CN101702030A - 一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法,涉及导航卫星精密定轨领域,属于天体测量与天体力学学科。
背景技术
IGS介绍:IGS的出现和成功运行极大推动了GPS技术在各个领域的应用,促进了世界范围内的科学研究的发展和社会生产生活水平的提高。IGS收集、整理、发布高精度的GNSS数据以满足广泛的应用与科学实验的要求。精密卫星星历是IGS提供的两类核心产品之一,当前IGS定轨精度达到5cm(各分析中心的轨道互差)。IGS布站模式是在全球范围内布置很多站点(目前有几百个),每个站点配置测地型GPS接收机;然后对各站的GPS观测数据进行事后处理,得到高精度的卫星轨道和星钟等产品。
IGS系统中测量方法和定轨数据处理方法的不足:IGS各站没有配置高精度时间同步系统,并且大多数站没有配备原子钟。IGS的处理方法是对轨道、钟差以及其它参数统一解算(非差方法是统一计算;双差方法是在解算轨道等参数后,进而再计算钟差)。这种方法主要有2个问题:(1)对MEO卫星的观测,在区域布站情况下,几何因子不好,并且观测弧段受限,因而影响定轨精度;(2)对GEO卫星观测,几何因子不好,并且由于卫星相对静止,轨道与钟差难以分离,因而影响定轨精度。
所以在IGS模式的区域跟踪网情况下,卫星测轨的几何因子受限,影响定轨精度。尤其是对地球静止轨道卫星(GEO卫星),在定轨过程中,不仅几何因子受限,并且钟差和轨道难以分离,实现卫星精密定轨比较困难。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法,以站间高精度时间同步为约束条件,来分离系统误差(站间钟差),减少定轨解算参数,提高提高定轨和预报精度。
本发明的思想在于:
技术方案
一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法,其特征在于:在区域网各站配备原子钟和纳秒级时间同步系统,区域网各站接收导航卫星的测距信号,得到各站的载波相位数据,利用各站载波相位数据进行导航卫星精密定轨的具体步骤如下:
步骤1:采用Blewitt方法探测载波相位数据的周跳发生时刻,同时通过双向卫星时间频率传递方法TWSTFT,进行各站间的时间同步得到各站之间的钟差;
步骤2:采用相位平滑伪距的方法修复载波相位数据的周跳,得到连续的载波相位数据;
所述的X=[σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,σ6,b1,b2,b3,b4,]T,其中σ1为X方向的位置坐标、σ2为Y方向的位置坐标、σ3为Z方向的位置坐标、σ4为X方向的速度、σ5为Y方向的速度、σ6为Z方向的速度、b1为光压参数、b2载波相位数据的整周模糊度参数、b3站钟差参数、b4星钟差参数;t为与X对应的时刻;
解算步骤为:
步骤b:以各站的载波相位数据与近似轨道进行差值计算,得到各站的定轨残差O-C;
步骤c:当各站的定轨残差O-C大于门限值时,将各站的定轨残差O-C与轨道X0进行矢量相加得到X′0,以X′0替代X0重复步骤a~步骤c;
步骤d:当各站的定轨残差O-C均小于门限值时,确认本次步骤时的X′0为导航卫星的初始时刻的轨道,本次步骤时的X(t)为导航卫星在定轨弧段内任意时刻的轨道。
所述的门限值0.05~1米。
有益效果
本发明提出的一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法,在IGS模式的区域布站情况下,在各站配备原子钟和高精度的时间同步系统。在定轨数据处理之前,首先实现高精度的站间时间同步(即:得到站间钟差)。在定轨数据处理中,采用改进的非差方法,只需要解算轨道,不必求解站间钟差,不仅可改善几何因子,还有利于分离系统误差(站间钟差)。因而可提高定轨精度。
1)在原子钟和站间钟差约束条件下,有助于解决周跳探测与修复,和模糊度的解算。
a)各站接收机外接高性能原子钟信号,提高载波相位观测值的稳定性,有利于探测周跳。使用Blewitt方法探测周跳,该方法对电离层变化的影响比较敏感。因此在电离层活动剧烈的情况下,需使用消除电离层的组合,这时该方法对接收机的钟性能比较敏感。因此各站配备高性能原子钟,有利于周跳的探测。
b)站间通过TWSTFT实现时间同步,有利于模糊度的解算。
各站通过双向卫星时间频率传递技术(TWSTFT),实现高精度的站间时间同步。通过双向卫星时间传递可以近实时的实现站间高精度时间传递。时间同步准确度可达到约0.5ns~0.75ns,稳定度达到约0.1ns。(IGS钟差产品的站间时间同步准确度受接收机和天线时延校准的影响,校准水平目前约3ns;钟差产品的稳定度约0.1ns。
各站星钟差(地面站钟与卫星钟的差)、整周模糊度是密切相关的。利用TWSTFT事先实现站间同步,对于定轨是较好的约束条件。
根据伪距测量的表达式:
ρ=l+τion+τtron+Δt+nT
在上式中,ρ为对某颗星的伪距观测值,l为地面站到卫星的几何距离,τion为信号传播路径上的电离层附加时延,τiron为信号传播路径上的对流层附加时延,Δt为站星钟差,nT为相位观测的整周模糊度。
从该式子可以看出,各个站星钟差(地面站与卫星的钟差)、载波相位整周模糊度之间存在很强的相关性。因此给跟踪网各站接收机外接原子钟信号,并且在各站用TWSTFT实现高精度时间同步的约束条件下,有助于解决周跳探测与修复问题,有助于模糊度的解算。
2)通过高精度站间钟差(并且它是独立于导航系统之外的手段)的辅助,在定轨过程中,有利于分离系统误差(站间钟差),有效减少定轨参数,改善广义几何因子,从而提高定轨和预报精度、提高定轨计算的稳定性。
这里,我们引入“广义几何因子”(EDOP)的概念,来描述本发明中改进的定轨算法的优越性。为此首先介绍GDOP的含义,然后引入EDOP的概念。
①GDOP的含义是:(在接收机定位应用中)将用户的定位和定时误差参数,和伪距误差参数相关联起来的几何因子。
即:
式中,左边是总的定位误差,右边的σUERE是用户等效测距误差。
上式中,向量αi=(αxi,αyi,αzi)是指向第i颗卫星位置的单位矢量。
②本发明中,我们引入的EDOP概念。其含义是:(在卫星定轨计算中)将卫星轨道根数、星钟差参数、光压参数、相位观测的整周模糊度参数等相互独立的很多待解参数,和伪距误差参数相关联起来的几何因子。
式中,D11,D22,D33,D44与GDOP定义中的含义类似,但这里是指定轨过程,即“倒GPS定位”过程。从D55到Dnn对应于其他独立的待解参数。
从EDOP的定义可以看出,在定轨计算过程中,若需要求解的相互独立的未知数个数越少,则EDOP越小,则定轨精度越高。以5个跟踪站为例,在可以减少4个独立的星地钟差参数,有效改善EDOP,提高定轨精度。
附图说明
图1:跟踪站配置方案和整个系统的硬件配置框图
图2:零基线比对系统硬件结构
图3:本方法的流程总体结构框图
图4:昆明站的载波相位观测数据(预处理前)
图5:昆明站的载波相位观测数据(预处理后)
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
依托中科院国家授时中心的转发式测轨网(对通信卫星测轨),建立COMPASS卫星导航系统的国内测轨网(5个站),使用本发明方法,进行COMPASS的MEO卫星定轨试验。试验结果表明:在各测轨站配备原子钟和双向卫星时间频率传递系统的情况下,可有效提高卫星定轨和轨道预报精度。
建立5个测轨站,分别位于临潼(国家授时中心)、上海、长春、昆明和乌鲁木齐,构成国内测轨网。每个站除配备测地型COMPASS接收机外,还配备有高性能原子钟和双向卫星时间传递(TWSTFT)系统。测轨网配置方案如图1所示。
在各测轨站,由铯原子钟输出高稳性能的10MHz信号,送给COMPASS接收机。
采用Blewitt方法探测周跳;用双向卫星时间同步(TWSTFT)计算各站原子钟与主站原子钟的钟差:
各测轨站的COMPASS接收机,通过测量COMPASS卫星下行的信号,得到载波相位观测值。对各站的载波相位观测值,使用通用的Blewitt方法探测周跳。
在各测轨站,用SR620计数器(时间测量分辨率可达25ps)测量铯原子钟时间与COMPASS接收机的钟差,实现COMPASS接收机和铯原子钟的时间同步。设备连接如图2所示。
使用各站的“双向卫星时间频率传递”(Two-Way Satellite Time and FrequencyTransfer,常缩写为TWSTFT)系统,同时观测GEO通信卫星(试验中使用“鑫诺一号”卫星),实现站间时间同步,得到各测轨站原子钟与临潼站(主站)原子钟之间的钟差。在我们的TWSTFT观测中,使用20MChips伪码,并且连续观测,时间同步准确度优于1ns,稳定度达到约0.1ns。
采用“相位平滑伪距”方法,做载波相位数据预处理:
使用“相位平滑伪距”的方法,对5个站(临潼、上海、乌鲁木齐等)的载波相位观测数据进行预处理,修复周跳。具体如下:
地面接收机相对于实验卫星的观测方程如下:
Pi=ρ+cδt+δρtrop,i+δρion,i+εi (1)
Li=ρ+cδt+δρtrop,i-δρion,i+λiNi (2)
其中,Pi是伪距,Li是载波相位对应的距离,ρ是卫星至接收机的几何距离,δρtrop,i是对流层延迟,δρion,i是电离层延迟,εi是噪声,λi是波长,Ni是整周模糊度,δt是卫星钟差和接收机钟差总和,c是光速,下标i是对应的第i频率。
为消除一阶电离层影响,采取双频组合:
PC、LC分别是对应的无电离层组合,f1、f2分别为对应的频率,εPC是组合后的伪距噪声,λLC是组合后的波长,NLC是组合后的整周模糊度。
(4)式与(3)式相减:
在无相位周跳的时间段内,上述bLC除了随机噪声误差以外,基本保持为常数。对其在无相位周跳的时间段内进行平均,可以提高该量的精度。在探测到相位周跳后重新计算该参数值,将该值与(5)式右端第二项相加即可以得到相位平滑后的无电离层伪距观测量(即:预处理后的数据)。以昆明站为例,预处理之前的载波相位数据见图4,预处理后的载波相位数据见图5。
采用本发明的站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法进行导航卫星精密定轨:
传统的定轨计算方法为:根据观测数据,求解各站钟差、卫星钟差、轨道根数、光压参数等。本发明方法为:首先实现站间的双向卫星时间同步,将各站时间同步到主站,这样定轨解算的待解参数为主站与卫星的钟差(对单颗卫星定轨而言)、轨道根数、光压参数等。本发明方法与传统方法相比,待解算参数显著减少。
具体步骤如下:
根据牛顿第二定律进行推导,可以得到卫星的微分运动方程为:
这里X是待改进的状态量,它包括卫星的开普勒轨道根数σ(或:位置和速度矢量的3个分量),和光压参数(b1)、载波相位观测的整周模糊度参数(b2)、站钟差参数(b3)、星钟差参数(b4)。X为n维向量,有
X=[σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,σ6,b1,b2,b3,b4]T
对普通定轨方法,每个测站都有站钟差(例如5个测站,就有5个站钟差参数);而对本发明方法,各站已经实现时间同步,因此只有主站有站钟差,即:只有1个站钟差参数。
上式是n个一阶非线性方程组,其解的一般形式为:
X(t)=X(X0,t)
卫星的观测量是状态量的非线性函数,用下式表示:
式中,Yi表示ti时的实际观测值(简称观测值,记为O);
εi为随机噪声。
实际上由于初始状态量X0不准,计算值和观测值不相符。观测值与计算值值之差称为“O-C”或观测残差。精密定轨过程是通过一系列观测值来估计初始状态量X0的最佳估值我们在此使用最佳判据是加权的观测残差的均方和为最小。
具体的定轨计算步骤如下:
步骤b:以各站的载波相位数据与近似轨道进行差值计算,得到各站的定轨残差O-C;
步骤c:当各站的定轨残差O-C大于门限值(对本试验,门限值在0.05m~1m内选择)时,将各站的定轨残差O-C与轨道X0进行矢量相加得到X′0,以X′0替代X0重复步骤a~步骤c;
步骤d:当各站的定轨残差O-C均小于门限值时,确认本次步骤时的X′0为导航卫星的初始时刻的轨道,本次步骤时的X(t)为导航卫星在定轨弧段内任意时刻的轨道。
上述定轨方法的软件设计方案
在现有精密定轨软件(COD软件)的基础上,对相应模块进行修改,使用FORTRAN语言实现编程。软件总体流程图如图3所示。
定轨软件的基本流程为:
相位观测数据预处理,剔除野值;
相位平滑伪距方法,对周跳和模糊度进行处理;
零基线比对,对不同跟踪站接收机设备时延的相对测量和计算;
站间的双向卫星时间同步(TWSTFT)观测;
TWSTFT数据通信:各站的TWSTFT观测数据,实时传递到临潼主站;
实现TWSTFT归算软件,完成TWSTFT数据分析和处理,得到高精度的站间钟差;
TWSTFT比对结果显示:包括数值形显示、图形显示;
实现以站间时间同步为约束条件的定轨算法和软件;
对定轨结果做残差分析;
对比有站间同步的定轨结果,和无站间时间同步的定轨结果;
结束。
本发明方法定轨结果,以及与传统定轨方法结果的比较:
为了比较传统的定轨方法和本发明方法,我们使用对同一颗卫星的完全相同的测轨站数据,进行定轨和轨道预报。传统方法不使用站间时间同步数据;而本发明方法使用了站间时间同步数据,并使用本文改进的定轨算法。实际的结果如下所示。
传统方法结果:
(1)用重叠弧段方法表示的定轨结果
跟踪网为国家授时中心的国内5个跟踪站网,各站配备双向卫星时间比对系统、高性能原子钟、和COMPASS跟踪接收机。对COMPASS的MEO卫星进行跟踪和定轨。
每连续3天进行一次定轨计算,选取只有一天重叠的两次定轨进行轨道比较,以此作为检验定轨精度的手段。重叠比较如表1所示,从表1可以看出5月17日、5月19日、5月23日、5月27日的轨道重叠误差稍大,其他的轨道重叠误差在R方向上基本小于1米,三维位置基本小于10米。(说明:R方向为卫星与地心连线方向;T方向为轨道面的沿迹方向,即切向;N方向为法向。)
表1.2008年5月17日至5月28日定轨轨道重叠比较统计
RMS_R(m) | RMS_T(m) | RMS_N(m) | RMS_P(m) | |
20080517 | 1.777 | 9.485 | 11.494 | 15.008 |
20080518 | 0.546 | 1.668 | 2.874 | 3.368 |
20080519 | 1.112 | 11.375 | 13.849 | 17.956 |
20080520 | 1.055 | 3.561 | 3.544 | 5.134 |
20080521 | 1.374 | 3.251 | 9.816 | 10.431 |
20080522 | 0.564 | 4.659 | 4.333 | 6.388 |
20080523 | 1.655 | 12.570 | 11.666 | 17.229 |
20080524 | 0.929 | 4.552 | 2.301 | 5.185 |
20080525 | 0.708 | 3.457 | 4.920 | 6.055 |
20080526 | 0.399 | 2.584 | 5.541 | 6.127 |
20080527 | 1.729 | 11.109 | 11.103 | 15.801 |
20080528 | 1.662 | 28.529 | 12.887 | 31.349 |
(表中:RMS_P指卫星位置的均方根误差,其他类推)
(2)轨道预报结果
用前三天资料精密定轨,解算出轨道参数以及太阳光压系数进行预报,然后用精密轨道与之比较,如下表所示:
表2.2008年5月18日至5月23日轨道预报统计
RMS_R(m) | RMS_T(m) | RMS_N(m) | RMS_P(m) | |
20080518 | 1.762 | 16.331 | 11.236 | 19.901 |
20080519 | 0.647 | 4.847 | 2.991 | 5.732 |
20080520 | 1.281 | 8.393 | 14.537 | 16.834 |
20080521 | 1.224 | 9.278 | 3.581 | 10.020 |
20080522 | 1.326 | 5.863 | 9.642 | 11.362 |
20080523 | 0.628 | 4.457 | 4.264 | 6.200 |
本发明方法的结果
(1)用重叠弧段方法表示的定轨结果
以上每连续3天进行一次定轨计算,选取只有一天重叠的两次定轨进行轨道比较,以此作为检验定轨精度的手段。由下表可以看出增加站间时间同步数据后定轨的重叠误差要好很多。
表3.2008年5月17日至5月21日重叠弧段轨道差统计
RMS_R(m) | RMS_T(m) | RMS_N(m) | RMS_P(m) | |
20080517 | 0.479 | 2.260 | 0.211 | 2.320 |
20080518 | 0.350 | 1.920 | 4.088 | 4.530 |
20080519 | 0.556 | 6.683 | 6.030 | 9.018 |
20080520 | 1.217 | 3.977 | 2.574 | 4.892 |
20080521 | 1.058 | 2.296 | 4.882 | 5.498 |
(2)轨道预报结果
用前三天资料精密定轨,解算出轨道参数以及太阳光压系数进行预报,然后用精密轨道与之比较,如下表所示。从表4和表2的比较可以看出,本发明方法的轨道预报效果明显好于传统方法。
表4.2008年5月18日至5月23日轨道预报统计
RMS_R(m) | RMS_T(m) | RMS_N(m) | RMS_P(m) | |
20080518 | 0.407 | 6.875 | 0.223 | 6.890 |
20080519 | 0.343 | 5.278 | 4.276 | 6.801 |
20080520 | 0.525 | 1.903 | 5.852 | 6.176 |
20080521 | 1.362 | 6.768 | 2.449 | 7.325 |
20080522 | 1.018 | 3.600 | 4.646 | 5.965 |
20080523 | 0.163 | 2.889 | 0.762 | 2.992 |
Claims (2)
1.一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法,其特征在于:在区域网各站配备原子钟和纳秒级时间同步系统,区域网各站接收导航卫星的测距信号,得到各站的载波相位数据,利用各站载波相位数据进行导航卫星精密定轨的具体步骤如下:
步骤1:采用Blewitt方法探测载波相位数据的周跳发生时刻,同时通过双向卫星时间频率传递方法TWSTFT,进行各站间的时间同步得到各站之间的钟差;
步骤2:采用相位平滑伪距的方法修复载波相位数据的周跳,得到连续的载波相位数据;
所述的X=[σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,σ6,b1,b2,b3,b4,]T,其中σ1为X方向的位置坐标、σ2为Y方向的位置坐标、σ3为Z方向的位置坐标、σ4为X方向的速度、σ5为Y方向的速度、σ6为Z方向的速度、b1为光压参数、b2载波相位数据的整周模糊度参数、b3站钟差参数、b4星钟差参数;t为与X对应的时刻;
解算步骤为:
步骤b:以各站的载波相位数据与近似轨道进行差值计算,得到各站的定轨残差O-C;
步骤c:当各站的定轨残差O-C大于门限值时,将各站的定轨残差O-C与轨道X0进行矢量相加得到X′0,以X′0替代X0重复步骤a~步骤c;
步骤d:当各站的定轨残差O-C均小于门限值时,确认本次步骤时的X′0为导航卫星的初始时刻的轨道,本次步骤时的X(t)为导航卫星在定轨弧段内任意时刻的轨道。
2.根据权利要求1所述的站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法,其特征在于:所述的门限值0.05~1米。
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