CN105510936A - 星载gnss联合定轨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星定轨的方法及装置，其中，卫星定轨的方法，包括：获取多个导航系统的测量数据；根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据；根据所述定轨数据进行卫星定轨。通过本发明，过引入不同导航系统导航星观测数据进行组合定轨，提高了导航接收机的系统完备性，可以大幅提高可用导航卫星数目，改善导航卫星分布的几何构形。

Description

星载GNSS联合定轨方法

技术领域

本发明涉及卫星定轨领域，具体而言，涉及一种卫星定轨的方法及装置。

背景技术

航天技术的发展，使得人类对太空的探索逐步的深入和细化，卫星自主轨道确定成为航天工作者关注的热点。

随着卫星应用技术的快速发展，各类卫星在科学实践中起着越来越大作用，未来航天任务对实时高精度卫星自主定轨提出更高要求。卫星在轨任务有时候需要卫星频繁的姿态机动，姿态机动过程中可能会导致某一导航系统的信号跟踪失锁，导致可用导航星减少。同时，高轨环境下，导航星观测星少，观测几何条件差，给星上自主定轨带来挑战。而通过综合利用其它导航系统的观测数据，可视卫星数加倍，可以大幅提高卫星可用性，改善了卫星定位的几何构形。同时，在特殊情况下，若单一导航系统失效，将直接导致单系统定轨失效，影响飞行器在轨任务。

发明内容

针对如何提高卫星定轨可靠性的问题，本发明提供了一种卫星定轨的方法及装置，以至少解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种卫星定轨的方法，包括：获取多个导航系统的测量数据；根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据；根据所述定轨数据进行卫星定轨。

可选地，所述根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据之前，还包括：根据所述多个导航系统的误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新。

可选地，根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据，包括：确定所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差；根据所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差，设置所述多个导航系统的加权系数；根据所述多个导航系统的加权系数进行测量数据的线性化；当测量数据的线性化完成时，采用最小二乘法确定卫星定轨的定轨数据，直到单点定位收敛。

可选地，所述根据所述多个导航系统的误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新，包括：根据所述多个导航系统的卫星状态估计值确定观测系数矩阵；根据所述多个导航系统的误差加权系数和所述观测矩阵，确定测量噪声的协方差矩阵；根据所述协方差矩阵确定滤波增益矩阵；根据所述滤波增益矩阵更新所述协方差矩阵完成测量数据的更新。

根据本发明的另一个方面，提供了一种卫星定轨的装置，包括：获取模块，用于获取多个导航系统的测量数据；确定模块，用于根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据；定轨模块，用于根据所述定轨数据进行卫星定轨。

可选地，所述装置还包括：更新模块，用于根据所述多个导航系统的误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新。

可选地，所述确定模块，包括：第一确定单元，用于确定所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差；设置单元，用于根据所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差，设置所述多个导航系统的加权系数；线性化单元，用于根据所述多个导航系统的加权系数进行测量数据的线性化；第二确定单元，用于当测量数据的线性化完成时，采用最小二乘法确定卫星定轨的定轨数据，直到单点定位收敛。

可选地，所述更新模块，包括：第三确定单元，用于根据所述多个导航系统的卫星状态估计值确定观测系数矩阵；第四确定单元，用于根据所述多个导航系统的误差加权系数和所述观测矩阵，确定测量噪声的协方差矩阵；第五确定单元，用于根据所述协方差矩阵确定滤波增益矩阵；更新单元，用于根据所述滤波增益矩阵更新所述协方差矩阵完成测量数据的更新。

通过本发明，获取多个导航系统的测量数据；根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据；根据所述定轨数据进行卫星定轨。通过引入不同导航系统导航星观测数据进行组合定轨，提高了导航接收机的系统完备性，可以大幅提高可用导航卫星数目，改善导航卫星分布的几何构形。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的卫星定轨的方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的卫星定轨的装置的结构框图；

图3是根据本发明实施例实例一的卫星定轨的方法的流程图；

图4是根据本发明实施例实例二的单点定位解算方法的流程图；

图5是根据本发明实施例实例二的测量更新方法的流程图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1是根据本发明实施例的卫星定轨的方法的流程图，如图1所示，该方法包括步骤101至步骤103：

步骤101，获取多个导航系统的测量数据；

步骤102，根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据；

步骤103，根据所述定轨数据进行卫星定轨。

在本发明实施例的一个实施方式中，在上述步骤102根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数确定卫星定轨的定轨数据之前，还包括：根据所述多个导航系统的误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新。作为一个例子，可以采用基于UD分解的卡尔曼滤波误差加权方法，提高定轨精度。

进一步的，所述根据所述多个导航系统的误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新，可以包括：根据所述多个导航系统的卫星状态估计值确定观测系数矩阵；根据所述多个导航系统的误差加权系数和所述观测矩阵，确定测量噪声的协方差矩阵；根据所述协方差矩阵确定滤波增益矩阵；根据所述滤波增益矩阵更新所述协方差矩阵完成测量数据的更新。

为了克服不同导航系统之间的观测误差、系统误差，在实现不同导航系统时间系统的统一和坐标系统的统一的基础上，采用几何单点定位的多模加权方法进行定轨数据计算。在本发明实例的一个实施方式中，上述步骤102根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据，包括：

102a，确定所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差；

102b，根据所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差，设置所述多个导航系统的加权系数；

102c，根据所述多个导航系统的加权系数进行测量数据的线性化；

102d，当测量数据的线性化完成时，采用最小二乘法确定卫星定轨的定轨数据，直到单点定位收敛。

图2是根据本发明实施例的卫星定轨的装置的结构框图，如图2所示，该装置包括：获取模块10、确定模块20和定轨模块30。其中，获取模块10，用于获取多个导航系统的测量数据；确定模块20，与获取模块10相连，用于根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据；定轨模块30，与确定模块20相连，用于根据所述定轨数据进行卫星定轨。

在本发明实施例的一个实施方式中，上述装置还包括：更新模块，用于根据所述多个导航系统的误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新。

进一步的，所述更新模块，包括：第三确定单元，用于根据所述多个导航系统的卫星状态估计值确定观测系数矩阵；第四确定单元，用于根据所述多个导航系统的误差加权系数和所述观测矩阵，确定测量噪声的协方差矩阵；第五确定单元，用于根据所述协方差矩阵确定滤波增益矩阵；更新单元，用于根据所述滤波增益矩阵更新所述协方差矩阵完成测量数据的更新。

在本发明实施例的一个实施方式中，确定模块20可以包括：第一确定单元，用于确定所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差；设置单元，用于根据所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差，设置所述多个导航系统的加权系数；线性化单元，用于根据所述多个导航系统的加权系数进行测量数据的线性化；第二确定单元，用于当测量数据的线性化完成时，采用最小二乘法确定卫星定轨的定轨数据，直到单点定位收敛。

下面对本发明实施例的可选实施方式进行描述。

实例一

在本实例中，为了克服基于单一导航系统进行定轨技术的不足，提供一种卫星定轨的方法，通过对系统观测数据进行加权融合定轨，从而输出更高精度的轨道信息。

图3是根据本发明实施例实例一的卫星定轨的方法的流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤301，获取各导航系统(BDS/GPS/GLONASS)观测数据和广播星历。

步骤302，计算各导航系统导航星的位置、速度等。

步骤303，统一各导航系统时间和坐标系统。

步骤304，进行基于加权的组合多模单点定位。

步骤305，基于UD分解的卡尔曼滤波测量更新。

步骤306，输出定轨滤波结果。

可选地，基于多模联合定轨的实现方法：通过引入不同的导航系统的原始测量数据进行联合定轨，可视卫星数加倍，可以大幅提高卫星可用性，改善了卫星分布的几何构形，通过数据融合可以提高自主定轨的完备性、可用性以及特殊条件下定轨性能。

可选地，时间、坐标系统的统一方法：以GPS坐标系统WGS84为基准，完成GLONASS坐标系统PZ90.2，BDS坐标系统CGCS2000到WGS84的转换，实现不同导航系统采用的坐标系统的统一。通过增加其它卫星系统的钟差作为待估参数来求解，实现多系统的时间精确同步。同时以GPS时间为基准，完成GLONASS时间系统UTC(USNO)，BDS时间系统BDT到GPS时间的转换，实现不同导航系统时间的同步与统一。

可选地，通用的高精度组合多系统加权定位解算方法：根据不同导航系统广播星历精度、测量误差精度差距，对不同导航系统观测数据的进行权重设计，在几何学单点定轨模块进行对不同导航系统观测数据进行加权计算，实现高精度的组合定位解算。

可选地，多系统的加权误差滤波测量更新方法：在滤波测量更新模块，采用系统误差加权的方式进行滤波测量更新，实现多系统数据的集成，减少观测误差和系统误差，实现高精度的定轨滤波解算。

实例二

在本实例中，主要包括以下几个过程：

一、系统初始化完成之后，通过维持以GPS时统为基准的本地时间，完成时间的累加和多系统时间同步。

时间系统初始化：在系统首次完成对某一导航系统导航星捕获跟踪之后，将该导航系统时间系统转换为GPS时间，完成本地时间的初始化。

在收到各导航系统的星历数据之后，将本地时间转换到对应的导航系统时统下，完成不同导航星观测时刻位置速度信息的解算。解算完成之后，完成各导航星位置速度坐标系统的统一，同时将各时间系统转回至本地GPS时间系统。至此，完成时间和坐标系统的统一。

二、根据当前需要参与几何单点定位解算的导航星类型，进行加权几何单点定位解算。设置GPS，GLONASS，BDS的权重为W_g，W_r，W_b，同时设置接收机钟差为c·δt_A(A＝G，R，B)，假定星载多模接收机天线的初始坐标为x₀，计算ρ关于x₀和接收机钟差c·δt_A(A＝G，R，B)的偏导数：

$\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}_G^i}{\∂(x_0,{\mathrm{c\δt}}_G)}=({\left(\frac{x_0-x_G^i}{\left|\right|x_0-x_G^i\left|\right|}\right)}^T,\mathrm{1,0,0})$

$\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}_R^j}{\∂(x_0,{\mathrm{c\δt}}_R)}=({\left(\frac{x_0-x_R^j}{\left|\right|x_0-x_R^j\left|\right|}\right)}^T,0,1,0)$

$\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}_C^k}{\∂(x_0,{\mathrm{c\δt}}_C)}=({\left(\frac{x_0-x_C^k}{\left|\right|x_0-x_C^k\left|\right|}\right)}^T,0,0,1)$

如果t时刻星载接收机共观测到n颗GPS/GLONASS/BDS卫星，其观测矩阵和残差向量分别为：

$A={\left(\begin{array}{cccc}\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}^1}{\∂(x_0,{\mathrm{c\δt}}_0)}& \frac{{\∂\mathrm{\ρ}}^2}{\∂(x_0,{\mathrm{c\δt}}_0)}& ....& \frac{{\∂\mathrm{\ρ}}^n}{\∂(x_0,{\mathrm{c\δt}}_0)}\end{array}\right)}^T$ 和

其中，分别为所有卫星的伪距观测值和伪距观测值的计算值。

关于初始坐标的改正值为Δx_u＝((AW)^TAW)^-1(AW)^Tb

x₀←x₀+Δx_u更新初值，重新计算观测矩阵和残差向量，进行最小二乘计算，直到迭代终止，完成通用加权组合单点定位解算，该过程参见图4。

图4是根据本发明实施例实例二的单点定位解算方法的流程图，如图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤401，获取卫星的观测数据和星历。

步骤402，判断导航卫星类型。

步骤403，根据不同的导航卫星类型计算卫星的位置、速度和钟差。

步骤404，设置各导航系统的加权系数。

步骤405，观测方程线性化处理。

步骤406，判断观测数据线性化是否完成，如果是进入步骤407，如果否进入步骤401。

步骤407，判断导航系统的个数；

步骤408，针对不同的系统个数进行位置和接收机钟差参数计算。

步骤409，判断单点定位是否收敛，如果是，结束；如果否，返回步骤401。

三、星载多模GNSS联合定轨算法，采用类似U-D分解的kalman滤波，根据各导航系统的误差特性，对伪距观测数据进行误差加权的测量更新。由于U-D分解滤波的特性，联合定轨算法将对每一颗GPS/GLONASS/BDS卫星的伪距观测数据，依次进行测量更新计算。对于第i颗GPS/GLONASS/BDS卫星的伪距观测数据来说，测量更新过程包括：

根据t_k时刻的卫星状态估计值(前i-1颗卫星数据测量更新后的状态)，计算GPS卫星位置、速度和卫星钟差等，并对观测方程线性化，计算观测矩阵以及滤波新息向量

计算测量噪声的协方差矩阵其中R为不同导航系统对应的系统测量误差，误差权重分别为R_g，R_r，R_b。

计算滤波的增益矩阵更新状态向量和状态误差协方差矩阵 $\begin{array}{c}{X}_k^i=X_k^{i-1}+K_k^i\·y_k^i\\ P_k^{+}=(I-K_k{H}_k)P_k^{-}\end{array}.$ 然后返回a)，继续对t_k时刻的第i+1颗卫星的观测数据进行更新，直到所有观测数据的测量更新过程计算完毕，输出该历元的状态向量估计值和状态误差协方差矩阵结束t_k历元的测量更新过程。

图5是根据本发明实施例实例二的测量更新方法的流程图，如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤501，计算观测系数矩阵H和观测残差。

步骤502，计算测量噪声的协方差矩阵(加权方式)。

步骤503，计算滤波增益K。

步骤504，滤波状态误差协方差矩阵更新。

步骤505，判断观测数据更新是否完成，如果是，结束；如果否，返回步骤501。

四、通过采用加权的多模GNSS联合定轨算法，输出高精度的组合定轨结果。各权重W_g，W_r，W_h，R_g，R_r，R_b，均可以作为定轨可调参数通过星载上注方式调节改变，保证定轨算法的通用性。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

1、基于多模联合定轨的实现方法：通过引入不同的导航系统的原始测量数据进行联合定轨，可视卫星数加倍，可以大幅提高卫星可用性，改善了卫星分布的几何构形，通过数据融合可以提高自主定轨的完备性、可用性以及特殊条件下定轨性能。

2、时间、坐标系统的统一方法：以GPS坐标系统WGS84为基准，完成GLONASS坐标系统PZ90.2，BDS坐标系统CGCS2000到WGS84的转换，实现不同导航系统采用的坐标系统的统一。通过增加其它卫星系统的钟差作为待估参数来求解，实现多系统的时间精确同步。同时以GPS时间为基准，完成GLONASS时间系统UTC(USNO)，BDS时间系统BDT到GPS时间的转换，实现不同导航系统时间的同步与统一。

3、通用的高精度组合多系统加权定位解算方法：根据不同导航系统广播星历精度、测量误差精度差距，对不同导航系统观测数据的进行权重设计，在几何学单点定轨模块进行对不同导航系统观测数据进行加权计算，实现高精度的组合定位解算。

4、多系统的加权误差滤波测量更新方法。在滤波测量更新模块，采用系统误差加权的方式进行滤波测量更新，实现多系统数据的集成，减少观测误差和系统误差，实现高精度的定轨滤波解算。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种卫星定轨的方法，其特征在于，包括：

获取多个导航系统的测量数据；

根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据；

根据所述定轨数据进行卫星定轨。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据之前，还包括：

根据所述多个导航系统的误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据，包括：

确定所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差；

根据所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差，设置所述多个导航系统的加权系数；

根据所述多个导航系统的加权系数进行测量数据的线性化；

当测量数据的线性化完成时，采用最小二乘法确定卫星定轨的定轨数据，直到单点定位收敛。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个导航系统的

误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新，包括：

根据所述多个导航系统的卫星状态估计值确定观测系数矩阵；

根据所述多个导航系统的误差加权系数和所述观测矩阵，确定测量噪声的协方差矩阵；

根据所述协方差矩阵确定滤波增益矩阵；

根据所述滤波增益矩阵更新所述协方差矩阵完成测量数据的更新。

5.一种卫星定轨的装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取多个导航系统的测量数据；

确定模块，用于根据所述多个导航系统的测量数据和所述多个导航系统的加权系数，确定卫星定轨的定轨数据；

定轨模块，用于根据所述定轨数据进行卫星定轨。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

更新模块，用于根据所述多个导航系统的误差加权系数，对所述多个导航系统的测量数据进行调整更新。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述确定模块，包括：

第一确定单元，用于确定所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差；

设置单元，用于根据所述多个导航系统的卫星的位置、速度和时钟差，设置所述多个导航系统的加权系数；

线性化单元，用于根据所述多个导航系统的加权系数进行测量数据的线性化；

第二确定单元，用于当测量数据的线性化完成时，采用最小二乘法确定卫星定轨的定轨数据，直到单点定位收敛。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述更新模块，包括：

第三确定单元，用于根据所述多个导航系统的卫星状态估计值确定观测系数矩阵；

第四确定单元，用于根据所述多个导航系统的误差加权系数和所述观测矩阵，确定测量噪声的协方差矩阵；

第五确定单元，用于根据所述协方差矩阵确定滤波增益矩阵；

更新单元，用于根据所述滤波增益矩阵更新所述协方差矩阵完成测量数据的更新。