CN115236706A - 一种星间链路单向测距观测数据处理方法及系统 - Google Patents

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CN115236706A CN202210874981.7A CN202210874981A CN115236706A CN 115236706 A CN115236706 A CN 115236706A CN 202210874981 A CN202210874981 A CN 202210874981A CN 115236706 A CN115236706 A CN 115236706A
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张睿
涂锐
卢晓春
张鹏飞
韩军强
范丽红
王思遥
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    • 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
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/35—Constructional details or hardware or software details of the signal processing chain
    • G01S19/37—Hardware or software details of the signal processing chain

Abstract

本发明涉及一种星间链路单向测距观测数据处理方法及系统。该方法包括；对星间测距观测方程进行线性处理；根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻；采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差；采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数；根据信号发射时刻、卫星钟差、星间链路测距观测数据、辅助文件、卫星初始时刻动力学参数以及线性处理后的星间测距观测方程，采用最小二乘参数估计方法，确定定轨结果。本发明能够提高星间测距观测数据处理的严密性差和兼容性。

Description

一种星间链路单向测距观测数据处理方法及系统
技术领域
本发明涉及数据处理领域，特别是涉及一种星间链路单向测距观测数据处理方法及系统。
背景技术
2020年7月，BDS-3全面建成并为全球用户开通服务。对于全球导航卫星系统，卫星轨道误差为观测的主要误差源之一，轨道精度的高低直接影响了用户的导航定位精度，因此，各导航系统的轨道精度一直是各导航系统运营部门以及广大用户关注的热点问题。相比于BDS-2，BDS-3具备的一项重要功能就是其卫星间建立了星间链路。星间链路技术除了能提高导航系统的自主导航能力，另外一个优势就是可以利用星间的测距观测来弥补由于跟踪站分布较差导致的导航系统卫星定轨精度较低的问题。对于我国的BDS而言，绝大部分地面跟踪站并非在我国境内，自主可控的跟踪站资源分布有限，这对BDS-3卫星定轨性能存在较大影响，这一问题突显了星间链路在BDS-3卫星定轨中的重要性。
目前星间链路测距观测模型主要分为两种：组合和非组合。相比于星间链路非组合测距观测模型，星间链路组合测距观测模型存在以下三个问题：1)模型严密性较差，数据处理过程涉及不同历元观测数据的归算，依赖广播星历和广播钟差的精度，当观测周期较长或导航电文异常时容易引入新的误差；2)模型兼容性较差，数据处理过程涉及观测值的组合，星间链路需建立在双向观测的基础上，当只有单向星间链路观测数据时，观测模型的使用受到很大制约；3)解算时效性较差，数据组合必然涉及双向观测数据汇总，这限制了数据的实时处理。同时，目前星间链路非组合测距观测模型的研究仍处于起步阶段，同样面临许多技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种星间链路单向测距观测数据处理方法及系统，能够提高星间测距观测数据处理的严密性差和兼容性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种星间链路单向测距观测数据处理方法，包括：
获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程；
对所述星间测距观测方程进行线性处理；
根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻；所述辅助文件包括：卫星信息文件、地球自转参数、潮汐改正文件、天线改正文件以及行星星历文件；
根据所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差；
根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数；
根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件、所述卫星初始时刻动力学参数以及线性处理后的星间测距观测方程，采用最小二乘参数估计方法，确定定轨结果。
可选地，所述获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003761902070000021
确定星间测距观测方程；
其中，Lij表示卫星j接收到的来自卫星i的伪距观测量，ri和rj分别表示卫星i和卫星j在坐标系中的位置向量，ti表示卫星i发射信号的时刻，tj表示卫星j接收到信号的时刻，c表示光速，dTi和dTj分别表示卫星i和卫星j的卫星钟差，
Figure BDA0003761902070000022
表示卫星j的信号接收时延，
Figure BDA0003761902070000023
表示卫星i的信号发射时延，
Figure BDA0003761902070000024
表示信号从卫星i到卫星j传播过程中的其余误差，主要包括卫星天线相位中心误差以及相对论效应。
可选地，所述对所述星间测距观测方程进行线性处理，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003761902070000031
确定线性处理后的星间测距观测方程；
其中，Xj(tj)、Yj(tj)和Zj(tj)为tj时刻卫星j的位置，Xi(ti)、Yi(ti)和Zi(ti)为ti时刻卫星i的位置。
可选地，所述根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003761902070000032
确定卫星i发射信号的时刻；
利用公式Δtij＝Lij/c确定信号从卫星i到卫星j的传播时延；
利用公式
Figure BDA0003761902070000033
确定另一个信号从卫星i到卫星j的传播时延；
若|Δtij′-Δtij|＞10-9，则将Δtij′代替Δtij，并代入公式
Figure BDA0003761902070000034
中，进行迭代，直至ti满足要求。
可选地，所述根据所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差，具体包括：
利用公式dTi(ti)＝Ai(ti-tk)2+Bi(ti-tk)+Ci确定卫星i在一个弧段内ti时刻的卫星钟差；
或
利用公式
Figure BDA0003761902070000035
确定卫星i在一个弧段内ti时刻的卫星钟差；
其中，Ai、Bi、Ci分别表示二次项模型的待求参数，tk表示一个弧段的起始时刻，dTi(tk)表示tk时刻的卫星钟差，n为拉格朗日插值法的阶数，tl表示数值积分的节点时刻。
可选地，所述根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003761902070000041
确定卫星i和卫星j之间的理论距离；
其中，dXi、dYi、dZi和dXj、dYj、dZj分别表示卫星i和卫星j在三个坐标方向上的偏微分，Xi，Yi，Zi和Xj，Yj，Zj分别表示卫星i和卫星j的三维坐标。
一种星间链路单向测距观测数据处理系统，包括：
观测数据和星间测距观测方程获取模块，用于获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程；
线性处理模块，用于对所述星间测距观测方程进行线性处理；
信号发射时刻确定模块，用于根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻；所述辅助文件包括：卫星信息文件、地球自转参数、潮汐改正文件、天线改正文件以及行星星历文件；
卫星钟差确定模块，用于根据所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差；
卫星初始时刻动力学参数确定模块，用于根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数；
定轨结果确定模块，用于根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件、所述卫星初始时刻动力学参数以及线性处理后的星间测距观测方程，采用最小二乘参数估计方法，确定定轨结果。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种星间链路单向测距观测数据处理方法及系统，根据线性处理后的星间测距观测方程分别进行卫星轨道、卫星钟差、信号传输时延、信号播发和接收时延、天线相位中心、相对论的分析，进而分别确定相应的参数，进而利用线性处理后的星间测距观测方程，采用最小二乘参数估计方法，确定定轨结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种星间链路单向测距观测数据处理方法流程示意图；
图2为本发明所提供的一种星间链路单向测距观测数据处理系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种星间链路单向测距观测数据处理方法及系统，能够提高星间测距观测数据处理的严密性差和兼容性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种星间链路单向测距观测数据处理方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种星间链路单向测距观测数据处理方法，包括：
S101，获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程；
S102所述获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003761902070000061
确定星间测距观测方程；
其中，Lij表示卫星j接收到的来自卫星i的伪距观测量，ri和rj分别表示卫星i和卫星j在坐标系中的位置向量，ti表示卫星i发射信号的时刻，tj表示卫星j接收到信号的时刻，c表示光速，dTi和dTj分别表示卫星i和卫星j的卫星钟差，
Figure BDA0003761902070000062
表示卫星j的信号接收时延，
Figure BDA0003761902070000063
表示卫星i的信号发射时延，
Figure BDA0003761902070000064
表示信号从卫星i到卫星j传播过程中的其余误差，主要包括卫星天线相位中心误差以及相对论效应。
S102，对所述星间测距观测方程进行线性处理；
S102具体包括：
利用公式
Figure BDA0003761902070000065
确定线性处理后的星间测距观测方程；
其中，Xj(tj)、Yj(tj)和Zj(tj)为tj时刻卫星j的位置，Xi(ti)、Yi(ti)和Zi(ti)为ti时刻卫星i的位置。
S102还包括：
基于动力学定轨法，卫星i和卫星j在各数值积分节点的位置可用卫星在初始历元的动力学参数表示，即：
Figure BDA0003761902070000066
Figure BDA0003761902070000071
FX、FY、FZ分别表示卫星i三个坐标方向的轨道积分函数，GX、GY、GZ分别表示卫星j三个坐标方向的轨道积分函数，Mi和Mj分别表示卫星i和卫星j初始历元的卫星动力学参数。
对于星间链路的测距观测，卫星i的信号发射时刻和卫星j的信号接收时刻可能不是数值积分的节点时刻，考虑到卫星轨道是较为平滑的，对于任意非数值积分节点时刻的卫星位置，可基于n阶拉格朗日插值法对该时刻附近若干数值积分节点的卫星位置进行插值而获取，根据拉格朗日插值公式，一般时刻的卫星i和卫星j的位置可分别表示为：
Figure BDA0003761902070000072
Figure BDA0003761902070000073
进而，根据将式(3)和(4)确定线性处理后的星间测距观测方程，即基于非组合观测值的BDS-3卫星动力学定轨观测模型。
S103，根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻；所述辅助文件包括：卫星信息文件、地球自转参数、潮汐改正文件、天线改正文件以及行星星历文件；
S103具体包括：
利用公式
Figure BDA0003761902070000081
确定卫星i发射信号的时刻；
利用公式Δtij＝Lij/c确定信号从卫星i到卫星j的传播时延；
利用公式
Figure BDA0003761902070000082
确定另一个信号从卫星i到卫星j的传播时延；
若|Δtij′-Δtij|＞10-9，则将Δtij′代替Δtij，并代入公式
Figure BDA0003761902070000083
中，进行迭代，直至ti满足要求。
S103之后还包括：
在组合测距观测模型中，通过对历元归算后的双向观测值进行加减组合可分别消除卫星钟差和卫星轨道误差的影响，而在非组合测距观测模型中，卫星轨道和卫星钟差的误差不能被分别消除，需要作为参数同时进行估计，这是两种观测模型间的最大差异。卫星间的伪距测量值Lij和卫星j接收到信号的时刻tj可通过观测信息获取，卫星天线相位中心误差以及相对论效应通过模型改正，除此之外的各类参数需要进行参数估计，具体如表1所示：
表1
Figure BDA0003761902070000084
Figure BDA0003761902070000091
S104，根据所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差；
S104具体包括：
利用公式dTi(ti)＝Ai(ti-tk)2+Bi(ti-tk)+Ci确定卫星i在一个弧段内ti时刻的卫星钟差；
通过观测数据对各弧段的二次项模型参数进行求解。对于弧段长短的选取策略，本发明采用3s的整倍数。
利用公式
Figure BDA0003761902070000092
确定卫星i在一个弧段内ti时刻的卫星钟差；
其中，Ai、Bi、Ci分别表示二次项模型的待求参数，tk表示一个弧段的起始时刻，dTi(tk)表示tk时刻的卫星钟差，n为拉格朗日插值法的阶数，tl表示数值积分的节点时刻。
通过观测数据对各节点的卫星钟差参数进行求解。
S105，根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数；
S105具体包括：
利用公式
Figure BDA0003761902070000093
确定卫星i和卫星j之间的理论距离；
其中，dXi、dYi、dZi和dXj、dYj、dZj分别表示卫星i和卫星j在三个坐标方向上的偏微分，Xi，Yi，Zi和Xj，Yj，Zj分别表示卫星i和卫星j的三维坐标。
对于任意非数值积分节点时刻的三个坐标方向上的偏微分，可基于n阶拉格朗日插值法对该时刻附近若干数值积分节点的对应坐标方向上的偏微分进行插值而获取，根据拉格朗日插值公式，一般时刻的卫星i和卫星j在三个坐标方向上的偏微分可分别表示为：
Figure BDA0003761902070000101
Figure BDA0003761902070000102
式中，F′X、F′Y、F′Z表示卫星i三个坐标方向的轨道积分偏微分函数，G′X、G′Y、G′Z表示卫星j三个坐标方向的轨道积分偏微分函数，
Figure BDA0003761902070000103
和
Figure BDA0003761902070000104
分别表示卫星i和卫星j初始时刻动力学参数的初值。
将式(3)和(4)以及式(5)和(6)代入式
Figure BDA0003761902070000105
中，即可对卫星初始时刻动力学参数进行估计，继而得到卫星定轨结果，以此来削弱钟差预报对数据处理精度的影响。
S106，根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件、所述卫星初始时刻动力学参数以及线性处理后的星间测距观测方程，采用最小二乘参数估计方法，确定定轨结果。
本发明可以降低星间链路观测处理时对预报轨道和钟差的依赖、改善单向和双向星间链路观测在空间航天器定轨中的适用性、提升星间链路数据的实时处理能力、支撑我国BDS-3导航定位授时服务。
图2为本发明所提供的一种星间链路单向测距观测数据处理系统结构示意图，如图2所示，本发明所提供的一种星间链路单向测距观测数据处理系统，包括：
观测数据和星间测距观测方程获取模块201，用于获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程；
线性处理模块202，用于对所述星间测距观测方程进行线性处理；
信号发射时刻确定模块203，用于根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻；所述辅助文件包括：卫星信息文件、地球自转参数、潮汐改正文件、天线改正文件以及行星星历文件；
卫星钟差确定模块204，用于根据所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差；
卫星初始时刻动力学参数确定模块205，用于根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数；
定轨结果确定模块206，用于根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件、所述卫星初始时刻动力学参数以及线性处理后的星间测距观测方程，采用最小二乘参数估计方法，确定定轨结果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种星间链路单向测距观测数据处理方法，其特征在于，包括：
获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程；
对所述星间测距观测方程进行线性处理；
根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻；所述辅助文件包括：卫星信息文件、地球自转参数、潮汐改正文件、天线改正文件以及行星星历文件；
根据所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差；
根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数；
根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件、所述卫星初始时刻动力学参数以及线性处理后的星间测距观测方程，采用最小二乘参数估计方法，确定定轨结果。
2.根据权利要求1所述的一种星间链路单向测距观测数据处理方法，其特征在于，所述获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003761902060000011
确定星间测距观测方程；
其中，Lij表示卫星j接收到的来自卫星i的伪距观测量，ri和rj分别表示卫星i和卫星j在坐标系中的位置向量，ti表示卫星i发射信号的时刻，tj表示卫星j接收到信号的时刻，c表示光速，dTi和dTj分别表示卫星i和卫星j的卫星钟差，
Figure FDA0003761902060000012
表示卫星j的信号接收时延，
Figure FDA0003761902060000013
表示卫星i的信号发射时延，
Figure FDA0003761902060000014
表示信号从卫星i到卫星j传播过程中的其余误差，主要包括卫星天线相位中心误差以及相对论效应。
3.根据权利要求2所述的一种星间链路单向测距观测数据处理方法，其特征在于，所述对所述星间测距观测方程进行线性处理，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003761902060000021
确定线性处理后的星间测距观测方程；
其中，Xj(tj)、Yj(tj)和Zj(tj)为tj时刻卫星j的位置，Xi(ti)、Yi(ti)和Zi(ti)为ti时刻卫星i的位置。
4.根据权利要求3所述的一种星间链路单向测距观测数据处理方法，其特征在于，所述根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003761902060000022
确定卫星i发射信号的时刻；
利用公式Δtij＝Lij/c确定信号从卫星i到卫星j的传播时延；
利用公式
Figure FDA0003761902060000023
确定另一个信号从卫星i到卫星j的传播时延；
若|Δtij′-Δtij|＞10-9，则将Δtij′代替Δtij，并代入公式
Figure FDA0003761902060000024
中，进行迭代，直至ti满足要求。
5.根据权利要求4所述的一种星间链路单向测距观测数据处理方法，其特征在于，所述根据所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差，具体包括：
利用公式dTi(ti)＝Ai(ti-tk)2+Bi(ti-tk)+Ci确定卫星i在一个弧段内ti时刻的卫星钟差；
或
利用公式
Figure FDA0003761902060000025
确定卫星i在一个弧段内ti时刻的卫星钟差；
其中，Ai、Bi、Ci分别表示二次项模型的待求参数，tk表示一个弧段的起始时刻，dTi(tk)表示tk时刻的卫星钟差，n为拉格朗日插值法的阶数，tl表示数值积分的节点时刻。
6.根据权利要求4所述的一种星间链路单向测距观测数据处理方法，其特征在于，所述根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003761902060000031
确定卫星i和卫星j之间的理论距离；
其中，dXi、dYi、dZi和dXj、dYj、dZj分别表示卫星i和卫星j在三个坐标方向上的偏微分，Xi，Yi，Zi和Xj，Yj，Zj分别表示卫星i和卫星j的三维坐标。
7.一种星间链路单向测距观测数据处理系统，其特征在于，包括：
观测数据和星间测距观测方程获取模块，用于获取星间链路测距观测数据和星间测距观测方程；
线性处理模块，用于对所述星间测距观测方程进行线性处理；
信号发射时刻确定模块，用于根据所述星间链路测距观测数据以及辅助文件，采用迭代的方法确定信号发射时刻；所述辅助文件包括：卫星信息文件、地球自转参数、潮汐改正文件、天线改正文件以及行星星历文件；
卫星钟差确定模块，用于根据所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法或二次多项式法确定卫星钟差；
卫星初始时刻动力学参数确定模块，用于根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件以及线性处理后的星间测距观测方程，采用拉格朗日插值法确定卫星初始时刻动力学参数；
定轨结果确定模块，用于根据所述信号发射时刻、所述卫星钟差、所述星间链路测距观测数据、所述辅助文件、所述卫星初始时刻动力学参数以及线性处理后的星间测距观测方程，采用最小二乘参数估计方法，确定定轨结果。
CN202210874981.7A 2022-07-25 2022-07-25 一种星间链路单向测距观测数据处理方法及系统 Pending CN115236706A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115808675A (zh) * 2023-01-17 2023-03-17 湖南迈克森伟电子科技有限公司 一种激光测距误差补偿方法

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