CN116840879A - 顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法及系统，通过获取低轨卫星观测GNSS卫星得到的卫星数据，对卫星数据进行预处理获得预处理之后的卫星数据；引入低轨卫星的轨道数据作为解算低轨卫星的钟差的约束条件，并利用预处理之后的卫星数据对卫星钟差进行解算，在解算过程中修正因相对论、天线相位中心偏差引起的误差得到低轨卫星的钟差。本发明将约束条件纳入到观测模型中，在平差时，充分利用约束条件抵御粗差且降低轨道和钟差的相关程度，提高求解出的低轨道参数的数值稳定性。本发明将低轨卫星的轨道数据以一定约束强度代入，可以提高钟差解算的精度。
Description
技术领域
本发明属于卫星精密数据处理技术领域，具体涉及一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法及系统。
背景技术
在低轨导航增强或卫星互联网领域，低轨卫星精密钟差产品均具有重要的意义。不论是利用低轨卫星信号辅助GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）进行地面定位授时，或是低轨星座的星地星间时间维持和同步，低轨卫星精密钟差产品均是重要的基础和前提保障。
低轨卫星精密钟差产品是低轨导航增强系统的基础。但是随着北斗卫星导航系统的广泛应用，以其为代表的GNSS的不足也逐渐凸显：首先，在高精度定位定时方面，现有的GNSS精密单点定位技术收敛时间较长，无法满足某些高实时性高精度应用场景，例如智能驾驶等；其次，GNSS导航信号落地功率低，容易受到干扰。针对GNSS在应用中存在的不足，利用各类低轨卫星信号对现有GNSS定位授时功能进行增强辅助，是GNSS未来发展的必然趋势。因此，增强星座和自主播发导航测距信号，可以增强BDS（Beidou NavigationSatellite System，北斗卫星导航系统）的定位（Positing）、导航（Navigating）和授时（Timing）服务性能。在低轨导航增强系统中，无论是地面用户利用低轨信号进行定位授时，或是低轨星座本身需要建立和维持时间基准，都离不开低轨卫星精密钟差产品。因此，低轨卫星精密钟差产品是低轨导航增强系统融合GNSS提供高性能PNT（Positing NavigatingTiming，定位导航授时）服务的前提。
低轨卫星高精度钟差产品是新型基础设施，是卫星互联网运行的前提和保障。卫星互联网旨在利用由低轨卫星组成的星座系统，从太空提供全球范围内、无缝稳定的卫星宽带网通信服务。卫星互联网运行的前提是低轨星座的星地星间时间维持与同步，而低轨卫星高精度钟差产品是星地星间时间维持与同步的必要因素，因此低轨卫星高精度钟差产品是卫星互联网正常运行的前提和保障。
目前现有技术主要集中在LEO（Low Earth Orbit Satellite，低轨道地球卫星）轨道确定等方面，因此目前亟待高精度低轨卫星的钟差产品。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法包括：
S100，获取低轨卫星观测GNSS卫星得到的卫星数据，卫星数据为卫星的实时数据或卫星的历史数据；
S200，对卫星数据进行预处理获得预处理之后的卫星数据；
S300，引入低轨卫星的轨道数据作为解算低轨卫星的钟差的约束条件，并利用预处理之后的卫星数据对卫星钟差进行解算，在解算过程中修正因相对论、天线相位中心偏差引起的误差得到低轨卫星的钟差。
本发明提供了一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定系统，其特征在于，设置在低轨卫星上，实现顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法。
有益效果：
本发明提供了一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法及系统，通过获取低轨卫星观测GNSS卫星得到的卫星；对卫星数据进行预处理获得预处理之后的卫星数据；引入低轨卫星的轨道数据作为解算低轨卫星的钟差的约束条件，并利用处理之后的卫星数据对卫星钟差进行解算，在解算过程中修正因相对论、天线相位中心偏差等引起的误差得到低轨卫星的钟差。本发明将约束条件纳入到观测模型中，约束条件可以是参数的先验期望、方差、均值，或者参数间应满足的等式或不等式约束。在平差时，充分利用约束条件抵御粗差且降低轨道和钟差的相关程度，提高求解出的低轨道参数的数值稳定性。本发明将低轨卫星的轨道数据以一定约束强度代入，可以提高钟差解算的精度。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明提供的一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法的流程示意图；
图2是本发明提供的利用卫星的实时数据确定低轨卫星的钟差的流程示意图；
图3是本发明提供的利用卫星的历史数据确定低轨卫星的钟差的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
结合图1至图3，本发明提供了一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法包括：
S100，获取低轨卫星观测GNSS卫星得到的卫星数据，卫星数据为卫星的实时数据或卫星的历史数据；
卫星的实时数据为GNSS卫星在当前时刻发送的实时卫星数据和低轨卫星在当前时刻实时观测GNSS卫星得到的实时观测数据；实时卫星数据包括GNSS卫星的实时轨道和实时钟差，实时观测数据包括实时伪距和实时相位数据；
卫星的历史数据为GNSS卫星在历史时刻发送的历史卫星数据和低轨卫星在历史时刻实时观测GNSS卫星得到的历史观测数据。历史卫星数据包括GNSS卫星的历史轨道和历史钟差，历史观测数据包括历史伪距和历史相位数据。
本发明S100中的低轨卫星观测GNSS卫星的观测方程表示为：
（1）；
其中，为无电离层组合伪距观测向量与模型向量之间的差值，下标/>表示参数与低轨卫星轨道有关，下标IF表示无电离层组合，上标/>表示参数与GNSS卫星有关，/>为待估的低轨轨道参数，/>为待估的低轨卫星钟差参数，/>为待估的载波相位模糊度，/>为光速，/>为无电离层组合载波相位，/>为无电离层组合载波波长，且/>，表示为：
（2）；
基于公式（1），当利用序贯最小二乘法以运动学定轨模式进行低轨卫星轨道和星钟参数估计时，低轨卫星的轨道参数包括低轨卫星的位置坐标的化量/>、低轨卫星的钟差以及载波相位模糊度/>，如公式（3）所示：
（3）；
（4）；
其中，为全部的待估参数，/>包含待估的低轨轨道参数/>，待估的低轨卫星钟差参数/>和待估的载波相位模糊度/>；/>为地心地固坐标系下低轨卫星的位置坐标，为GNSS卫星的位置坐标，/>为地心地固坐标系下低轨卫星的位置坐标的变化量。
S200，对卫星数据进行预处理获得预处理之后的卫星数据；
参考图2和图3，如果卫星数据为卫星的实时数据，则在实时观测数据中选择符合仰角要求的实时观测数据，将符合仰角要求的实时观测数据以及卫星的实时数据确定为预处理之后的卫星数据；如果卫星数据为卫星的历史数据，则在历史观测数据中选择符合仰角要求的历史观测数据，将符合仰角要求的历史观测数据以及卫星的历史数据确定为预处理之后的卫星数据。
S300，引入低轨卫星的轨道数据作为解算低轨卫星的钟差的约束条件，并利用预处理之后的卫星数据对卫星钟差进行解算，在解算过程中修正因相对论、天线相位中心偏差引起的误差得到低轨卫星的钟差。
值得说明的是：在观测方程求解时，有轨道、钟差和相位模糊度三类参数。其中，轨道和钟差参数是相关参数，即两类参数会互相影响。本发明将轨道参数加一定的误差约束给入观测方程，如此可以降低轨道、钟差参数的相关性，增加数值稳定性，进而提高待估钟差参数的精度。
本发明的S300包括：
S310，将预处理之后的卫星数据代入观测方程；
S320，通过对S310中的观测方程线性化得到线性化的观测方程；
S330，引入低轨卫星的轨道数据作为解算卫星钟差的约束条件，并将解算卫星钟差的约束条件作为线性化的观测方程的约束条件得到携带约束条件的观测方程；
参考图2和图3，如果卫星数据为卫星的实时数据，则引入的轨道数据为实时求解的轨道数据或外部产品实时预报的轨道数据，如果卫星数据为卫星的历史数据，则引入的低轨卫星的轨道数据为低轨卫星已经产生的轨道数据。
值得说明的是：未引入约束条件时，待估参数的解表示为：
；
其中，为设计矩阵，/>中含观测值对未知数的偏导，/>为协因数阵，/>阶对角矩阵；/>为观测向量与模型向量之差（Observed-Minus-Computed term），/>的矩阵大小；
表示为：
；
其中，和/>均为与低轨卫星的轨道有关的设计矩阵，角标/>表示参数与相位观测有关，角标/>表示参数与伪距观测有关，/>为伪距观测值的个数，/>为相位观测值的个数，角标/>表示参数与钟差有关，/>和/>均为与载波相位模糊度有关的设计矩阵。
当引入低轨卫星外部轨道产品作为卫星钟差确定约束条件时，待估参数不变，S340中的参数矩阵表示为：
（5）；
（6）；
（7）；
（8）；
（9）；
其中，和/>均为与低轨卫星的轨道有关的设计矩阵，/>为伪距观测值的个数，为相位观测值的个数，/>和/>均为与低轨卫星的钟差有关的设计矩阵，角标/>表示参数与相位观测有关，角标/>表示参数与伪距观测有关，角标/>表示参数与钟差有关，/>和/>均为与载波相位模糊度有关的设计矩阵，每个设计矩阵下含/>或含/>的式子表示矩阵大小；为引入轨道约束后协因数阵，/>为未引入轨道约束时的协因数阵，/>为/>阶对角矩阵；/>的矩阵大小为/>，/>为引入的低轨卫星的轨道数据所形成的观测矩阵，/>为未引入轨道约束时的观测向量与模型向量之差，大小/>，中的项表示低轨卫星的位置坐标/>在三个方向上的协方差。
本发明引入的低轨卫星的轨道数据包括但不限于各机构发布的各类低轨卫星的精密轨道产品或是实时精密定轨的预报轨道产品，的确定可以根据经验值或者已知轨道的精度确定。
S340，求解携带约束条件的观测方程得到待估参数所形成的参数矩阵；
本发明的S340包括：
S341，初始化低轨卫星的位置坐标、低轨卫星的钟差以及载波相位模糊度；
本发明初始化低轨卫星的位置坐标、低轨卫星的钟差以及载波相位模糊度目的是为了在参数估计时给定初始值，因为参数估计的过程是基于某一个初始值，估计其变化量的求解过程。本发明使用单点定位算法获得初始时刻低轨卫星的位置和接收机钟差，载波相位模糊度使用载波相位观测值减去伪距观测量的方法进行初始化。
S342，根据卫星数据为卫星的实时数据或卫星的历史数据的不同情况，利用不同的方法求解所有待估参数所形成的参数矩阵。
参考图2和图3，本发明的S342包括：
如果卫星数据为卫星的实时数据，则利用实时参数估计方法实时求解携带约束条件的观测方程，得到待估参数所形成的参数矩阵；实时参数估计方法包括：序贯最小二乘方法、卡尔曼滤波；
如果卫星数据为卫星的历史数据，则利用事后参数估计方法求解携带约束条件的观测方程，得到待估参数所形成的参数矩阵；事后参数估计方法包括：最小二乘方法、卡尔曼滤波。
值得说明的是：如果卫星数据为实时卫星数据，可以利用序贯最小二乘方法、卡尔曼滤波等实时参数估计方法实时求解携带约束条件的观测方程。如果卫星数据为历史卫星数据，可以利用最小二乘方法或卡尔曼滤波等事后参数估计方法求解携带约束条件的观测方程，求解的过程均为现有技术记载的数学推理过程，此处不再赘述。
S350，从参数矩阵中获取轨道约束的低轨卫星的钟差。
本发明预估出的低轨卫星的钟差为/>矩阵的第四行，即可得到轨道约束的低轨卫星钟差。
本发明提供了一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定系统，设置在低轨卫星上，实现一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法。
本发明提供了一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法及系统，通过获取低轨卫星观测GNSS卫星得到的卫星数据，对卫星数据进行预处理获得预处理之后的卫星数据；引入低轨卫星的轨道数据作为解算低轨卫星的钟差的约束条件，并利用处理之后的卫星数据对卫星钟差进行解算，在解算过程中修正因相对论、天线相位中心偏差引起的误差得到低轨卫星的钟差。本发明将约束条件纳入到观测模型中，在平差时，充分利用约束条件抵御粗差且降低轨道和钟差的相关程度，提高求解出的低轨道参数的数值稳定性。本发明将低轨卫星的轨道数据以一定约束强度代入，可以提高钟差解算的精度。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，包括：
S100，获取低轨卫星观测GNSS卫星得到的卫星数据，所述卫星数据为卫星的实时数据或卫星的历史数据；
S200，对所述卫星数据进行预处理获得预处理之后的卫星数据；
S300，引入低轨卫星的轨道数据作为解算低轨卫星的钟差的约束条件，并利用所述预处理之后的卫星数据对卫星钟差进行解算，在解算过程中修正因相对论、天线相位中心偏差引起的误差得到低轨卫星的钟差。
2.根据权利要求1所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，所述卫星的实时数据为GNSS卫星在当前时刻发送的实时卫星数据和低轨卫星在当前时刻实时观测所述GNSS卫星得到的实时观测数据；
所述卫星的历史数据为GNSS卫星在历史时刻发送的历史卫星数据和低轨卫星在历史时刻实时观测所述GNSS卫星得到的历史观测数据。
3.根据权利要求2所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，所述实时卫星数据包括GNSS卫星的实时轨道和实时钟差，所述实时观测数据包括实时伪距和实时相位数据；所述历史卫星数据包括GNSS卫星的历史轨道和历史钟差，所述历史观测数据包括历史伪距和历史相位数据。
4.根据权利要求3所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S200包括：
如果所述卫星数据为卫星的实时数据，则在所述实时观测数据中选择符合仰角要求的实时观测数据，将符合仰角要求的实时观测数据以及所述卫星的实时数据确定为预处理之后的卫星数据；
如果所述卫星数据为卫星的历史数据，则在所述历史观测数据中选择符合仰角要求的历史观测数据，将符合仰角要求的历史观测数据以及所述卫星的历史数据确定为预处理之后的卫星数据。
5.根据权利要求4所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S100中的低轨卫星观测GNSS卫星的观测方程表示为：
（1）；
其中，为无电离层组合伪距观测向量与模型向量之间的差值，下标/>表示参数与低轨卫星轨道有关，下标IF表示无电离层组合，上标/>表示参数与GNSS卫星有关，/>为待估的低轨轨道参数，/>为待估的低轨卫星钟差参数，/>为待估的载波相位模糊度，/>为光速，/>为无电离层组合载波相位，/>为无电离层组合载波波长，且/>，表示为：
（2）；
（3）；
（4）；
其中，为全部的待估参数，/>包含待估的低轨轨道参数/>，待估的低轨卫星钟差参数和待估的载波相位模糊度/>；/>为地心地固坐标系下低轨卫星的位置坐标，为GNSS卫星的位置坐标，/>为地心地固坐标系下低轨卫星的位置坐标的变化量。
6.根据权利要求5所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S300包括：
S310，将所述预处理之后的卫星数据代入所述观测方程；
S320，通过对S310中的所述观测方程线性化得到线性化的观测方程；
S330，引入低轨卫星的轨道数据作为解算卫星钟差的约束条件，并将所述解算卫星钟差的约束条件作为所述线性化的观测方程的约束条件得到携带约束条件的观测方程；
其中，如果卫星数据为卫星的实时数据，则引入的轨道数据为实时求解的轨道数据或外部产品实时预报的轨道数据，如果所述卫星数据为卫星的历史数据，则引入的低轨卫星的轨道数据为低轨卫星已经产生的轨道数据；
S340，求解所述携带约束条件的观测方程得到所述待估参数所形成的参数矩阵；
S350，从所述参数矩阵中获取轨道约束的低轨卫星的钟差。
7.根据权利要求6所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，
S340中的参数矩阵表示为：
（5）；
其中，为设计矩阵，含观测值对未知数的偏导，/>的矩阵大小为/>；
（6）；
（7）；
（8）；
（9）；
其中，和/>均为与低轨卫星的轨道有关的设计矩阵，/>为伪距观测值的个数，/>为相位观测值的个数，/>和/>均为与低轨卫星的钟差有关的设计矩阵，角标/>表示参数与相位观测有关，角标/>表示参数与伪距观测有关，角标/>表示参数与钟差有关，/>和/>均为与载波相位模糊度有关的设计矩阵，每个设计矩阵下含/>或含/>的式子表示矩阵大小；为引入轨道约束后协因数阵，/>为未引入轨道约束时的协因数阵，/>为/>阶对角矩阵；/>的矩阵大小为/>，/>为引入的低轨卫星的轨道数据所形成的观测矩阵，/>为未引入轨道约束时的观测向量与模型向量之差，大小/>，中的项表示低轨卫星的位置坐标/>在三个方向上的协方差。
8.根据权利要求7所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S340包括：
S341，初始化低轨卫星的位置坐标、低轨卫星的钟差以及载波相位模糊度；
S342，根据卫星数据为卫星的实时数据或卫星的历史数据的不同情况，利用不同的方法求解所有待估参数所形成的参数矩阵。
9.根据权利要求8所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S342包括：
如果卫星数据为卫星的实时数据，则利用实时参数估计方法实时求解所述携带约束条件的观测方程，得到待估参数所形成的参数矩阵；所述实时参数估计方法包括：序贯最小二乘方法、卡尔曼滤波；
如果所述卫星数据为卫星的历史数据，则利用事后参数估计方法求解所述携带约束条件的观测方程，得到待估参数所形成的参数矩阵；所述事后参数估计方法包括：最小二乘方法、卡尔曼滤波。
10.一种顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定系统，其特征在于，设置在低轨卫星上，实现权利要求1至9任一项所述的顾及轨道约束的低轨卫星钟差的确定方法。
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