CN110988917A - 一种卫星轨道机动状态实时监测方法 - Google Patents

一种卫星轨道机动状态实时监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种卫星轨道机动状态实时监测方法，基于非机动的全部卫星数据，采用相位观测值历元差分测速模型求解每个测站的速度和接收机钟差历元变化量，联合三个或三个以上测站的机动卫星的观测数据以及求解的各测站接收机钟差历元变化量，建立卫星机动状态监测模型，通过非机动卫星相位观测值历元差分测速模型求解测站速度和接收机钟差历元变化量，通过多个测站上机动卫星数据融合求解得到机动卫星的三维位置偏差变化，即是机动卫星的机动状态实时监测。

Description

一种卫星轨道机动状态实时监测方法
技术领域
本发明属于卫星监测技术领域，具体是涉及一种卫星轨道机动状态实时监测方法。
背景技术
在日月等星体的引力作用，卫星的轨道会发生变化。因此，为了保证卫星在设计的轨道上运行，经常需要通过轨道机动方式进行轨道调整。尤其是地球静止轨道卫星，轨道机动更为频繁。轨道机动时，卫星上的外加动力使其运行轨道发生改变，逐渐调整到设计的预定轨道上，因此机动期间卫星运动状态的实时动态监测对于轨道机动的正确性、成功性以及机动卫星的精密定轨具有重要价值。当前，轨道机动的监测主要通过地面测控中心基于伪距遥测信号跟踪实现，该方法存在精度低，成本高，工作方式复杂等诸多不足。
如何实时监测轨道机动的状态，提高轨道机动的正确性、成功性；同时保障监测精度高、成本低、工作方式简单便于实施，对于卫星导航系统的运行运维以及提升精密导航定位授时服务具有重要价值。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种卫星轨道机动状态实时监测方法。
本发明的技术方案是：一种卫星轨道机动状态实时监测方法，主要包括以下步骤：
S1：数据获取
获得观测站上卫星双频相位观测值以及数据处理需要的辅助产品；
S2：数据预处理
基于广播星历，对S1获得的相位观测值进行预处理，根据广播星历提供的卫星健康状态信息，对轨道机动的卫星进行标记，并进行数据的周跳探测，给出周跳探测结果；
S3：误差修正
对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正；
S4：测速模型建立
首先对非机动的卫星的原始双频相位观测值分别进行无电离层组合，形成无电离层组合观测值，同时基于卫星广播星历和测站初始位置，建立历元间差分的观测方程，如式(1)：
Figure BDA0002310715630000021
根据卫星位置和各个监测站位置计算卫星的高度角，并根据卫星高度角和观测噪声确定其对应的随机模型，如式(2)：
Figure BDA0002310715630000022
其中，ΦIF为无电离层组合的相位观测值，角标s代表卫星，角标r代表测站，e为卫星和接收机天线间的单位矢量，Δ代表历元间差分，t代表观测时间，c代表光速，δTr为接收机钟差，
Figure BDA0002310715630000024
为其它非模型化误差，θ为卫星高度角，ε为观测噪声；
S5：测站速度和钟差变化参数解算
根据S4的式(1)和式(2)进行最小二乘参数估计，求解各个测站的三维速度值Δξr(t，t+1)和接收机钟差的历元变化量ΔδTr(t，t+1)；
S6：轨道机动监测模型建立
选取三个或三个以上测站轨道机动的卫星数据，建立如式(3)的轨道机动监测观测模型，
Figure BDA0002310715630000023
S7：轨道机动状态解算
根据观测方程式(3)和随机模型式(2)进行最小二乘参数估计，获取某颗轨道机动卫星的三维位置偏差变化值Δζs(t，t+1)，即是轨道机动卫星当前时刻的位置偏差状态。
进一步地，所述S1中的相位观测值包括广播星历、天线相位中心和地球自转参数。
进一步地，所述S1中在获取观测站上卫星相关数据时，先校对观测站与卫星的时间保持同步，如果时间不同步，则通过NTP协议校对时间至同步。
进一步地，所述S2中的观测值预处理包括数据质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据。
进一步地，所述S3中相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型改正，对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型改正。
进一步地，所述S4中其它非模型化误差
Figure BDA0002310715630000031
包括星历残差、大气残差和多路径效应。
进一步地，所述S6的式(3)中测站接收机钟差历元变化量采用S5中估计的值ΔδTr(t，t+1)进行改正，且随机模型与S4中随机模型式(2)相同。
进一步地，所述S6的式(3)中，Δζs(t，t+1)为轨道机动卫星的三维位置偏差变化量参数。
进一步地，所述S6的式(3)中非模型化误差
Figure BDA0002310715630000032
可忽略不计，接收机钟差的历元变化量ΔδTr需进行事先修正，Δζs为机动卫星的位置偏差变化，其随机模型类同S4中的式(2)。
本发明的有益效果是：
第一，采用高精度的相位观测值，动态监测精度高。本发明直接利用了高精度的相位观测值进行历元间差分处理，不仅消除了模糊度参数，并可直接获得轨道机动卫星的位置偏差变化量，监测精度高。
第二，基于用户级GNSS设备即可实现监测，大大降低成本。相对于常规方法，通过地面运控中心昂贵的设备系统进行轨道机动状态监测，本方法采用用户级GNSS设备既可以实现，大大降低了工程成本。
第三，方法简单可靠，方便实时实施。本发明提出的技术方法在用户端即可以简单实施，不需要外部辅助，而且仅仅采用简单的历元差分解算流程就可以完成轨道机动的实时监测，方便实时应用。
附图说明
图1是本发明卫星轨道机动状态实时监测方法技术流程图。
具体实施方式
为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。
如图1所示，一种卫星轨道机动状态实时监测方法，主要包括以下步骤：
S1：数据获取
先校对观测站与卫星的时间保持同步，如果时间不同步，则通过NTP协议校对时间至同步，获得观测站上卫星双频相位观测值以及数据处理需要的辅助产品，相位观测值包括广播星历、天线相位中心和地球自转参数；
S2：数据预处理
基于广播星历，对S1获得的相位观测值进行预处理，观测值预处理包括数据质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据，根据广播星历提供的卫星健康状态信息，对轨道机动的卫星进行标记，并进行数据的周跳探测，给出周跳探测结果；
S3：误差修正
对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正，相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型改正，对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型改正；
S4：测速模型建立
首先对非机动的卫星的原始双频相位观测值分别进行无电离层组合，形成无电离层组合观测值，同时基于卫星广播星历和测站初始位置，建立历元间差分的观测方程，如式(1)：
Figure BDA0002310715630000051
根据卫星位置和各个监测站位置计算卫星的高度角，并根据卫星高度角和观测噪声确定其对应的随机模型，如式(2)：
Figure BDA0002310715630000052
其中，ΦIF为无电离层组合的相位观测值，角标s代表卫星，角标r代表测站，e为卫星和接收机天线间的单位矢量，Δ代表历元间差分，t代表观测时间，c代表光速，δTr为接收机钟差，
Figure BDA0002310715630000053
为其它非模型化误差，其它非模型化误差
Figure BDA0002310715630000054
包括星历残差、大气残差和多路径效应，θ为卫星高度角，ε为观测噪声；
S5：测站速度和钟差变化参数解算
根据S4的式(1)和式(2)进行最小二乘参数估计，求解各个测站的三维速度值Δξr(t，t+1)和接收机钟差的历元变化量ΔδTr(t，t+1)；
S6：轨道机动监测模型建立
选取三个或三个以上测站轨道机动的卫星数据，建立如式(3)的轨道机动监测观测模型，
Figure BDA0002310715630000061
式(3)中测站接收机钟差历元变化量采用S5中估计的值ΔδTr(t，t+1)进行改正，且随机模型与S4中随机模型式(2)相同，Δζs(t，t+1)为轨道机动卫星的三维位置偏差变化量参数，非模型化误差
Figure BDA0002310715630000062
可忽略不计，接收机钟差的历元变化量ΔδTr需进行事先修正，Δζs为机动卫星的位置偏差变化，其随机模型类同S4中的式(2)；
S7：轨道机动状态解算
根据观测方程式(3)和随机模型式(2)进行最小二乘参数估计，获取某颗轨道机动卫星的三维位置偏差变化值Δζs(t，t+1)，即是轨道机动卫星当前时刻的位置偏差状态。

Claims (9)

1.一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1：数据获取
获得观测站上卫星双频相位观测值以及数据处理需要的辅助产品；
S2：数据预处理
基于广播星历，对S1获得的相位观测值进行预处理，根据广播星历提供的卫星健康状态信息，对轨道机动的卫星进行标记，并进行数据的周跳探测，给出周跳探测结果；
S3：误差修正
对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、对流层和地球自转误差的修正；
S4：测速模型建立
首先对非机动的卫星的原始双频相位观测值分别进行无电离层组合，形成无电离层组合观测值，同时基于卫星广播星历和测站初始位置，建立历元间差分的观测方程，如式(1)：
Figure FDA0002310715620000011
根据卫星位置和各个监测站位置计算卫星的高度角，并根据卫星高度角和观测噪声确定其对应的随机模型，如式(2)：
Figure FDA0002310715620000012
其中，ΦIF为无电离层组合的相位观测值，角标s代表卫星，角标r代表测站，e为卫星和接收机天线间的单位矢量，Δ代表历元间差分，t代表观测时间，c代表光速，δTr为接收机钟差，
Figure FDA0002310715620000013
为其它非模型化误差，θ为卫星高度角，ε为观测噪声；
S5：测站速度和钟差变化参数解算
根据S4的式(1)和式(2)进行最小二乘参数估计，求解各个测站的三维速度值Δξr(t，t+1)和接收机钟差的历元变化量ΔδTr(t，t+1)；
S6：轨道机动监测模型建立
选取三个或三个以上测站轨道机动的卫星数据，建立如式(3)的轨道机动监测观测模型，
Figure FDA0002310715620000021
S7：轨道机动状态解算
根据观测方程式(3)和随机模型式(2)进行最小二乘参数估计，获取某颗轨道机动卫星的三维位置偏差变化值Δζs(t，t+1)，即是轨道机动卫星当前时刻的位置偏差状态。
2.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，所述S1中的相位观测值包括广播星历、天线相位中心和地球自转参数。
3.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，所述S2中的观测值预处理包括数据质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据。
4.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，所述S3中相对论和潮汐改正使用IERS Conventions 2010中指定的模型改正，天线相位中心改正采用igs14.atx模型改正，对流层改正采用Saastamoinen模型改正，地球自转误差改正使用IERS EOP C04模型改正。
5.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，所述S4中其它非模型化误差
Figure FDA0002310715620000022
包括星历残差、大气残差和多路径效应。
6.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，所述S6的式(3)中测站接收机钟差历元变化量采用S5中估计的值ΔδTr(t，t+1)进行改正，且随机模型与S4中随机模型式(2)相同。
7.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，所述S6的式(3)中，Δζs(t，t+1)为轨道机动卫星的三维位置偏差变化量参数。
8.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，所述S6的式(3)中非模型化误差
Figure FDA0002310715620000031
可忽略不计，接收机钟差的历元变化量ΔδTr需进行事先修正，Δζs为机动卫星的位置偏差变化，其随机模型类同S4中的式(2)。
9.根据权利要求1所述的一种卫星轨道机动状态实时监测方法，其特征在于，所述S6的随机模型与S4中随机模型式(2)相同。
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