CN113484888A - 一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，地面观测站收集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；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，生成卫星运动动力方程；结合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卫星位置；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，实现北斗实时精密轨道的确定，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。

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，涉及一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法。

背景技术

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方法之一。但是考虑到北斗广播星历中卫星位置误差偏大等因素，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。

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

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，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。

为解决上述问题，本发明的一种基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法，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，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：结合步骤2得到的卫星观测方程和步骤3得到的动力方程，基于最小二乘参数估计方法计算得到卫星轨道参数和模糊度参数浮点解；

步骤5：利用双差模糊度观测量的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；并在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。

1.步骤2中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具体为：

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，IURE满足：

其中

表示卫星j的IURE估计值，

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，

表示用户测距误差的趋势项，根据历史数据得到；

通过设定置信水平T_D剔除异常观测数据：

P(|IURE|＞4.42×URAUB)＜T_D

其中，URAUB(User Range Accuracy Upper Bounding)表示广播星历播发用户测距精度的上边界，参考GPS标准性能服务文件，选用4.42倍的URAUB作为异常检测门限值；T_D表示允许出现观测数据异常的概率上限；当不满足P(|IURE|＞4.42×URAUB)＜T_D时，为异常观测数据，剔除异常值；

在伪距平滑过程中，构建传统载波相位平滑伪距的方式，具体为：

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，

表示相位平滑伪距观测量，t_i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，

y(t_l)表示t_l时刻的观测信息，

表示t_l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。

2.步骤3中构建卫星运动的动力方程具体为：

卫星在惯性坐标系下的运动方程为：

式中，r，

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，GM_e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；

定义状态参数

其中t₀表示初始历元时刻，t_i表示第i+1个历元时刻，q表示载波相位，则卫星运动方程可以表示为：

其中，

3.步骤5中利用双差模糊度观测量的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；并在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具体为：

模糊度固定方案采用QIF方案，其中模糊度搜索空间为：

其中

和

表示模糊度的整数解，

和

为模糊浮点解，round()表示四舍五入取整， i^max和k^max为给定经验值；

对于搜索空间中的每对

和

计算检测量d：

在获取检测统计量d后，根据系统设置误警率P_fa求解检测门限，

逐一计算搜索空间的|d|，与检测门限T对比，选择满足|d|_min＜T条件的模糊度作为模糊度固定解；

为保证求解正确性，对模糊度固定解开展正确性检验：

将误警率P_fa求解的检测门限T与搜索得到模糊度固定解代入正确性检验模型中与检测统计量|d|比较，检验是否满足系统预先设置的漏检率约束：当模型计算漏检率小于系统预设漏检率P_md时，证明模糊度固定正确，反之固定失败，返回步骤2。

本发明的有益效果：本发明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。本发明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。

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。

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

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明包括步骤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模糊度参数浮点解；步骤5、利用双差模糊度观测量的整周特性，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。

结合图1，本发明基于卫星摄动的北斗实时精密轨道确定方法具体包括以下步骤：

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探测及剔除和伪距进行平滑。

(1)星历异常探测及剔除

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，

其中

表示卫星j的IURE估计值，

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，

表示用户测距误差的趋势项，可以根据历史数据得到。

通过设定置信水平T_D剔除异常观测数据，

P(|IURE|＞4.42×URAUB)＜T_D (2)

其中，URAUB(User Range Accuracy Upper Bounding)表示广播星历播发用户测距精度的上边界。为剔除异常观测数据，参考GPS标准性能服务文件，常选用4.42倍的URAUB作为异常检测门限值；T_D表示允许出现观测数据异常的概率上限，参考GPS标准性能服务文件，常设置为10^-5。

(2)伪距平滑

在伪距平滑过程中，构建传统载波相位平滑伪距的方式，

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，

表示相位平滑伪距观测量，t_i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

y(t_l)表示t_l时刻的观测信息，

表示t_l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：

上式中，r，

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，GM_e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。

为简化式(5)求解，定义状态参数

其中t₀表示初始历元时刻，t_i表示第i+1个历元时刻，q表示载波相位。则卫星运动方程可以表示为：

其中，

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：

其中

和

表示模糊度的整数解，

和

为模糊浮点解，round()表示四舍五入取整，i^max和k^max为给定经验值。

对于搜索空间中的每对

和

计算检测量d，

在获取检测统计量d后，需进一步根据系统设置误警率P_fa求解检测门限，

逐一计算搜索空间的|d|，与检测门限T对比，选择满足|d|_min＜T条件的模糊度作为模糊度固定解。

为保证求解正确性，对模糊度固定解开展正确性检验。

将误警率P_fa求解的检测门限T与搜索得到模糊度固定解代入正确性检验模型中与检测统计量|d|比较，检验是否满足系统预先设置的漏检率约束。当模型计算漏检率小于系统预设漏检率P_md时，证明模糊度固定正确，反之固定失败，需重新更新轨道位置，开展模糊度固定及检验。

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。

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 (4)

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，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：结合步骤2得到的卫星观测方程和步骤3得到的动力方程，基于最小二乘参数估计方法计算得到卫星轨道参数和模糊度参数浮点解；

步骤5：利用双差模糊度观测量的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；并在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所述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具体为：

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，IURE满足：

其中

表示卫星j的IURE估计值，

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，

表示用户测距误差的趋势项，根据历史数据得到；

通过设定置信水平T_D剔除异常观测数据：

P(|IURE|＞4.42×URAUB)＜T_D

其中，URAUB(User Range Accuracy Upper Bounding)表示广播星历播发用户测距精度的上边界，参考GPS标准性能服务文件，选用4.42倍的URAUB作为异常检测门限值；T_D表示允许出现观测数据异常的概率上限；当不满足P(|IURE|＞4.42×URAUB)＜T_D时，为异常观测数据，剔除异常值；

在伪距平滑过程中，构建传统载波相位平滑伪距的方式，具体为：

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，

表示相位平滑伪距观测量，t_i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，

y(t_l)表示t_l时刻的观测信息，

表示t_l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或2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所述构建卫星运动的动力方程具体为：

卫星在惯性坐标系下的运动方程为：

式中，r，

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，GM_e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；

定义状态参数

其中t₀表示初始历元时刻，t_i表示第i+1个历元时刻，q表示载波相位，则卫星运动方程可以表示为：

其中，

4.根据权利要求3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5所述利用双差模糊度观测量的整周特性，对浮点解模糊度进行固定；并在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具体为：

模糊度固定方案采用QIF方案，其中模糊度搜索空间为：

其中

和

表示模糊度的整数解，

和

为模糊浮点解，round()表示四舍五入取整，i^max和k^max为给定经验值；

对于搜索空间中的每对

和

计算检测量d：

在获取检测统计量d后，根据系统设置误警率P_fa求解检测门限，

逐一计算搜索空间的|d|，与检测门限T对比，选择满足|d|_min＜T条件的模糊度作为模糊度固定解；

为保证求解正确性，对模糊度固定解开展正确性检验：

将误警率P_fa求解的检测门限T与搜索得到模糊度固定解代入正确性检验模型中与检测统计量|d|比较，检验是否满足系统预先设置的漏检率约束：当模型计算漏检率小于系统预设漏检率P_md时，证明模糊度固定正确，反之固定失败，返回步骤2。

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