CN103543454A - 一种嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统。包括有若干个移动通讯基站、卫星数据服务器、若干个移动用户，其中卫星数据服务器把计算出来的高精度轨道参数转发给移动用户,移动通讯基站将采集到的卫星原始数据发送到卫星数据服务器，卫星数据服务器把计算出来的高精度轨道参数提供给卫星地面控制中心，卫星地面控制中心再利用卫星地面站传输卫星轨道修正给导航同步卫星和倾斜轨道同步卫星。本发明通过大规模分布式的利用移动通讯基站来提供卫星原始数据的测量，卫星数据服务器通过网络收集移动通讯基站的测量数据后进行分析，计算同步卫星和倾斜轨道同步卫星的轨道参数，精密确定卫星位置，从而达到提高卫星导航系统精度的目的。

Description

一种嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统

技术领域

本发明是一种嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，属于嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统的改造技术。

背景技术

中国的北斗II卫星导航系统的空间段由三种卫星构成：同步卫星（GEO）、倾斜轨道同步卫星（IGSO）和中轨地球卫星（MEO）构成。同步卫星和倾斜轨道同步卫星可以提供在地球中轨卫星数量不足时，对地域性的区域事实导航服务。同步卫星和倾斜轨道同步卫星轨道约36000公里，比中轨地球卫星的高度22000公里高很多。同步卫星的高度使得它的轨道参数很难精密测量出来。

目前有下面几种方法用于精密定轨：

1.星载GPS几何法定轨：利用星载GPS测码伪距观测值进行几何法定轨的基本原理，是根据空间距离后方交会的原理，以星载GPS接收机观测到的4颗或4颗以上的GPS卫星距离观测量为基础，并根据已知的每一历元GPS卫星的瞬时坐标，利用迭代的方法，来确定每一历元低轨卫星星载GPS接收机天线的三维坐标及接收机钟差。根据观测量性质的不同，伪距可分为测码伪距和测相伪距，所以，几何法定轨也相应有测码伪距几何法定轨和测相伪距几何法定轨之分。其中，基于测码伪距的几何法定轨是星载GPS低轨卫星定轨中最常用的方法之一。几何法定轨的优点是原理清晰，处理简单。缺点是受伪距观测值精度的影响，定轨精度不高。在几何法定轨中，绝对定位所受的误差影响大,精度不高。而差分定位可以消除一些共同误差项的影响,精度大为提高。其中，伪距差分最适宜于星载GPS几何法实时定轨。采用伪距差分技术定轨,定轨误差与星地的距离有关,距离越大,误差也越大。差分技术定轨还受到差分站坐标误差、对流层延迟改正误差、多路径效应误差等系统误差的影响,若对这些系统误差进行改正,也将进一步提高定轨精度。

2.星载GPS低轨卫星动力学定轨：利用大量的GPS测量数据，建立适当的卫星运动动力学方程，采用动力法定轨，便可削弱偶然误差的影响，提高定轨的精度。该方法不要求连续不断的接收GPS信号，也不要求必须同时可见4颗以上的GPS卫星，可以通过解算精确的摄动力模型组成的动力方程，将后续观测时刻的卫星状态参数归算到初始位置，再由多次观测值确定初始时刻的卫星状态，然后再根据动力方程积分得到任意时刻的运动状态矢量。动力学轨道预报精度有待进一步提高，因为轨道预报的精度限制了积分弧段的长度和几何轨道动力学平滑的精度。低轨卫星由于受到大气阻力等摄动力的影响较大，因此需对各种摄动力模型进一步进行精化。

3.星载GPS低轨卫星卡尔曼滤波定轨：利用卡尔曼滤波可以进行实时定轨；也可以利用卡尔曼平滑技术，在某一段时间内对低轨卫星进行后处理精密定轨。利用传统卡尔曼滤波对低轨卫星定轨，滤波结果呈现发散，结果也没有最小二乘和自适应卡尔曼滤波稳定，其定轨结果不是很可靠。经典卡尔曼能够充分利用预报信息来提高滤波估值的精度，但不能控制粗差，而当观测模型中含有粗差时，自适应方法的估计结果也不理想。

4.GEO与IGSO卫星星间差分的精密定轨：在GEO卫星的局部地区轨道测定中，测站接收机的钟差很难与轨道同时解算，通常需要使用站间时间同步或其他方法消除钟差后才能进行GEO卫星的精密定轨，且所得轨道Z（惯性系）向的精度较差，因此提出了基于GEO与IGSO星间单差消去测站钟差的方案，利用IGSO卫星南北方向较大幅度的位置变化，解决局部地区轨道测定的GEO轨道需要站间时间同步以及轨道Z向较差的难题。该方法可消去测站接收机的钟差，直接解算GEO与IGSO卫星的轨道，可以减轻地面测站同步的负担，在现有条件下，可以同时获得高精度的GEO卫星与IGSO卫星的轨道，可见利用差分定轨的方式是可以提高卫星的定轨精度的。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能精密确定卫星位置，从而提高卫星导航系统精度的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统。本发明方便实用。

本发明的技术方案是：本发明的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，包括有若干个移动通讯基站、卫星数据服务器、若干个移动用户，其中卫星数据服务器把计算出来的高精度轨道参数转发给移动用户,移动通讯基站将采集到的卫星原始数据发送到卫星数据服务器，卫星数据服务器把计算出来的高精度轨道参数提供给卫星地面控制中心，卫星地面控制中心再利用卫星地面站传输卫星轨道修正给导航同步卫星和倾斜轨道同步卫星。

上述移动通讯基站上还设有基站电脑，移动用户通过数据网路与基站电脑连接。

上述移动通讯基站上还设有时间同步用的卫星接收机，卫星接收机用于卫星原始数据的采集并利用卫星时间来实现时间同步。

本发明利用移动网的固有硬件，包括移动网的数据传输和基站上安装的时间同步卫星定位接收机，建立大规模的差分和网路实时动态（NRTK）卫星定位增强系统。本系统不仅可以给上亿的手机用户提供米级的差分服务，还可以给高精度终端提供厘米级的实时动态服务。由于本系统可以获取分布在中国大范围的百万以上的基站上的卫星定位接收机数据，通过对这些大数据进行分析，可能得到卫星轨道的信息。本发明是一种能精密确定卫星位置，从而提高卫星导航系统精度的方便实用的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的工作原理图。

具体实施方式

实施例：

本发明的原理图1所示，本发明的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，本发明的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，包括有若干个移动通讯基站1、卫星数据服务器4、若干个移动用户6，其中卫星数据服务器4把计算出来的高精度轨道参数转发给移动用户6,移动通讯基站1将采集到的卫星原始数据发送到卫星数据服务器4，卫星数据服务器4把计算出来的高精度轨道参数提供给卫星地面控制中心7，卫星地面控制中心7再利用卫星地面站8传输卫星轨道修正给导航同步卫星9和倾斜轨道同步卫星10。

上述移动通讯基站1上还设有基站电脑3，移动用户6通过数据网路5与基站电脑3连接。同时，卫星数据服务器4通过用户层面的数据网路5下达TCP/IP命令给基站电脑3，提取实时测量数据。

上述移动通讯基站1上还设有时间同步用的卫星接收机2，卫星接收机2用于卫星原始数据的采集并利用卫星时间来实现时间同步。

上述移动通讯基站1上的卫星接收机2输出卫星测量的原始数据包括有伪距离、多普勒和载波相位测量值。

上述移动通讯基站1上的基站电脑3利用循环存储器存储所述的原始数据。

上述卫星数据服务器4是利用基于统计模型和卡尔曼滤波器设计，进行数据处理。

上述卫星数据服务器4利用实时动态方法处理载波相位。

上述卫星数据服务器4把计算出来的高精度轨道参数转发给移动用户6。

本发明的工作原理如下：本发明利用集成在移动网中通讯基站和基站上固有的卫星时间同步用的卫星接收机，输出原始数据，在知道基站位置的情况下，计算同步卫星和倾斜轨道同步卫星的轨道参数。

同步卫星和倾斜轨道同步卫星的卫星时钟和卫星轨道参数有很强的相关性。本发明利用独立的方法精密确定参考基站的时钟。一般说来，基站上的同步芯片可以同时接受多星座的信号，比方说利用GPS的时钟信号和GLONASS的时钟信号，精密确定分布式基站的时间。这样卫星轨道参数和卫星时钟可以分别计算出来。

大规模地域分布比上方法的好处：1单频接收机的参考基站可以求解出电离层、对流层的影响，2有良好的几何分布，几何精度因子比较小。3利用单频接收机，价格便宜。4大量独立的测量数据，利用Kalman滤波器和统计方法，得到高精度定轨、和高精度原子钟的时间修正参数。

本发明主要包括多普勒、伪距离、双差方程等测量模型，其中伪距离测量模型的方程式可表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_r^i={\mathrm{\γ}}_r^i+\mathrm{\ζ}({\mathrm{\δt}}_r-{\mathrm{\δt}}^i)+I_r^i+T_r^i+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ},\mathrm{ir}}$

上述公式中的 ${\mathrm{\ρ}}_r^i,{\mathrm{\γ}}_r^i=\sqrt{{(x^i-x_r)}^2+{(y^i-y_r)}^2+{(z^i-z_r)}^2}$ 分别表示移动基站r和GNSS卫星i之间的伪距离和几何距离，xⁱ，yⁱ，zⁱ是GNSS卫星i的三维坐标，x_r，y_r，z_r是移动基站r的三维坐标，ζ是真空中的光速，δt_r是移动基站上GNSS接收机的时钟偏移，δtⁱ是GNSS卫星i的时钟偏移。

分别是GNSS卫星i到移动基站的电离层时延和对流层时延，ε是测量噪声。上述公式的伪距离测量值可用下面的公式矫正：

${\mathrm{\ρ}}_{r,\mathrm{corr}}^i={\mathrm{\γ}}_r^i-{\mathrm{\ρ}}_r^i+\mathrm{\ζ}{\mathrm{\δt}}_r={\mathrm{\ζ\δt}}^i-I_r^i-T_r^i-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ},\mathrm{ir}}$

通过较正之后可以得到得到更为精确的伪距离测量值

从而可提高测量的精度。

伪距和载波相位测量方程可以表示为：

${\mathrm{\ρ}}_j^i={\mathrm{\γ}}_j^i+\mathrm{\ζ}({\mathrm{\δt}}_j-{\mathrm{\δt}}^i)+I_j^i+T_j^i+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ},i,j}$

${\mathrm{\φ}}_j^i=[{\mathrm{\γ}}_j^i-I_j^i+T_j^i]/{\mathrm{\λ}}_{L1}+f_{L1}({\mathrm{\δt}}_j-{\mathrm{\δt}}^i)+N_r^i+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},i,j}$

其中 ${\mathrm{\ρ}}_j^i,{\mathrm{\γ}}_j^i=\sqrt{{(x^i-x_j)}^2+{(y^i-y_j)}^2+{(z^i-z_j)}^2}$ 分别是计量伪距以及GNSS卫星i和参考站j的几何距离（单位：米）。xⁱ,yⁱ，zⁱ是卫星i的三维坐标。x_j,y_j,z_j是第二参考站j在地球中心地面固定（ECEF）桢的三维坐标。ζ是真空中的光速，δtⁱ和δt_j分别是参考基站上的GNSS卫星i和GNSS接收机j的时钟偏移。

分别是GNSS卫星i和参考基站j的电离层和对流层延迟，ε是测量噪声。f_L1，λ_L1分别是卫星信号的频率和波长，

分别是从GNSS卫星i到参考站j的载波相位和整周模糊度。

可以从伪距和载波相位的双差（DD）去消除GNSS卫星时钟偏移，接收时钟偏移，电离层和对流层延迟。DD方法消除短基线应用的GNSS卫星轨道误差也很不明了。在GNSS卫星i，j，移动用户u和参考站r之间的伪距和载波相位测量方程的DD方式可以表示为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ur}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ur}}^{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ρ},\mathrm{ur}}^{\mathrm{ij}}$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ur}}^{\mathrm{ij}}={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ur}}^{\mathrm{ij}}/{\mathrm{\λ}}_{L1}+N_{\mathrm{ur}}^{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ},\mathrm{ur}}^{\mathrm{ij}}$

上面的方程可以用RTK方法解算：首先从连续时间的测量和卡尔曼滤波器中得到浮点数解，然后应用LAMBDA，得到整周模糊度解算。

由于整周模糊度的精确确定可以将卫星与基站两点的距离确定在厘米级的精度，通过RTK的算法可以精确的确定星站之间的距离，在已知四点基站的精确坐标的情况下，星站之间的距离也可以精确确定，那么根据简单的几何模型算法即可求出卫星的准确坐标，从而提高卫星的定位精度，输出更精确的轨道参数。

本发明的设想在于利用分布广泛的带有卫星接收模块的无线通信基站来建造分布式卫星监测站，通过大规模的数据测量来提高卫星的定位精度。基于上述测量模型的设想，提出了以下的实施方案。

实施方案一：利用伪距星间单差定轨原理来提高卫星轨道的定位精度。

根据参考文献【4】及其原理可知，对IGSO与GEO卫星的伪距观测值单差有：

${\mathrm{\ρ}}_i^{12}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_i^1-c{\mathrm{\δ}}^1+{\mathrm{c\δ}}_i+{\mathrm{\ϵ}}_i^1-({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_t^2\left(t\right)-{\mathrm{c\δ}}^2+{\mathrm{c\δ}}_i+{\mathrm{\ϵ}}_i^2)$

其中，

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_i^j\left(t\right)=\sqrt{{(x^j-x_i)}^2+{(y^j-y_i)}^2+{(z^j-z_i)}^2},$

为t时刻的伪距观测值，(x^j,y^j,z^j),(x_i,y_i,z_i)分别为t时刻卫星j和测站i的惯性坐标，δ^j,δⁱ分别为t时刻的钟差，为测量噪声和其他传输延迟，c为光速。

重新编排上述式子，

${\mathrm{\ρ}}_i^{12}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_i^{12}\left(t\right)-{\mathrm{c\δ}}^1+{\mathrm{\ϵ}}_i^1+{\mathrm{c\δ}}^2-{\mathrm{\ϵ}}_i^{2,})$

顾及动力学模型。IGSO和GEO卫星单差定轨的状态方程形式上可表示成

X=φ(t,t₀)X₀

t=t₀,φ(t₀,t₀)=1

φ(t,t₀)为卫星的状态转移矩阵，

$X={[{\left(\stackrel{-1}{r}\right)}^T,{\left({\stackrel{\‾}{V}}^1\right)}^T,{\left(c^1\right)}^T,{\left({\stackrel{\‾}{r}}^2\right)}^T,{\left({\stackrel{\‾}{V}}^2\right)}^T]}^T,$

r为卫星的位置向量，V为卫星的速度向量，将上式线性化，最终可得到，

Y=HX₀+V

其中，

$Y={\mathrm{\ρ}}_i^{12}\left(t\right)-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}}_i^{12}\left(t\right)$

如果记观测值的权阵为W，利用加权最小二乘法，可求出对应的参数协方差阵，并获得相应的轨道根数初值及相关参数，积分运动学变分方程，得到所需及时间间隔的卫星位置与速度。

利用GEO及IGSO的伪距单差法，可以将卫星轨道的定位精度得到大大的提高，当观测站的数目增加时，那么对应的精度也会的到相应的提高，本发明就是想利用带有卫星接受模块的无线通信基站来建立大规模分布式观测站，从而大大的增加观测站的数目，同时是利用现有的无线通信基站，从某种意义上是不增加任何成本的，最后将采集到的数据收集到数据分析中心，通过数据分析中心处理数据后得到更为精确的轨道参数，此为方案一的实施原理及方案。

实施方案二:借助RTK反算法来提高卫星的定位精度。

RTK是一种高精度的定位算法，目前已经可以达到厘米级的定位精度了，假设带有卫星接收模块的无线通信基站的位置坐标是精确的知道的，那么就像RTK的算法一样，借助四颗以上的卫星再根据lambda算法求出相应的整周模糊度即可将移动端的位置定位到厘米级，那么反过来，假设地面上的观测站的位置坐标是精确知道的，那么反过来，卫星的位置坐标也可以借助RTK算法解算出来，从而提高卫星的定位精度。基于这样的设想，本发明提出了将广泛分布的带有卫星接收模块的无线通信基站作为观测站，当基站的位置是精确知道的，那么通过基站不断的采集相应卫星的原始数据，并将数据送入数据分析中心，最终通过数据分析中心的运算来得出卫星的位置，从而提高卫星的定位精度及轨道参数的精度。

Claims (8)

1.一种嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，其特征在于包括有若干个移动通讯基站（1）、卫星数据服务器（4）、若干个移动用户（6），其中卫星数据服务器（4）把计算出来的高精度轨道参数转发给移动用户（6）, 移动通讯基站（1）将采集到的卫星原始数据发送到卫星数据服务器（4），卫星数据服务器（4）把计算出来的高精度轨道参数提供给卫星地面控制中心（7），卫星地面控制中心（7）再利用卫星地面站（8）传输卫星轨道修正给导航同步卫星（9）和倾斜轨道同步卫星（10）。

2.根据权利要求1所述的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，其特征在于上述移动通讯基站（1）上还设有基站电脑（3），移动用户（6）通过数据网路（5）与基站电脑（3）连接。

3.根据权利要求1所述的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，其特征在于上述移动通讯基站（1）上还设有时间同步用的卫星接收机（2），卫星接收机（2）用于卫星原始数据的采集并利用卫星时间来实现时间同步。

4.根据权利要求1所述的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，其特征在于上述移动通讯基站（1）上的卫星接收机（2）输出卫星测量的原始数据包括有伪距离、多普勒和载波相位测量值。

5.根据权利要求1所述的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，其特征在于上述移动通讯基站（1）上的基站电脑（3）利用循环存储器存储所述的原始数据。

6.根据权利要求1所述的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，其特征在于上述卫星数据服务器（4）是利用基于统计模型和卡尔曼滤波器设计，进行数据处理。

7.根据权利要求1所述的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，其特征在于上述卫星数据服务器（4）利用实时动态方法处理载波相位。

8.根据权利要求1所述的嵌入在移动通讯网中的卫星定轨系统，其特征在于上述卫星数据服务器（4）把计算出来的高精度轨道参数转发给移动用户（6）。

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