CN104309817A - 基于多台并址接收机的北斗导航卫星区域定轨方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多台并址接收机的北斗导航卫星区域定轨方法，针对中国区域网跟踪站，每个站点选取多台接收机数据，根据共视观测量最多原则生成中长基线和超短基线；基于上述中长基线和超短基线的单差数据，生成双差数据进行初步的卫星精密定轨，得到模糊度浮点解和估计参数；跟踪站点坐标，对于不同长度的基线采用不同的方法解算载波相位模糊度；利用生成的载波相位模糊度重新进行参数估计解算卫星轨道。本发明提出利用并址放置的多台接收机进行北斗导航卫星区域定轨，可以提高载波相位模糊度解算成功率，提高载波相位观测值在北斗导航卫星区域定轨的价值，最终提高北斗导航卫星定轨精度。

Description

基于多台并址接收机的北斗导航卫星区域定轨方法

技术领域

本发明涉及一种北斗导航卫星区域定轨方法，涉及卫星精密定轨领域，能够显著提高区域布站条件下的北斗导航卫星定轨精度。

背景技术

鉴于卫星导航系统在军事、经济、政治领域的巨大作用，我国在积极发展自己的卫星导航系统。1994年，北斗一号卫星导航系统正式启动。该系统包括3颗卫星，均为地球静止轨道卫星。与美国GPS相比，北斗一号覆盖范围小，定位精度低、无法在高速移动平台上使用。为了突破用户数量限制、提高系统生存能力、扩大系统覆盖范围、实现与GPS、Galileo等国外卫星导航系统的兼容互操作等，中国考虑建设北斗卫星导航定位系统(COMPASS系统)。2004年，中国正式启动了具有全球导航能力的北斗卫星导航系统的建设。并于2007年发射一颗中地球轨道卫星，并进行了大量试验。2009年起，后续卫星持续发射，并在2011年开始对中国和周边地区提供测试服务。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航卫星系统正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。截至目前，北斗卫星导航系统已经发射14颗卫星，其中5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星、4颗MEO卫星。

与GPS等其他卫星导航系统不同，北斗卫星导航系统发播B1(1561.098MHZ)、B2(1207.14MHZ)、B3(1268.52MHZ)三个频点数据。每个频点信号由I、Q支路的“测距码+导航电文”正交调制在载波上构成。其中I支路信号为民用信号，Q支路为军用信号。民用用户实际可以接受三个频点的载波相位观测值和伪距观测值。其中，伪距观测值精度为0.3m，载波相位观测值精度为毫米级。因此，相比伪距观测值，载波相位观测值对于北斗卫星导航系统的高精度应用具有重要价值。但是由于载波相位观测值中存在整周模糊度项，因此整周模糊度的解算成为制约载波相位观测值应用的主要因素。

目前，IGS(International GNSS Service)的跟踪站已经实现全球分布，此外卫星轨道动力学模型也不断完善，IGS提供的产品的精度也不断提高。其中，IGS事后最终轨道精度可以达到5cm，事后最终钟差精度为0.1～0.2ns，快速精密星历的精度为5cm，快速实时预报星历的精度为10cm。与IGS不同，限于我国国情，完全可控的COMPASS系统跟踪站只能在中国境内布设。相比跟踪站全球均匀分布，国内跟踪站对北斗卫星的可观测弧段较少，阻碍了跟踪站对卫星的全弧段跟踪。此外，虽然国内跟踪站均匀分布，但是由于我国地域广泛，站间距离相距较远，不利于双差模糊度解算，降低了载波相位模糊度的解算成功率，进而影响高精度载波相位观测值的应用价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于多台并址接收机的北斗导航卫星区域定轨方法，在区域网跟踪站上安放了多套北斗接收机。该方案针对中国区域跟踪站，每个站点至少选取2台接收机数据。轨道确定过程中，由于站点并址放置了多套接收机，采用双差模式进行数据解算时可以形成超短基线，大幅度提高模糊度固定率了，提高了载波相位观测值的应用价值，进而提高卫星精密定轨精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：针对中国区域网跟踪站，每个站点选取至少两台接收机数据；根据共视观测量最多原则，生成中长基线和超短基线；

步骤2：基于上述中长基线和超短基线的单差数据，生成双差数据进行初步的卫星精密定轨，得到模糊度浮点解和估计参数，估计参数包括6个轨道根数、9个光压系数、地球自转参数、对流层参数以及跟踪站站坐标；

步骤3：采用步骤2生成的模糊度浮点解和对流层参数，跟踪站点坐标，对于不同长度的基线采用不同的方法解算载波相位模糊度，其中，对于基线长度小于等于10km的基线采用Sigma策略，对大于10km且小于2000km的基线采用QIF策略，对大于2000km的基线采用宽巷技术；

步骤4：利用步骤3生成的载波相位模糊度，重新进行参数估计解算卫星轨道。

本发明的有益效果是：采用一种区域网跟踪站布设方案进行北斗卫星精密定轨，利用新的区域网进行精密定轨时可以形成超短基线，解决了区域跟踪网模糊度固定率低的问题，能够明显的提高双差模糊度固定率，从而提高定轨精度。在原有区域网布站基础下，采用本发明可以明显提高卫星定轨精度。

附图说明

图1是区域网跟踪站布站示意图；

图2是北斗卫星精密定轨数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明包括以下步骤：

步骤1：针对中国区域网跟踪站，每个站点选取至少两台接收机数据。根据共视观测量最多原则，除了生成多条中长基线外，还可以形成多条超短基线。

步骤2：基于上述中长基线和超短基线的单差数据，生成双差数据进行初步的卫星精密定轨。主要目的是进行模糊度浮点解算。其他估计参数有：6个轨道根数、9个光压系数(其中D、Y常数项两个方向加1e-12大小约束)、地球自转参数(强约束)、对流层参数，以及跟踪站站坐标。D、Y、X为太阳光压模型中定义的三个单位矢量，其中D为太阳指向卫星方向的单位矢量，Y为太阳帆板的旋转轴方向，垂直于与D以及地心指向卫星方向的矢量决定的平面。

步骤3：采用步骤2生成的模糊度浮点解、对流层参数，跟踪站站坐标，对于不同长度的基线采用不同的方法进行模糊度固定。其中，对于基线长度小于等于10km的为超短基线采用Sigma策略，对大于10km且小于2000km的基线采用QIF策略，对大于2000km的基线采用宽巷技术解算模糊度。

步骤4：利用步骤3生成的载波相位模糊度，重新进行参数估计解算卫星轨道。参数估计时引入步骤3生成的载波相位模糊度，估计参数只有：6个轨道根数、9个光压系数(其中D、Y、X三个方向加1e-12大小约束)、地球自转参数(加强约束)、对流层参数。

本发明实施例的技术特征在于：突破了北斗区域网跟踪站布设条件对卫星定轨的局限性。在新的区域跟踪站布站方案下进行卫星精密定轨过程中，可以生成多条超短基线。利用超短基线可以明显提高模糊度固定率，进而可以提高北斗卫星定轨精度。

该方法的实施基于以下条件：1.一个站点并址安放两台北斗接收机；2.卫星精密定轨时采用双差数据模式，利用新的区域跟踪站布设方案，可以生成多条超短基线，这样可以提高模糊度固定率。

本发明包括以下步骤：

步骤1.选取区域网跟踪站接收机数据，生成双差观测文件。

非差观测方程：

${L^i}_{\mathrm{Fk}}={\mathrm{\ρ}}_k^i+c{\mathrm{\δ}}_k-c{\mathrm{\δ}}^i-I_k^i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_k^i+{\mathrm{\λ}}_F{n}_{\mathrm{Fk}}^i---\left(1\right)$

${L^i}_{\mathrm{Fl}}={\mathrm{\ρ}}_l^i+c{\mathrm{\δ}}_l-c{\mathrm{\δ}}^i-I_l^i+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_l^i+{\mathrm{\λ}}_F{n}_{\mathrm{Fl}}^i---\left(2\right)$

其中：为站点K、L与卫星i的非差载波相位观测值；分别为站点K、L至卫星i的几何距离；δ_kδ_l为站点K、L的接收机钟差；δⁱ为卫星i的卫星钟差；为卫星i至站点K、L传播路径上的电离层时延；为卫星i至站点K、L传播路径上的对流层时延；为F频点站点K、L接收卫星i的载波相位观测值的整周模糊度；λ_F为F频点的波长；c为光速；

由非差观测值，进行站间、星间单差生成非差观测值。观测方程如下：

${L^{\mathrm{ij}}}_{\mathrm{Fkl}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{kl}}^{\mathrm{ij}}-I_{\mathrm{kl}}^{\mathrm{ij}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{kl}}^{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\λ}}_F{n}_{\mathrm{Fkl}}^{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

其中：为F频点站点K、L与卫星i、j之间的双差载波相位观测值；为双差电离层延迟；为双差对流层延迟；为双差几何距离项；为双差载波相位模糊度；

由公式(1)(2)(3)可知，由非差观测值生成双差观测值后，卫星钟误差δⁱ、δ^j、接收机钟误差项均消除。双差观测方程中只有电离层延迟对流层延迟

参看图1，现有北斗区域跟踪网已经广泛分布于中国境内，但是由于中国地域广阔，采用双差模式进行数据处理时，基线长度一般比较大。由于对流层延迟、电离层延迟空间相关度随基线长度的增加而减弱，因此双差观测值中电离层延迟、对流层延迟的影响仍然比较大，很大程度上影响了模糊度的解算。

针对中国区域网布站条件，每个站点选取多台北斗接收机数据进行数据处理。根据共视观测量最多的原则，生成的基线中包含多个超短基线。由于对流层延迟主要与传播路径上的大气压、温度、湿度相关；电离层延迟与信号传播路径上的电子含量有关，因此超短基线形成的双差观测值中对流层延迟、电离层延迟基本消除，有利于载波相位模糊度的解算。

步骤2，基于上述双差文件，数据处理进行模糊度浮点解算。

根据成熟的GPS模糊度解算理论，首先在卫星轨道确定过程中，将模糊度同卫星轨道根数、光压参数、对流层以及其他参数一并解算(按照加权最小二乘法进行解)。其中模糊度是浮点解。

步骤3.模糊度固定

将步骤2进行模糊度浮点解生成的对流层解算结果、卫星轨道等参数作为已知条件，针对不同的基线采用不同的方法进行模糊度固定。其中，由于跟踪网中各站点并址安放了两天接收机。因此，步骤一生成的单差文件中除了中长基线外(1000km～2000km)，还包括有多条基线长度小于10km的超短基线。解算模糊度时，根据基线长度的不同，分别选取不同的模糊度解算方法。其中，对于超短基线采用成熟的Sigma方法，对于中长基线采用QIF方法。模糊度解算后保存在观测文件中。

步骤4.模糊度固定解情况下的，北斗卫星精密定轨。

利用步骤3生成的模糊度固定解，进行最终的卫星精密定轨数据解算。其中，模糊度做为已知值引入，其他待估参数有：6个轨道根数、9个光压系数(其中D、Y两个方向加1e-12大小约束)、地球自转参数(加强约束)、对流层参数。

Claims (1)

1.一种基于多台并址接收机的北斗导航卫星区域定轨方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：针对中国区域网跟踪站，每个站点选取至少两台接收机数据；根据共视观测量最多原则，生成中长基线和超短基线；

步骤2：基于上述中长基线和超短基线的单差数据，生成双差数据进行初步的卫星精密定轨，得到模糊度浮点解和估计参数，估计参数包括6个轨道根数、9个光压系数、地球自转参数、对流层参数以及跟踪站站坐标；

步骤3：采用步骤2生成的模糊度浮点解和对流层参数，跟踪站点坐标，对于不同长度的基线采用不同的方法解算载波相位模糊度，其中，对于基线长度小于等于10km的基线采用Sigma策略，对大于10km且小于2000km的基线采用QIF策略，对大于2000km的基线采用宽巷技术；

步骤4：利用步骤3生成的载波相位模糊度，重新进行参数估计解算卫星轨道。