动；以及 [0025] 非保守力摄动，所述非保守力摄动包括太阳直射辐射压摄动、地球反照辐射压摄动以及卫星本体辐射摄动。 [0026] 在本发明一个实施例中规定，利用所述卫星初轨以及太阳辐射压经验参数确定区域导航卫星系统的广播星历包括下列步骤： [0027] 利用所述卫星初轨以及所述太阳辐射压经验参数进行动力学轨道预报以获得预报数值轨道；以及 [0028] 以所述预报数值轨道为输入进行区域导航卫星系统的广播星历的拟合以获得所述广播星历。 [0029] 在本发明一个实施例中规定：由区域导航卫星系统分别播发所述广播星历以及所述区域导航卫星系统的钟差。 [0030] 本发明至少具有如下有益效果：该发明降低了精密定轨处理卫星轨道参数与钟差参数的相关性，改善了定轨解算的几何精度因子，可提升卫星定轨精度，规避太阳辐射压模型误差对定轨精度的影响；并且本发明实现了L波段星地双向时间同步设备时延的高精度标定，提高卫星钟差参数精度，可以实现卫星钟差参数与导航信号的闭环；另外本发明避免了卫星广播星历和钟差参数的独立计算，构建了一种卫星轨道与钟差参数的一体化解算方法，可以增加卫星广播星历和钟差参数的自洽性，提升卫星空间信号精度和服务性能。通过本发明方法可以将导航卫星平均用户等效距离误差由2m减小至0.9m，定位精度由4.1m提升至2.1m，精度提升幅度超过50％。附图说明 [0031] 为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。 [0032] 图1示出了本发明一个实施例中区域导航卫星系统的广播星历及钟差参数计算的流程示意图。具体实施方式 [0033] 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。 [0034] 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。 [0035] 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。 [0036] 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。 [0037] 在本发明中，术语“L波段”是指频率在1‑2GHz的无线电波波段。 [0038] 在本发明中，术语“周跳”(cycle slips)是指在载波相位测量中，由于卫星信号的失锁而导致的整周计数的跳变或中断。 [0039] 在本发明中，术语“群延迟”是指信号通过被测器件的各正弦分量的振幅包络的时延。 [0040] 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。 [0041] 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。 [0042] 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。 [0043] 下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。 [0044] 如图1所示，在本发明一个实施例中提出一个区域导航卫星系统的广播星历及钟差计算方法，包括下列步骤： [0045] 步骤一、由区域卫星导航系统在L波段进行观测以获取L波段的星地双向时间同步观测数据以及伪距相位观测数据，其中所述星地双向时间同步观测数据包括星地上行观测数据以及星地下行观测数据。 [0046] 步骤二、由区域卫星导航系统对L波段的星地双向时间同步观测数据进行预处理和比对，以实时计算生成星地双向测定钟差。进行预处理包括下列步骤：分别从所述上行观测数据和下行观测数据中扣除误差项，并且通过预报轨道获得星地上行O‑C(Observation Minus Computation观测值与计算值之差)序列和星地下行O‑C序列。比对计算星地双向测定钟差包括分别对星地上行O‑C序列和星地下行O‑C序列进行时标对齐并且依次作差。通过步骤二中的上述计算，可以实时获到星地双向测定钟差，减少了中间环节，减小了星地双向时间同步测量大气延迟误差的影响。 [0047] 步骤三、由区域卫星导航系统从L波段的伪距相位观测数据中扣除所述卫星双向测定钟差以获得无钟差的距离测量数据。其中可以首先对所述伪距相位观测数据进行数据预处理以构建无电离层组合观测数据，构建无电离层组合模型的过程中可以包括粗差剔除、周跳探测以及扣除群延迟参数等步骤。然后从所述双频无电离层组合观测数据中扣除所述星地双向测定钟差即可以获得消除了卫星钟差观测的、有常数偏差的所述无钟差的距离测量数据。通过步骤三中的上述计算实现区域卫星导航系统的轨道参数与钟差参数的解耦，进而可以提升区域卫星导航系统的广播星历的参数精度。 [0048] 步骤四、由区域卫星导航系统以所述无钟差的距离测量数据为输入进行多星统计学定轨，通过所述多星统计学定轨可以获得下列轨道参数：卫星初轨、太阳辐射压经验参数以及所述星地双向测定钟差的常数偏差和测站钟差。 [0049] 其中所述多星统计学定轨采用的力学模型包括地球对卫星的中心引力、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、固体潮、海潮摄动，非保守力摄动包括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。具体而言，力学模型中地球引力场例如可以采用12×12阶JGM‑3模型，行星历表例如可以采用JPL DE405参数，章动模型例如可以采用IAU80模型，太阳光压和地球反照辐射压模型例如可以采用ECOM模型，固体潮例如可以采用IERS2010模型。 [0050] 步骤五、由区域卫星导航系统利用步骤三中获得的卫星初轨以及太阳辐射压经验参数进行动力学轨道预报。通过动力学轨道预报可以获得预报数值轨道。并且以所述预报数值轨道为输入可以进行区域导航卫星系统的广播星历的拟合，从而获得所述广播星历。 [0051] 步骤六、由区域卫星导航系统从所述星地双向测定钟差扣除所述常数偏差，并且进行钟差预报以确定区域导航卫星系统的钟差。通过从所述星地双向测定钟差扣除所述常数偏差的步骤，可以实现非导航载荷测定钟差与导航信号的闭环。 [0052] 步骤七、由区域卫星导航系统分别播发所述广播星历和扣除常数偏差的卫星钟差参数。上述步骤七可以保证广播星历和钟差参数的自洽性、卫星钟差的物理特性和可预报性。 [0053] 尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。