CN116299594A - 一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PPP‑B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法。本发明分别建立运动方程和观测方程，采用积分预报和滤波更新的两步法实时确定低轨卫星精密轨道，滤波更新过程中使用均方根信息滤波算法，避免了传统卡尔曼滤波方法数值计算的发散问题，并且提高了计算效率；针对因地球遮挡导致的星载接收机无法获取PPP‑B2b信号的弧段，通过多项式拟合的方法确定导航卫星轨道和钟差；对于星载接收机观测值不足的情况，采用动力学模型外推获得低轨卫星轨道，使用单星授时的方法确定接收机钟差，并对星载接收机时钟进行调整，从而确保低轨卫星实时定轨和时频同步的连续性。

Description

一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法
技术领域
本发明涉及一种适用于低轨卫星实时定轨和时频同步的方法，属于北斗卫星导航、低轨卫星实时高精度定轨和时频同步的技术领域。
背景技术
北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运营的一种全球卫星导航系统。目前，第三代北斗导航系统，即北斗三号已经全面建成并能够为地面及空间用户提供全球化的定位、导航和授时服务。另一方面，低轨卫星在对地通信和对地观测领域具有无可比拟的技术优势，能够解决经济建设和国防安全的关键信息需求。随着商业航天的助力，包括通信卫星、遥感卫星、重力卫星、测高卫星、导航增强卫星等在内的低轨卫星及其应用得到了快速发展。其中，轨道确定和时频同步是保障低轨卫星实时、高效、稳定工作的关键技术。将北斗卫星导航系统的服务能力和低轨卫星的实时定轨、时频同步需求相结合，即在低轨卫星上搭载北斗导航接收机和天线，通过特定的数据处理方法，能够实时确定载体的空间位置，并达到与北斗导航系统时间同步的效果。
低轨星载接收机通过接收北斗导航卫星信号，生成伪距观测值和广播星历，采用伪距单点定位的方法，确定星载接收机空间位置以及接收机钟差。然而，受广播星历卫星轨道和钟差精度低、以及伪距单点定位算法模型不完善等因素的限制，该方法获得的低轨卫星轨道和接收机钟差精度较差。在北斗导航卫星观测量不足的情况下，连续性也难以保障，无法满足低轨卫星对不间断、高精度实时定轨和时频同步的需求。
发明内容
本发明针对低轨卫星采用星载北斗接收机进行实时定轨和时频同步时，受广播星历精度和标准单点定位模型限制，导致的精度差和不连续等问题，提出一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法。
本发明采用的技术方案为：
一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，包括如下步骤：
(1)在低轨卫星上安装北斗导航接收机和天线，从而接收北斗卫星导航信号，并兼容其他卫星导航系统；由码跟踪环和相位跟踪环输出伪距、载波相位和多普勒观测值，同时解调广播星历和PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR；PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR包括卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和码间偏差改正数；
(2)根据B2b改正数版本号和广播星历版本号，将PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR与广播星历进行匹配；对广播星历分别进行卫星轨道改正、卫星钟差改正和码间偏差改正，恢复为PPP-B2b实时星历；
(3)综合几何观测信息和动力学信息求解低轨卫星轨道，使用伪距、载波相位、多普勒观测值以及PPP-B2b实时星历，根据积分预报—滤波更新的实时定轨方法，参数估计均方根信息滤波算法实时求解卫星位置、卫星速度、接收机钟差、模糊度、大气阻力、太阳光压和经验摄动力参数；
(4)针对北斗三号GEO卫星无法实现全球覆盖，部分低轨卫星弧段不能接收PPP-B2b信号的问题，采用多项式拟合的方法外推PPP-B2b星历；考虑PPP-B2b实时星历和外推星历的精度差异，对PPP-B2b信号盲区弧段的观测量进行降权处理，优化实时定轨滤波更新过程中的随机模型；
(5)针对导航卫星观测值不足，无法连续定轨的情况，在时间更新过程中采用动力学模型外推低轨卫星轨道；以单星授时方法确定接收机钟差，并对星载接收机内部时钟进行调整，从而达到全弧段、高精度实时定轨与时频同步的效果。
进一步地，步骤(1)的具体方式为：
(101)天线安装在低轨卫星星固系的Z轴负方向，向上接收北斗卫星导航信号；接收机由射频前端模块、信号处理模块和信息处理模块组成，依次完成射频信号接收、数字信号滤波采样、信号捕获跟踪，码跟踪环输出伪距观测值、相位跟踪环输出载波相位和多普勒观测值，在对导航电文进行前导字搜索和循环冗余校验后，解调广播星历和PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR改正数。
进一步地，步骤(2)的具体方式为：
(201)PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR对应的版本号包括数据版本号IOD，SSR版本号IOD SSR、掩码版本号IODP、轨道改正数和钟差改正数版本号IOD Corr以及导航电文版本号IODN；首先对PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR各类改正数进行匹配，并使用IODN参数确定对应的广播星历；只有当不同数据类型对应的版本号一致时才能够匹配使用；
(202)根据PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR对广播星历进行改正，恢复为PPP-B2b实时星历；首先将轨道坐标系下的改正数转换到地心地固坐标系，并对广播星历中的卫星轨道进行修正；使用卫星钟差改正数直接对广播星历钟差进行修正，同时根据所使用的观测数据频点，选择对应的码间偏差改正卫星钟差，得到对应观测频点的实时卫星钟差。
进一步地，步骤(3)的具体方式为：
(301)考虑作用于低轨卫星的保守力、非保守力和经验力，在惯性系下建立低轨卫星运动方程；根据伪距、载波相位、多普勒观测量以及PPP-B2b实时星历，构建无电离层组合观测方程；参数向量包括卫星位置、卫星速度、接收机钟差、模糊度、大气阻力、太阳光压和经验摄动力参数；
(302)在实时定轨方法的积分预报过程中，基于上个时刻的状态向量初值和摄动力模型，以单步数值积分法外推下个时刻的卫星状态向量；同时计算状态转移矩阵，对状态向量的协方差阵进行预报；
(303)在实时定轨方法的定轨滤波更新过程中，根据数值积分外推的卫星状态向量对观测方程线性化处理，以均方根滤波方法实时求解低轨卫星位置、卫星速度和接收机钟差的参数。
其特征在于，步骤(4)的具体方式为：
(401)受地球遮挡等因素影响，低轨卫星部分弧段将无法接收北斗三号GEO卫星播发的PPP-B2b信号；根据PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR改正数的时变特性，分别采用二阶多项式外推轨道改正数，采用三阶多项式外推钟差改正数，码间偏差在数小时内保持稳定，不再进行外推；
(402)实时定轨方法在PPP-B2b信号盲区弧段和非盲区分别使用PPP-B2b外推星历和PPP-B2b实时星历；为避免PPP-B2b外推星历导致定轨精度降低的问题，使用与外推时间相关的降权函数确定参数估计中的随机模型，达到低轨卫星状态向量最优估计的效果。
其特征在于，步骤(5)的具体方式为：
(501)当低轨卫星穿过南北极上空时，星载北斗接收机观测卫星数减少到4颗以内时，不足以进行滤波更新；此时，基于之前时刻滤波更新后的状态向量和摄动力模型，以单步数值积分算法外推卫星轨道和速度，从而达到全弧段高精度实时定轨的效果；
(502)当星载北斗接收机观测卫星数较少时，固定卫星轨道，基于单星授时的方法确定星载接收机钟差；此时，根据钟差数据对星载接收机时钟进行调整，输出1PPS信号，从而达到全弧段、高精度时频同步的效果。
本发明的有益效果在于：
1、传统的低轨卫星实时定轨采用伪距观测值、广播星历以及单点定位的方法，轨道精度和连续性难以保障。本发明通过接收PPP-B2b信号，结合广播星历恢复为实时精密星历，解决星载接收机实时高精度定轨对地面分析中心精密产品的依赖问题。
2、本发明分别建立运动方程和观测方程，采用积分预报和滤波更新的两步法实时确定低轨卫星精密轨道，滤波更新过程中使用均方根信息滤波算法，避免了传统卡尔曼滤波方法数值计算的发散问题，并且提高了计算效率。
3、本发明针对因地球遮挡导致的星载接收机无法获取PPP-B2b信号的弧段，通过多项式拟合的方法确定导航卫星轨道和钟差；对于星载接收机观测值不足的情况，采用动力学模型外推获得低轨卫星轨道，使用单星授时的方法确定接收机钟差，并对星载接收机时钟进行调整，从而确保低轨卫星实时定轨和时频同步的连续性。
4、本发明采用基于北斗三号PPP-B2b信号的实时定轨方式，用以提高低轨卫星实时定轨和时频同步的精度和连续性，能够为星务计算机和星上其他载荷提供精确的位置信息和时频信息，满足低轨卫星实时、高效、稳定的工作任务需求。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法的示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，该方法首先接收北斗三号GEO卫星播发的PPP-B2b信号，与广播星历相匹配，恢复成为精度更高的PPP-B2b实时星历；其次，采用数积分预报—滤波更新的实时定轨算法代替伪距单点定位方法，结合伪距、载波相位和多普勒观测值以及PPP-B2b实时星历，提升星载接收机实时轨道和钟差精度；最后，在北斗导航观测值不足的情况下，通过动力学模型外推低轨卫星轨道，使用单星授时方法确定接收机钟差，从而保障实时定轨和时间同步的连续性。
该方法具体包括以下步骤：
(1)在低轨卫星上安装北斗导航接收机和天线，接收北斗卫星导航信号，兼容其他卫星导航系统。由码跟踪环和相位跟踪环输出伪距、载波相位和多普勒观测值，同时解调广播星历和B2b标准空间状态表示信息SSR；
(2)PPP-B2b SSR包括卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和码间偏差改正数。根据PPP-B2b改正数版本号和广播星历版本号，将PPP-B2b SSR与广播星历进行匹配。对广播星历分别进行卫星轨道改正、卫星钟差改正和码间偏差改正，恢复为PPP-B2b实时星历；
(3)综合几何观测信息和动力学信息求解低轨卫星轨道，使用伪距、载波相位、多普勒观测值以及PPP-B2b实时星历，根据积分预报—滤波更新的实时定轨方法，参数估计均方根信息滤波算法实时求解卫星位置、卫星速度、接收机钟差、模糊度、大气阻力、太阳光压和经验摄动力参数；
(4)针对北斗三号GEO卫星无法实现全球覆盖，部分低轨卫星弧段不能接收PPP-B2b信号的问题，采用多项式拟合的方法外推PPP-B2b星历。考虑PPP-B2b实时星历和外推星历的精度差异，对PPP-B2b信号盲区弧段的观测量进行降权处理，优化实时定轨滤波更新过程中的随机模型；
(5)针对导航卫星观测值不足，无法连续定轨的情况，在时间更新过程中采用动力学模型外推低轨卫星轨道。以单星授时方法确定接收机钟差，并对星载接收机内部时钟进行调整，从而达到全弧段、高精度实时定轨与时频同步的效果。
步骤(1)的具体方式为：
(101)天线安装在低轨卫星星固系的Z轴负方向，向上接收北斗卫星导航信号。接收机由射频前端模块、信号处理模块和信息处理模块组成，依次完成射频信号接收、数字信号滤波采样、信号捕获跟踪，码跟踪环输出伪距观测值、相位跟踪环输出载波相位和多普勒观测值，在对导航电文进行前导字搜索和循环冗余校验后，解调广播星历和PPP-B2b SSR改正数。
步骤(2)的具体方式为：
(201)B2b SSR对应的版本号包括数据版本号IOD，SSR版本号IOD SSR、掩码版本号IODP、轨道改正数和钟差改正数版本号IOD Corr以及导航电文版本号IODN。首先对PPP-B2bSSR各类改正数进行匹配，并使用IODN参数确定对应的广播星历。只有当不同数据类型对应的版本号一致时才能够匹配使用；
(202)根据PPP-B2b SSR对广播星历进行改正，恢复为PPP-B2b实时星历。首先将轨道坐标系下的改正数转换到地心地固坐标系，并对广播星历中的卫星轨道进行修正。使用卫星钟差改正数直接对广播星历钟差进行修正，同时根据所使用的观测数据频点，选择对应的码间偏差改正卫星钟差，可得到对应观测频点的实时卫星钟差。
步骤(3)的具体方式为：
(301)充分考虑作用于低轨卫星的保守力、非保守力和经验力，在惯性系下建立低轨卫星运动方程。根据伪距、载波相位、多普勒观测量以及PPP-B2b实时星历，构建无电离层组合观测方程。参数向量包括卫星位置、卫星速度、接收机钟差、模糊度、大气阻力、太阳光压和经验摄动力参数；
(302)实时定轨算法分为积分预报和滤波更新两个步骤。在积分预报过程中，基于上个时刻的状态向量初值和摄动力模型，以单步数值积分法外推下个时刻的卫星状态向量。同时计算状态转移矩阵，对状态向量的协方差阵进行预报；
(303)在实时定轨滤波更新过程中，根据数值积分外推的卫星状态向量对观测方程线性化处理，以均方根滤波算法实时求解低轨卫星位置、卫星速度和接收机钟差等参数。
步骤(4)的具体方式为：
(401)受地球遮挡等因素影响，低轨卫星部分弧段将无法接收北斗三号GEO卫星播发的PPP-B2b信号。根据PPP-B2b SSR改正数的时变特性，分别采用二阶多项式外推轨道改正数，采用三阶多项式外推钟差改正数，码间偏差在数小时内保持稳定，不再进行外推；
(402)实时定轨方法在PPP-B2b信号盲区弧段和非盲区分别使用PPP-B2b外推星历和PPP-B2b实时星历。为避免PPP-B2b外推星历导致定轨精度降低的问题，使用与外推时间相关的降权函数确定参数估计中的随机模型，达到低轨卫星状态向量最优估计的效果。
步骤(5)的具体方式为：
(501)当低轨卫星穿过南北极上空时，星载北斗接收机观测卫星数减少到4颗以内时，不足以进行滤波更新。基于之前时刻滤波更新后的状态向量和摄动力模型，以单步数值积分算法外推卫星轨道和速度，从而达到全弧段高精度实时定轨的效果；
(502)当星载北斗接收机观测卫星数较少时，固定卫星轨道，基于单星授时的方法确定星载接收机钟差。根据钟差数据对星载接收机时钟进行调整，输出1PPS信号，从而达到全弧段、高精度时频同步的效果。
以下为一个更具体的例子：
如图1所示，一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，该方法主要采用PPP-B2b信号和积分预报—滤波更新的定轨方法，用以提高低轨卫星实时定轨和时频同步的精度和连续性。包括以下步骤：
(1)天线安装在低轨卫星星固系的Z轴负方向，向上接收北斗卫星导航信号B1C、B2a和B2b，兼容GPS、GLONASS和GALILEO等卫星导航系统。接收机由射频前端模块、信号处理模块和信息处理模块组成，依次完成射频信号接收、数字信号滤波采样、信号捕获跟踪，码跟踪环输出伪距观测值P、相位跟踪环输出载波相位观测值φ和多普勒观测值D，在对导航电文进行前导字搜索和循环冗余校验后，解调广播星历和PPP-B2b SSR改正数；
(2)PPP-B2b SSR包括卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和码间偏差改正数。根据B2b数据版本号IOD，SSR版本号IOD SSR、掩码版本号IODP、轨道改正数和钟差改正数版本号IOD Corr以及导航电文版本号IODN，将PPP-B2b SSR与广播星历进行匹配。对广播星历分别进行卫星轨道改正、卫星钟差改正和码间偏差改正，恢复为B2b实时星历；
(201)卫星轨道改正过程中，首先将轨道坐标系下的改正数转换到地心地固坐标系，并对广播星历中的卫星轨道进行修正：
Figure BDA0004131305510000111
Figure BDA0004131305510000112
Figure BDA0004131305510000113
式中，
Figure BDA0004131305510000114
为卫星在轨道坐标系下的改正数向量，/>
Figure BDA0004131305510000115
为卫星在地心地固系下的改正数向量。使用卫星径向、切向和法向单位向量/>
Figure BDA0004131305510000116
Figure BDA0004131305510000117
和/>
Figure BDA0004131305510000118
构造旋转矩阵，/>
Figure BDA0004131305510000119
和/>
Figure BDA00041313055100001110
为卫星在地心地固坐标系下的位置向量和速度向量。使用轨道改正数/>
Figure BDA00041313055100001111
对广播星历轨道/>
Figure BDA00041313055100001112
进行改正，恢复成B2b实时卫星轨道/>
Figure BDA00041313055100001113
(202)使用卫星钟差改正数对广播星历卫星钟差进行修正，同时根据所使用的观测数据频点，选择对应的码间偏差改正卫星钟差，可得到对应观测频点的实时卫星钟差：
Figure BDA0004131305510000121
式中，
Figure BDA0004131305510000122
为广播星历卫星钟差，δC为卫星钟差改正数，c为光速，/>
Figure BDA0004131305510000123
为改正后的B2b实时卫星钟差。当使用北斗三号新体制信号B1C和B2a进行精密单点定位时，对应的改正数为两个频点数的频间偏差改正数的组合，直接对实时卫星钟差进行修正：
Figure BDA0004131305510000124
DCBB1C和DCBB2a为B1C和B2a频点观测量的频间偏差改正数，
Figure BDA0004131305510000125
为经码间偏差修正后的PPP-B2b实时卫星钟差。
(3)综合几何观测信息和动力学信息求解低轨卫星轨道，根据积分预报—滤波更新的实时定轨方法，采用扩展卡尔曼滤波算法实时求解卫星位置R、卫星速度V、接收机钟差δtr、模糊度amb、大气阻力CD、太阳光压CR和经验摄动力参数W；
(301)在惯性系下建立低轨卫星状态方程和观测方程，其中状态方程综合考虑了作用于低轨卫星的保守力fg和非保守力fng，并将未模型化的摄动力用经验力femp来表示，卫星状态向量记为X；
Figure BDA0004131305510000128
X＝[R Vδtr amb CD CR W]
Figure BDA0004131305510000126
上式为低轨卫星的运动方程，由初始状态方程X(t0)＝X0和力模型函数
Figure BDA0004131305510000127
联合构成，运动方程是状态向量X对时间的导数，主要由力模型表示。惯性系下的观测方程为：
L＝BX+V,QL
上式中，L为星载接收机观测向量，包括伪距P、载波相位C和多普勒D。B为设计矩阵，矩阵元素是参数向量X对应的系数，V是残差向量，QL是观测向量的随机模型，也称为协方差阵；
(302)实时定轨算法分为积分预报和滤波更新两个步骤。在积分预报过程中，基于上个时刻的状态向量初值Xi-1和动力学模型F(X,t)，以4阶RKF积分法外推下个时刻的卫星状态向量
Figure BDA0004131305510000131
同时计算状态转移矩阵Φi,i-1，对状态向量的协方差阵/>
Figure BDA0004131305510000132
进行预报；
Figure BDA0004131305510000133
Figure BDA0004131305510000134
Figure BDA0004131305510000135
式中
Figure BDA0004131305510000136
h为积分步长，ci，αi，βij为固定系数。状态转移矩阵Φi,i-1中的元素是状态向量对位置和速度的偏导，/>
Figure BDA0004131305510000137
是上个时刻状态向量协方差阵，/>
Figure BDA0004131305510000138
是当前预报的状态向量协方差阵；
(303)在实时定轨滤波更新过程中，根据数值积分外推的卫星状态向量
Figure BDA0004131305510000139
对观测方程线性化处理。针对传统卡尔曼滤波算法数值计算发散和计算性能低等问题，采用均方根信息滤波方法对卫星状态向量和对应的协方差阵进行更新，实时求解低轨卫星位置R、卫星速度V和接收机钟差δtr等参数：
Figure BDA0004131305510000141
T0矩阵由Householder变换得到，观测方程转化为：
Figure BDA0004131305510000142
根据残差平方和最小原则，均方根信息滤波的解为：
Figure BDA0004131305510000143
(4)在PPP-B2b信号盲区弧段，采用多项式拟合的方法外推B2b星历。考虑B2b实时星历和外推星历的精度差异，根据外推时间Δt对B2b信号盲区弧段的观测量进行降权处理，优化实时定轨滤波更新过程中的随机模型QL；
(401)根据PPP-B2b SSR改正数的时变特性，分别拟合二阶多项式外推轨道改正数，拟合三阶多项式外推钟差改正数，码间偏差在数小时内保持稳定，不再进行外推：
orb(t)＝a2t2+a1t+a0
clk(t)＝a3t3+a2t2+a1t+a0
上式中，orb(t)为任意外推时刻的轨道改正数，clk(t)是任意外推时刻的钟差改正数；
(402)为避免PPP-B2b外推星历导致定轨精度降低的问题，使用与外推时间Δt相关的降权函数W(Δt)确定参数估计中的随机模型QL，实现低轨卫星状态向量最优估计的效果；
Figure BDA0004131305510000151
Figure BDA0004131305510000152
式中，QP是伪距观测值协方差阵，QC是载波相位观测值协方差阵，QD是多普勒观测值协方差阵。W(Δt)是时间相关的降权函数，外推时间对伪距和载波相位有影响，对多普勒观测值不产生影响；
(5)针对导航卫星观测数少于4颗，无法连续定轨的情况，在时间更新过程中采用动力学模型F(X,t)外推低轨卫星轨道R、V。以单星授时的方法确定接收机钟差δtr，并对星载接收机内部时钟进行调整，从而达到全弧段、高精度实时定轨与时频同步的效果；
(501)基于之前时刻滤波更新后的状态向量Xi-1和动力学模型F(X,t)，以4阶RKF积分法外推下个时刻的卫星状态向量
Figure BDA0004131305510000153
具体实施步骤同(302)；
(502)固定卫星轨道R，基于单星授时的方法确定星载接收机钟差δtr。根据钟差数据对星载接收机时钟进行调整，输出1PPS信号，从而达到全弧段、高精度时频同步的效果：
Figure BDA0004131305510000154
上式描述了单星授时方法，ρ由低轨卫星轨道和导航卫星轨道计算，P是伪距观测值，
Figure BDA0004131305510000155
是PPP-B2b实时卫星钟差，δtr是星载接收机钟差。根据δtr对星载时钟进行驯服，包括调频和调相两种方式。
以上详细描述了本发明的具体实施方式。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思出诸多变化和修改。因此，凡技术领域中的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在低轨卫星上安装北斗导航接收机和天线，从而接收北斗卫星导航信号，并兼容其他卫星导航系统；由码跟踪环和相位跟踪环输出伪距、载波相位和多普勒观测值，同时解调广播星历和PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR；PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR包括卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和码间偏差改正数；
（2）根据B2b改正数版本号和广播星历版本号，将PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR与广播星历进行匹配；对广播星历分别进行卫星轨道改正、卫星钟差改正和码间偏差改正，恢复为PPP-B2b实时星历；
（3）综合几何观测信息和动力学信息求解低轨卫星轨道，使用伪距、载波相位、多普勒观测值以及PPP-B2b实时星历，根据积分预报—滤波更新的实时定轨方法，参数估计均方根信息滤波算法实时求解卫星位置、卫星速度、接收机钟差、模糊度、大气阻力、太阳光压和经验摄动力参数；
（4）针对北斗三号GEO卫星无法实现全球覆盖，部分低轨卫星弧段不能接收PPP-B2b信号的问题，采用多项式拟合的方法外推PPP-B2b星历；考虑PPP-B2b实时星历和外推星历的精度差异，对PPP-B2b信号盲区弧段的观测量进行降权处理，优化实时定轨滤波更新过程中的随机模型；
（5）针对导航卫星观测值不足，无法连续定轨的情况，在时间更新过程中采用动力学模型外推低轨卫星轨道；以单星授时方法确定接收机钟差，并对星载接收机内部时钟进行调整，从而达到全弧段、高精度实时定轨与时频同步的效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，其特征在于，步骤（1）的具体方式为：
（101）天线安装在低轨卫星星固系的Z轴负方向，向上接收北斗卫星导航信号；接收机由射频前端模块、信号处理模块和信息处理模块组成，依次完成射频信号接收、数字信号滤波采样、信号捕获跟踪，码跟踪环输出伪距观测值、相位跟踪环输出载波相位和多普勒观测值，在对导航电文进行前导字搜索和循环冗余校验后，解调广播星历和PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR改正数。
3.根据权利要求1所述的一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，其特征在于，步骤（2）的具体方式为：
（201）PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR对应的版本号包括数据版本号IOD，SSR版本号IOD SSR、掩码版本号IODP、轨道改正数和钟差改正数版本号IOD Corr以及导航电文版本号IODN；首先对PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR各类改正数进行匹配，并使用IODN参数确定对应的广播星历；只有当不同数据类型对应的版本号一致时才能够匹配使用；
（202）根据PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR对广播星历进行改正，恢复为PPP-B2b实时星历；首先将轨道坐标系下的改正数转换到地心地固坐标系，并对广播星历中的卫星轨道进行修正；使用卫星钟差改正数直接对广播星历钟差进行修正，同时根据所使用的观测数据频点，选择对应的码间偏差改正卫星钟差，得到对应观测频点的实时卫星钟差。
4.根据权利要求1所述的一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，其特征在于，步骤（3）的具体方式为：
（301）考虑作用于低轨卫星的保守力、非保守力和经验力，在惯性系下建立低轨卫星运动方程；根据伪距、载波相位、多普勒观测量以及PPP-B2b实时星历，构建无电离层组合观测方程；参数向量包括卫星位置、卫星速度、接收机钟差、模糊度、大气阻力、太阳光压和经验摄动力参数；
（302）在实时定轨方法的积分预报过程中，基于上个时刻的状态向量初值和摄动力模型，以单步数值积分法外推下个时刻的卫星状态向量；同时计算状态转移矩阵，对状态向量的协方差阵进行预报；
（303）在实时定轨方法的定轨滤波更新过程中，根据数值积分外推的卫星状态向量对观测方程线性化处理，以均方根滤波方法实时求解低轨卫星位置、卫星速度和接收机钟差的参数。
5.根据权利要求1所述的一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，其特征在于，步骤（4）的具体方式为：
（401） 受地球遮挡等因素影响，低轨卫星部分弧段将无法接收北斗三号GEO卫星播发的PPP-B2b信号；根据PPP-B2b标准空间状态表示信息SSR改正数的时变特性，分别采用二阶多项式外推轨道改正数，采用三阶多项式外推钟差改正数，码间偏差在数小时内保持稳定，不再进行外推；
（402）实时定轨方法在PPP-B2b信号盲区弧段和非盲区分别使用PPP-B2b外推星历和PPP-B2b实时星历；为避免PPP-B2b外推星历导致定轨精度降低的问题，使用与外推时间相关的降权函数确定参数估计中的随机模型，达到低轨卫星状态向量最优估计的效果。
6.根据权利要求1所述的一种基于PPP-B2b信号的LEO实时定轨与时频同步方法，其特征在于，步骤（5）的具体方式为：
（501）当低轨卫星穿过南北极上空时，星载北斗接收机观测卫星数减少到4颗以内时，不足以进行滤波更新；此时，基于之前时刻滤波更新后的状态向量和摄动力模型，以单步数值积分算法外推卫星轨道和速度，从而达到全弧段高精度实时定轨的效果；
（502）当星载北斗接收机观测卫星数较少时，固定卫星轨道，基于单星授时的方法确定星载接收机钟差；此时，根据钟差数据对星载接收机时钟进行调整，输出1PPS信号，从而达到全弧段、高精度时频同步的效果。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116882209A (zh) * 2023-09-06 2023-10-13 中国科学院空天信息创新研究院 一种leo实时定轨随机模型构建方法
CN117784190A (zh) * 2023-12-25 2024-03-29 开普勒卫星科技(武汉)有限公司 基于时间相关性的均方根信息滤波方法、系统及相关装置

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