CN111487657B - 一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法 - Google Patents

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    • G01S19/44—Carrier phase ambiguity resolution; Floating ambiguity; LAMBDA [Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment] method

Abstract

本发明属于船舶导航技术领域，具体地说，涉及一种利用若干个基于北斗导航卫星系统的观测基准网，根据卫星运行的动力学特性，利用卫星观测信息生成卫星运行轨道参数，基于轨道积分方法为用户提供实时高精度卫星位置信息，辅助用户实现实时精密定位的基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法。本发明包括：地面观测站收集北斗导航系统的卫星观测信息和导航信息，通过互联网通信链路发送到数据处理中心等。本发明充分利用卫星在外太空运行的动力学特征，通过地面卫星观测信息估计并预测卫星运行轨道参数，利用轨道积分方法生成实时高精度卫星位置信息，并播发给用户用以修正卫星轨道误差，辅助用户实现真正意义上的实时高精度定位。

Description

一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法
技术领域
本发明属于船舶导航技术领域，具体地说，涉及一种利用若干个基于北斗导航卫星系统的观测基准网，根据卫星运行的动力学特性，利用卫星观测信息生成卫星运行轨道参数，基于轨道积分方法为用户提供实时高精度卫星位置信息，辅助用户实现实时精密定位的基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法。
背景技术
海洋的探索与开发对我国国防建设和发展战略都具有深远意义。为拓展海洋环境的开发利用，亟需开展为海面航行、海洋测绘和资源勘探等提供高精度定位方法的研究。基于北斗导航卫星系统广播星历的定位方法，以其全天候，全时段，作用范围广和成本控制低等优点成为有效的定位的方法之一。但是考虑到北斗广播星历中卫星位置误差大等因素，用户的定位性能受到很大约束，因而利用地面观测网改进卫星位置精度，生成精密星历，进而辅助用户获得高精度的定位结果是具有重大的工程意义。
然而目前北斗精密星历大都基于事后处理的方式生成，限制了实时用户精密定位的应用。卫星摄动主要是充分考虑卫星在外太空中的受力特征，对卫星动力学特征进行精细化描述。基于卫星的动力模型，可以利用卫星的轨道参数，对卫星位置进行预测。如何利用卫星的摄动模型，是真正意义上实现卫星实时高精度轨道确定的关键所在。综上所述，设计一种新型基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法具有相当的迫切性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，包括如下步骤：
步骤1，地面观测站收集北斗导航系统的卫星观测信息和导航信息，通过互联网通信链路发送到数据处理中心；
步骤2，数据处理中心对卫星导航信息的异常值进行剔除，对观测信息中的伪距进行平滑，最后利用线性化技术生成卫星双差观测方程；
步骤3，基于卫星受力特征及摄动理论，充分考虑卫星的二体运动以及重力场，光压，日月引力，固体潮和海潮等摄动力的影响，构建卫星运动的动力方程；
步骤4，结合卫星观测方程和动力方程，基于最小二乘参数估计方法计算得到卫星轨道参数和相位模糊度参数浮点解等；
步骤5，利用双差模糊度的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；并在充分考虑模糊度固定误警率和漏检率的情况下，通过双门限约束的方案验证模糊固定的正确性；
步骤6，将步骤5中正确固定的模糊度参数带入到观测方程中，重复解算得到卫星运行轨道参数的最优解，并基于卫星动力方程，利用轨道积分方法得到任意时刻的卫星位置；
步骤7，利用卫星通信链路将卫星位置信息播发给海面上任意地方的北斗导航用户，辅助用户得到实时高精度定位结果。
步骤2中在广播星历异常探测过程中，检验统计量选择用户测距误差IURE，
Figure GDA0002560262950000021
其中
Figure GDA0002560262950000022
表示卫星j的IURE估计值，
Figure GDA0002560262950000023
表示消除各项误差的星地距离，N表示当前时刻可见的卫星个数，
Figure GDA0002560262950000024
表示用户测距误差的趋势项，可以根据历史数据得到。
异常检验门限是在置信度水平1×10-5下确定，即
Figure GDA0002560262950000025
选择
Figure GDA0002560262950000026
作为判断IURE是否是异常的监测门限，其中IUREtrend和
Figure GDA0002560262950000027
根据历史数据得到。
在伪距平滑过程中，我们构建传统载波相位平滑伪距的方式，
Figure GDA0002560262950000028
其中P和L表示原始观测伪距和相位，M表示平滑时间常数，
Figure GDA0002560262950000029
分别表示相位平滑伪距观测量，ti表示观测历元i的时间。
最后利用线性化技术生成卫星双差观测方程，
y＝Hx0+ε
其中
Figure GDA00025602629500000210
y(tl)表示tl时刻的观测信息，
Figure GDA00025602629500000211
表示tl时刻的观测系数矩阵，Φ表示状态转移矩阵，x0表示待估状态量，ε表示观测噪声。
步骤3中卫星在惯性坐标系下的运动方程为：
Figure GDA0002560262950000031
式中，r，
Figure GDA0002560262950000032
分别为卫星质心在惯性坐标系中的三维位置、速度、加速度,p为动力学参数，GMe为地球引力常数，a1是作用在卫星上的各种摄动力之和，a表示卫星运动时的总加速度，t为时间参数。
为了简化式(5)的求解，我们定义状态参数
Figure GDA0002560262950000033
Figure GDA0002560262950000034
其中t0表示初始历元时刻，ti表示第i+1个历元时刻，q表示载波相位，对流层和电离层等参数。则卫星运动方程可以表示为：
Figure GDA0002560262950000035
其中，
Figure GDA0002560262950000036
步骤5中其中模糊度搜索空间为：
Figure GDA0002560262950000037
其中
Figure GDA0002560262950000038
和
Figure GDA0002560262950000039
表示模糊度的整数解，
Figure GDA00025602629500000310
和
Figure GDA00025602629500000311
为模糊浮点解，round()表示四舍五入取整，imax和kmax为给定经验值。
对于搜索空间中的每对
Figure GDA00025602629500000312
和
Figure GDA00025602629500000313
计算检测量d，
Figure GDA00025602629500000314
若所有检测量中的最小值|d|min≤T，则将|d|min对应的模糊度
Figure GDA00025602629500000315
和
Figure GDA00025602629500000316
作为模糊度整数解。其中T为检测门限。回代固定的模糊度再重新解算方程，直到无新的模糊度可以被固定。
在充分考虑模糊度固定误警率和漏检率的情况下，通过双门限约束的方案验证模糊固定的正确性，其中误警率Pfa可以被表示为
Figure GDA00025602629500000317
基于先验的连续性风险需求和模糊度固定成功率确定Pfa，进而实现T的求解，然后通过比较|d|和T的大小有效控制模糊度的误警率。
漏检率Pmd可以被表示为
Figure GDA0002560262950000041
基于先验的完好性风险需求和模糊度固定失败率确定漏检率的检测门限，最后通过比较Pmd和漏检率检测门限的大小有效控制模糊度的漏检率。
本发明的有益效果在于：本发明充分利用卫星在外太空运行的动力学特征，通过地面卫星观测信息估计并预测卫星运行轨道参数，利用轨道积分方法生成实时高精度卫星位置信息，并播发给用户用以修正卫星轨道误差，辅助用户实现真正意义上的实时高精度定位。
附图说明
图1是运用本发明的基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法的实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，充分利用卫星动力学模型，通过地面观测站网实现卫星轨道参数的估计和预测，并播发给用户端用以修正卫星轨道误差，以期达到高精度导航定位的目的。该方法同时采用卫星动力学特征和地面测站的卫星观测信息，确保轨道参数估计和预测的精度。本发明基于卫星运动的摄动特性，进行卫星轨道参数的估计和预测，生成高精度的卫星位置信息，实现用户高精度定位，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，地面观测站收集北斗导航系统的卫星观测信息和导航信息，通过互联网通信链路发送到数据处理中心；
步骤2，数据处理中心对卫星导航信息的异常值进行剔除，对观测信息中的伪距进行平滑，最后利用线性化技术生成卫星双差观测方程；
步骤3，基于卫星受力特征及摄动理论，充分考虑卫星的二体运动以及重力场，光压，日月引力，固体潮和海潮等摄动力的影响，构建卫星运动的动力方程；
步骤4，结合卫星观测方程和动力方程，基于最小二乘参数估计方法计算得到卫星轨道参数和相位模糊度参数浮点解等；
步骤5，利用双差模糊度的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；并在充分考虑模糊度固定误警率和漏检率的情况下，通过双门限约束的方案验证模糊固定的正确性；
步骤6，将步骤5中正确固定的模糊度参数带入到观测方程中，重复解算得到卫星运行轨道参数的最优解，并基于卫星动力方程，利用轨道积分方法得到任意时刻的卫星位置；
步骤7，利用卫星通信链路将卫星位置信息播发给海面上任意地方的北斗导航用户，辅助用户得到实时高精度定位结果。
步骤2中对卫星导航信息的异常值进行剔除，对观测信息中的伪距进行平滑，以及利用线性化技术生成卫星双差观测方程，最终提升观测模型的精度。
步骤3中基于卫星受力特征及摄动理论，充分考虑卫星的二体运动以及重力场，光压，日月引力，固体潮和海潮等摄动力的影响，精细化卫星运动的动力方程。
步骤5中利用双差模糊度的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；并在充分考虑模糊度固定误警率和漏检率的情况下，通过双门限约束的方案验证模糊固定的正确性，进而保证轨道参数估计的准确性。
本发明集成北斗接收机技术、卫星运动、无线通信，海洋环境和计算机数据处理等技术，利用卫星运行的动力学特性，通过卫星观测信息生成卫星运行轨道参数，基于轨道积分方法为用户提供实时高精度卫星位置信息，有效辅助海面航行、海洋测绘和资源勘探等用户获得高精度定位信息。
实施例：
本发明是基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，具体步骤包括：
步骤1，卫星观测信息收集用户发送定位请求信号
利用全球均匀分布的地面观测站收集北斗导航系统的卫星观测信息和导航信息，将各个测站的信息收集结果通过互联网通信链路发送到数据处理中心，以便数据处理中心方便取用和备份。
步骤2，卫星观测方程的构建
数据处理中心对卫星导航信息和观测信息进行预处理，主要包括广播星历异常值的剔除和伪距进行平滑。
在广播星历异常探测过程中，检验统计量选择用户测距误差IURE，
Figure GDA0002560262950000051
其中
Figure GDA0002560262950000052
表示卫星j的IURE估计值，
Figure GDA0002560262950000053
表示消除各项误差的星地距离，N表示当前时刻可见的卫星个数，
Figure GDA0002560262950000054
表示用户测距误差的趋势项，可以根据历史数据得到。
异常检验门限是在置信度水平1×10-5下确定，即
Figure GDA0002560262950000055
选择
Figure GDA0002560262950000061
作为判断IURE是否是异常的监测门限，其中IUREtrend和
Figure GDA0002560262950000062
可以根据历史数据得到。
在伪距平滑过程中，我们构建传统载波相位平滑伪距的方式，
Figure GDA0002560262950000063
其中P和L表示原始观测伪距和相位，M表示平滑时间常数，
Figure GDA0002560262950000064
分别表示相位平滑伪距观测量，ti表示观测历元i的时间。
最后利用线性化技术生成卫星双差观测方程，
y＝Hx0+ε (4)
其中
Figure GDA0002560262950000065
y(tl)表示tl时刻的观测信息，
Figure GDA0002560262950000066
表示tl时刻的观测系数矩阵，Φ表示状态转移矩阵，x0表示待估状态量，ε表示观测噪声。
步骤3，卫星运动的动力学方程构建
基于卫星受力特征及摄动理论，充分考虑卫星的二体运动以及重力场，光压，日月引力，固体潮和海潮等摄动力的影响，构建卫星运动的动力方程。
卫星在惯性坐标系下的运动方程为：
Figure GDA0002560262950000067
式中，r，
Figure GDA0002560262950000068
分别为卫星质心在惯性坐标系中的三维位置、速度、加速度,p为动力学参数，GMe为地球引力常数，a1是作用在卫星上的各种摄动力之和，a表示卫星运动时的总加速度，t为时间参数。
为了简化式(5)的求解，我们定义状态参数
Figure GDA0002560262950000069
Figure GDA00025602629500000610
其中t0表示初始历元时刻，ti表示第i+1个历元时刻，q表示载波相位，对流层和电离层等参数。则卫星运动方程可以表示为：
Figure GDA00025602629500000611
其中，
Figure GDA0002560262950000071
步骤4，轨道参数的初始估计
结合卫星观测方程式(4)和动力方程式(6)，基于最小二乘参数估计方法计算得到卫星轨道参数和相位模糊度参数浮点解等。
步骤5，模糊度参数固定及检验
利用双差模糊度的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；模糊度固定方案采用QIF方案，其中模糊度搜索空间为：
Figure GDA0002560262950000072
其中
Figure GDA0002560262950000073
和
Figure GDA0002560262950000074
表示模糊度的整数解，
Figure GDA0002560262950000075
和
Figure GDA0002560262950000076
为模糊浮点解，round()表示四舍五入取整，imax和kmax为给定经验值。
对于搜索空间中的每对
Figure GDA0002560262950000077
和
Figure GDA0002560262950000078
计算检测量d，
Figure GDA0002560262950000079
若所有检测量中的最小值|d|min≤T，则将|d|min对应的模糊度
Figure GDA00025602629500000710
和
Figure GDA00025602629500000711
作为模糊度整数解。其中T为检测门限。回代固定的模糊度再重新解算方程，直到无新的模糊度可以被固定。
在充分考虑模糊度固定误警率和漏检率的情况下，通过双门限约束的方案验证模糊固定的正确性，其中误警率Pfa可以被表示为
Figure GDA00025602629500000712
基于先验的连续性风险需求和模糊度固定成功率确定Pfa，进而实现T的求解，然后通过比较|d|和T的大小有效控制模糊度的误警率。
漏检率Pmd可以被表示为
Figure GDA00025602629500000713
基于先验的完好性风险需求和模糊度固定失败率确定漏检率的检测门限，最后通过比较Pmd和漏检率检测门限的大小有效控制模糊度的漏检率。
步骤6，轨道参数的重估计
将步骤5中正确固定的模糊度参数带入到观测方程中，重复解算得到卫星运行轨道参数的最优解，并基于卫星动力方程，利用轨道积分方法得到任意时刻的卫星位置；
步骤7，卫星位置信息的播发
利用卫星通信链路将卫星位置信息播发给海面上任意地方的北斗导航用户，辅助用户得到实时高精度定位结果。
综上所述，本发明公开一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法。本发明基于卫星在围绕地球运行的动力学特性，利用地面观测站收集的卫星观测信息，获取卫星运行轨道参数信息，用以得到卫星的实时位置。本发明由地面卫星观测站，互联网通信链路，数据处理中心和卫星通信链路等组成。本发明方法是：地面观测站收集北斗导航系统的卫星观测信息和导航信息，通过互联网通信链路发送到数据处理中心；数据处理中心对导航信息和观测信息进行预处理，生成卫星观测方程；基于卫星受力特征及摄动理论，生成卫星运动的动力方程；结合卫星观测方程和动力方程，计算得到相位模糊度参数浮点解；基于双差模糊度的整周特性，对浮点解模糊度进行固定并验证其正确性；重复参数估计过程得到卫星运行轨道参数，基于轨道积分方法得到任意时刻的卫星位置；利用卫星通信链路将卫星位置等播发给北斗导航用户。本发明利用卫星的地面观测信息和卫星运动的动力学特征，做到真正意义上北斗实时精密轨道的确定，为海面航行、海洋测绘和资源勘探等北斗高精度导航定位用户提供实时高精度卫星轨道信息，辅助用户获得实时高精度定位结果。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不偏离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的调整，但这些相应的调整都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，地面观测站收集北斗导航系统的卫星观测信息和导航信息，通过互联网通信链路发送到数据处理中心；
步骤2，数据处理中心对卫星导航信息的异常值进行剔除，对观测信息中的伪距进行平滑，最后利用线性化技术生成卫星观测方程；
步骤3，基于卫星受力特征及摄动理论，充分考虑卫星的二体运动以及重力场，光压，日月引力，固体潮和海潮摄动力的影响，构建卫星运动的动力方程；
步骤4，结合卫星观测方程和动力方程，基于最小二乘参数估计方法计算得到卫星轨道参数和相位模糊度参数浮点解；
步骤5，利用双差模糊度的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；并在充分考虑模糊度固定误警率和漏检率的情况下，通过双门限约束的方案验证模糊固定的正确性；
步骤6，将步骤5中正确固定的模糊度参数带入到观测方程中，重复解算得到卫星运行轨道参数的最优解，并基于卫星动力方程，利用轨道积分方法得到任意时刻的卫星位置；
步骤7，利用卫星通信链路将卫星位置信息播发给海面上任意地方的北斗导航用户，辅助用户得到实时高精度定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，其特征在于：步骤2中在对卫星导航信息的异常值进行剔除过程中，检验统计量选择用户测距误差IURE，
Figure FDA0003626294810000011
其中
Figure FDA0003626294810000012
表示卫星j的IURE估计值，
Figure FDA0003626294810000013
表示消除各项误差的星地距离，N表示当前时刻可见的卫星个数，
Figure FDA0003626294810000014
表示用户测距误差的趋势项，根据历史数据得到；
异常检验门限是在置信度水平1×10-5下确定，即
Figure FDA0003626294810000015
选择
Figure FDA0003626294810000016
作为判断IURE是否是异常的监测门限，其中IUREtrend和
Figure FDA0003626294810000017
根据历史数据得到；
在伪距平滑过程中，我们构建传统载波相位平滑伪距的方式，
Figure FDA0003626294810000018
其中P和L表示原始观测伪距和相位，M表示平滑时间常数，
Figure FDA0003626294810000019
分别表示相位平滑伪距观测量，ti表示观测历元i的时间；
最后利用线性化技术生成卫星观测方程，
y＝Hx0+ε
其中
Figure FDA0003626294810000021
y(tl)表示tl时刻的观测信息，
Figure FDA0003626294810000022
表示tl时刻的观测系数矩阵，Φ表示状态转移矩阵，x0表示待估状态量，ε表示观测噪声。
3.根据权利要求1所述的一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，其特征在于：步骤3中卫星在惯性坐标系下的动力方程为：
Figure FDA0003626294810000023
式中，r，
Figure FDA0003626294810000024
分别为卫星质心在惯性坐标系中的三维位置、速度、加速度,p为动力学参数，GMe为地球引力常数，a1是作用在卫星上的各种摄动力之和，a表示卫星运动时的总加速度，t为时间参数；
为了简化式的求解，我们定义状态参数
Figure FDA0003626294810000025
其中t0表示初始历元时刻，ti表示第i+1个历元时刻，q表示载波相位，对流层和电离层参数；则动力方程表示为：
Figure FDA0003626294810000026
其中，
Figure FDA0003626294810000027
步骤5中其中模糊度搜索空间为：
Figure FDA0003626294810000028
其中
Figure FDA0003626294810000029
和
Figure FDA00036262948100000210
表示模糊度的整数解，
Figure FDA00036262948100000211
和
Figure FDA00036262948100000212
为模糊浮点解，round()表示四舍五入取整，imax和kmax为给定经验值；
对于搜索空间中的每对
Figure FDA00036262948100000213
和
Figure FDA00036262948100000214
计算检测量d，
Figure FDA0003626294810000031
若所有检测量中的最小值|d|min≤T，则将|d|min对应的模糊度
Figure FDA0003626294810000032
和
Figure FDA0003626294810000033
作为模糊度整数解；其中T为检测门限；回代固定的模糊度再重新解算方程，直到无新的模糊度被固定；
在充分考虑模糊度固定误警率和漏检率的情况下，通过双门限约束的方案验证模糊固定的正确性，其中误警率Pfa被表示为
Figure FDA0003626294810000034
基于先验的连续性风险需求和模糊度固定成功率确定Pfa，进而实现T的求解，然后通过比较|d|和T的大小有效控制模糊度的误警率；
漏检率Pmd被表示为
Figure FDA0003626294810000035
基于先验的完好性风险需求和模糊度固定失败率确定漏检率的检测门限，最后通过比较Pmd和漏检率检测门限的大小有效控制模糊度的漏检率。
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