CN106556851B - 一种船载gnss辅助北斗导航卫星定轨方法 - Google Patents

一种船载gnss辅助北斗导航卫星定轨方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，涉及地球观测与导航技术领域。该方法通过研究高精度的船载GNSS跟踪站逐历元动态定位、船载GNSS北斗卫星模糊度的确定、船载GNSS辅助北斗卫星定轨等关键技术，充分利用船载(如各大洋中货船、游轮等)GNSS数据，优化了BDS定轨中跟踪站构型，辅助北斗导航卫星轨道精确确定，由于货轮等船载设备航线遍布海洋，极大的丰富并改善了BDS精密定轨构型，削弱了BDS精密轨道的系统误差；由于游轮航线较多，其动态位置填补了跟踪站空白区域，为BDS精密定轨提供了更丰富的原始数据，同时提高了BDS精密轨道的精度，为用户提供了更为精确的轨道产品。

Description

一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法
技术领域
本发明涉及地球观测与导航技术领域，尤其涉及一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法。
背景技术
我国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，简称“BDS”)，由空间端、地面端和用户端组成。目前，已经发射22颗卫星，在轨正常运行、稳定传输数据及提供服务的有14颗星，其采用地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)、倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,IGSO)及(Medium Earth Orbit,MEO)混合星座设计，满足亚太地区定位导航服务的同时，已向全球组网开始迈进。
目前，全球兼容BDS的跟踪站分布现状为：①中国及欧洲区域分布较为密集，其他区域分布较为稀疏，陆地上BDS跟踪站分布不均匀；②跟踪站大多布设在地形稳定的地面，各海洋区域分布甚少，地球仅29％为陆地，其他为海洋，也就是说，全球理论能跟踪到BDS的71％的区域中没有跟踪站存在。因此，由于地球实际环境及其他因素影响，全球兼容BDS的跟踪站分布极其不均匀，定轨构型较差，影响了BDS精密定轨精度。欧吉坤等人提出镜面投影法，将轨道面作为对称面(镜面)，将原始观测站投影生成虚拟观测站，采用原始观测值和虚拟观测值联合定轨；其他学者也先后提出了定轨中跟踪站的选取方法，提高定轨的精度等。
但这些方法仅是针对数据处理过程，本质都是基于地面上现有的BDS跟踪站数据，没有充分利用地球71％的海域，由于跟踪站定轨构型较差，势必引起BDS轨道的系统误差，严重影响了BDS用户的使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，包括如下步骤：
S1，获取船载和陆地GNSS原始数据；
所述船载和陆地GNSS原始数据至少兼容BDS和GPS双系统，包括GNSS卫星导航星历和原始观测数据；所述原始观测数据包括两个频率的伪距观测值和载波相位观测值；
S2，利用S1中获取到的船载GPS原始数据，基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，得到船载GNSS跟踪站的动态定位结果及精度；
S3，通过地面站坐标的强约束和船载GNSS坐标适当约束，解算BDS卫星端UPD及船载接收机UPD，并确定船载北斗模糊度；
S4，基于S3中确定的所述北斗模糊度，利用S1船载GNSS原始数据中载波相位信息，对船载BDS伪距原始数据进行精化，获取精化后的船载BDS伪距值；
S5，利用S2中获取的所述船载GNSS跟踪站的动态定位结果和S4中获取的所述精化的船载BDS伪距值，辅助BDS地面跟踪站，确定BDS精密轨道。
优选地，S2中，所述基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，采用如下公式进行实施：
X(k)＝φ(k,k-1)X(k-1)+Γ(k/k-1)w(k-1)，
Z(k)＝H(k)X(k)+v(k)，
其中：X(k)为所要进行估计的状态值(即船载坐标GNSS站坐标)，为状态转移矩阵，Γ(k/k-1)为系统噪声驱动矩阵，w(k)为状态噪声，H(k)为GPS测量系数阵，Z(k)为GPS实际测量值，v(k)为测量噪声。
优选地，S3，包括如下步骤：
S301，采用如下方法解算BDS卫星端宽巷UPD：
通过以下公式形成非差M-W组合观测方程：
Bw＝Bmw＝NL1-NL2 (3.2)
实数宽巷模糊度可以表示为：Bw＝Nw+bw-bw (3.3)
其中，Lmw指宽巷组合观测值，f1,f2指北斗卫星两个频点的频率，L1，L2指两个频率载波相位观测值，p1,p2指北斗卫星两个频点的伪距观测值，ρ指卫星位置到接收机的距离，c指真空中的光速，dtr为接收机钟差，T为对流层延迟影响，εmw为M-W组合观测值噪声，λmw指M-W组合观测值的波长，Bw指实数宽巷模糊度，Bmw指实数M-W组合模糊度，NL1，NL2指两个频率实数模糊度，εmw指宽巷组合的观测噪声，bw，bw分别指接收机端和卫星端的宽巷UPD，Nw指非差整数宽巷模糊度；
选取陆地若干已知站坐标的GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.1解算参考站的BDS实数非差宽巷模糊度Bmw。设某一测站接收机端宽巷UPD为0，利用式3.3，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的宽巷UPD；
S302，采用如下方法确定BDS卫星端窄巷模糊度：
通过以下公式形成非差无电离层组合观测方程：
实数无电离层组合模糊度可以表示为：
其中，Lc为无电离层组合观测值，λc为无电离层组合观测值波长，εc为无电离层组合观测值噪声，Bc为无电离层组合实数模糊度，Bn为实数窄巷模糊度；
采用301所述陆地GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.4解算陆地GNSS站的BDS实数无电离层组合模糊度；
将301中计算得到的BDS实数非差宽巷模糊度代入式3.5，得到实数非差窄巷模糊度Bn；
实数非差窄巷模糊度可以表示为：Bn＝Nn+bn-bn (3.6)
其中，bn，bn分别指接收机端和卫星端的窄巷UPD；
设某一测站接收机端窄巷UPD为0，利用式3.6，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的窄巷UPD；
S303，采用如下方法解算船载BDS模糊度解算：
实数窄巷模糊度为：Bn＝NL1+NL2 (3.7)
根据所述船载GNSS跟踪站动态定位结果及精度，给予约束，采用式3.4解算船载BDS实数无电离层组合模糊度，采用式3.1计算船载BDS实数宽巷模糊度；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式bw1＝Bw-bw，将bw1小数部分取均值，得到船载BDS接收机宽巷UPD；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式3.3，得到船载BDS宽巷整数模糊度；
根据式3.5，采用所述船载BDS实数无电离层组合模糊度和船载BDS实数宽巷模糊度，计算船载BDS实数窄巷模糊度；利用所述北斗卫星端窄巷UPD，根据式bn1＝Bn-bn，将bn1小数部分取均值，得到船载BDS窄巷UPD；利用所述卫星端窄巷UPD，根据式3.6，得到船载BDS窄巷整数模糊度；
联合式3.2和3.7，解算得到船载BDS两个频率上的整数模糊度。
优选地，S4，包括如下步骤：
S401，通过下式，所述船载BDS原始观测数据中载波相位值可以表示为：
L1＝N1+LL1，L2＝N2+LL2
其中，N1，N2指所述两个频率的整数模糊度，LL1，LL2为载波相位实际值；
S402，通过下式，将所述船载BDS原始观测数据中载波相位观测值转为所述船载BDS伪距观测值：
lp1＝LL1×λ1，lp2＝LL2×λ2
其中，lp1,lp2为北斗两个频率精化后的所述船载BDS伪距观测值。
优选地，S5，包括如下步骤：
S501，采用如下方法生成BDS初始轨道及钟差：
根据北斗导航星历，提取轨道根数及钟差参数，生成北斗初始轨道及钟差；
S502，采用如下方法建立测站约束信息：
采用船载GNSS辅助地面跟踪站数据定轨，根据陆地跟踪站坐标精度进行站坐标的约束，采用紧约束方式，一般为毫米级；根据船载GNSS动态定位精度进行动态站坐标的约束，采用松约束方式，一般为厘米级；
S503，精密定轨：
根据所述精化后船载BDS伪距观测值，辅助地面跟踪站，进行BDS精密轨道的确定，生成最终BDS轨道。
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，通过研究高精度的船载GNSS跟踪站逐历元动态定位、船载GNSS北斗卫星模糊度的确定、船载GNSS辅助北斗卫星定轨等关键技术，充分利用船载(如各大洋中货船、游轮等)GNSS数据，优化了BDS定轨中跟踪站构型，辅助北斗卫星轨道精确确定，削弱了BDS轨道的系统误差，提高了定轨精度。与现有技术中，采用BDS精密定轨技术方法，仅利用了地面跟踪站观测数据，其定轨构型较差，精度难以提高，严重影响科研工作者及普通用户的使用，本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，利用船载GNSS数据辅助地面跟踪站进行BDS精密定轨。由于货轮等船载设备航线遍布海洋，极大的丰富并改善了BDS精密定轨构型，削弱了BDS精密轨道的系统误差；由于游轮航线较多，其动态位置填补了跟踪站空白区域，为BDS精密定轨提供了更丰富的原始数据，同时提高了BDS精密轨道的精度，为用户提供了更为精确的轨道产品；船载GNSS接收机接收BDS的同时，还接收GPS等其他导航卫星数据，因此，可应用到其他卫星导航系统轨道确定，对于多系统联合定轨具有重要的意义。
附图说明
图1是船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法流程示意图；
图2是船载数据辅助地面跟踪站的BDS精密定轨流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了优化BDS定轨中跟踪站构型，削弱BDS轨道的系统误差，提高定轨精度。充分利用船载(如各大洋中货船、游轮等)GNSS数据，辅助北斗导航卫星轨道精确确定，需要经过高精度的船载GNSS跟踪站逐历元动态定位、船载GNSS北斗导航卫星模糊度的确定、船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨等流程。
如图1所示，本发明实施例提供了一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，包括如下步骤：
S1，获取船载和陆地GNSS原始数据；
所述船载和陆地GNSS原始数据至少兼容BDS和GPS双系统，包括GNSS卫星导航星历和原始观测数据；所述原始观测数据包括两个频率的伪距观测值和载波相位观测值；
S2，利用S1中获取到的船载GPS原始数据，基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，得到船载GNSS跟踪站的动态定位结果及精度；
S3，通过地面站坐标的强约束和船载GNSS坐标适当约束，解算BDS卫星端UPD及船载接收机UPD，并确定船载北斗模糊度；
S4，基于S3中确定的所述北斗模糊度，利用S1船载GNSS原始数据中载波相位信息，对船载BDS伪距原始数据进行精化，获取精化后的船载BDS伪距值；
S5，利用S2中获取的所述船载GNSS跟踪站的动态定位结果和S4中获取的所述精化的船载BDS伪距值，辅助BDS地面跟踪站，确定BDS精密轨道。
其中，全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite Systems，简称“GNSS”)。
本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，通过研究高精度的船载GNSS跟踪站逐历元动态定位、船载GNSS北斗卫星模糊度的确定、船载GNSS辅助北斗卫星定轨等关键技术，充分利用船载(如各大洋中货船、游轮等)GNSS数据，优化了BDS定轨中跟踪站构型，辅助北斗导航卫星轨道精确确定，削弱了BDS轨道的系统误差，提高了定轨精度。与现有技术中，采用BDS精密定轨技术方法，仅利用了地面跟踪站观测数据，其定轨构型较差，精度难以提高，严重影响科研工作者及普通用户的使用，本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗卫星定轨方法，利用船载GNSS数据辅助地面跟踪站进行BDS精密定轨。由于货轮等船载设备航线遍布海洋，极大的丰富并改善了BDS精密定轨构型，削弱了BDS精密轨道的系统误差；由于游轮航线较多，其动态位置填补了跟踪站空白区域，为BDS精密定轨提供了更丰富的原始数据，同时提高了BDS精密轨道的精度，为用户提供了更为精确的轨道产品；船载GNSS接收机接收BDS的同时，还接收GPS等其他导航卫星数据。因此，可应用到其他卫星导航系统轨道确定，对于多系统联合定轨具有重要的意义。
S2中，所述基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，采用如下公式进行实施：
X(k)＝φ(k,k-1)X(k-1)+Γ(k/k-1)w(k-1)，
Z(k)＝H(k)X(k)+v(k)，
其中：X(k)为所要进行估计的状态值(即船载坐标GNSS站坐标)，为状态转移矩阵，Γ(k/k-1)为系统噪声驱动矩阵，w(k)为状态噪声，H(k)为GPS测量系数阵，Z(k)为GPS实际测量值，v(k)为测量噪声。
S3，包括如下步骤：
S301，采用如下方法解算BDS卫星端宽巷UPD：
通过以下公式形成非差M-W组合观测方程：
Bw＝Bmw＝NL1-NL2 (3.2)
实数宽巷模糊度可以表示为：Bw＝Nw+bw-bw (3.3)
其中，Lmw指宽巷组合观测值，f1,f2指北斗卫星两个频点的频率，L1，L2指两个频率载波相位观测值，p1,p2指北斗卫星两个频点的伪距观测值，ρ指卫星位置到接收机的距离，c指真空中的光速，dtr为接收机钟差，T为对流层延迟影响，εmw为M-W组合观测值噪声，λmw指M-W组合观测值的波长，Bw指实数宽巷模糊度，Bmw指实数M-W组合模糊度，NL1，NL2指两个频率实数模糊度，εmw指M-W组合的观测噪声，bw，bw分别指接收机端和卫星端的宽巷UPD，Nw指非差整数宽巷模糊度；
选取陆地若干已知站坐标的GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.1解算参考站的BDS实数非差宽巷模糊度Bmw。设某一测站接收机端宽巷UPD为0，利用式3.3，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的宽巷UPD；
S302，采用如下方法确定BDS卫星端窄巷模糊度：
通过以下公式形成非差无电离层组合观测方程：
实数无电离层组合模糊度可以表示为：
其中，Lc为无电离层组合观测值，λc为无电离层组合观测值波长，εc为无电离层组合观测值噪声，Bc为无电离层组合实数模糊度，Bn为实数窄巷模糊度；
采用301所述陆地GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.4解算陆地GNSS站的BDS实数无电离层组合模糊度；
将301中计算得到的BDS实数非差宽巷模糊度代入式3.5，得到实数非差窄巷模糊度Bn；
实数非差窄巷模糊度可以表示为：Bn＝Nn+bn-bn (3.6)
其中，bn，bn分别指接收机端和卫星端的窄巷UPD；
设某一测站接收机端窄巷UPD为0，利用式3.6，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的窄巷UPD；
S303，采用如下方法解算船载BDS模糊度解算：
实数窄巷模糊度为：Bn＝NL1+NL2 (3.7)
根据所述船载GNSS跟踪站动态定位结果及精度，给予约束，采用式3.4解算船载BDS实数无电离层组合模糊度，采用式3.1计算船载BDS实数宽巷模糊度；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式bw1＝Bw-bw，将bw1小数部分取均值，得到船载BDS接收机宽巷UPD；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式3.3，得到船载BDS宽巷整数模糊度；
根据式3.5，采用所述船载BDS实数无电离层组合模糊度和船载BDS实数宽巷模糊度，计算船载BDS实数窄巷模糊度；利用所述北斗卫星端窄巷UPD，根据式bn1＝Bn-bn，将bn1小数部分取均值，得到船载BDS窄巷UPD；利用所述卫星端窄巷UPD，根据式3.6，得到船载BDS窄巷整数模糊度；
联合式3.2和3.7，解算得到船载BDS两个频率上的整数模糊度。
S4，包括如下步骤：
S401，通过下式，所述船载BDS原始观测数据中载波相位值可以表示为：
L1＝N1+LL1，L2＝N2+LL2
其中，N1，N2指所述两个频率的整数模糊度，LL1，LL2为载波相位实际值；
S402，通过下式，将所述船载BDS原始观测数据中载波相位观测值转为所述船载BDS伪距观测值：
lp1＝LL1×λ1，lp2＝LL2×λ2，
其中，lp1,lp2为北斗两个频率精化后的所述船载BDS伪距观测值。
S5，包括如下步骤：
S501，采用如下方法生成BDS初始轨道及钟差：
根据北斗导航星历，提取轨道根数及钟差参数，生成北斗初始轨道及钟差；
S502，采用如下方法建立测站约束信息：
采用船载GNSS辅助地面跟踪站数据定轨，根据陆地跟踪站坐标精度进行站坐标的约束，采用紧约束方式，一般为毫米级；根据船载GNSS动态定位精度进行动态站坐标的约束，采用松约束方式，一般为厘米级；
S503，精密定轨：
根据所述精化后船载BDS伪距观测值，辅助地面跟踪站，进行BDS精密轨道的确定，生成最终BDS轨道。
具体实施例：
本发明实施例提供的船载GNSS辅助北斗卫星定规方法，按照如下步骤进行实施：
步骤一，获取船载GNSS原始数据和陆地GNSS原始数据：
船载和陆地GNSS原始数据至少兼容BDS和GPS双系统，其包括GNSS卫星导航星历和卫星原始观测数据；所述卫星原始观测数据包括两个频率的伪距观测值和载波相位观测值；
步骤二，基于卡尔曼滤波的船载GNSS事后逐历元动态定位：
大型货船、游轮等船载GNSS平台的运动学模型较为显著，其航线预先设定，平台运动较为缓慢、稳定。因此采用卡尔曼滤波方法，利用GPS原始观测数据，进行高精度的船载GNSS事后逐历元动态定位。
GNSS船载平台状态方程为：
X(k)＝φ(k,k-1)X(k-1)+Γ(k/k-1)w(k-1)
GPS观测方程简写为：
Z(k)＝H(k)X(k)+v(k)
其中：X(k)为所要进行估计的状态值(即船载坐标GNSS站坐标)，为状态转移矩阵，Γ(k/k-1)为系统噪声驱动矩阵，w(k)为状态噪声，H(k)为GPS测量系数阵，Z(k)为GPS实际测量值，v(k)为测量噪声。
然后根据上式滤波过程，进行船载GNSS事后逐历元动态定位。
步骤三，基于船载GNSS站坐标约束的北斗模糊度确定：
非差模糊度本身具有整数特性，但因为初始载波相位及卫星端、接收机端的相位硬件延迟(Uncalibrated Phase Delays，简称“UPD”)未知，难以分离，使得在实际数据处理中，非差模糊度不再具有整数性。由于北斗轨道精度较低及BDS动态模糊度难以固定，因此利用地面站坐标的强约束和船载GNSS坐标的适当约束，解算卫星端UPD及船载接收机UPD，进行船载BDS动态模糊度的固定，详细流程如下：
1.BDS卫星端宽巷UPD解算：
通过以下公式形成非差M-W组合观测方程：
Bw＝Bmw＝NL1-NL2 (3.2)
实数宽巷模糊度可以表示为：Bw＝Nw+bw-bw (3.3)
其中，Lmw指宽巷组合观测值，f1,f2指北斗卫星两个频点的频率，L1，L2指两个频率载波相位观测值，p1,p2指北斗卫星两个频点的伪距观测值，ρ指卫星位置到接收机的距离，c指真空中的光速，dtr为接收机钟差，T为对流层延迟影响，εmw为M-W组合观测噪声，λmw指M-W组合观测值的波长，Bw指实数宽巷模糊度，Bmw指实数M-W组合模糊度，NL1，NL2指两个频率实数模糊度，εmw指M-W组合的观测噪声，bw，bw分别指接收机端和卫星端的宽巷UPD，Nw指非差整数宽巷模糊度；
选取陆地若干已知站坐标的GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.1解算参考站的BDS实数非差宽巷模糊度Bmw。设某一测站接收机端宽巷UPD为0，利用式3.3，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的宽巷UPD；
2.BDS卫星端窄巷UPD解算：
通过以下公式形成非差无电离层组合观测方程：
实数无电离层组合模糊度可以表示为：
其中，Lc为无电离层组合观测值，λc为无电离层组合观测值波长，εc为无电离层组合观测值噪声，Bc为无电离层组合实数模糊度，Bn为实数窄巷模糊度；
采用陆地GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.4解算陆地GNSS站的BDS实数无电离层组合模糊度；
将计算得到的BDS实数非差宽巷模糊度代入式3.5，得到实数非差窄巷模糊度Bn；
实数非差窄巷模糊度可以表示为：Bn＝Nn+bn-bn (3.6)
其中，bn，bn分别指接收机端和卫星端的窄巷UPD；
设某一测站接收机端窄巷UPD为0，利用式3.6，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的窄巷UPD；
3.船载BDS模糊度解算：
实数窄巷模糊度为：Bn＝NL1+NL2 (3.7)
根据所述船载GNSS跟踪站动态定位结果及精度，给予约束，采用式3.4解算船载BDS实数无电离层组合模糊度，采用式3.1计算船载BDS实数宽巷模糊度；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式bw1＝Bw-bw，将bw1小数部分取均值，得到船载BDS接收机宽巷UPD；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式3.3，得到船载BDS宽巷整数模糊度；
根据式3.5，采用所述船载BDS实数无电离层组合模糊度和船载BDS实数宽巷模糊度，计算船载BDS实数窄巷模糊度；利用所述北斗卫星端窄巷UPD，根据式bn1＝Bn-bn，将bn1小数部分取均值，得到船载BDS窄巷UPD；利用所述卫星端窄巷UPD，根据式3.6，得到船载BDS窄巷整数模糊度；
联合式3.2和3.7，解算得到船载BDS两个频率上的整数模糊度。
步骤四，基于北斗模糊度信息BDS伪距数据精化：
基于步骤三求得的BDS载波相位模糊度，代入至载波相位原始观测数据中，将船载跟踪站RINEX格式文件中载波相位数据转换至精化的伪距数据。一是定轨过程中船载跟踪站不必再求解模糊度参数，提高了解算效率；二是船载动态的北斗模糊度确定之后，定轨中更精确的利用了船载北斗数据，提高了BDS定轨的精度，主要步骤如下：
通过下式，船载BDS原始观测数据中载波相位值可以表示为：
L1＝N1+LL1，L2＝N2+LL2
其中，N1，N2指所述两个频率的整数模糊度，LL1，LL2为载波相位实际值；
通过下式，将所述船载BDS原始观测数据中载波相位观测值转为所述船载BDS伪距观测值：
lp1＝LL1×λ1，lp2＝LL2×λ2，
其中，lp1,lp2为北斗两个频率精化后的所述船载BDS伪距观测值。
步骤五，船载数据辅助地面跟踪站的BDS精密定轨：
利用步骤四中精化后船载BDS伪距值，辅助地面跟踪站，进行BDS精密轨道的确定。定轨过程中BDS载波数据采用了2部分，一部分为地面跟踪站的载波相位数据，此数据为静态数据，定轨过程中需要解算固定模糊度；另一部分为船载载波相位精化后的数据，此数据为分布于整条航线的动态数据，定轨过程中此数据不必进行模糊度解算，减少了解算参数，提高了解算效率。具体包括如下步骤，如图2所示：
1.BDS初始轨道及钟差生成
根据北斗导航星历，提取轨道根数及钟差参数，生成北斗初始轨道及钟差。
2.建立陆地GNSS测站和船载GNSS约束
采用船载GNSS辅助地面跟踪站数据定轨，根据陆地跟踪站坐标精度进行站坐标的约束，采用紧约束方式，一般为毫米级；采用第二步中船载GNSS实际定位精度进行动态站坐标的约束，采用松约束方式，一般为厘米级。
3.精密定轨
利用精化后船载BDS伪距值，辅助地面跟踪站，进行BDS精密轨道的确定，生成最终BDS轨道。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，通过研究高精度的船载GNSS跟踪站逐历元动态定位、船载GNSS北斗卫星模糊度的确定、船载GNSS辅助北斗卫星定轨等关键技术，充分利用船载(如各大洋中货船、游轮等)GNSS数据，优化了BDS定轨中跟踪站构型，辅助北斗卫星轨道精确确定，削弱了BDS轨道的系统误差，提高了定轨精度。与现有技术中，采用BDS精密定轨技术方法，仅利用了地面跟踪站观测数据，其定轨构型较差，精度难以提高，严重影响科研工作者及普通用户的使用，本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，利用船载GNSS数据辅助地面跟踪站进行BDS精密定轨。由于货轮等船载设备航线遍布海洋，极大的丰富并改善了BDS精密定轨构型，削弱了BDS精密轨道的系统误差；由于游轮航线较多，其动态位置填补了跟踪站空白区域，为BDS精密定轨提供了更丰富的原始数据，同时提高了BDS精密轨道的精度，为用户提供了更为精确的轨道产品；船载GNSS接收机接收BDS的同时，还接收GPS等其他导航卫星数据，因此，可应用到其他卫星导航系统轨道确定，对于多系统联合定轨具有重要的意义。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。
上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，获取船载和陆地GNSS原始数据；
所述船载和陆地GNSS原始数据至少兼容BDS和GPS双系统，包括GNSS卫星导航星历和原始观测数据；所述原始观测数据包括两个频率的伪距观测值和载波相位观测值；
S2，利用S1中获取到的船载GPS原始数据，基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，得到船载GNSS跟踪站的动态定位结果及精度；
S3，通过地面站坐标的强约束和船载GNSS坐标适当约束，解算BDS卫星端UPD及船载接收机UPD，并确定船载北斗模糊度；
S4，基于S3中确定的所述北斗模糊度，利用S1船载GNSS原始数据中载波相位信息，对船载BDS伪距原始数据进行精化，获取精化后的船载BDS伪距值；
S5，利用S2中获取的所述船载GNSS跟踪站的动态定位结果和S4中获取的所述精化后的船载BDS伪距值，辅助BDS地面跟踪站，确定BDS精密轨道。
2.根据权利要求1所述的船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，其特征在于，S2中，所述基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，采用如下公式进行实施：
X(k)＝φ(k,k-1)X(k-1)+Γ(k/k-1)w(k-1)，
Z(k)＝H(k)X(k)+v(k)，
其中：X(k)为所要进行估计的状态值(即船载坐标GNSS站坐标)，为状态转移矩阵，Γ(k/k-1)为系统噪声驱动矩阵，w(k-1)为状态噪声，H(k)为GPS测量系数阵，Z(k)为GPS实际测量值，v(k)为测量噪声。
3.根据权利要求2所述的船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，其特征在于，S3包括如下步骤：
S301，采用如下方法解算BDS卫星端宽巷UPD：
通过以下公式形成非差M-W组合观测方程：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>cdt</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3.1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
Bw＝Bmw＝NL1-NL2 (3.2)
实数宽巷模糊度表示为：Bw＝Nw+bw-bw (3.3)
其中，Lmw指宽巷组合观测值，f1,f2指北斗卫星两个频点的频率，L1，L2指两个频率载波相位观测值，p1,p2指北斗卫星两个频点的伪距观测值，ρ指卫星位置到接收机的距离，c指真空中的光速，dtr为接收机钟差，T为对流层延迟影响，εmw为M-W组合观测值噪声，λmw指M-W组合观测值的波长，Bw指实数宽巷模糊度，Bmw指实数M-W组合模糊度，NL1，NL2指两个频率实数模糊度，bw，bw分别指接收机端和卫星端的宽巷UPD，Nw指非差整数宽巷模糊度；
选取陆地若干已知站坐标的GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.1解算参考站的BDS实数非差宽巷模糊度Bmw；设某一测站接收机端宽巷UPD为0，利用式3.3，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的宽巷UPD；
S302，采用如下方法确定BDS卫星端窄巷模糊度：
通过以下公式形成非差无电离层组合观测方程：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <msup> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <msup> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>&amp;rho;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>cdt</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>c</mi> </msub> <msub> <mi>B</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3.4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> 1
实数无电离层组合模糊度可以表示为：
其中，Lc为无电离层组合观测值，λc为无电离层组合观测值波长，εc为无电离层组合观测值噪声，Bc为无电离层组合实数模糊度，Bn为实数窄巷模糊度；
采用301所选取的陆地若干已知站坐标的GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.4解算陆地GNSS站的BDS实数无电离层组合模糊度；
将301中计算得到的参考站的BDS实数非差宽巷模糊度Bmw代入式3.5，得到实数非差窄巷模糊度Bn；
实数非差窄巷模糊度可以表示为：Bn＝Nn+bn-bn (3.6)
其中，bn，bn分别指接收机端和卫星端的窄巷UPD；
设某一测站接收机端窄巷UPD为0，利用式3.6，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的窄巷UPD；
S303，采用如下方法解算船载BDS模糊度解算：
实数窄巷模糊度为：Bn＝NL1+NL2 (3.7)
根据所述船载GNSS跟踪站动态定位结果及精度，给予约束，采用式3.4解算船载BDS实数无电离层组合模糊度，采用式3.1计算船载BDS实数宽巷模糊度；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式bw1＝Bw-bw，将bw1小数部分取均值，得到船载BDS接收机宽巷UPD；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式3.3，得到船载BDS宽巷整数模糊度；
根据式3.5，采用所述船载BDS实数无电离层组合模糊度和船载BDS实数宽巷模糊度，计算船载BDS实数窄巷模糊度；利用所述北斗卫星端窄巷UPD，根据式bn1＝Bn-bn，将bn1小数部分取均值，得到船载BDS窄巷UPD；利用所述卫星端窄巷UPD，根据式3.6，得到船载BDS窄巷整数模糊度；
联合式3.2和3.7，解算得到船载BDS两个频率上的整数模糊度。
4.根据权利要求1所述的船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，其特征在于，S4，包括如下步骤：
S401，通过下式，所述船载BDS原始观测数据中载波相位值表示为：
L1＝N1+LL1，L2＝N2+LL2
其中，N1，N2指所述两个频率的整数模糊度，LL1，LL2为载波相位实际值；
S402，通过下式，将所述船载BDS原始观测数据中载波相位观测值转为所述船载BDS伪距观测值：
lp1＝LL1×λ1，lp2＝LL2×λ2，
其中，lp1,lp2为北斗两个频率精化后的所述船载BDS伪距观测值。
5.根据权利要求1所述的船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，其特征在于，S5，包括如下步骤：
S501，采用如下方法生成BDS初始轨道及钟差：
根据北斗导航星历，提取轨道根数及钟差参数，生成北斗初始轨道及钟差；
S502，采用如下方法建立测站约束信息：
采用船载GNSS辅助地面跟踪站数据定轨，根据陆地跟踪站坐标精度进行站坐标的约束，采用紧约束方式，为毫米级；根据所述船载GNSS动态定位精度进行动态站坐标的约束，采用松约束方式，为厘米级；
S503，精密定轨：
根据所述精化后的船载BDS伪距值，辅助地面跟踪站，进行BDS精密轨道的确定，生成最终BDS轨道。
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