CN108061908B - 基于低轨卫星星载gnss技术的slr台站三维坐标几何解算方法 - Google Patents

基于低轨卫星星载gnss技术的slr台站三维坐标几何解算方法 Download PDF

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    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves

Abstract

本发明公开了一种基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法。所述几何解算方法利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行连续的跟踪观测，采用非差法对低轨卫星进行精密运动学定轨；接着利用低轨卫星上搭载的卫星激光测距角反射棱镜得到的SLR激光测距值，对SLR观测资料进行系统误差改正，将其换算成高精度的SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，结合多历元单颗/多颗低轨卫星的精密几何轨道，根据距离交会定位原理，由最小二乘方法解算出地面SLR观测台站的三维几何坐标。本发明利用低轨卫星的星载GNSS数据和SLR跟踪观测资料，采用几何方法，实现地面SLR观测台站的高精度几何坐标解算；相比经典的动力学解算，避免了复杂的动力学模型。

Description

基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算 方法
技术领域
本发明涉及一种基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法。
背景技术
卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，简称SLR)是利用测量激光脉冲在地面与卫星之间的往返传播时间来进行对卫星跟踪观测的一种双程测距方法，这是它与其它空间观测技术，诸如甚长基线干涉测量(VLBI)、全球导航卫星系统(GNSS)、卫星多普勒定轨定位系统(DORIS)等的主要差别。GNSS是在一个全球或区域范围内，提供精确定位、导航和时间服务的一项非常重要的空间技术。GNSS主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和其他几个新出现的全球/区域导航卫星系统，如欧洲的伽利略和中国的北斗系统。
当前以VLBI、SLR、GNSS和DORIS为主的空间大地测量技术有了很快的发展，这些不同的空间大地测量技术建立了各自的地球参考框架，将不同的空间大地测量技术获得的数据和结果集成与融合问题是一个具有挑战性的课题。目前国际上公认的精度最高、被广泛采用的国际地球参考框架ITRF是由上述四种空间大地测量技术所提供的全球范围内一系列测站站坐标和站速度综合的结果予以实现和维持的。
由于不同的空间大地测量技术建立的参考框架之间本身含有差异，这些差异是影响ITRF精度的主要因素，目前国际地球自转和参考系服务(IERS)组织通过多种空间大地测量技术的并置观测技术来实现不同技术框架的统一，对于并置站的偏心向量的测量是IERS长期测量任务。在并置站中，由于VLBI和SLR技术采用的大口径望远镜导致无法通过外部的测量标志直接测定其测量中心，进而采用台站的旋转几何中心作为参考点，再利用经典的大地控制网测量即可测量出GNSS与SLR台站之间的归心向量，进而求得在GNSS技术下的SLR台站坐标。目前对SLR台站坐标解算是通过动力学方法对地球动力学卫星进行精密定轨，从而完成对SLR台站坐标的动力学解算，然而，此种解算方式需要建立复杂的动力学模型。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，以克服SLR台站坐标解算时需要建立复杂力学模型的不足。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，包括如下步骤：
s1.利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行跟踪观测，在GNSS卫星多于三颗的条件下以非差法进行运动学精密定轨；
利用几何方式，使用星载GNSS观测量，由最小二乘方法估计每个历元的低轨卫星三维坐标；解算出的低轨卫星几何轨道信息作为SLR台站解算的起算数据；
s2.利用低轨卫星上装载的激光后向反射棱镜，得到地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值；对SLR台站及SLR观测资料进行各项系统误差改正，将实际观测数据归算为SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，将改正后的激光测距值作为SLR台站解算的几何观测值；
s3.利用解算出的多历元低轨卫星几何轨道信息和低轨卫星的激光测距值，建立观测方程，由最小二乘方法求解出地面SLR台站三维几何坐标，具体计算过程如下：
SLR台站对低轨卫星的观测方程为：
Figure GDA0002261854340000021
公式(1)中，低轨卫星在历元i的位置矢量为(xi，yi，zi)；
SLR台站的真实位置矢量为(x，y，z)，ρslr是低轨卫星的激光测距值，Δρtro是大气折射延迟改正；Δρscc是卫星质心补偿修正；Δρrel是广义相对论效应修正，Δρec是测站偏心改正，Δρsyms是测站测距系统改正，Δρtd为潮汐改正，Δρcm是地壳运动改正，ε是观测噪声，其中低轨卫星的激光测距值的权是pi；
定义SLR台站位置的近似坐标为(x0，y0，z0)，将公式(1)在SLR台站近似坐标(x0，y0，z0)处用泰勒级数展开后，保留一阶项，可得线性化的观测方程为：
Figure GDA0002261854340000022
公式(2)中，vx，vy，vz分别为SLR台站近似位置处坐标三个分量x0，y0，z0的改正数；其中，vx＝x-x0，vy＝y-y0，vz＝z-z0；
Figure GDA0002261854340000023
为从SLR台站近似位置至第i历元的低轨卫星之间的距离；
Figure GDA0002261854340000024
分别是从SLR台站近似位置到低轨卫星方向上的方向余弦；
令
Figure GDA0002261854340000025
当SLR台站对低轨卫星的观测历元数i＞3时，误差方程可表示为：
vi＝-livx-mivy-nivz+hi (3)
公式(3)中，i＝1，2，…n，n＞3；
hi为常数项，且
Figure GDA0002261854340000026
令：
V＝[v1 v2 v3 … vn]T；
Figure GDA0002261854340000031
Figure GDA0002261854340000032
X＝[vx vy vz]T；
H＝[-h1 -h2 -h3 … -hn]T；
则公式(2)可改写为：
Figure GDA0002261854340000033
相应的最小二乘解为：
Figure GDA0002261854340000034
利用解算出的改正数更新SLR台站近似位置的坐标(x0，y0，z0)；
重复执行公式(3)-(5)计算，使
Figure GDA0002261854340000035
不断逼近改正后的激光测距值；当满足迭代计算收敛精度时，则退出循环即可求得最终的SLR台站几何坐标及其精度。
所述步骤s1中，在解算出低轨卫星几何轨道信息后，将低轨卫星位置内插到SLR观测时刻；内插方法采用非动力学平滑的内插方法，内插精度保持毫米级精度。
本发明具有如下优点：
本发明能够通过低轨卫星星载GNSS和SLR观测资料，运用几何方法实现对地面SLR台站三维坐标的几何解算，相比以往通过动力学方法对SLR台站三维坐标的解算，避免了复杂的动力学模型，方法更为简洁；并且实现了在GNSS技术构建的IGS框架内的SLR台站几何坐标求解，比传统的利用大地控制网实现的归心测量更为方便，为多种空间大地测量技术的融合提供一种新的思路。
附图说明
图1为基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法的流程图；
图2为本发明中卫星激光测距台站对低轨卫星的观测示意图；
图3为SLR台站对GRACE-A卫星的可视区域分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
结合图1所示，本发明实施例给出了一种基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，其包括如下步骤：
s1.利用低轨卫星星载GNSS技术对低轨卫星进行精密运动学定轨。
如图2所示，利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行跟踪观测，在GNSS卫星(诸如GPS卫星等)多于三颗的条件下以非差法进行运动学精密定轨。在图2中，GNSS Satellite代表GNSS卫星，LEO Satellite代表低轨卫星，Laser Station代表SLR台站。
利用几何方式，使用星载GNSS观测量，由最小二乘方法估计每个历元的低轨卫星三维坐标；解算出的低轨卫星几何轨道信息作为SLR台站解算的起算数据。
该步骤s1中解算出的低轨卫星几何轨道信息，例如可以是一颗低轨卫星的多历元下的几何定轨结果或者是多颗低轨卫星多历元下的几何定轨结果。
在解算出低轨卫星几何轨道信息后，需要将低轨卫星位置内插到SLR观测时刻；内插方法采用非动力学平滑的内插方法，内插精度保持毫米级精度。
s2.对低轨卫星的SLR观测资料进行预处理，从而将地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值转换为高精度的SLR台站与低轨卫星质心之间的距离观测值。
具体的，利用低轨卫星上装载的激光后向反射棱镜，得到地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值；对SLR台站及SLR观测资料进行各项系统误差改正，将实际观测数据归算为SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，将改正后的激光测距值作为SLR台站解算的几何观测值。
s3.利用解算出的多历元低轨卫星几何轨道信息和低轨卫星的激光测距值，建立观测方程，由最小二乘方法求解出地面SLR台站三维几何坐标，具体计算过程如下：
SLR台站对低轨卫星的观测方程为：
公式(1)中，低轨卫星在历元i的位置矢量为(xi，yi，zi)。
SLR台站的真实位置矢量为(x，y，z)，ρslr是低轨卫星的激光测距值，Δρtro是大气折射延迟改正；Δρscc是卫星质心补偿修正；Δρrel是广义相对论效应修正，Δρec是测站偏心改正，Δρsyms是测站测距系统改正，Δρtd为潮汐改正，Δρcm是地壳运动改正，ε是观测噪声，其中低轨卫星的激光测距值的权是pi；
定义SLR台站位置的近似坐标为(x0，y0，z0)，将公式(1)在SLR台站近似坐标(x0，y0，z0)处用泰勒级数展开后，保留一阶项，可得线性化的观测方程为：
Figure GDA0002261854340000051
公式(2)中，vx，vy，vz分别为SLR台站近似位置处坐标三个分量x0，y0，z0的改正数；其中，vx＝x-x0，vy＝y-y0，vz＝z-z0；
为从SLR台站近似位置至第i历元的低轨卫星之间的距离；
Figure GDA0002261854340000053
分别是从SLR台站近似位置到低轨卫星方向上的方向余弦；
令
Figure GDA0002261854340000054
当SLR台站对低轨卫星的观测历元数i＞3时，误差方程可表示为：
vi＝-livx-mivy-nivz+hi (3)
公式(3)中，i＝1，2，…n，n＞3；
hi为常数项，且
令：
V＝[v1 v2 v3 … vn]T；
Figure GDA0002261854340000056
X＝[vx vy vz]T；
H＝[-h1 -h2 -h3 … -hn]T；
则公式(2)可改写为：
相应的最小二乘解为：
Figure GDA0002261854340000059
利用解算出的改正数更新SLR台站近似位置的坐标(x0，y0，z0)。
重复执行公式(3)-(5)计算，使
Figure GDA00022618543400000510
不断逼近改正后的激光测距值；当满足迭代计算收敛精度时，则退出循环即可求得最终的SLR台站几何坐标及其精度。
为了验证本发明方法的有效性，还给出了如下实验：
1.观测资料的获取与预处理
选择3个SLR台站(ZIML、HERL和YARL)测试和验证以上方法。
PIMO(46°52’38”N,7°27’54”E)、MIZU(50°37’57”N,7°23’50”E)和YARL(29°02’47”S,115°20’48”E)，SLR观测数据是来自国际激光测距组织ILRS提供的标准点数据，观测时段为2012-1-11～2012-1-17，截止高度角设置为10°。
低轨卫星选择的是GRACE-A卫星，采用的观测资料是2012年1月11-1月17日的GEACE-A卫星的星载GNSS观测数据，数据采样间隔10s，而GNSS卫星精密星历和钟差数据则来自CODE(Centre for Orbit Determination in Europe)数据中心。
将利用星载GNSS数据解算出的2012年1月11日至17日GRACE-A卫星精密运动学轨道与美国喷气推动实验室(JPL)发布的事后科学轨道进行比较，二者差异的统计结果见表1。
由RMS来看，径向方向为0.0137m，沿轨道方向为0.0164m，法向方向为0.0198m，三维位置精度为0.0291m。由此结果来看，即便存在数个较大的差异量，所解算出七天运动学轨道的三维位置精度可以达到厘米量级。
表1解算七天的GRACE-A卫星运动学轨道与JPL的事后科学轨道的差异统计
MAX(m) MIN(m) MEAN(m) RMS(m)
Radial 0.0486 -0.0592 0.0035 0.0137
Along-track 0.0973 -0.0905 0.0015 0.0164
Cross-track 0.0593 -0.0434 0.0163 0.0198
在完成对GRACE-A卫星轨道解算之后，需要将低轨卫星的运动学轨道内插至SLR的观测时刻。考虑到GRACE-A卫星的运动学轨道是在GPST时间系统下进行解算的，而SLR观测资料采用的时间系统是UTC，因此在进行轨道内插之前需要统一两者的时间系统。
在取得SLR观测资料之后，需要将其换算成高精度的SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，因此对SLR台站及SLR观测资料的进行系统误差改正。表2给出了三个SLR台站的GRACE-A卫星的观测资料基本信息。将七天内的GRACE-A卫星地面轨迹分布情况以及三个SLR台站对GRACE-A卫星的可视区域进行统计分析，结果见图3。
表2 SLR台站对GRACE-A卫星的观测基本信息
Figure GDA0002261854340000061
此外，根据国际激光测距服务(ILRS)组织发布的长期数据质量报告，2012年1月7090测站单次测距精度为9.2mm，7810测站单次测距精度为10.6mm，7840单次测距精度为12.4mm，以此对测距观测量进行定权。
2.结果和分析
采用切比雪夫多项式内插公式将卫星位置内插到SLR观测时刻，利用切比雪夫多项式内插的GRACE-A卫星轨道和经过处理后的SLR观测值，结合最小二乘法求解出最终的SLR台站坐标。本次解算采用的地球参考框架为IGS08，因此最终的SLR台站解算结果属于此参考框架内。利用IGS08框架内的238个测站在ITRF2008框架内的坐标计算出转换参数，利用这些转换参数将SLR台站的解算结果归算到ITRF2008(2005历元)下，同时与ITRF2008下对应历元的SLR台站解算结果进行比对，结果如表3所示。
表3 SLR台站解算结果在ITRF2008中的归算结果
Figure GDA0002261854340000071
在对SLR台站解算中，对于低轨卫星的轨道视为已知值，那么解算出的低轨卫星的运动学轨道误差将成为一种起算数据误差，这会使观测方程的系数产生误差。不同的SLR台站对低轨卫星的观测资料质量会直接影响到最终的解算结果，从上表3可以看出，本实例所得结果与ITRF2008结果之差在厘米级水平，二者基本一致。理论和实验结果表明，这种基于低轨卫星星载GNSS技术对SLR台站三维坐标几何解算方法是可行的。
由于本发明中单颗/多颗低轨卫星的多历元下的运动学轨道被视作起算数据，激光测距值是几何观测值，对SLR台站坐标最终的解算过程未涉及动力学模型，因此解算的SLR台站三维坐标是几何解，不是动力学解，避免了复杂的动力学模型，方法更为简洁。
当然，以上说明仅仅为本发明的一个实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (2)

1.基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1.利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行跟踪观测，在GNSS卫星多于三颗的条件下以非差法进行运动学精密定轨；
利用几何方式，使用星载GNSS观测量，由最小二乘方法估计每个历元的低轨卫星三维坐标；解算出的低轨卫星几何轨道信息作为SLR台站解算的起算数据；
s2.利用低轨卫星上装载的激光后向反射棱镜，得到地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值；对SLR台站及SLR观测资料进行各项系统误差改正，将实际观测数据归算为SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，将改正后的激光测距值作为SLR台站解算的几何观测值；
s3.利用解算出的多历元低轨卫星几何轨道信息和低轨卫星的激光测距值，建立观测方程，由最小二乘方法求解出地面SLR台站三维几何坐标，具体计算过程如下：
SLR台站对低轨卫星的观测方程为：
Figure FDA0002261854330000011
公式(1)中，低轨卫星在历元i的位置矢量为(xi，yi，zi)；
SLR台站的真实位置矢量为(x，y，z)，ρslr是低轨卫星的激光测距值，Δρtro是大气折射延迟改正；Δρscc是卫星质心补偿修正；Δρrel是广义相对论效应修正，Δρec是测站偏心改正，Δρsyms是测站测距系统改正，Δρtd为潮汐改正，Δρcm是地壳运动改正，ε是观测噪声，其中，低轨卫星的激光测距值的权是pi；
定义SLR台站位置的近似坐标为(x0,y0,z0)，将公式(1)在SLR台站近似坐标(x0,y0,z0)处用泰勒级数展开后，保留一阶项，可得线性化的观测方程为：
Figure FDA0002261854330000012
公式(2)中，vx，vy，vz分别为SLR台站近似位置处坐标三个分量x0,y0,z0的改正数；其中，vx＝x-x0，vy＝y-y0，vz＝z-z0；
Figure FDA0002261854330000013
为从SLR台站近似位置至第i历元的低轨卫星之间的距离；
Figure FDA0002261854330000014
分别是从SLR台站近似位置到低轨卫星方向上的方向余弦；
令
Figure FDA0002261854330000015
当SLR台站对低轨卫星的观测历元数i>3时,误差方程可表示为：
vi＝-livx-mivy-nivz+hi (3)
公式(3)中，i＝1,2,…n,n＞3；
hi为常数项，且
Figure FDA0002261854330000021
令：
V＝[v1 v2 v3…vn]T；
Figure FDA0002261854330000023
X＝[vx vy vz]T；
H＝[-h1 -h2 -h3…-hn]T；
则公式(2)可改写为：
Figure FDA0002261854330000024
相应的最小二乘解为：
利用解算出的改正数更新SLR台站近似位置的坐标(x0,y0,z0)；
重复执行公式(3)-(5)计算，使
Figure FDA0002261854330000026
不断逼近改正后的激光测距值；当满足迭代计算收敛精度时，则退出循环即可求得最终的SLR台站几何坐标及其精度。
2.根据权利要求1所述的基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，其特征在于，所述步骤s1中，在解算出低轨卫星几何轨道信息后，将低轨卫星位置内插到SLR观测时刻；内插方法采用非动力学平滑的内插方法，内插精度保持毫米级精度。
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