CN112505734B - 基于星间链路闭环残差检测的卫星轨道平差修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于星间链路闭环残差检测的卫星轨道平差修正方法，包括：S1.获取卫星的星地观测值和星间观测值，并基于所述星地观测值和所述星间观测值进行联合定轨，得到所述卫星的轨道位置；S2.获取所述卫星之间的星间闭环链路；S3.对各条所述星间闭环链路分别计算轨道闭合残差；S4.基于各条所述星间闭环链路的所述轨道闭合残差进行平差计算，基于计算结果对所述轨道位置进行修正，并获取经过修正后的所述轨道位置；S5.重复步骤S3至S4，直至所述轨道闭合残差收敛。本发明的卫星轨道修正精度高，计算量小。

Description

基于星间链路闭环残差检测的卫星轨道平差修正方法
技术领域
本发明涉及航空航天领域，尤其涉及一种基于星间链路闭环残差检测的卫星轨道平差修正方法。
背景技术
为实现全球覆盖和服务的建设目标，我国北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3Navigation Satellite System,BDS-3)必须对全球均匀分布的导航卫星进行准确的定轨和时间同步。然而由于政治和地理等因素影响，BDS-3无法像美国GPS或欧洲Galileo系统那样全球广泛布设地面监测站，而是仍需主要通过区域地面监测网完成对卫星轨道和钟差的测定。计算表明，中国境内区域监测网对北斗MEO卫星的有效跟踪弧段不足全部弧段的40％，严重影响卫星轨道和钟差测定精度以及系统服务性能。因此，采用星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)来弥补境内区域监测网对卫星跟踪和覆盖的不足，实现境外卫星定轨和时间同步，成为BDS-3提供全球化服务的必然技术选择。
2015年3月至2016年2月，我国完成了由3颗MEO卫星和3颗倾斜地球同步轨道(Inclined GeoSynchronous Orbit,IGSO)卫星组成的北斗全球系统试验系统，首次搭载Ka波段时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)体制星间链路载荷设备并开展了关键技术验证。北斗星间链路载荷通过相控阵天线实现信号接收、发射和波束指向控制，提供两颗卫星之间的分米级双向单程测量及高速通信，同一星间链路终端可在不同时间完成与不同卫星之间的相互建链。基于星间链路技术，北斗三号系统成功实现了境内、境外卫星的星地-星间测量联合定轨，以及基于星间相对钟差测量的境外卫星时间同步，奠定了全球服务的基础。
根据规划，北斗三号系统将提供共计七种类型的服务，其中包括主要面向高完好性应用的星基增强(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)服务以及主要面向高精度应用的精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)服务。北斗SBAS服务将先期达到国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)一类垂直引导进近(Approach with Vertical Guidance,APV-I)性能等级，然后实现一类精密进近(Category I Precision Approach,CAT-I)性能等级；PPP服务则分两阶段建设，第一阶段(2020年)为我国及周边地区提供分米级增强定位服务，第二阶段(2020年后)向海外拓展，并进一步提升精度、缩短收敛时间。
北斗SBAS、PPP等服务的不断建设和发展是应对国际卫星导航增强服务竞争的重要举措。但于此同时，它们也对系统星间链路测量以及卫星定轨与时间同步能力提出了更高的要求和挑战。目前，北斗系统在轨运行实际数据表明，在星载星间链路设备收发时延已经标定的情况下，Ka波段星间观测量仍具有0.1m(均方根，RMS)左右的测距误差，从而影响卫星定轨和时间同步测定精度。因此，在现有能力基础上，进一步提高卫星轨道测定精度具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于星间链路闭环残差检测的卫星轨道平差修正方法，用于提高星间链路定轨的精度。
为实现上述发明目的，本发明提供基于星间链路闭环残差检测的卫星轨道平差修正方法，包括：
S1.获取卫星的星地观测值和星间观测值，并基于所述星地观测值和所述星间观测值进行联合定轨，得到所述卫星的轨道位置；
S2.获取所述卫星之间的星间闭环链路；
S3.对各条所述星间闭环链路分别计算轨道闭合残差；
S4.基于各条所述星间闭环链路的所述轨道闭合残差进行平差计算，基于计算结果对所述轨道位置进行修正，并获取经过修正后的所述轨道位置；
S5.重复步骤S3至S4，直至所述轨道闭合残差收敛。
根据本发明的一个方面，步骤S2中，获取所述卫星之间的星间闭环链路的步骤中，从境内某颗卫星出发进行星间测量，经过若干境外卫星后最终回到境内的所述卫星。
根据本发明的一个方面，步骤S3中，对各条所述星间闭环链路分别计算轨道闭合残差的步骤中，包括：
S31、对于同一条所述星间闭环链路，根据所述轨道位置的轨道坐标计算得到两两卫星之间的方向角初值；
S32、从所述星间闭环链路中的某一颗卫星出发，利用其轨道坐标、星间双向测距值及所述方向角初值，计算得到两两卫星之间的轨道坐标增量；
S33、将两两所述卫星之间的所述轨道坐标增量相加，得到所述轨道闭合残差。
根据本发明的一个方面，步骤S4中，基于各条所述星间闭环链路的所述轨道闭合残差进行平差计算的步骤中，采用的方程式组形式表示为：
其中，L为所述星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量向量，V为误差观测量向量，l为误差方程自由项，若当前共存在m条不同所述星间闭环链路、涉及n颗不同所述卫星，则L、V和l的维数均为m×1，X0为所述待估参数X的近似值向量，为所述待估参数的改正值向量，X0、X与/>的维数均为(n-1)×1，A为系数矩阵，维数为m×(n-1)。
根据本发明的一个方面，当各所述星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量取等权模型时，所述待估参数的改正值向量为：
将所述待估参数的改正值向量代入步骤S4中用于平差计算的方程组，，计算得到所述误差观测量向量V，并分别修正得到所述星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量向量L的平差值/>以及所述待估参数X的平差值/>
根据本发明的一个方面，所述待估参数X的近似值向量X0的初值可取为零，并迭代计算得到所述待估参数X的平差值
根据本发明的一种方案，卫星轨道修正精度高，计算量小。
根据本发明的一种方案，提供了一个能够准确识别星间链路中系统累积误差的参考约束条件，通过开展轨道闭环残差检测和平差处理，能够在不增加系统额外设备和硬件代价的前提下，实现对卫星轨道误差的修正、提高卫星轨道的测定精度。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的卫星轨道平差修正方法的步骤图；
图2示意性表示北斗系统星间链路测量全球闭环示意图；
图3示意性表示卫星轨道闭合残差计算示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于星间链路闭环残差检测的卫星轨道平差修正方法，包括：
S1.获取卫星的星地观测值和星间观测值，并基于星地观测值和星间观测值进行联合定轨，得到卫星的轨道位置；
S2.获取卫星之间的星间闭环链路；
S3.对各条星间闭环链路分别计算轨道闭合残差；
S4.基于各条星间闭环链路的轨道闭合残差进行平差计算，基于计算结果对轨道位置进行修正，并获取经过修正后的轨道位置；
S5.重复步骤S3至S4，直至轨道闭合残差收敛。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，获取卫星之间的星间闭环链路的步骤中，从境内某颗卫星出发进行星间测量，经过若干境外卫星后最终回到境内的卫星。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，步骤S3中，对各条星间闭环链路分别计算轨道闭合残差的步骤中，包括：
S31、对于同一条星间闭环链路，根据轨道位置的轨道坐标计算得到两两卫星之间的方向角初值；
S32、从星间闭环链路中的某一颗卫星出发，利用其轨道坐标、星间双向测距值及方向角初值，计算得到两两卫星之间的轨道坐标增量；
参见图2所示，在本实施方式中，假设某条星间闭环链路共具有A、B、C三颗卫星，其中卫星A为境内卫星、卫星B和卫星C为境外卫星。参见图3所示，首先利用步骤S1中所得到的卫星轨道位置，计算得到两两卫星之间的方向角初值和/>然后，从境内卫星A的轨道位置出发，利用其与境外卫星B之间的星间链路双向测距值/>以及方向角初值计算得到卫星A与卫星B之间的三维轨道坐标增量ΔXAB；同理，从境外卫星B的轨道位置出发、计算得到卫星B与卫星C之间的三维轨道坐标增量ΔXBC，从境外卫星C的轨道位置出发、计算得到卫星C与卫星A之间的三维轨道坐标增量ΔXCA。
S33、将两两卫星之间的轨道坐标增量相加，得到轨道闭合残差。
在本实施方式中，理论上，轨道坐标增量ΔXAB、ΔXBC和ΔXCA之间应满足：
ΔXAB+ΔXBC+ΔXCA＝0
但实际上，由于系统误差及测量误差的存在，上述闭环链路并不会严格闭合。因此，该闭环链路的轨道闭合残差δΔXABCA为：
δΔXABCA＝ΔXAB+ΔXBC+ΔXCA。
根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，基于各条星间闭环链路的轨道闭合残差进行平差计算的步骤中，采用的方程式组形式表示为：
其中，L为星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量向量，V为误差观测量向量，l为误差方程自由项，若当前共存在m条不同星间闭环链路、涉及n颗不同卫星，则L、V和l的维数均为m×1，X0为待估参数X的近似值向量，为待估参数的改正值向量，X0、X与/>的维数均为(n-1)×1，A为系数矩阵，维数为m×(n-1)。
根据本发明的一种实施方式，当各星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量取等权模型时，待估参数的改正值向量为：
将待估参数的改正值向量代入步骤S4中用于平差计算的方程组，，计算得到误差观测量向量V，并分别修正得到星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量向量L的平差值以及待估参数X的平差值/>
值得指出的是，为观测量的修正值(即平差值)，其与待估参数的平差值/>的计算过程是相联系和耦合的，通过平差计算后能够同时得到修正后的/>和/>
根据本发明的一种实施方式，待估参数X的近似值向量X0的初值可取为零，并迭代计算得到待估参数X的平差值
根据本发明，提供了一个能够准确识别星间链路中系统累积误差的参考约束条件，通过开展轨道闭环残差检测和平差处理，能够在不增加系统额外设备和硬件代价的前提下，实现对卫星轨道误差的修正、提高卫星轨道的测定精度。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于星间链路闭环残差检测的卫星轨道平差修正方法，包括：
S1.获取卫星的星地观测值和星间观测值，并基于所述星地观测值和所述星间观测值进行联合定轨，得到所述卫星的轨道位置；
S2.获取所述卫星之间的星间闭环链路；
S3.对各条所述星间闭环链路分别计算轨道闭合残差；
S4.基于各条所述星间闭环链路的所述轨道闭合残差进行平差计算，基于计算结果对所述轨道位置进行修正，并获取经过修正后的所述轨道位置；
S5.重复步骤S3至S4，直至所述轨道闭合残差收敛；
步骤S3中，对各条所述星间闭环链路分别计算轨道闭合残差的步骤中，包括：
S31、对于同一条所述星间闭环链路，根据所述轨道位置的轨道坐标计算得到两两卫星之间的方向角初值；
S32、从所述星间闭环链路中的某一颗卫星出发，利用其轨道坐标、星间双向测距值及所述方向角初值，计算得到两两卫星之间的轨道坐标增量；
S33、将两两所述卫星之间的所述轨道坐标增量相加，得到所述轨道闭合残差。
2.根据权利要求1所述的卫星轨道平差修正方法，其特征在于，步骤S2中，获取所述卫星之间的星间闭环链路的步骤中，从境内某颗卫星出发进行星间测量，经过若干境外卫星后最终回到境内的所述卫星。
3.根据权利要求1或2所述的卫星轨道平差修正方法，其特征在于，步骤S4中，基于各条所述星间闭环链路的所述轨道闭合残差进行平差计算的步骤中，采用的方程式组形式表示为：
其中，L为所述星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量向量，V为误差观测量向量，l为误差方程自由项，若当前共存在m条不同所述星间闭环链路、涉及n颗不同所述卫星，则L、V和l的维数均为m×1，X0为待估参数X的近似值向量，为所述待估参数的改正值向量，X0、X与/>的维数均为(n-1)×1，A为系数矩阵，维数为m×(n-1)。
4.根据权利要求3所述的卫星轨道平差修正方法，其特征在于，当各所述星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量取等权模型时，所述待估参数的改正值向量为：
将所述待估参数的改正值向量代入步骤S4中用于平差计算的方程组，，计算得到所述误差观测量向量V，并分别修正得到所述星间闭环链路的轨道闭合残差的观测量向量L的平差值/>以及所述待估参数X的平差值/>
5.根据权利要求3所述的卫星轨道平差修正方法，其特征在于，所述待估参数X的近似值向量X0的初值可取为零，并迭代计算得到所述待估参数X的平差值
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