CN113253311A - 联合卫星导航方法、系统、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合卫星导航方法、系统、电子设备及存储介质，涉及卫星测试技术领域，其中联合卫星导航方法包括：通过在高轨卫星之间、低轨卫星之间以及高低轨卫星之间建立全链路的星间链路双向测量，其中高轨之间双向链路的同步实现高轨卫星时间的同步；另外两类同步链路，实现低轨卫星与高轨卫星之间的时间同步；在此基础上高轨和低轨卫星的高精度轨道确定，实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务。上述联合卫星导航方法，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
Description
技术领域
本发明涉及卫星测试技术领域，尤其是涉及一种联合卫星导航方法、系统、电子设备及存储介质。
背景技术
时间同步是导航卫星系统运行的基础。在传统全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)中，为了导航定位的解算，需要综合多台原子钟建立GNSS内部的时间基准，即GNSS系统时间，记为GNSST(GNSS Time)。在GNSS系统中，所有卫星、地面站以及用户之间都需要进行时间同步。卫星导航系统提供导航定位和授时服务，必须向用户提供导航卫星的轨道信息和各颗卫星时钟与系统时间的钟差信息，轨道和钟差信息的精度决定了卫星导航系统的服务精度。
传统卫星导航系统的时间同步技术，采用ODTS(Orbit Determination and TimeSynchronization，卫星精密定轨与时间同步)方法，导航卫星系统都是基于有限地面监测站伪距相位观测数据，进行精密轨道确定与时间同步钟差估计，称为ODTS方法，获得卫星钟差后，通过钟差预报、预报参数拟合，得到向用户播发的广播钟差参数，而这种方法得到的卫星钟差信息中包含有轨道误差，无论采用何种钟差估计以及钟差预报模型，都会再次引入模型误差，这些误差最终都影响到卫星导航系统定位和授时精度。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种联合卫星导航方法，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
本发明实施例还提出一种联合卫星导航系统。
本发明实施例还提出一种电子设备。
本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质。
根据本发明的第一方面实施例的联合卫星导航方法，包括：
获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据所述第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准；
获取第二星间双向链路观测数据，根据所述第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于所述初始星基时间基准的钟差；
根据消除钟差后的所述第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据所述星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息；
获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差；
根据消除钟差后的所述第三星间双向链路观测数据、所述第四星间双向链路观测数据和所述预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数；
根据所述低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据；
根据所述预报轨道信息、所述低轨卫星实时轨道参数和所述低轨卫星自主轨道预报数据进行卫星导航。
根据本发明第一方面实施例的联合卫星导航方法，至少具有如下有益效果：通过在高轨卫星之间、低轨卫星之间以及高低轨卫星之间建立全链路的星间链路双向测量，其中高轨之间双向链路的同步实现高轨卫星时间的同步；另外两类同步链路，实现低轨卫星与高轨卫星之间的时间同步；在此基础上高轨和低轨卫星的高精度轨道确定，实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
根据本发明的一些实施例，所述获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据所述第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准，包括：将所述第一星间双向测距观测值归算至同一时刻，计算所述高轨卫星之间的第一钟差；获取主星星基时间基准，并计算所述高轨卫星的高精度原子钟与主星星基时间基准的第二钟差；根据所述第一钟差和所述第二钟差进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到所述初始星基时间基准。
根据本发明的一些实施例，所述获取第二星间双向链路观测数据，根据所述第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于所述初始星基时间基准的钟差，包括：根据所述第二星间双向链路观测数据和所述第一钟差，计算出全部所述高轨卫星的高轨钟差和高轨钟速参数；根据所述高轨钟差、所述高轨钟速参数和所述第一钟差进行卫星钟调相，消除全部高轨卫星钟相对于所述初始星基时间基准的钟差。
根据本发明的一些实施例，所述根据消除钟差后的所述第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据所述星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息，包括：将所述第一星间双向链路观测数据归算至同一时刻，并计算所述高轨卫星之间的第一星间几何距离观测值；根据所述第一星间几何距离观测值建立所述星地、星间链路观测方程；根据所述星地、星间链路观测方程，计算出卫星初始位置、速度信息和摄动参数状态矢量；根据所述卫星初始位置、所述速度信息和所述摄动参数状态矢量进行轨道积分，得到所述精密轨道和所述预报轨道信息。
根据本发明的一些实施例，所述获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差，包括：将所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据归算至同一时刻，得到高轨卫星与低轨卫星之间的第一相对钟差和低轨卫星与低轨卫星之间的第二相对钟差；根据所述第一相对钟差和所述第二相对钟差进行低轨卫星钟差参数的集中式估计，得到全部低轨卫星的低轨钟差；根据所述低轨钟差进行卫星钟调相，消除全部低轨卫星钟的钟差。
根据本发明的一些实施例，所述根据消除钟差后的所述第三星间双向链路观测数据、所述第四星间双向链路观测数据和所述预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数，包括：将消除钟差后的所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据归算至同一时刻，并计算低轨卫星和高轨卫星的第二星间几何距离观测值；根据所述第二星间几何距离观测值解算出所述低轨卫星实时轨道参数。
根据本发明的一些实施例，所述低轨卫星实时轨道参数包括：初始轨道根数和动力学参数；所述根据所述低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据，包括：根据所述初始轨道根数和所述动力学参数进行轨道积分，得到所述低轨卫星自主轨道预报数据。
根据本发明的第二方面实施例的联合卫星导航系统，包括：
第一获取模块，用于获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据所述第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准；
第二获取模块，用于获取第二星间双向链路观测数据，根据所述第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于所述初始星基时间基准的钟差；
第一计算模块，用于根据消除钟差后的所述第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据所述星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息；
第三获取模块，用于获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差；
第二计算模块，用于根据消除钟差后的所述第三星间双向链路观测数据、所述第四星间双向链路观测数据和所述预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数；
预报模块，用于根据所述低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据；
导航模块，用于根据所述预报轨道信息、所述低轨卫星实时轨道参数和所述低轨卫星自主轨道预报数据进行卫星导航。
根据本发明第二方面实施例的联合卫星导航系统，至少具有如下有益效果：通过执行本发明第一方面实施例的联合卫星导航方法，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
根据本发明第三方面实施例的电子设备，包括：至少一个处理器，以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行所述指令时实现第一方面所述的联合卫星导航方法。
根据本发明第三方面实施例的电子设备，至少具有如下有益效果：通过执行本发明第一方面实施例的联合卫星导航方法，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
根据本发明第四方面实施例的计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行第一方面所述的联合卫星导航方法。
根据本发明第四方面实施例的计算机可读存储介质，至少具有如下有益效果：通过执行本发明第一方面实施例的联合卫星导航方法，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的联合卫星导航方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的联合卫星导航装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的电子设备的功能模块图。
附图标记：
第一获取模块200、第二获取模块210、第一计算模块220、第三获取模块230、第二计算模块240、预报模块250、导航模块260、处理器300、存储器310、数据传输模块320、摄像头330、显示屏340。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
首先，对本申请中涉及的若干名词进行解析：
1、LEO：Low Earth Orbit，低轨道卫星，也称低轨卫星，低轨道是指航天器距离地面高度较低的轨道，低轨道卫星的轨道高度为200～2000千米，在这个高度范围内的卫星即是低轨道卫星。
2、MEO：Medium Earth Orbit，中轨道卫星或中轨卫星，中轨道地球卫星主要是指卫星轨道距离地球表面2000～20000km的地球卫星。它属于地球非同步卫星，可实现真正的全球覆盖和更有效的频率复用。
3、IGSO：Inclined GeoSynchronous Orbit，倾斜地球同步轨道卫星或倾斜地球同步轨道卫星，倾斜地球同步轨道卫星是运转轨道面与地球赤道面有夹角的轨道卫星，它的运转周期也是24小时，又称24小时轨道，卫星的轨道周期等于地球的自转周期，且方向亦与之一致，卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同。
4、GEO：Geostationary Earth Oribt，地球同步轨道卫星或地球同步轨道卫星，是指在地球赤道上空约36000km处围绕地球运行的圆形轨道的人造卫星。卫星在轨道上运行的周期与地球自转的周期相同，因此卫星每天总是在地球上同一地区的上方，这样的卫星叫做地球同步卫星。
5、ODTS：Orbit Determination and Time Synchronization，卫星精密定轨与时间同步或卫星精密定轨与时间同步。
6、GNSS：Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统或全球卫星导航系统，即GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。
传统卫星导航系统的时间同步技术，采用ODTS(Orbit Determination and TimeSynchronization，卫星精密定轨与时间同步)方法，导航卫星系统都是基于有限地面监测站伪距相位观测数据，进行精密轨道确定与时间同步钟差估计，称为ODTS方法，获得卫星钟差后，通过钟差预报、预报参数拟合，得到向用户播发的广播钟差参数，而这种方法得到的卫星钟差信息中包含有轨道误差，无论采用何种钟差估计以及钟差预报模型，都会再次引入模型误差，这些误差最终都影响到卫星导航系统定位和授时精度。
基于此，本发明实施例提出了一种联合卫星导航方法、系统、电子设备及存储介质，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
本发明实施例中用于执行联合卫星导航方法的联合卫星导航系统包括GEO/IGSO/MEO高轨道卫星和LEO低轨卫星混合星座，全部高轨卫星之间装备星间激光双向测通链路或星间Ka双向测通链路，高轨卫星与低轨卫星之间以及低轨卫星之间可以装备或不装备星间激光双向测通链路或Ka双向测通链路，不同轨道面分别选择一部分GEO、IGSO、MEO高轨卫星，搭载高精度原子钟，其余高轨卫星和低轨卫星上均不用搭载高精度原子钟，可以选择低成本晶振作为卫星钟，低轨卫星上搭载GNSS接收机。
参照图1，根据本发明第一方面实施例的联合卫星导航方法，包括：
步骤S100，获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准。
其中，第一星间双向链路观测数据可以是高精度原子钟的高轨卫星之间的星间双向链路观测值；初始星基时间基准可以是联合卫星导航系统的初始时间基准。可选的，可以利用混合星座中高精度原子钟的高轨卫星之间的星间双向链路观测值(即第一星间双向链路观测数据)进行联合卫星导航系统高精度时间基准确定，具体的，可以是利用第一星间双向链路观测值，计算两颗卫星星间相对钟差，并进行高轨卫星钟差综合平差，获得高精度系统综合原子时，作为卫星导航系统时间基准，即得到初始星基时间基准。
步骤S110，获取第二星间双向链路观测数据，根据第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于初始星基时间基准的钟差。
其中，第二星间双向链路观测数据可以是全部高轨卫星之间的星间双向链路测量观测值。可选的，可以利用全部高轨卫星之间的星间双向链路测量观测值(即第二星间双向链路观测数据)，利用步骤S100中计算的两颗卫星星间相对钟差，采用最小二乘方法，计算全部高轨卫星的钟差和钟速参数；继而通过星间通讯链路，利用计算所得的全部高轨卫星的钟差，通过卫星钟调相，消除全部高轨卫星钟相对于星基时间基准的钟差，实时完成全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，使高轨卫星测距不再有卫星钟差。
步骤S120，根据消除钟差后的第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息。
可选的，可以通过将第一星间双向测距观测值归算至同一时刻、然后计算两颗卫星星间几何距离观测值建立星地、星间链路观测方程；进而利用星地、星间链路观测方程，解算未知参数包括卫星初始位置、速度和摄动参数状态矢量；最后利用计算得到的精密卫星初始轨道初始位置、速度信息和摄动参数状态矢量，采用轨道积分得到任意时刻卫星的位置和速度，积分区间包括卫星轨道拟合弧段与预报弧段，获得高轨卫星的精密轨道和预报轨道信息。
步骤S130，获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据第三星间双向链路观测数据和第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差。
其中，第三星间双向链路观测数据可以是低轨卫星与高轨卫星之间的星间双向链路测量观测值；第四星间双向链路观测数据可以是低轨卫星与低轨卫星之间的星间双向链路测量观测值。可选的，可以利用低轨卫星与高轨卫星之间的星间双向链路测量观测值和低轨卫星与低轨卫星之间的星间双向链路测量观测值，进行低轨卫星钟差确定，例如计算高轨卫星与低轨卫星星间相对钟差和低轨卫星与低轨卫星之间相对钟差，进行低轨卫星钟差参数的集中式估计，以完成全部低轨卫星与卫星导航系统时间基准的同步，使低轨卫星测量值不再有卫星钟差。
步骤S140，根据消除钟差后的第三星间双向链路观测数据、第四星间双向链路观测数据和预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数。
其中，低轨卫星实时轨道参数可以是低轨卫星实时轨道的相关参数。可选的，设第三星间双向链路观测数据包括低轨卫星与高轨卫星之间星间双向测距，第四星间双向链路观测数据包括低轨卫星与低轨卫星之间的星间双向测距。在消除低轨卫星的钟差后，可以利用低轨卫星星载GNSS接收机接收的高轨卫星下行导航信号观测数据、高轨卫星精密预报轨道，然后利用低轨卫星与高轨卫星之间星间双向测距、低轨卫星与低轨卫星之间的星间双向测距、高轨卫星精密预报轨道，采用简化动力学定轨方法，即联合动力学和几何学方法，解算卫星初轨信息和动力学参数，以确定低轨卫星轨道，得到低轨卫星实时轨道参数。
步骤S150，根据低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据。
可选的，可以获取步骤S140中计算得到的卫星初轨信息和动力学参数，采用轨道积分方法，计算出低轨卫星自主轨道预报数据。
步骤S160，根据预报轨道信息、低轨卫星实时轨道参数和低轨卫星自主轨道预报数据进行卫星导航。
可选的，可以通过预报轨道信息、低轨卫星实时轨道参数和低轨卫星自主轨道预报数据进行高轨和低轨卫星的高精度轨道确定，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，联合无钟差高低轨联合卫星导航系统，以提供导航定位服务，提高卫星导航精度。
上述联合卫星导航方法，通过在高轨卫星之间、低轨卫星之间以及高低轨卫星之间建立全链路的星间链路双向测量，其中高轨之间双向链路的同步实现高轨卫星时间的同步；另外两类同步链路，实现低轨卫星与高轨卫星之间的时间同步；在此基础上高轨和低轨卫星的高精度轨道确定，实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
在本发明的一些实施例中，获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准，包括：
将第一星间双向测距观测值归算至同一时刻，计算高轨卫星之间的第一钟差。可选的，可以先进行星间相对钟差的计算。例如，假设第一星间双向链路观测数据包括高轨卫星之间的星间双向测距观测值，则可以将高轨卫星之间的星间双向测距观测值归算至同一时刻，假设两两中搭载了高精度原子钟的高轨卫星分为卫星i和卫星j，继而通过下述公式(1)计算两颗卫星星间相对钟差，得到第一钟差Δclkij(t)：
式中，clki(t)和clkj(t)分别为卫星i和卫星j钟面时相对于导航系统时间基准的钟差；ρji(t)为归算至t时刻卫星j发向卫星i的星间测距观测值；ρij(t)为归算至t时刻卫星i发向卫星j的星间测距观测值，
为卫星i的星间链路设备收发时延，
为卫星j的星间链路设备收发时延，εij为星间双向测距观测噪声组合值，c为光速。
获取主星星基时间基准，并计算高轨卫星的高精度原子钟与主星星基时间基准的第二钟差。
可选的，可以选定一颗搭载了高精度原子钟的高轨卫星作为主星，利用上述公式(1)所示的第一钟差的计算方法，计算其他搭载了高精度原子钟的卫星相对于主星的星间钟差，采用等权的方式建立原始星基时间基准TA1(t)，并通过下述公式(2)计算其余各星的星载钟相对原始星基时间基准的钟差，即计算得到第二钟差clkj_TA1(t)：
其中，n1为参与建立时间尺度的钟的数量，每台钟相对初始的钟差可由下述公式(3)得到：
根据第一钟差和第二钟差进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准。可选的，因相对初始时间尺度的钟差中仍包含时差、频差和频漂这三个确定性分量。为确定初始星基时间基准，计算高轨卫星的高精度原子钟与原始星基时间基准的钟差，可以对第二钟差clkj_TA1(t)时间序列进行二阶多项式拟合，并扣除二次多项式钟差，得到残余钟差值xxj(t)，如下公式(4)所示：
其中
分别为钟差的零阶、一阶、二阶项系数，t0为拟合参考时刻。利用xxj(t)时间序列计算钟差的阿伦方差
评定各钟的稳定度，从而对各钟进行加权，权重确定方法为：
其中，wj(t)为各钟的归一化权重，为降低性能高的钟对最终结果的影响，对权重设置上限，最大权公式为：
其中A为经验常数，取BIPM规定的2.5。最终的自主时间尺度TA2(t)通过下述公式(7)得到：
则各高轨卫星的星载钟相对初始星基时间基准的钟差clkj_TA2(t)可通过下述公式(8)得到：
clkj_TA2(t)＝clkj_TA1(t)-[TA1(t)-TA2(t)]
＝TA1(t)-clkj(t)-[TA1(t)-TA2(t)] (8)
＝TA2(t)-clkj(t)
则可以通过上述公式(8)获得高精度系统综合原子时，作为卫星导航系统时间基准，即得到初始星基时间基准。通过第一星间双向链路观测数据得到初始星基时间基准，采用高轨卫星上已经实现的星载高精度原子钟，利用部分高轨卫星上装备的原子钟和星间链路，就能够建立和维持高精度导航系统时间，以实现高轨卫星间星基时间基准的确定，建立的时间基准不受地面观测数据精度影响，精度高。
在本发明的一些实施例中，获取第二星间双向链路观测数据，根据第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于初始星基时间基准的钟差，包括：
根据第二星间双向链路观测数据和第一钟差，计算出全部高轨卫星的高轨钟差和高轨钟速参数。可选的，可以利用一定时长内的所有高轨卫星的链路星间相对钟差观测值，进行全星座卫星钟差参数的集中式估计。具体的，可以根据全部高轨卫星之间的第二星间双向链路观测数据和计算得到的两颗高轨卫星星间相对钟差(即第一钟差)，计算全部高轨卫星的钟差和钟速参数，具体如下所示：
由于在1分钟之内可轮循完成全部星间链路的建链，1分钟时长内卫星钟漂影响可忽略，因此，每颗卫星只估计钟差A0和钟速A1参数，固定某颗已经同步到星上时间基准的的卫星钟差clkj_TA2(t)，同时估计n颗星的星座中n-1颗星相对于同一基准的钟差和钟速参数，实现所有卫星间的时间同步。
不考虑卫星钟噪声，通过下述公式(9)将钟差表示为其确定性分量的函数。
其中t为钟差观测时刻，t0为钟差参数参考时刻，
和
为第i颗卫星钟差和钟速参数。进而可以利用第一钟差，采用最小二乘方法，计算全部高轨卫星的高轨钟差和高轨钟速参数，具体计算方式如下公式(10)所示：
由上述公式(10)可以计算出全部高轨卫星的高轨钟差和高轨钟速参数。
根据高轨钟差、高轨钟速参数和第一钟差进行卫星钟调相，消除全部高轨卫星钟相对于初始星基时间基准的钟差。可选的，可以通过星间通讯链路，利用上述公式(10)计算的全部高轨卫星的高轨钟差和高轨钟速参数，通过卫星钟调相，消除全部高轨卫星钟相对于初始星基时间基准的钟差，通过时间同步实现了高轨卫星的整网时间同步，使高轨卫星测距不再有卫星钟差。
在本发明的一些实施例中，根据消除钟差后的第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息，包括：
将第一星间双向链路观测数据归算至同一时刻，并计算高轨卫星之间的第一星间几何距离观测值。可选的，可以利用不含卫星钟差的星间链路和星地链路观测值，进行卫星精密定轨，并基于精确的动力学模型进行卫星轨道高精度预报。因此，首先可以将不含卫星钟差的第一星间双向链路观测数据(即星间双向测距观测值)归算至同一时刻，然后通过下述公式(11)计算两颗高轨卫星的第一星间几何距离观测值：
根据第一星间几何距离观测值建立星地、星间链路观测方程。可选的，可以根据两颗高轨卫星的第一星间几何距离观测值建立星地、星间链路观测方程，如下公式(12)、公式(13)所示：
其中ρL_ss和ρL分别为第一星间几何距离观测值中的星间几何距离观测量和星地伪距观测量，
和
分别表示高轨卫星i，高轨卫星j和接收机位置，δtr为接收机钟差，ε为观测随机噪声。
根据星地、星间链路观测方程，计算出卫星初始位置、速度信息和摄动参数状态矢量。可选的，可以利用星地、星间链路观测方程，解算未知参数包括卫星初始位置、速度和摄动参数状态矢量。其中卫星精密定轨的处理策略如下表1多星定轨策略所示：
表1
则根据上表1可以计算出卫星初始位置、速度和摄动参数状态矢量。
根据卫星初始位置、速度信息和摄动参数状态矢量进行轨道积分，得到精密轨道和预报轨道信息。可选的，假设根据上述表1计算得到的精密卫星初始轨道初始位置、速度信息为
和摄动参数状态矢量
则可以采用轨道积分得到任意t时刻卫星的位置和速度
积分区间包括卫星轨道拟合弧段与预报弧段，获得精密轨道和预报轨道信息，如下公式(14)所示：
由此可以计算出高轨卫星的精密轨道和预报轨道信息，实现高轨道卫星轨道的高精度确定。
在本发明的一些实施例中，获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据第三星间双向链路观测数据和第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差，包括：
将第三星间双向链路观测数据和第四星间双向链路观测数据归算至同一时刻，得到高轨卫星与低轨卫星之间的第一相对钟差和低轨卫星与低轨卫星之间的第二相对钟差。
可选的，第三星间双向链路观测数据包括高轨卫星与低轨卫星之间的星间双向链路测量观测值，第四星间双向链路观测数据包括低轨卫星与低轨卫星之间的星间双向链路测量观测值，可以利用高轨卫星与低轨卫星之间的星间双向链路测量观测值和低轨卫星与低轨卫星之间的星间双向链路测量观测值，如同上述公式(1)所示的计算方法，将第三星间双向链路观测数据(即低轨卫星和高轨卫星之间的星间双向测距观测值)归算至同一时刻，然后计算低轨卫星和高轨卫星星间相对钟差，得到第一相对钟差；以及将第四星间双向链路观测数据(即低轨卫星和低轨卫星之间的星间双向测距观测值)归算至同一时刻，然后计算低轨卫星和低轨卫星星间相对钟差，得到第二相对钟差。
根据第一相对钟差和第二相对钟差进行低轨卫星钟差参数的集中式估计，得到全部低轨卫星的低轨钟差。可选的，可以按照上述公式(9)和公式(10)所示的计算方法，利用1分钟时长内的低轨卫星与低轨卫星之间的第二相对钟差、低轨卫星与高轨卫星之间的第一相对钟差，即利用1分钟时长内的低轨卫星与低轨卫星、低轨卫星与高轨卫星之间全部链路星间相对钟差观测值进行低轨卫星钟差参数的集中式估计，每颗卫星只估计钟差A0和钟速A1参数，从而得到低轨卫星相对于联合卫星导航系统时间基准的钟差，即全部低轨卫星的低轨钟差。
根据低轨钟差进行卫星钟调相，消除全部低轨卫星钟的钟差。可选的，可以利用上述计算得到的低轨卫星相对于联合卫星导航系统时间基准的钟差(即低轨钟差)，通过星间通讯链路进行卫星钟调相，消除全部低轨卫星钟相对于卫星导航系统时间基准的钟差，使低轨卫星测距不再有卫星钟差。
在本发明的一些实施例中，根据消除钟差后的第三星间双向链路观测数据、第四星间双向链路观测数据和预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数，包括：
将消除钟差后的第三星间双向链路观测数据和第四星间双向链路观测数据归算至同一时刻，并计算低轨卫星和高轨卫星的第二星间几何距离观测值。可选的，可以按照上述公式(11)所示的计算方法，将消除钟差后的第三星间双向链路观测数据和第四星间双向链路观测数据归算至同一时刻，然后计算两颗卫星星间几何距离观测值，得到低轨卫星和高轨卫星的第二星间几何距离观测值。
根据第二星间几何距离观测值解算出低轨卫星实时轨道参数。可选的，可以采用简化动力学定轨方法，即联合动力学和几何学方法，根据第二星间几何距离观测值解算卫星初轨信息和动力学参数。导航卫星考虑的卫星动力学模型包括二体运动、地球非球形引力、日月等行星N体摄动、潮汐摄动和太阳辐射压摄动。解算未知参数包括六个初始轨道根数、九个经验加速度参数、每隔6-15分钟设置的三个伪随机脉冲参数，从而得到低轨卫星实时轨道参数。通过低轨卫星的星载GNSS接收机，接收高轨卫星导航信号与轨道信息，进行低轨卫星钟差估计以及低轨卫星自主定轨，利用低轨星座信号强度高和过境快，提高用户抗干扰和模糊度、大气、位置等参数快速估计，且低轨星座轨道、钟差完全星上自主处理方案，星间测量数据无需占用大量通信链路回传地面，地面也不需注入全网轨道钟差信息，降低系统运维复杂度。
在本发明的一些实施例中，低轨卫星实时轨道参数包括：初始轨道根数和动力学参数。
根据低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据，包括：
根据初始轨道根数和动力学参数进行轨道积分，得到低轨卫星自主轨道预报数据。可选的，可以获取计算得到的低轨卫星实时轨道参数中的初始轨道根数和动力学参数，采用轨道积分方法进行计算，得到低轨卫星自主轨道预报数据，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务。
参照图2，根据本发明第二方面实施例的联合卫星导航系统，包括：
第一获取模块200，用于获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准；
第二获取模块210，用于获取第二星间双向链路观测数据，根据第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于初始星基时间基准的钟差；
第一计算模块220，用于根据消除钟差后的第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息；
第三获取模块230，用于获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据第三星间双向链路观测数据和第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差；
第二计算模块240，用于根据消除钟差后的第三星间双向链路观测数据、第四星间双向链路观测数据和预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数；
预报模块250，用于根据低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据；
导航模块260，用于根据预报轨道信息、低轨卫星实时轨道参数和低轨卫星自主轨道预报数据进行卫星导航。
上述联合卫星导航系统，通过执行本发明第一方面实施例的联合卫星导航方法，能够实现整个卫星导航系统分米级或厘米级导航服务，不再需要进行高轨、低轨卫星钟差信息的处理，可实现高精度轨道确定和预报，显著提高卫星导航系统的服务精度。
参照图3，本发明第三方面实施例还提供了一种电子设备的功能模块图，包括：至少一个处理器300，以及与至少一个处理器300通信连接的存储器310；还可以包括数据传输模块320、摄像头330、显示屏340。
其中，处理器300通过调用存储器310中存储的计算机程序，用于执行第一方面实施例中的联合卫星导航方法。
数据传输模块320通过与处理器300连接，用于实现数据传输模块320与处理器300之间的数据交互。
摄像头330可以包括前置摄像头和后置摄像头。通常，前置摄像头设置在终端的前面板，后置摄像头设置在终端的背面。在一些实施例中，后置摄像头为至少两个，分别为主摄像头、景深摄像头、广角摄像头、长焦摄像头中的任意一种，以实现主摄像头和景深摄像头融合实现背景虚化功能、主摄像头和广角摄像头融合实现全景拍摄以及VR(VirtualReality，虚拟现实)拍摄功能或者其它融合拍摄功能。在一些实施例中，摄像头330还可以包括闪光灯。闪光灯可以是单色温闪光灯，也可以是双色温闪光灯。双色温闪光灯是指暖光闪光灯和冷光闪光灯的组合，可以用于不同色温下的光线补偿。
显示屏340可用于显示由用户输入的信息或提供给用户的信息。显示屏340可包括显示面板，可选的，可以采用液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，简称OLED)等形式来配置显示面板。进一步的，触控面板可覆盖显示面板，当触控面板检测到在其上或附近的触摸操作后，传送给处理器300以确定触摸事件的类型，随后处理器300根据触摸事件的类型在显示面板上提供相应的视觉输出。在某些实施例中，可以将触控面板与显示面板集成而实现输入和输出功能。
存储器作为一种非暂态存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序，如本发明第一方面实施例中的联合卫星导航方法。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序以及指令，从而实现上述第一方面实施例中的联合卫星导航方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储执行上述第一方面实施例中的联合卫星导航方法。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
实现上述第一方面实施例中的联合卫星导航方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被一个或者多个处理器执行时，执行上述第一方面实施例中的联合卫星导航方法。
本发明第四方面实施例还提供了计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令用于：执行第一方面实施例中的联合卫星导航方法。
在一些实施例中，该存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，例如，被第三方面实施例的电子设备中的一个处理器执行，可使得上述一个或多个处理器执行上述第一方面实施例中的联合卫星导航方法。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.联合卫星导航方法，其特征在于，包括：
获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据所述第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准；
获取第二星间双向链路观测数据，根据所述第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于所述初始星基时间基准的钟差；
根据消除钟差后的所述第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据所述星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息；
获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差；
根据消除钟差后的所述第三星间双向链路观测数据、所述第四星间双向链路观测数据和所述预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数；
根据所述低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据；
根据所述预报轨道信息、所述低轨卫星实时轨道参数和所述低轨卫星自主轨道预报数据进行卫星导航。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据所述第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准，包括：
将所述第一星间双向测距观测值归算至同一时刻，计算所述高轨卫星之间的第一钟差；
获取主星星基时间基准，并计算所述高轨卫星的高精度原子钟与主星星基时间基准的第二钟差；
根据所述第一钟差和所述第二钟差进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到所述初始星基时间基准。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取第二星间双向链路观测数据，根据所述第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于所述初始星基时间基准的钟差，包括：
根据所述第二星间双向链路观测数据和所述第一钟差，计算出全部所述高轨卫星的高轨钟差和高轨钟速参数；
根据所述高轨钟差、所述高轨钟速参数和所述第一钟差进行卫星钟调相，消除全部高轨卫星钟相对于所述初始星基时间基准的钟差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据消除钟差后的所述第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据所述星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息，包括：
将所述第一星间双向链路观测数据归算至同一时刻，并计算所述高轨卫星之间的第一星间几何距离观测值；
根据所述第一星间几何距离观测值建立所述星地、星间链路观测方程；
根据所述星地、星间链路观测方程，计算出卫星初始位置、速度信息和摄动参数状态矢量；
根据所述卫星初始位置、所述速度信息和所述摄动参数状态矢量进行轨道积分，得到所述精密轨道和所述预报轨道信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差，包括：
将所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据归算至同一时刻，得到高轨卫星与低轨卫星之间的第一相对钟差和低轨卫星与低轨卫星之间的第二相对钟差；
根据所述第一相对钟差和所述第二相对钟差进行低轨卫星钟差参数的集中式估计，得到全部低轨卫星的低轨钟差；
根据所述低轨钟差进行卫星钟调相，消除全部低轨卫星钟的钟差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据消除钟差后的所述第三星间双向链路观测数据、所述第四星间双向链路观测数据和所述预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数，包括：
将消除钟差后的所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据归算至同一时刻，并计算低轨卫星和高轨卫星的第二星间几何距离观测值；
根据所述第二星间几何距离观测值解算出所述低轨卫星实时轨道参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述低轨卫星实时轨道参数包括：初始轨道根数和动力学参数；
所述根据所述低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据，包括：
根据所述初始轨道根数和所述动力学参数进行轨道积分，得到所述低轨卫星自主轨道预报数据。
8.联合卫星导航系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取高轨卫星之间的第一星间双向链路观测数据，根据所述第一星间双向链路观测数据进行高轨卫星钟差综合平差计算，得到初始星基时间基准；
第二获取模块，用于获取第二星间双向链路观测数据，根据所述第二星间双向链路观测数据进行全部高轨卫星时钟与卫星导航系统时间基准的同步，消除全部高轨卫星钟相对于所述初始星基时间基准的钟差；
第一计算模块，用于根据消除钟差后的所述第一星间双向链路观测数据建立星地、星间链路观测方程，根据所述星地、星间链路观测方程计算出精密轨道和预报轨道信息；
第三获取模块，用于获取低轨卫星和高轨卫星之间的第三星间双向链路观测数据、低轨卫星与低轨卫星之间的第四星间双向链路观测数据，根据所述第三星间双向链路观测数据和所述第四星间双向链路观测数据进行低轨卫星钟差确定，消除低轨卫星的钟差；
第二计算模块，用于根据消除钟差后的所述第三星间双向链路观测数据、所述第四星间双向链路观测数据和所述预报轨道信息计算出低轨卫星实时轨道参数；
预报模块，用于根据所述低轨卫星实时轨道参数进行低轨卫星轨道预报，得到低轨卫星自主轨道预报数据；
导航模块，用于根据所述预报轨道信息、所述低轨卫星实时轨道参数和所述低轨卫星自主轨道预报数据进行卫星导航。
9.电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器，以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行所述指令时实现如权利要求1至7任一项所述的联合卫星导航方法。
10.计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至7任一项所述的联合卫星导航方法。
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