CN112444828A - 一种仅基于伪距观测值确定gnss卫星轨道的方法 - Google Patents

一种仅基于伪距观测值确定gnss卫星轨道的方法 Download PDF

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CN112444828A CN201910812218.XA CN201910812218A CN112444828A CN 112444828 A CN112444828 A CN 112444828A CN 201910812218 A CN201910812218 A CN 201910812218A CN 112444828 A CN112444828 A CN 112444828A
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盛传贞
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

本发明提出了一种利用GNSS接收机的伪距观测值，在无任何GNSS卫星轨道信息的条件下，确定被观测的GNSS卫星轨道的方法，解决了在利用Bancroft算法确定卫星轨道时必须已知其他卫星轨道信息的难题。

Description

一种仅基于伪距观测值确定GNSS卫星轨道的方法
技术领域
本发明涉及一种基于伪距观测值且无需已知任何轨道信息的GNSS卫星轨道确定方法。
背景技术
GNSS系统的建立旨在提供室外定位、导航和授时服务。如今，GNSS已经在多种领域得到发展，如车辆导航、大气监测、时间传递、精准农业等。卫星轨道是确保GNSS系统正常运行最重要的信息。通常，用户可以从导航星历或精密星历产品获取相应精度的卫星轨道信息。如果某个GNSS系统的全部或部分卫星发送的导航星历中没有轨道信息，并且无法通过其他方式获得轨道信息，则系统将无法正常提供服务。此时，必须首先获得一定精度的轨道信息，才能维持GNSS系统正常运行，如基于Bancroft算法，利用GNSS伪距观测值和其他卫星已知的轨道信息计算被测卫星的轨道。本研究在该方法的基础上提出改进，可在无其他卫星已知轨道信息的条件下确定被测卫星的轨道，为GNSS系统在缺失卫星轨道信息的情况下提供一种生成轨道的方法。
本发明通过分析Bancroft算法应用于卫星定轨时，误差量级对解算结果的影响，提出了一种无需已知任何卫星轨道信息的定轨方法。新方法提出使用装备有特定接收机的观测站的伪距观测值，可确定百米量级的卫星轨道。
发明内容
为了解决无任何已知卫星轨道信息的条件下，利用GNSS伪距观测值确定卫星轨道的问题，本发明提供了卫星位置的计算方法，特征为：选用特定类型的GNSS观测站，利用Bancroft算法处理这些观测站的单频或双频伪距观测值，解算GNSS卫星位置，具体内容如下。
（1）所选用的GNSS观测站具有以下特征：接收机钟差量级小于50纳秒，且天变化量小于1纳秒。
（2）由于Bancroft算法在解算GNSS卫星位置时，经测试得知，几十米量级误差引起的卫星位置偏差在百米量级，考虑其他主要误差的范围：不同接收机对应不同信号发射时刻引起的误差在几十米的量级，伪距观测值误差在米级，电离层延迟量级在几十米，其他误差范围低于米级。因此选择钟差量级在50纳秒（约合距离15米）以内，且天变化量在1纳秒以内的测站，可保证忽略接收机钟差的观测方程中，总的观测误差范围在几十米量级（至多百米量级），进而利用这些测站的单频或者双频伪距观测值解算卫星位置和卫星钟差，获得百米量级的卫星初始轨道。
（3）构建某一接收时刻的观测方程，其中利用单频观测值解算卫星初始轨道的观测方程为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
；利用双频观测值解算卫星初始轨道的观测方程为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
。两个观测方程中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
分别表示单频伪距观测值和双频消电离层组合伪距观测值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
表示接收机编号，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
表示卫星编号，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为消电离层标志，且有
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
分别表示频率1和2对应的频率值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
表示频率1和2对应的伪距观测值；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
表示卫星
Figure 127361DEST_PATH_IMAGE006
与接收机
Figure 310081DEST_PATH_IMAGE005
之间的几何距离，有
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
分别表示卫星
Figure 902868DEST_PATH_IMAGE006
与接收机
Figure 625973DEST_PATH_IMAGE005
在地心地固坐标系下的位置；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
表示信号从卫星
Figure 174766DEST_PATH_IMAGE006
传播到接收机
Figure 75857DEST_PATH_IMAGE005
途中的对流层延迟；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
表示卫星
Figure 405207DEST_PATH_IMAGE006
的钟差。观测方程中，已知信息包括：伪距观测值
Figure 72949DEST_PATH_IMAGE003
或
Figure 7407DEST_PATH_IMAGE004
，测站坐标
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
，对流层延迟
Figure 344978DEST_PATH_IMAGE017
（采用天顶方向模型值）；未知信息包括：卫星位置
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
，卫星钟差
Figure 568149DEST_PATH_IMAGE018
。
（4）利用Bancroft算法计算单个历元的卫星位置和卫星钟差，算法过程为：
1）构建
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
，其中利用单频观测值解算卫星轨道时，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
；利用双频观测值解算卫星轨道时，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
；
2）构建
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
，且
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
为接收机数量；
3）定义常量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
；
4）定义算式
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
；
5）计算中间值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
；
6）解一元二次方程
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039
中未知项
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
，得到两个解
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
；
7）将
Figure 853898DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 580545DEST_PATH_IMAGE042
分别代入
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE043
中，获得两组卫星位置和钟差值；
8）将获得的两组解代入
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
，结果与观测值
Figure 72707DEST_PATH_IMAGE003
（单频情况）或
Figure 579911DEST_PATH_IMAGE004
（双频情况）比较接近的卫星位置和卫星钟差确定为最终解。
本发明与现有方法相比具有以下优点：
（1）在利用GNSS伪距观测值进行卫星轨道计算时，无需已知任何卫星的轨道信息；
（2）本发明选用接收机钟差量级小于50纳秒，且天变化量小于1纳秒的测站，可以满足百米量级的GNSS卫星定轨应用。
具体实施方式
（1）首先选取接收机钟差在50纳秒以内，且天变化小于1纳秒的测站，可利用外接高精度原子钟获得接收机钟差，或利用精密单点定位技术解算获得接收机钟差。
（2）构建观测方程，利用单频伪距观测值解算卫星轨道时观测方程为
Figure 933663DEST_PATH_IMAGE001
；利用双频消电离层伪距观测值解算卫星轨道时观测方程为
Figure 842714DEST_PATH_IMAGE002
。
（3）利用Bancroft算法计算单个历元的卫星位置和卫星钟差，算法过程为：
1）构建
Figure 381142DEST_PATH_IMAGE021
，其中利用单频观测值解算卫星轨道时，
Figure 375643DEST_PATH_IMAGE022
；利用双频观测值解算卫星轨道时，
Figure 782354DEST_PATH_IMAGE023
；
2）构建
Figure 545910DEST_PATH_IMAGE024
，且
Figure 786399DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure 815666DEST_PATH_IMAGE026
为接收机数量；
3）定义常量
Figure 963750DEST_PATH_IMAGE027
；
4）定义算式
Figure 519497DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 727624DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 493455DEST_PATH_IMAGE030
；
5）计算中间值
Figure 179651DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 855483DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 234512DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 232512DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 722399DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 987158DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 537088DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 277511DEST_PATH_IMAGE038
；
6）解一元二次方程
Figure 571089DEST_PATH_IMAGE039
中未知项
Figure 955934DEST_PATH_IMAGE040
，得到两个解
Figure 411186DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 389638DEST_PATH_IMAGE042
；
7）将
Figure 221327DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 726258DEST_PATH_IMAGE042
分别代入
Figure 680308DEST_PATH_IMAGE043
中，获得两组卫星位置和钟差值；
8）将获得的两组解代入
Figure 333006DEST_PATH_IMAGE044
，结果与观测值
Figure 906070DEST_PATH_IMAGE003
（单频情况）或
Figure 62244DEST_PATH_IMAGE004
（双频情况）比较接近的卫星位置和卫星钟差确定为最终解。

Claims (4)

1.利用Bancroft算法解算GNSS卫星轨道时，选择钟差量级在50纳秒（约合距离15米）以内，且天变化量在1纳秒以内的测站，可在无任何卫星轨道信息的条件下，仅基于这些测站的单频或者双频伪距观测值，解算出卫星位置和卫星钟差，获得百米量级的卫星轨道。
2.针对利用单频观测值确定卫星轨道的方法，构建某一接收时刻的观测方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表示单频伪距观测值，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示接收机编号，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示卫星编号；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示卫星
Figure 918137DEST_PATH_IMAGE004
与接收机
Figure 623179DEST_PATH_IMAGE003
之间的几何距离，有
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
分别表示卫星
Figure 124568DEST_PATH_IMAGE004
与接收机
Figure 338512DEST_PATH_IMAGE003
在地心地固坐标系下的位置；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示信号从卫星
Figure 916255DEST_PATH_IMAGE004
传播到接收机
Figure 215649DEST_PATH_IMAGE003
途中的对流层延迟；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示卫星
Figure 520728DEST_PATH_IMAGE004
的钟差；观测方程中，已知信息包括：伪距观测值
Figure 854758DEST_PATH_IMAGE002
，测站坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，对流层延迟
Figure 337823DEST_PATH_IMAGE009
（采用天顶方向模型值）；未知信息包括：卫星位置
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，卫星钟差
Figure 390092DEST_PATH_IMAGE010
。
3.针对利用双频观测值确定卫星轨道的方法，构建某一接收时刻的观测方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示双频消电离层组合伪距观测值，
Figure 702125DEST_PATH_IMAGE003
表示接收机编号，
Figure 952978DEST_PATH_IMAGE004
表示卫星编号，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为消电离层标志，且有
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分别表示频率1和2对应的频率值，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示频率1和2对应的伪距观测值；
Figure 872523DEST_PATH_IMAGE005
表示卫星
Figure 208827DEST_PATH_IMAGE004
与接收机
Figure 340862DEST_PATH_IMAGE003
之间的几何距离，有
Figure 649484DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 395723DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 16060DEST_PATH_IMAGE008
分别表示卫星
Figure 138737DEST_PATH_IMAGE004
与接收机
Figure 301865DEST_PATH_IMAGE003
在地心地固坐标系下的位置；
Figure 32055DEST_PATH_IMAGE009
表示信号从卫星
Figure 342950DEST_PATH_IMAGE004
传播到接收机
Figure 941422DEST_PATH_IMAGE003
途中的对流层延迟；
Figure 83690DEST_PATH_IMAGE010
表示卫星
Figure 437311DEST_PATH_IMAGE004
的钟差；观测方程中，已知信息包括：伪距观测值
Figure 907607DEST_PATH_IMAGE014
，测站坐标
Figure 372086DEST_PATH_IMAGE011
，对流层延迟
Figure 854014DEST_PATH_IMAGE009
（采用天顶方向模型值）；未知信息包括：卫星位置
Figure 378536DEST_PATH_IMAGE012
，卫星钟差
Figure 336128DEST_PATH_IMAGE010
。
4.利用Bancroft算法计算单个历元的卫星位置和卫星钟差，算法过程为：
1）构建
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，其中利用单频观测值解算卫星轨道时，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；利用双频观测值解算卫星轨道时，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
2）构建
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为接收机数量；
3）定义常量
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；
4）定义算式
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
5）计算中间值
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；
6）解一元二次方程
Figure DEST_PATH_IMAGE039
中未知项
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，得到两个解
Figure DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure DEST_PATH_IMAGE042
；
7）将
Figure 958958DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 810240DEST_PATH_IMAGE042
分别代入
Figure DEST_PATH_IMAGE043
中，获得两组卫星位置和钟差值；
8）将获得的两组解代入
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，结果与观测值
Figure 53133DEST_PATH_IMAGE002
（单频情况）或
Figure 294759DEST_PATH_IMAGE014
（双频情况）比较接近的卫星位置和卫星钟差确定为最终解。
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