CN110031881A - 高精度星间激光测距辅助精密单点定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度星间激光测距辅助精密单点定位的方法，导航卫星搭载高精度星间激光测距载荷，地面运控系统确定卫星激光测距设备信号收发起点与L波段卫星载荷天线相位中心之间的系统偏差参数并上注到卫星；卫星将星间测距信息、系统偏差信息编排到发射信号中；地面单点定位用户在接收L波段导航信号同时接收星间激光测距信息和系统偏差信息，并组合利用星间激光测距观测量、L波段伪距和载波相位观测量、导航电文、精密轨道产品等数据完成精密单点定位，确定用户精确位置。本发明能够减少定位初始化时间，降低对精密钟差及轨道产品更新频度的要求，提高动态精密单点定位效率。

Description

高精度星间激光测距辅助精密单点定位的方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别是一种应用星间双向激光测距观测量与L波段伪距和载波相位观测数据组合实现用户精密单点定位的方法。

背景技术

卫星导航系统是现阶段使用最广的导航、定位、授时系统。精密单点定位技术是一种利用全球GNSS数据处理中心解算的卫星精密轨道和钟差产品，以及后处理解算的卫星的非整数模糊度参数(FCB)，采用单个用户测站获取的双频伪距及载波相位观测数据，精密确定用户位置的方法。精密单点定位方法仅利用单测站观测数据即可实现厘米级定位，达到与GNSS相对定位接近的精密定位效果，因此定位效率极大提高。同时，由于精密单点定位技术能够实现单站确定整数载波相位模糊度参数，相当于将伪距测量精度提高近2个数量级，因此，该方法也适用于精密动态定位。然而，现有精密单点定位技术应用于动态定位时，由于观测方程数量少于待求解参数数量，仅采用单站单历元观测数据不能确定载波相位模糊度参数，为此，通常需要预先进行初始化。即将接收机置于固定点进行静态测量，等积累的数据足以确定模糊度参数后，再利用确定的模糊度进行精密动态定位。初始化时间与导航卫星数量、星座构型等多因素有关。现阶段，对于GPS导航卫星，采用PPP技术进行精密动态定位时，模糊度初始化时间通常需要30分钟左右，即便采用目前国内外学者提出的各种最新改进技术，也需要超过10-15分钟以上时间进行初始化。初始化时间过长的一个直接后果是，动态定位中如果用户接收的导航卫星信号因受到遮挡或干扰而产生信号失锁，则先前确定的模糊度参数不再可用，需要重新进行初始化，过于频繁的初始化使得动态PPP技术的使用效率和应用领域受到极大限制，需要探索新的解决方案。另一方面，精密PPP技术的应用需要高精度卫星轨道和钟差产品的支撑，而高精度的卫星轨道及钟差产品则是独立机构利用全球地面监测站数据经过精密数据处理和模型预报获取，并通过专用通讯链路发送给用户的。由于卫星轨道及钟差预报精度与预报时长直接相关，因此，为满足定位精度需要，PPP用户需要高频度接收精密轨道及钟差产品，造成PPP技术的使用成本增加。

为了完成精密定轨、时间同步和星间数据通讯，北斗全球卫星导航系统搭载高精度星间激光测距载荷，可高频度获取高精度的星间双向激光测距数据，利用星间激光测距数据可同时测定卫星之间的相对距离和相对钟差，考虑到同等观测条件下导航卫星的定位精度主要取决于卫星之间的相对位置和钟差确定精度，因此，利用高精度星间激光测距观测量，结合L波段伪距和载波相位数据，无需高频度精密轨道及钟差产品，也可实现精确测定地面点坐标的目的。在精密单点定位中直接使用星间测距数据的另一个优势是，高精度星间距离信息也为卫星之间单历元单差模糊度参数确定提供了额外约束，可减少模糊度参数的初始化时间，提高精密定位效率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种将高精度星间激光观测数据用于精密单点定位的方法，利用星间双向激光测距数据，与L波段载波相位及伪距数据组合，实现精密单点定位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)每颗导航卫星搭载星间激光测距设备，能够获取周边可视卫星的星间双向激光测距观测量；

(2)星间激光测距设备获取星间双向激光测距观测并记录；

(3)导航卫星发射导航信号，同时将该卫星获取的所有可建链卫星的星间激光测距数据发播给用户；

(4)地面运控系统同时收集多个地面监测站接收的L波段伪距及载波相位观测数据，与步骤(3)获取的星间激光测距数据进行数据组合，生成卫星广播星历参数及星载激光测距设备信号发射点和星载L波段发射天线相位中心之间的时延参数，并上注到卫星；组合利用多个卫星和多个地面监测站数据，以卫星参考轨道为先验值，估计卫星轨道、钟差及设备时延参数；

(5)IGS分析中心或地面数据处理中心生成精密卫星轨道及钟差产品，同时确定每颗卫星的非整数模糊度参数，发送给用户；

(6)用户接收导航信号，获取伪距及载波相位观测量，并解码得到卫星导航星历参数，星间激光测距数据、星载激光测距设备与导航信号发射设备之间的时延参数、星载激光测距设备相对卫星质心修正参数信息；

(7)用户利用导航电文信息对卫星双向激光测距数据观测历元进行归化，将星间测距观测量接收时刻归化到与用户接收到的卫星L波段载波相位信号发射时刻相同或相差不超过2ms的时刻；

(8)对历元归化后的星间双向激光测距观测量进行预处理，包括粗差剔除、相对论修正、设备时延修正，消除系统误差，并通过双向测距观测量的相加、相减组合，形成与导航信号发射时刻对应的星间精密距离和钟差信息；

(9)利用星间精密距离和钟差信息，结合精密轨道及钟差产品信息，对用户接收到的L波段观测数据进行预处理，包括剔除粗差，探测并修复周跳；

(10)用户利用观测得到的卫星L波段伪距和载波相位观测量和星间精密距离及钟差信息，结合精密轨道及钟差产品信息、卫星非整数模糊度参数、系统偏差参数、用户接收机天线相位中心参数，采用有星间测距约束的精密单点定位方法，确定自身位置。

所述的步骤(2)中，激光测距设备信号收发时延参数变化小于0.3ns/24h。

所述的步骤(4)中，数据组合得到的方程如下：

其中为消电离层后t时刻地面站k对卫星j转化为距离后的载波相位观测量和几何星地距，Δt_k、Δt^j为地面测站和卫星钟差，δ_trop为对流层误差，δ_ph为除电离层和对流层外其它载波相位测量误差，δP_k、δP^j分别为地面测站和卫星未校正的载波相位偏差，为载波相位模糊度参数，c、λ为光速和波长因子，ε_φ分别为测量随机误差；ρ^ij为卫星i和j之间星间距，分别为卫星i和j位置向量，Δtⁱ、Δt^j为卫星钟差，分别为卫星j接收时延参数和卫星i发射时延参数，δ_lnk为可用模型修正的星间测量系统误差；组合利用多个卫星和多个地面监测站数据，以卫星参考轨道为先验值对上述方程进行线性化，估计卫星轨道、钟差及设备时延参数。

所述的步骤(4)中，采用最小二乘法估计卫星轨道、钟差及设备时延参数。

所述的步骤(10)中，星间测距约束的方程如下：

其中θ₁、θ₂分别为测站-卫星矢量与卫星-卫星测距矢量之间的夹角。

本发明的有益效果是：同时利用卫星之间星间测距观测量和地面测站伪距及载波相位观测量，星间测距观测量的引入有利于减少定位初始化时间，降低对精密钟差及轨道产品更新频度的要求，提高动态精密单点定位效率。

附图说明

图1是星间测距辅助精密单点定位原理示意图；

图2是星间测距辅助精密单点定位数据流程图。

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。

本发明的导航卫星搭载高精度星间激光测距载荷，能够获取卫星之间的双向精密测距观测量；地面运控系统能够通过综合数据处理确定卫星激光测距设备信号收发起点与L波段卫星载荷天线相位中心之间的系统偏差参数并上注到卫星；卫星将星间测距信息、系统偏差信息编排到发射信号中；地面单点定位用户在接收L波段导航信号同时接收星间激光测距信息和系统偏差信息，并组合利用星间激光测距观测量、L波段伪距和载波相位观测量、导航电文、精密轨道产品等数据完成精密单点定位，确定用户精确位置。

本发明提出利用星间双向激光测距观测量组合L波段伪距、相位观测数据实现精密单点定位的方法，包括如下几个步骤：

(1)每颗导航卫星搭载星间激光测距设备，能够获取周边可视卫星的星间双向激光测距观测量；

(2)星载激光测距设备在星载原子钟时频信号驱动下按照星间测量规划获取星间双向激光测距观测并记录。激光测距设备信号收发时延参数变化应小于0.3ns/24h；

(3)卫星L波段导航任务处理单元按照常规方式编排导航电文并发射导航信号，同时将该卫星获取的所有可建链卫星的星间激光测距数据随L波段导航信号发播给用户；

(4)地面运控系统同时收集多个地面监测站接收的L波段伪距及载波相位观测数据，与步骤(3)获取的星间激光测距数据进行组合数据处理，生成卫星广播星历参数及星载激光测距设备信号发射点和星载L波段发射天线相位中心之间的时延参数，并上注到卫星；包含卫星轨道、钟差及设备时延观测方程如下：

其中为消电离层后t时刻地面站k对卫星j转化为距离后的载波相位观测量和几何星地距，Δt_k、Δt^j为地面测站和卫星钟差，δ_trop为对流层误差，δ_ph为除电离层和对流层外其它载波相位测量误差，δP_k、δP^j分别为地面测站和卫星未校正的载波相位偏差(包含设备时延、非整数模糊度参数等)，为载波相位模糊度参数，c、λ为光速和波长因子，ε_φ分别为测量随机误差；ρ^ij为卫星i和j之间星间距， 分别为卫星i和j位置向量，Δtⁱ、Δt^j为卫星钟差，分别为卫星j接收时延参数和卫星i发射时延参数，δ_lnk为可用模型修正的星间测量系统误差。

组合利用多个卫星和多个地面监测站数据，以卫星参考轨道为先验值对上述方程进行线性化，采用最小二乘等参数估计策略，可估计卫星轨道、钟差及设备时延参数。

(5)IGS分析中心或地面数据处理中心生成精密卫星轨道及钟差产品，同时确定每颗卫星的非整数模糊度参数，并通过公用网络或专用通讯链路将信息发送给用户；

(6)用户接收L波段导航信号，获取伪距及载波相位观测量，并解码得到卫星导航星历参数，星间激光测距数据、星载激光测距设备与L波段导航信号发射设备之间的时延参数、星载激光测距设备相对卫星质心修正参数信息；

(7)用户利用导航电文信息对卫星双向激光测距数据观测历元进行归化，将星间测距观测量接收时刻归化到与用户接收到的卫星L波段载波相位信号发射时刻相同或相差不超过2ms的时刻；

(8)对历元归化后的星间双向激光测距观测量进行预处理，包括粗差剔除、相对论修正、设备时延修正，消除系统误差，并通过双向测距观测量的相加、相减组合，形成与L波段导航信号发射时刻对应的星间精密距离和钟差信息；

(9)利用星间精密距离和钟差信息，结合精密轨道及钟差产品信息，对用户接收到的L波段观测数据进行预处理，包括剔除粗差，探测并修复周跳；

(10)用户利用观测得到的卫星L波段伪距和载波相位观测量和星间精密距离及钟差信息，结合精密轨道及钟差产品信息、卫星非整数模糊度参数、系统偏差参数、用户接收机天线相位中心参数，采用有星间测距约束的精密单点定位方法，确定自己位置。星间测距约束方程公式如下：

其中θ₁、θ₂分别为测站-卫星矢量与卫星-卫星测距矢量之间的夹角。其余符号意义同公式(1)和公式(2)。

本发明的实施例利用星间双向激光测距观测量辅助精密单点定位，能够利用星间测距观测量信息提高动态精密单点定位效率。具体实施过程如下：

(1)导航卫星搭载可调整指向的星间双向激光测距设备，该设备包括激光发射和接收装置，该装置安装于可转动平台上，能够以预先制定的测量计划调整发射和接收信号的空间指向，获取周边可视卫星的星间双向激光测距观测量；

(2)星载激光测距设备通过专用电路与导航卫星星载原子钟连接，在星载原子钟时频信号驱动下实现星间双向激光测距观测并记录。激光测距设备信号收发点与星载原子钟时间信号发射点之间的设备时延参数应稳定可标校。星间激光测距数据随卫星测控通道定期发送到地面运控系统；

(3)卫星L波段导航任务处理单元在星载原子钟时频信号驱动下，按照常规方式编排导航电文并发射导航信号，同时将星间激光观距数据、星载激光设备信号收发点与星载L波段发射天线设备时延等信息编排到导航信号中，随导航信号发播给用户；用遥测通道将全星座星间测距数据发送到地面运控系统。

(4)地面运控系统接收地面监测站采集的伪距及载波相位观测数据，以及通过遥测通道传送的全星座星间激光观测数据，组合两种数据进行定轨及时间同步数据处理，同时解算星间测距设备和L波段信号发射点之间的设备时延参数，并用改进后轨道及钟差生成广播星历参数。数据处理原理如下：

1)建立组合处理观测方程，伪距、载波相位以及星间测距观测方程如下

其中分别为消电离层后t时刻地面站k对卫星j伪距、转化为距离后的载波相位观测量和几何星地距，Δt_k、Δt^j为地面测站和卫星钟差，δ_trop为对流层误差，δ_cd为除电离层和对流层外其它伪距测量误差，δ_ph为对应的其它相位测量误差，δC_k、δC^j分别为测站和卫星伪距设备时延，δP_k、δP^j分别为地面测站和卫星未校正的载波相位偏差(包含设备时延、非整数模糊度参数等)，为载波相位模糊度参数，c、λ为光速和波长因子，ε_c、ε_φ分别为测量随机误差。

2)经过测量时刻归化后的双向星间测距观测方程如下：

其中经过测量时刻归化后的卫星i和j之间星间距，分别为卫星i和j位置向量，Δtⁱ、Δt^j为卫星钟差，分别为卫星i发射及接收时延参数， 为卫星j发射及接收时延，δ_lnk为星间测量系统误差，ε_lnk为星间测距随机误差。

3)利用参考轨道，对多星多历元星间观测方程进行线性化，采用线性最优估值方法解算卫星轨道、钟差以及系统偏差参数，将改进后轨道及钟差作为参考轨道进行循环迭代解算，直到参数收敛。利用收敛后的轨道及钟差生成导航星历参数，将导航星历参数和系统偏差参数上注到卫星。上述解算过程需要预先约束一颗卫星的钟差及系统偏差参数。

(5)IGS分析中心或地面数据处理中心综合利用全球监测站观测数据进行数据处理，首先确定精密卫星轨道及钟差产品；然后利用已经确定的精密产品和地面监测站观测数据，采用非差数据处理模式，确定每颗卫星的未校正载波相位偏差参数(含非整数模糊度参数和时延参数等)，并通过网络或专用通讯链路将该信息发送给用户。已知卫星精密轨道及钟差，测站精确位置，对伪距载波相位观测方程进行线性化，解算未校正载波相位偏差参数方程如下：

其中M_trop为对流层映射函数，Δ_trop为残余对流层修正，M_ion为电离层映射函数，Δ_ion为残余电离层修正，δC_k、δC^j分别为测站和卫星伪距设备时延，δP_k、δP^j分别为地面测站和卫星未校正的载波相位偏差，为载波相位模糊度参数，Δt_k、Δt^j为与系统偏差参数匹配的测站及卫星钟差修正量。综合多星多站数据，采用线性最优估计理论，可求解系统偏差参数。需要注意的是，由于上述方程中系统偏差参数与钟差参数系数相关，需要对部分参数增加先验约束方能保证参数解算方程不秩亏。

(6)用户单站接收L波段导航信号，获取伪距及载波相位观测量，并解码得到卫星导航星历参数，星间激光测距数据、星载激光载荷与L波段载荷之间设备时延等信息；利用精密星间距离和钟差信息，结合精密轨道及钟差产品信息，对用户接收的L波段观测数据进行预处理，剔除粗差，探测并修复周跳；

(7)用户利用导航电文信息对卫星双向激光测距数据观测历元进行归化，将星间测距观测量时刻归化到与用户接收到的卫星L波段载波相位信号发射时刻相同或相近的时刻。当τ比较小时，历元归化方法如下：

其中分别为卫星i和j速度向量，为卫星之间星间位置单位矢量，τ为观测时间与归化时间之间时差，bⁱ、b^j分别为卫星钟漂(卫星钟差一阶项)。

(8)对历元归化后的星间双向激光测距观测量进行预处理，消除系统误差，并通过双向测距观测量的适当组合，形成与L波段导航信号发射时刻对应的星间精密距离和钟差信息；

其中为利用双向测量获取的几何星间距。

(9)用户利用观测得到的卫星L波段伪距和载波相位观测量和星间精密距离及钟差信息，结合精密轨道及钟差产品信息、卫星非整数模糊度参数、系统偏差参数等，采用有星间测距约束的精密星间单差单点定位方法，确定自己位置。线性化后的用户星间单差定位观测方程如下：

其中分别为卫星i和j与测站k之间位置差向量的单位矢量，为测站位置误差改正数，分别为卫星i和j与测站k之间对流层延迟，其它符号意义如上。

将星地载波相位观测量投影到星间测距方向，则得到星间测距约束方程：

其中θ₁、θ₂分别为测站-卫星矢量与卫星-卫星测距矢量之间的夹角。

利用精密星间测距观测量，可确定星间几何距离星间钟差(Δt^j-Δtⁱ)，利用数据中心发送的精密轨道产品(可以低频度)、未校正载波相位偏差参数和地面运控系统计算的设备时延参数，综合上述单差观测方程和星间距约束方程，采用最优估计方法，可计算用户位置改正量、对流层时延参数及载波相位模糊度参数。相比传统精密单点定位方法，上述解算过程增加了精密星间距离约束条件，改善了方程的参数解算强度。

(10)通过本发明采用的上述技术方案，为动态精密单点定位应用提供了如下有益效果：首先，由于有精确星间链路测量数据约束，即使没有精密轨道及钟差产品，卫星之间的相对位置及相对钟差精度也能满足精密单点定位需求，这样就减小了用户对精密轨道及钟差产品更新频度的需要。其次，精确的星间距离信息也为两颗卫星星地载波相位模糊度参数之间提供了额外的测量约束，能够增强模糊度参数解算几何强度，提高模糊度参数解算效率，减少精密单点定位初始化时间。

Claims (5)

1.一种高精度星间激光测距辅助精密单点定位的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)每颗导航卫星搭载星间激光测距设备，能够获取周边可视卫星的星间双向激光测距观测量；

(2)星间激光测距设备获取星间双向激光测距观测并记录；

(3)导航卫星发射导航信号，同时将该卫星获取的所有可建链卫星的星间激光测距数据发播给用户；

(4)地面运控系统同时收集多个地面监测站接收的L波段伪距及载波相位观测数据，与步骤(3)获取的星间激光测距数据进行数据组合，生成卫星广播星历参数及星载激光测距设备信号发射点和星载L波段发射天线相位中心之间的时延参数，并上注到卫星；组合利用多个卫星和多个地面监测站数据，以卫星参考轨道为先验值，估计卫星轨道、钟差及设备时延参数；

(5)IGS分析中心或地面数据处理中心生成精密卫星轨道及钟差产品，同时确定每颗卫星的非整数模糊度参数，发送给用户；

(6)用户接收导航信号，获取伪距及载波相位观测量，并解码得到卫星导航星历参数，星间激光测距数据、星载激光测距设备与导航信号发射设备之间的时延参数、星载激光测距设备相对卫星质心修正参数信息；

(7)用户利用导航电文信息对卫星双向激光测距数据观测历元进行归化，将星间测距观测量接收时刻归化到与用户接收到的卫星L波段载波相位信号发射时刻相同或相差不超过2ms的时刻；

(8)对历元归化后的星间双向激光测距观测量进行预处理，包括粗差剔除、相对论修正、设备时延修正，消除系统误差，并通过双向测距观测量的相加、相减组合，形成与导航信号发射时刻对应的星间精密距离和钟差信息；

(9)利用星间精密距离和钟差信息，结合精密轨道及钟差产品信息，对用户接收到的L波段观测数据进行预处理，包括剔除粗差，探测并修复周跳；

(10)用户利用观测得到的卫星L波段伪距和载波相位观测量和星间精密距离及钟差信息，结合精密轨道及钟差产品信息、卫星非整数模糊度参数、系统偏差参数、用户接收机天线相位中心参数，采用有星间测距约束的精密单点定位方法，确定自身位置。

2.根据权利要求1所述的高精度星间激光测距辅助精密单点定位的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，激光测距设备信号收发时延参数变化小于0.3ns/24h。

3.根据权利要求1所述的高精度星间激光测距辅助精密单点定位的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，数据组合得到的方程如下：

其中为消电离层后t时刻地面站k对卫星j转化为距离后的载波相位观测量和几何星地距，Δt_k、Δt^j为地面测站和卫星钟差，δ_trop为对流层误差，δ_ph为除电离层和对流层外其它载波相位测量误差，δP_k、δP^j分别为地面测站和卫星未校正的载波相位偏差，为载波相位模糊度参数，c、λ为光速和波长因子，ε_φ分别为测量随机误差；ρ^ij为卫星i和j之间星间距，分别为卫星i和j位置向量，Δtⁱ、Δt^j为卫星钟差，分别为卫星j接收时延参数和卫星i发射时延参数，δ_lnk为可用模型修正的星间测量系统误差；组合利用多个卫星和多个地面监测站数据，以卫星参考轨道为先验值对上述方程进行线性化，估计卫星轨道、钟差及设备时延参数。

4.根据权利要求1所述的高精度星间激光测距辅助精密单点定位的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，采用最小二乘法估计卫星轨道、钟差及设备时延参数。

5.根据权利要求1所述的高精度星间激光测距辅助精密单点定位的方法，其特征在于：所述的步骤(10)中，星间测距约束的方程如下：

其中θ₁、θ₂分别为测站-卫星矢量与卫星-卫星测距矢量之间的夹角。