CN109752737B - 一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距的预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距预处理方法，具体按照：单向测量伪距、数据排序、提出、配对得到多对星间双向测量值、历元归算改正、消钟差组合、天线安装偏差改正和通道延时改正的步骤得到两个卫星之间的星间距。本本发明一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距的预处理方法，操作方法简单，能够更精确地测量两颗卫星质心位置的测距观测数据，测量得到的颗卫星质心位置的距离观测数据文件能够直接用于完成卫星轨道的确定。

Description

一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距的预处理方法

技术领域

本发明属于航天测量与控制技术领域，涉及一种导航卫星星间Ka波段 双向测量伪距的预处理方法。

背景技术

导航星座采用时分多址星间测量和通信技术，把时间分割成互不重叠的 时段(帧)，再将帧分割成互不重叠的时隙，与连接对象一一对应，依据时 隙区分来自不同地址的信号，从而完成多址的连接。假设导航星座由24颗卫 星组成，每颗导航卫星分配一个时隙，每个时隙维持1.5s，在轨工作的24颗 导航卫星均分配一个不同的时隙，36s时间可以对星座所有卫星轮询一遍， 该时间定义为一帧。在测距帧期间，任意一颗导航卫星在分配的时隙里发射 测距信号，其他所有可见的导航卫星进行接收，完成伪距的测量。

导航卫星利用星载Ka波段无线电天线可以建立星间链路(Inter SatelliteLink，ISL)，实现双向距离测量，用于支持卫星轨道确定。相比 传统的地面测距技术，该技术具有以下优势：一是可实现卫星全弧段连续跟 踪测量，不受地面站可见弧段的约束；二是不依赖地面测控站支持，节省了 地面测控资源，提高了卫星自主生存的能力。

另外，导航卫星采用时分多址(TDMA)体制与不同的卫星建立星间链路， 同一条链路的双向测量实际上包含同一个测距帧内完成的两次单向测量。具 体的测量过程描述如下：

如图2所示，卫星A在其卫星时t_A,1时刻(对应系统时间t₁)发出信号， 经发射系统的电路延迟c_A,1、无线电的空间延迟τ_AB、卫星B的电路处理延迟c_B,2，在卫星B的卫星时t_B,2时刻(对应系统时间t₂)被检测到。于是信号从 发出到接收的实际总延时为t₂-t₁，而卫星B测量到的时间差T_AB为t_B,2-t_A,1。 空间延迟τ_AB与两卫星相对距离相关，是时间的函数，考虑到电路延迟都是 小量，因此τ_AB可记为t₁、t₂时刻的函数τ_AB(t₁,t₂)，该延迟包括了路径延迟和电离层延迟等所有空间路径上的延迟。

另一方面，卫星B也在钟面时t_B,3(系统时t₃)时刻发出测距信号，经发 射系统的电路延迟c_B,3、无线电的空间延迟τ_BA、卫星A的电路处理延迟 c_A,4，在卫星A的钟面时t_A,4(系统时t₄)时刻被检测到。同理，卫星A测到 的时间差T_BA为t_A,4-t_B,3，τ_BA则记为τ_BA(t₃,t₄)。

上述过程的基本测量量为

T_AB＝t_B,2-t_A,1＝(t_B,2-t_B,1)+(t_B,1-t_A,1) (10)

T_BA＝t_A,4-t_B,3＝(t_A,4-t_A,3)+(t_A,3-t_B,3) (11)

注意到卫星时等于系统时加上钟差：t_A＝t+δt_A(t)，t_B＝t+δt_B(t)，则有

T_AB＝[δt_B(t₂)-δt_A(t₁)]+c_A,1+τ_AB(t₁,t₂)+c_B,2 (12)

T_BA＝[δt_A(t₄)-δt_B(t₃)]+c_B,3+τ_BA(t₃,t₄)+c_A,4 (13)

上述Ka星间链路测量时延T_AB、T_BA乘以光速包含两颗卫星的位置信息和 钟差信息，得到星间双向测量伪距

ρ_AB＝c·{[δt_B(t₂)-δt_A(t₁)]+c_A,1+τ_AB(t₁,t₂)+c_B,2} (14)

ρ_BA＝c·{[δt_A(t₄)-δt_B(t₃)]+c_B,3+τ_BA(t₃,t₄)+c_A,4} (15)

式中，c表示真空中的光速。

在实际测控应用过程中，上述双向测量伪距主要用于计算卫星轨道，传 统的处理方法有两种：一是建立卫星轨道和钟差的联合估计方程，同时估计 轨道和钟差参数，这种处理过程较为复杂；二是引入独立的钟差信息，对观 测数据中的卫星钟差进行消除，这需要引入其它精确的钟差数据源。

发明内容

本发明的目的是提供一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距的预处理 方法，能够生成对应于两颗卫星质心位置的测距观测数据，用于支持后续轨 道计算。

本发明所采用的技术方案是，一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距 预处理方法，具体按照下述步骤进行：

步骤1，在遥测数据中提取卫星的星间测量数据及接收端时标并解码， 读取星间测量数据及接收端时标，并对星间测量数据中每个单向测量数据进 行时间排序、重点剔重后，将单向测量数据进行双向数据配对，得到多对星 间双向测量值；

步骤2，将每对星间双向测量值进行时标统一改正；

步骤3，将每对时标统一改正后的星间双向测量值进行消钟差组合，得 到双向距离观测值；

步骤4，将双向距离观测值进行天线安装偏差改正，得到对应于卫星质 心的双向距离观测值；

步骤5，利用地面标校值对对应于卫星质心的双向距离观测值进行星载 测量天线的通道延时改正，得到卫星的星间距。

本发明的特点还在于：

根据双单向测量原理，所述步骤1中的星间双向测量值包括：

ρ_AB＝c·{[δt_B(t₂)-δt_A(t₁)]+c_A,1+τ_AB(t₁,t₂)+c_B,2} (1)

其中，ρ_AB为卫星A发B收的单向伪距，c为真空中的光速，t₂为卫星B接 收到测距信号时对应的系统时间，δt_B(t₂)为系统时t₂时刻卫星B的钟差，t₁为 卫星A发出测距信号时对应的系统时间，δt_A(t₁)为系统时t₁时刻卫星A的钟 差，c_A,1为卫星A发射通道时延，τ_AB(t₁,t₂)为卫星A、B空间路径传播时延， c_B,2为卫星B接收通道时延；

ρ_BA＝c·{[δt_A(t₄)-δt_B(t₃)]+c_B,3+τ_BA(t₃,t₄)+c_A,4} (2)

其中，ρ_BA为卫星B发A收的单向伪距，t₄为卫星A接收到测距信号时对应 的系统时间，δt_A(t₄)为t₄时刻卫星B的钟差，t₃为卫星B发出测距信号时对 应的系统时间，δt_B(t₃)为系统时t₃时刻卫星B的钟差，c_B,3为卫星B发射通道 时延，τ_BA(t₃,t₄)为卫星A、B空间路径传播时延，c_A,4为卫星A接收通道时延。

步骤2中按照下述步骤将每对星间双向测量值进行时标统一改正：

步骤2.1，将星间双向测量值归算至同一测距历元t₀：

其中，a_1,A为卫星A的卫星钟频率偏差，a_1,B为卫星B的卫星钟频率偏 差，X_B(t₂)为系统时t₂时刻卫星B的位置，X_A(t₂)为系统时t₂时刻卫星A的位 置，X_B(t₄)为系统时t₄时刻卫星B的位置，X_A(t₄)为系统时t₄时刻卫星A的位 置，X_B(t₀)为系统时t₀时刻卫星B的位置，X_A(t₀)为系统时t₀时刻卫星A的位 置；

步骤2.2，归算至同一测距历元t₀的星间双向测量值为：

其中，

表示考虑光行时的发射端时刻，δt_B(t₀)为系统时t₀时刻卫星B的钟差，δt_A(t₀)为系统时t₀时刻卫星A的钟差，

为系统 时t₀时刻卫星A、B之间的空间路径传播时延。

步骤3中具体按照下述方法将时标统一改正后的星间双向测量值进行消 钟差组合：

将时标统一改正后的星间双向测量值相加求平均得到双向距离观测值：

步骤4中按照下述步骤将所述双向距离观测值进行天线安装偏差改正， 得到对应于卫星质心的双向距离观测值：

步骤4.1，计算将双向距离观测值改正到卫星质心的改正量：

其中，

为卫星A本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，Δr_A,pco为卫 星A天线安装位置相对于质心偏差，

为卫星B本体坐标系到惯性坐标 系的转换矩阵，Δr_B,pco为卫星B天线安装位置相对于质心偏差，e表示惯性系 中卫星A到卫星B的方向矢量；

步骤4.2，根据所述改进量计算对应于卫星质心的双向距离观测值：

步骤5中通过利用卫星方提供的通道时延参数作为初始值的方法对对应 于卫星质心的双向距离观测值进行通道延时改正，得到卫星的星间距。

本发明的有益效果是

本发明一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距的预处理方法，操作方 法简单，能够更精确地测量两颗卫星质心位置的测距观测数据，测量得到的 颗卫星质心位置的距离观测数据文件能够直接用于完成卫星轨道的确定。

附图说明

图1是本发明一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距的预处理方法的 流程图；

图2是本发明一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距的预处理方法背 景技术中计算双向测量伪距的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距的预处理方法，如图1所示， 具体按照下述步骤进行：

步骤1，在遥测数据中提取卫星的星间测量数据及接收端时标并解码， 读取星间测量数据及接收端时标，并对星间测量数据中每个单向测量数据进 行时间排序，然后将距离不在[10000km，70000km]区间内的数据进行重点剔 冲后，将±3s时隙内的单向测量数据进行双向数据配对，得到多对星间双向 测量值：

根据双单向测量原理，步骤1中的星间双向测量值包括：

ρ_AB＝c·{[δt_B(t₂)-δt_A(t₁)]+c_A,1+τ_AB(t₁,t₂)+c_B,2} (1)

其中，ρ_AB为卫星A发B收的单向伪距，c为真空中的光速，t₂为卫星B接 收到测距信号时对应的系统时间，δt_B(t₂)为系统时t₂时刻卫星B的钟差，t₁为 卫星A发出测距信号时对应的系统时间，δt_A(t₁)为系统时t₁时刻卫星A的钟 差，c_A,1为卫星A发射通道时延，τ_AB(t₁,t₂)为卫星A、B空间路径传播时延， c_B,2为卫星B接收通道时延；

ρ_BA＝c·{[δt_A(t₄)-δt_B(t₃)]+c_B,3+τ_BA(t₃,t₄)+c_A,4} (2)

其中，ρ_BA为卫星B发A收的单向伪距，t₄为卫星A接收到测距信号时 对应的系统时间，δt_A(t₄)为t₄时刻卫星B的钟差，t₃为卫星B发出测距信号 时对应的系统时间，δt_B(t₃)为系统时t₃时刻卫星B的钟差，c_B,3为卫星B发射 通道时延，τ_BA(t₃,t₄)为卫星A、B空间路径传播时延，c_A,4为卫星A接收通道 时延。

步骤2，将每对星间双向测量值进行时标统一改正，聚天下好下述步骤 进行：

将双单向测量值ρ_AB(t₂)和ρ_BA(t₄)(时标t₄)的时标算到同一测距帧历元t₀， 其中，t₀与t₂、t₄归间隔不大于3s：

其中，a_1,A为卫星A的卫星钟频率偏差，a_1,B为卫星B的卫星钟频率偏 差，X_B(t₂)为系统时t₂时刻卫星B的位置，X_A(t₂)为系统时t₂时刻卫星A的位 置，X_B(t₄)为系统时t₄时刻卫星B的位置，X_A(t₄)为系统时t₄时刻卫星A的位 置，X_B(t₀)为系统时t₀时刻卫星B的位置，X_A(t₀)为系统时t₀时刻卫星A的位 置；

步骤2.2，归算至同一测距历元t₀的星间双向测量值为：

其中，

表示考虑光行时的发射端时刻，δt_B(t₀)为系 统时t₀时刻卫星B的钟差，δt_A(t₀)为系统时t₀时刻卫星A的钟差，

为 系统时t₀时刻卫星A、B之间的空间路径传播时延。

步骤3，将每对时标统一改正后的星间双向测量值进行消钟差组合，得 到双向距离观测值，具体按照下述方法进行：

将时标统一改正后的星间双向测量值相加求平均得到双向距离观测值：

步骤4，将所述双向距离观测值进行天线安装偏差改正，得到对应于卫 星质心的双向距离观测值，具体按照下述步骤进行：

步骤4.1，计算将双向距离观测值改正到卫星质心的改正量：

其中，

为卫星A本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，Δr_A,pco为卫 星A天线安装位置相对于质心偏差，

为卫星B本体坐标系到惯性坐标 系的转换矩阵，Δr_B,pco为卫星B天线安装位置相对于质心偏差，e表示惯性系 中卫星A到卫星B的方向矢量；

步骤4.2，根据所述改进量计算对应于卫星质心的双向距离观测值：

步骤5，通过利用卫星方提供的通道时延参数作为初始值的方法对对应 于卫星质心的双向距离观测值进行通道延时改正，得到卫星的星间距：

对应于卫星质心的双向距离观测值中还包含了A、B两颗卫星天线的收 发通道时延，需要进一步修正，对于星载天线设备来说，它的通道时延具备 一定的稳定性，因此在一次轨道计算过程中，可以将收发通道时延作为常量 进行改正。对于每颗卫星，建立一个收发通道时延和参数估计模型，在轨道 计算过程中与轨道参数一起估计。

Claims (6)

1.一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距预处理方法，其特征在于，具体按照下述步骤进行：

步骤1，在遥测数据中提取卫星的星间测量数据及接收端时标并解码，读取星间测量数据及接收端时标，并对星间测量数据中每个单向测量数据进行时间排序、重点剔重后，将单向测量数据进行双向数据配对，得到多对星间双向测量值；

步骤2，将每对星间双向测量值进行时标统一改正；

步骤3，将每对时标统一改正后的星间双向测量值进行消钟差组合，得到双向距离观测值；

步骤4，将所述双向距离观测值进行天线安装偏差改正，得到对应于卫星质心的双向距离观测值；

步骤5，利用地面标校值对所述对应于卫星质心的双向距离观测值进行星载测量天线的通道延时改正，得到卫星的星间距。

2.根据权利要求1所述的一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距预处理方法，其特征在于，根据双单向测量原理，所述步骤1中的星间双向测量值包括：

ρ_AB＝c·{[δt_B(t₂)-δt_A(t₁)]+c_A,1+τ_AB(t₁,t₂)+c_B,2} (1)

其中，ρ_AB为卫星A发B收的单向伪距，c为真空中的光速，t₂为卫星B接收到测距信号时对应的系统时间，δt_B(t₂)为系统时t₂时刻卫星B的钟差，t₁为卫星A发出测距信号时对应的系统时间，δt_A(t₁)为系统时t₁时刻卫星A的钟差，c_A,1为卫星A发射通道时延，τ_AB(t₁,t₂)为卫星A、B空间路径传播时延，c_B,2为卫星B接收通道时延；

ρ_BA＝c·{[δt_A(t₄)-δt_B(t₃)]+c_B,3+τ_BA(t₃,t₄)+c_A,4} (2)

其中，ρ_BA为卫星B发A收的单向伪距，t₄为卫星A接收到测距信号时对应的系统时间，δt_A(t₄)为t₄时刻卫星B的钟差，t₃为卫星B发出测距信号时对应的系统时间，δt_B(t₃)为系统时t₃时刻卫星B的钟差，c_B,3为卫星B发射通道时延，τ_BA(t₃,t₄)为卫星A、B空间路径传播时延，c_A,4为卫星A接收通道时延。

3.根据权利要求1所述的一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距预处理方法，其特征在于，所述步骤2中按照下述步骤将每对星间双向测量值进行时标统一改正：

步骤2.1，将星间双向测量值归算至同一测距历元t₀：

其中，a_1,A为卫星A的卫星钟频率偏差，a_1,B为卫星B的卫星钟频率偏差，X_B(t₂)为系统时t₂时刻卫星B的位置，X_A(t₂)为系统时t₂时刻卫星A的位置，X_B(t₄)为系统时t₄时刻卫星B的位置，X_A(t₄)为系统时t₄时刻卫星A的位置，X_B(t₀)为系统时t₀时刻卫星B的位置，X_A(t₀)为系统时t₀时刻卫星A的位置，ρ_AB为卫星A发B收的单向伪距，ρ_BA为卫星B发A收的单向伪距，c为真空中的光速；

步骤2.2，归算至同一测距历元t₀的星间双向测量值为：

其中，

表示考虑光行时的发射端时刻，δt_B(t₀)为系统时t₀时刻卫星B的钟差，δt_A(t₀)为系统时t₀时刻卫星A的钟差，

为系统时t₀时刻卫星A、B之间的空间路径传播时延，c_A,1为卫星A发射通道时延，c_B,2为卫星B接收通道时延，c_A,4为卫星A接收通道时延，c_B,3为卫星B发射通道时延。

4.根据权利要求1所述的一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距预处理方法，其特征在于，所述步骤3中具体按照下述方法将时标统一改正后的星间双向测量值进行消钟差组合：

将时标统一改正后的星间双向测量值相加求平均得到双向距离观测值：

其中，c为真空中的光速，c_A,1为卫星A发射通道时延，c_B,2为卫星B接收通道时延，c_A,4为卫星A接收通道时延，c_B,3为卫星B发射通道时延，

为系统时t₀时刻卫星A、B之间的空间路径传播时延。

5.根据权利要求1所述的一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距预处理方法，其特征在于，所述步骤4中按照下述步骤将所述双向距离观测值进行天线安装偏差改正，得到对应于卫星质心的双向距离观测值：

步骤4.1，计算将双向距离观测值改正到卫星质心的改正量：

其中，

为卫星A本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，Δr_A,pco为卫星A天线安装位置相对于质心偏差，

为卫星B本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵，Δr_B,pco为卫星B天线安装位置相对于质心偏差，e表示惯性系中卫星A到卫星B的方向矢量；

步骤4.2，根据步骤4.1计算得到的改正量计算对应于卫星质心的双向距离观测值：

其中，c为真空中的光速，

为系统时t₀时刻卫星A、B之间的空间路径传播时延。

6.根据权利要求1所述的一种导航卫星星间Ka波段双向测量伪距预处理方法，其特征在于，所述步骤5中通过利用卫星方提供的通道时延参数作为初始值的方法对对应于卫星质心的双向距离观测值进行通道延时改正，得到卫星的星间距。

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