CN111025341A - 卫星轨道的误差精化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种卫星轨道的误差精化方法,包括:分别获取基于单向和双向时间同步的星地钟差,进行钟差比对,获取精密定轨的原始轨道径向误差序列;基于得到的原始轨道径向误差序列,采用二阶多项式进行轨道误差拟合,得到轨道径向误差的改正序列;利用轨道径向误差改正序列,基于卫星轨道周期进行轨道误差预报,得到轨道误差预报序列,并将轨道误差预报序列从轨道坐标系转换至地固坐标系,完成精密定轨的轨道误差修正。本发明的卫星轨道的误差精化方法通过两种钟差比对的方法,在不考虑动力学因素和不拓展监测站范围的条件下,有效实现了卫星轨道误差的监视、拟合、预报和修正,提供了一种实用的北斗卫星轨道性能改进方法。
Description
技术领域
本发明涉及导航卫星轨道确定领域,特别涉及一种卫星轨道的误差精化方法。
背景技术
自1964年美国第一代三维定位卫星系统——子午仪系统投入运行以来,卫星导航系统已经历了半个世纪的发展历程,包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和我国北斗系统在内的多个导航系统已经提供服务或正处于研制建设中,多种卫星导航系统的出现旨在致力于提供全球覆盖、全天候、高精度的导航定位定时服务。
空间信号精度(Signal-in-Space Range Error,SISRE)是反映导航系统服务性能的重要指标。导航卫星播发的广播信息是提供用户PNT(Positioning Navigation andTiming)服务的基本产品,其中卫星钟差和广播星历是主要的两类参数,分别反映系统星地时间同步和卫星定轨的精度,在很大程度上决定了系统的空间信号精度。
对于卫星钟差的计算,可以通过布设专用的时间同步监测站,采用无线电双向时间比对的方式获得高精度钟差数据。对于卫星轨道的计算,受国际地缘政治因素的影响,北斗系统目前只能采用区域监测站进行卫星跟踪测量,无法实现卫星运行弧段的全部覆盖,同时,北斗系统采用区别于GPS的混合导航星座,其中的GEO和IGSO两种卫星为高轨卫星。在上述区域跟踪网和高轨卫星条件下,卫星定轨计算的观测几何强度有限,这为北斗卫星轨道精度提升带来了巨大困难,也在很大程度上制约了北斗系统服务性能。
对于北斗卫星轨道的精度的改进,一方面可以增加全球布站范围,增强定轨观测几何,另一方面可以通过长期数据分析,精化卫星动力学模型。在现阶段国际形势复杂多变的情况下,境外布站的范围和进程无法完全保证,卫星动力学摄动模型的研究需要大量的历史数据,其模型精化是一个长期的过程。因此,在短期内无法有效精化卫星摄动模型和改进布站区域的前提下,如何通过其他手段实现对卫星轨道误差的分析、预报和修正,是北斗系统亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单双向钟差比对的卫星轨道的误差精化方法,以在不考虑卫星复杂动力学摄动的条件下,通过数据分析实现误差精化。
为实现上述目的,本发明提供一种卫星轨道的误差精化方法,包括:
S1:分别获取基于单向时间同步和双向时间同步的星地钟差,并进行钟差比对,获取精密定轨的原始轨道径向误差序列;
S2:基于所述步骤S1得到的原始轨道径向误差序列,采用二阶多项式进行轨道误差拟合,得到轨道径向误差改正序列;
S3:利用所述步骤S2中的轨道径向误差改正序列,基于卫星轨道周期进行轨道误差预报,得到轨道误差预报序列,并将轨道误差预报序列从轨道坐标系转换至地固坐标系,完成精密定轨的轨道误差修正。
优选地,所述步骤S1包括:
S11:选择进行钟差比对的时段;
S12:采用精密定轨法解算得到基于单向时间同步的星地钟差;
S13:采用无线电双向法获取基于双向时间同步的星地钟差;
S14:对所述步骤S12中的基于单向时间同步的星地钟差和所述步骤S13中的基于双向时间同步的星地钟差进行作差,得到钟差差值序列{t,ΔCLK};其中,t代表时刻,ΔCLK为对应的钟差差值误差序列;
S15:根据所述步骤S14的钟差差值序列获取原始轨道径向误差序列{t,Δr};其中,t代表时刻,Δr为对应的原始轨道径向误差序列。
在所述步骤S11中,若当前小时的参考历元为t0,则选择卫星的一个轨道周期t0-24h到t0时段作为钟差比对时段;所述步骤S12和所述步骤S13是在所述步骤S11中的进行钟差比对的时段中进行的。
优选地,所述步骤S2中的轨道径向误差拟合,包括:
S21:对于所述步骤S1中的进行钟差比对的时段中的任意采样时刻ti,取其前后各Δt时长的原始轨道径向误差序列,记为轨道误差拟合数据序列{t,Δr},其中,t代表时刻,Δr为该时间段内对应的轨道径向误差;
S22:基于二次多项式y=a0+a1x+a2x2,对所述步骤S21中的轨道误差拟合数据序列进行最小二乘拟合,得到修正参数(a0,a1,a2);
S23:基于S22的修正参数(a0,a1,a2)进行轨道径向误差拟合,计算得到基于二次多项式的轨道径向误差改正序列{t,Δr′}。
优选地,对于n个观测值,所述步骤S22包括:
S221:建立n个观测值的观测方程,所述观测方程为:
y1=a0+a1x1+a2x1 2
LL
yi=a0+a1xi+a2xi 2
LL
yn=a0+a1xn+a2xn 2,
式中,x,y分别为时刻ti以及轨道径向误差Δri,t单位为秒,Δri单位为米;
S222:建立误差方程,所述误差方程为:
S223:构成法方程,所述法方程为:
N=BTPB
U=BTPL,
在所述步骤S23中,所述轨道径向误差改正序列{t,Δr′}为:
t=(t1,t2,L,ti,L,tn)
Δr′=(Δr1′,Δr2′,L,Δri′,L,Δrn′),
其中,ti为采样时刻,Δri′为采样时刻ti的轨道径向误差拟合值;
采样时刻ti的轨道径向误差拟合值Δri′为:
其中,ti为采样时刻,a0,a1,a2为修正参数。
优选地,所述步骤S3包括:
S31:以卫星轨道周期的整数倍为周期,进行轨道误差预报:
S32:将轨道误差预报序列从轨道坐标系转换至地固坐标系,得到地固系改正向量;
S33:进行精密定轨的轨道误差修正,得到新的位置向量。
在所述步骤S31中,以卫星轨道周期的1倍为周期,进行轨道误差预报。
在所述步骤S31中,从所述步骤S2中的轨道径向误差改正序列{t,Δr′}中取出一小时的序列,作为下一周期的轨道误差预报序列,得到轨道误差预报序列(Δr1′,0,0),(Δr2′,0,0)…(Δr12′,0,0),一小时的轨道误差预报序列共包括12个预报值。
在所述步骤S32中,所述地固系改正向量为:
其中,Δxi,Δyi,Δzi为地固系改正向量在x、y、z方向的轨道误差修正量,G为轨道坐标系到地固系的旋转矩阵,(Δr1′,0,0)为轨道误差预报序列。
本发明的卫星轨道的误差精化方法通过单向时间同步和双向时间同步两种星地钟差的比较,得到精密定轨卫星轨道的径向误差,在此基础上进行轨道径向误差序列拟合、预报和修正,实现北斗卫星轨道精度的改善。本发明的卫星轨道的误差精化方法实现简单、实用性强,能够大幅提高GEO和IGSO卫星的轨道精度及空间信号精度。
附图说明
图1是本发明的卫星轨道的误差精化方法在步骤S1中基于单向和双向时间同步星地钟差比对获取轨道径向误差的计算过程图;
图2是本发明的卫星轨道的误差精化方法在步骤S2中轨道径向误差序列拟合的计算过程图。
图3是本发明的卫星轨道的误差精化方法在步骤S3中轨道径向误差序列预报与轨道误差修正的计算过程图。
图4A-图4B为不同日期的单向和双向时间同步星地钟差差值的对比图,图4A为GEO卫星C01,图4B为IGSO卫星C07。
图5为不同日期下的空间信号精度的对比情况图,其中POD为采用原始精密定轨卫星轨道,FIT为采用本发明改进的卫星轨道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明的卫星轨道的误差精化方法基于单双向时间同步的钟差比对,其包括:
S1:分别获取基于单向时间同步和双向时间同步的星地钟差,并进行钟差比对,获取精密定轨的原始轨道径向误差序列。
其中,单向时间同步和双向时间同步这两种技术是独立的,双向只用来进行时间同步(比对);而这里提到的单向时间同步特指精密定轨同时解算得到钟差的方式,它既提供轨道又提供钟差。钟差实际上是个确定的物理量,但是两种同步方式得出的钟差结果却存在差异,这种差异我们定义为轨道误差的影响。这是本发明最核心的,最独特的地方。
如图1所示,所述步骤S1的具体过程如下:
S11:选择进行钟差比对的时段。其中,若当前小时的参考历元为t0,则选择北斗GEO和IGSO卫星的一个轨道周期t0-24h到t0时段作为钟差比对时段;
S12:在所述步骤S11中的进行钟差比对的时段中,采用精密定轨法解算得到基于单向时间同步的星地钟差。也就是说,若当前小时的参考历元为t0,则读入t0-24h到t0时段的基于单向时间同步的星地钟差。
S13:在所述步骤S11中的进行钟差比对的时段中,获取基于双向时间同步的星地钟差。其中,基于双向时间同步的星地钟差是采用无线电双向法计算得到的。若当前小时的参考历元为t0,则读入t0-24h到t0时段的基于双向时间同步的星地钟差。
S14:进行钟差比对,得到钟差差值序列。对相同历元(例如历元t)的所述步骤S12中的基于单向时间同步的星地钟差和所述步骤S13中的基于双向时间同步的星地钟差进行作差,得到t0-24h到t0时段的钟差差值序列{t,ΔCLK},其中;其中,t代表时刻,ΔCLK为该时间段内对应的钟差差值误差序列。
S15:根据所述步骤S14的钟差差值序列获取精密定轨的原始轨道径向误差序列。
由于无线电双向法计算的钟差精度较高,所述步骤S14中的钟差差值序列中的钟差差值可以作为所述步骤S12中的精密定轨法解算得到的星地钟差的误差,即作为精密定轨的轨道径向误差。而北斗系统的精密定轨法采用区域跟踪网,因此精密定轨法解算得到的星地钟差和轨道径向误差存在完全相关性。因此,所述步骤S15通过将所述步骤S14的钟差差值序列的钟差差值作为精密定轨的原始轨道径向误差序列的径向误差,可以获取t0-24h到t0时段的精密定轨的轨道误差序列{t,Δr},其中,t代表时刻,Δr为该时间段内对应的原始轨道径向误差序列。
因此,{t,Δr}={t,ΔCLK},
其中,t代表时刻,Δr为该时间段内对应的原始轨道径向误差序列,单位为m,ΔCLK为该时间段内对应的钟差差值误差序列,单位为s,c为光速,单位为m/s。
其中,{t,Δr}为精密定轨的轨道误差序列,{t,ΔCLK}为钟差差值序列。
S2:基于步骤S1得到的精密定轨的原始轨道径向误差序列,采用二阶多项式进行轨道径向误差拟合,得到拟合后的轨道径向误差改正序列。
如图2所示,所述步骤S2中的轨道径向误差拟合,其具体过程如下:
S21:准备轨道误差拟合数据序列{t,Δr},具体包括:
对于所述步骤S1中的进行钟差比对的时段(即t0-24h到t0时段)中的任意采样时刻ti,取其前后各Δt(可取Δt=2小时)时长的原始轨道径向误差序列,即弧段(ti-Δt)到(ti+Δt)内的原始轨道径向误差序列,记为轨道误差拟合数据序列{t,Δr},其中,t代表时刻,Δr为该时间段内对应的轨道径向误差。
S22:进行轨道误差建模及参数拟合,得到修正参数(a0,a1,a2),即,基于二次多项式y=a0+a1x+a2x2,对所述步骤S21中的轨道误差拟合数据序列进行最小二乘拟合,得到修正参数(a0,a1,a2)。由此,由修正参数(a0,a1,a2)即可计算出采样时刻ti的轨道径向误差拟合值:
其中,对于n个观测值,所述步骤S22具体包括以下步骤:
S221:建立n个观测值的观测方程,所述观测方程为:
y1=a0+a1x1+a2x1 2
LL
yi=a0+a1xi+a2xi 2
LL
yn=a0+a1xn+a2xn 2 (2)
式中,x,y分别为时刻ti以及原始轨道径向误差序列Δri,t单位为秒,Δri单位为米。
S222:建立误差方程,所述误差方程为:
其中,
因此,误差方程也可以写成:
S223:构成法方程,所述法方程为:
N=BTPB
U=BTPL
(6)
S23:进行轨道误差拟合,得到基于二次多项式的轨道径向误差改正序列{t,Δr′},具体包括:采用滑动窗口,按照每5分钟一次采样,基于S22的修正参数(a0,a1,a2)进行轨道径向误差拟合,计算得到基于二次多项式的轨道径向误差改正序列{t,Δr′},
所述轨道径向误差改正序列{t,Δr′}为:
t=(t1,t2,L,ti,L,tn)
Δr′=(Δr1′,Δr2′,L,Δri′,L,Δrn′) (7)
其中,ti为采样时刻,Δri′为采样时刻ti的轨道径向误差拟合值。
由于修正参数(a0,a1,a2)基于二次多项式y=a0+a1x+a2x2,由此,采样时刻ti的轨道径向误差拟合值Δri′为:
其中,ti为采样时刻,a0,a1,a2为修正参数。
S3:利用步骤S2中的轨道径向误差改正序列,基于卫星轨道周期进行轨道误差预报,得到轨道径向误差预报序列,并将轨道径向误差预报序列从轨道坐标系转换至地固坐标系,完成精密定轨的轨道误差修正。
如图3所示,所述步骤S3具体包括以下步骤:
S31:以卫星轨道周期的整数倍为周期,进行轨道误差预报:
假设当前小时的参考历元为t0,则通过上述的步骤S2已经计算得到t0-24h到t0内的轨道径向误差改正序列{t,Δr′}。考虑到数据长度以及卫星轨道周期,在本实施例中,以卫星轨道周期的1倍,即1天(24小时)为周期,进行轨道误差预报。其中,从所述步骤S2中的轨道径向误差改正序列{t,Δr′}中取出一小时的序列(即具体是指t0-24h到t0-23h的这一个小时的序列),作为下一周期的轨道误差预报序列(即t0到t0+1h的轨道误差预报序列),得到轨道误差预报序列(Δr1′,0,0),(Δr2′,0,0)…(Δr12′,0,0),其中由于每5分钟一个点,一小时的轨道误差预报序列共包括12个预报值(Δri′,0,0),r=1,2,…,12,由于钟差的误差只与轨道径向有关,其它方向没有关系,所以轨道误差预报序列的预报值(Δri′,0,0)中的切向和法向分量均为0。此外,在其他实施例中,也可以以其他长度的周期来进行轨道误差预报,进行轨道误差预报的周期通常为卫星轨道周期的整数倍。
S32:将轨道误差预报序列从轨道坐标系转换至地固坐标系,得到地固系改正向量,具体包括:以所述步骤S31中的轨道误差预报序列(Δr1′,0,0),(Δr2′,0,0)…(Δr12′,0,0)为轨道坐标系下径向(r)、切向(t)、法向(n)的误差,将其进行坐标转换,转换到地固坐标系,得到地固系改正向量。其中,地固系改正向量为:
其中,Δxi,Δyi,Δzi为地固系改正向量在x、y、z方向的轨道误差修正量,G为轨道坐标系到地固系的旋转矩阵,(Δr1′,0,0)为轨道误差预报序列。
所述轨道坐标系到地固系的旋转矩阵G的计算方法为:
假设由地固坐标系向轨道坐标系转换的矩阵为:
上式中的(x1,y1,z1,vx1,vy1,vz1),(x2,y2,z2,vx2,vy2,vz2)…(x12,y12,z12,vx12,vy12,vz12)为精密定轨法计算得到的地固坐标系下卫星对应时刻的位置和速度向量。
S33:进行精密定轨的轨道误差修正,得到新的位置向量,包括:
利用所述步骤S32中的地固系改正向量计算新的位置向量。新的位置向量为:
其中,(xi,yi,zi)为修正前的地固系轨道的坐标向量,(Δxi,Δyi,Δzi)为地固系改正向量,(xi′,yi′,zi′)为轨道误差修正后的地固系轨道的坐标向量。
此外,还可以包括步骤S34:计算空间信号精度,以实现轨道改进性能评估。
在卫星导航系统中,空间信号精度(SISRE)是评估本发明的误差精化方法的性能的重要指标,其单位为米,参与定位的卫星SISRE和观测几何一起决定了用户的定位精度。其中,轨道是影响系统SISRE的主要因素,而对于轨道误差来说,径向误差是影响用户定位精度的主要因素。卫星位置误差在轨道坐标系各个方向的投影误差,对于GEO/IGSO卫星,所述轨道的空间信号精度(SISRE)为:
其中,ΔR为卫星位置在轨道面的径向误差,对于中高轨卫星来说,与视向误差基本一致,ΔT和ΔN分别为卫星位置在轨道面的切向和法向误差。由上式可以看出,轨道误差在轨道面径向的投影对于用户可用距离误差的影响权重最高,其余两方面影响权重较小。因此,尽管本发明仅仅考虑了轨道面的径向误差,其仍然能够有效提高卫星导航系统的空间信号精度SISRE。
计算实例
下面选择对2017年5月27至6月5日共10天北斗GEO/IGSO卫星钟差和轨道数据进行轨道误差监视、预报和修正计算。
5月28至5月30日共3天,GEO卫星C01、IGSO卫星C07的单向和双向时间同步星地钟差差值的对比图如图4A-4B所示。其中,图4A-4B中不同颜色代表不同天的误差曲线,可以看到钟差差值随着时间在变化,而不同日期下该钟差差值存在较好的一致性。将以上钟差差值按照本发明的卫星轨道的误差精化方法对精密定轨地固系轨道坐标向量进行误差精化,并计算空间信号精度SISRE。
图5表示了以上10天日期下的北斗GEO/IGSO卫星的空间信号精度的平均值情况。图中POD代表原始精密定轨的各卫星空间信号精度平均值,FIT代表采用本发明进行轨道误差修正后的空间信号精度平均值情况,可见通过本发明,北斗卫星的空间信号精度得到了大幅提升。
以上所述的,仅为本发明的较佳实施例,并非用以限定本发明的范围,本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰,皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种卫星轨道的误差精化方法,其特征在于包括:
S1:分别获取基于单向时间同步和双向时间同步的星地钟差,并进行钟差比对,获取精密定轨的原始轨道径向误差序列;
S2:基于所述步骤S1得到的原始轨道径向误差序列,采用二阶多项式进行轨道误差拟合,得到轨道径向误差改正序列;
S3:利用所述步骤S2中的轨道径向误差改正序列,基于卫星轨道周期进行轨道误差预报,得到轨道误差预报序列,并将轨道误差预报序列从轨道坐标系转换至地固坐标系,完成精密定轨的轨道误差修正。
2.根据权利要求1所述的卫星轨道的误差精化方法,其特征在于,所述步骤S1包括:
S11:选择进行钟差比对的时段;
S12:采用精密定轨法解算得到基于单向时间同步的星地钟差;
S13:采用无线电双向法获取基于双向时间同步的星地钟差;
S14:对所述步骤S12中的基于单向时间同步的星地钟差和所述步骤S13中的基于双向时间同步的星地钟差进行作差,得到钟差差值序列{t,ΔCLK};其中,t代表时刻,ΔCLK为对应的钟差差值误差序列;
S15:根据所述步骤S14的钟差差值序列获取原始轨道径向误差序列{t,Δr};其中,t代表时刻,Δr为对应的原始轨道径向误差序列。
3.根据权利要求2所述的卫星轨道的误差精化方法,其特征在于,在所述步骤S11中,若当前小时的参考历元为t0,则选择卫星的一个轨道周期t0-24h到t0时段作为钟差比对时段;所述步骤S12和所述步骤S13是在所述步骤S11中的进行钟差比对的时段中进行的。
4.根据权利要求1所述的卫星轨道的误差精化方法,其特征在于,所述步骤S2中的轨道径向误差拟合,包括:
S21:对于所述步骤S1中的进行钟差比对的时段中的任意采样时刻ti,取其前后各Δt时长的原始轨道径向误差序列,记为轨道径向误差拟合数据序列{t,Δr},其中,t代表时刻,Δr为该时间段内对应的轨道径向误差;
S22:基于二次多项式y=a0+a1x+a2x2,对所述步骤S21中的轨道径向误差拟合数据序列进行最小二乘拟合,得到修正参数(a0,a1,a2);
S23:基于S22的修正参数(a0,a1,a2)进行轨道径向误差拟合,计算得到基于二次多项式的轨道径向误差改正序列{t,Δr′}。
5.根据权利要求4所述的卫星轨道的误差精化方法,其特征在于,对于n个观测值,所述步骤S22包括:
S221:建立n个观测值的观测方程,所述观测方程为:
y1=a0+a1x1+a2x1 2
L L
yi=a0+a1xi+a2xi 2
L L
yn=a0+a1xn+a2xn 2,
式中,x,y分别为时刻ti以及轨道径向误差Δri,t单位为秒,Δri单位为米;
S222:建立误差方程,所述误差方程为:
L L
L L
S223:构成法方程,所述法方程为:
N=BTPB
U=BTPL,
7.根据权利要求1所述的卫星轨道的误差精化方法,其特征在于,所述步骤S3包括:
S31:以卫星轨道周期的整数倍为周期,进行轨道误差预报:
S32:将轨道误差预报序列从轨道坐标系转换至地固坐标系,得到地固系改正向量;
S33:进行精密定轨的轨道误差修正,得到新的位置向量。
8.根据权利要求7所述的卫星轨道的误差精化方法,其特征在于,在所述步骤S31中,以卫星轨道周期的1倍为周期,进行轨道误差预报。
9.根据权利要求7所述的卫星轨道的误差精化方法,其特征在于,在所述步骤S31中,从所述步骤S2中的轨道径向误差改正序列{t,Δr′}中取出一小时的序列,作为下一周期的轨道误差预报序列,得到轨道误差预报序列(Δr1′,0,0),(Δr2′,0,0)…(Δr12′,0,0),一小时的轨道误差预报序列共包括12个预报值。
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