CN116893438B - 顾及钟差模型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钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法及系统，通过获取低轨卫星的历史钟差数据以及低轨卫星的观测数据；对历史钟差数据分析建模得到低轨卫星的星载钟模型；将星载钟模型作为求解低轨卫星实时钟差的约束条件，代入观测方程，得到携带约束条件的观测方程；将观测数据代入携带约束条件的观测方程，并对观测方程求解得到低轨卫星的实时钟差。本发明对低轨卫星的星载钟进行特性分析而建立低轨卫星的星载钟模型，之后将其代入观测方程，一方面可以使估计的低轨卫星的实时钟差符合低轨卫星的星载钟物理特性，另一方面可以降低卫星钟差与轨道参数的高相关性，从而提高解算低轨卫星实时钟差的精度。

Description

顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法及系统
技术领域
本发明属于卫星精密数据处理技术领域，具体涉及一种顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法及系统。
背景技术
与中、高轨卫星相比，低轨卫星具有轨道高度低、运行速度快等优势，常被应用于低轨导航增强和卫星互联网等国家重大战略领域。而低轨卫星精密钟差产品在低轨卫星领域具有重要的意义。不论是利用低轨卫星信号增强GNSS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。因此，为了满足低轨导航增强或卫星互联网等领域的需求，研究基于GNSS（Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统）的低轨卫星精密钟差确定方法，以提供高精度低轨卫星钟差产品，显得尤为迫切。
目前常用的钟差解算方法中，卫星钟差通常被看作白噪声进行求解，导致钟差求解时会吸收其他未模型化的误差，进而降低钟差求解精度。现有专利CN 109001771B提出了一种导航卫星和低轨卫星实时钟差确定及预报方法和系统，在该方案中利用均方根滤波计算得到低轨卫星钟差估计值和模糊度参数，将低轨卫星钟差当作白噪声进行滤波处理。而相比于GNSS卫星，LEO卫星由于轨道低、速度快等自身特点，现有专利在解算过程中将会吸收其他待估参数未模型化的误差，进一步影响低轨卫星钟差解算和预报精度。
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钟差模型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钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法包括：
S100，获取低轨卫星的历史钟差数据以及低轨卫星的观测数据；
S200，对历史钟差数据分析建模得到低轨卫星的星载钟模型；
S300，将星载钟模型作为求解低轨卫星的实时钟差的约束条件，并代入观测方程，得到携带约束条件的观测方程；
S400，将观测数据代入携带约束条件的观测方程，并对观测方程求解得到低轨卫星的实时钟差。
本发明提供了一种顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定系统，设置在低轨卫星上，实现的顾及钟差模型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钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法及系统，通过获取低轨卫星的历史钟差数据以及低轨卫星的观测数据；对历史钟差数据分析建模得到低轨卫星的星载钟模型；将星载钟模型作为求解低轨卫星实时钟差的约束条件，代入观测方程，得到携带约束条件的观测方程；将观测数据代入携带约束条件的观测方程，并对观测方程求解得到低轨卫星的实时钟差。本发明对低轨卫星的星载钟进行特性分析而建立低轨卫星钟差模型，之后将其代入观测方程，一方面可以使估计的低轨卫星的实时钟差符合低轨卫星的星载钟物理特性，另一方面可以降低卫星钟差与轨道参数的高相关性，从而提高解算低轨卫星实时钟差的精度。
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钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法的流程示意图；
图2是本发明提供的低轨卫星钟差的确定方法的过程示意图。
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和图2，本发明提供了一种顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法包括：
S100，获取低轨卫星的历史钟差数据以及低轨卫星的观测数据；
本步骤可以通过各类方法获取低轨卫的星历史钟差数据，包括从各类机构获取低轨卫星的历史钟差产品，即历史钟差数据；或利用低轨卫星的历史观测数据求解出低轨卫星的历史钟差数据。
S200，对历史钟差数据分析建模得到低轨卫星的星载钟模型；
其中，对历史钟差数据中因确定性因素以及随机因素产生的误差进行分析建模得到低轨卫星的星载钟模型；确定性因素包括星钟本身的多项式函数变化、受外界影响的中长期的系统性变化、受外界影响的中长期的周期性变化以及硬件时延的系统性变化；随机因素包括：低轨卫星的星钟本身的噪音、星钟在不同频段的噪音类型，以及解算精度。
值得说明的是：本发明对低轨卫星已有的星钟差产品进行分析，精确建立星载钟模型，星载钟模型可以是N次多项式模型但不限于此。低轨卫星的星载钟模型可动态确定，以避免模型异常导致的钟差精度下降。
对历史钟差数据进行分析建模分为确定性模型分析和随机性模型分析。确定性模型：考虑星钟本身的多项式函数变化、受外界影响的中长期系统性周期性变化，以及硬件时延系统性变化等因素的影响。确定模型的准确建立对低轨卫星钟的确定有重大意义。随机性模型：低轨卫星钟本身的噪音、解算精度等因素都是建立在随机性模型时需要考虑的因素，星钟在不同频段的噪音类型在滤波中可体现于协方差矩阵的建立与更新中。
S300，将星载钟模型作为求解低轨卫星的实时钟差的约束条件，并代入观测方程，得到携带约束条件的观测方程；
S400，将观测数据代入携带约束条件的观测方程，并对观测方程求解得到低轨卫星的实时钟差。
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，也就是说，两类参数会互相影响。那么，现在将钟差参数以一定的模型约束给入观测方程，一方面这样会降低轨道、钟差参数的相关性，增加数值稳定性；另一方面，以模型约束求解的低轨卫星钟差，更符合星载钟物理特性，进而提高待估钟差参数的精度。本发明对低轨卫星的星载钟差进行特性分析而建立低轨卫星的星载钟差，之后将其代入观测方程，一方面可以使估计的低轨卫星的实时钟差符合低轨卫星的星载钟物理特性，另一方面可以降低卫星钟差与轨道参数的高相关性，从而提高低轨卫星实时钟差的精度。
本发明的S300包括：
S310，获取观测方程，并对观测方程线性化得到线性化的观测方程；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，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。
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。
S320，将星载钟模型作为求解低轨卫星的实时钟差的约束条件，并引入线性化的观测方程得到携带约束条件的观测方程。
其中，星载钟模型表示为：
（5）；
其中，为钟差系数，/>为钟频系数，/>和/>在星载钟模型中均为未知参数，为采样时间，/>为钟差噪声，/>为频漂噪声。
当引入星载钟模型作为确定卫星钟差的约束条件时，待估参数不变，引入约束条件的全部的待估参数表示为：
（6）。
作为本发明一种可选的实施方式，本发明的S400包括：
S410，将观测数据代入携带约束条件的观测方程，并求解携带约束的观测方程得到待估参数矩阵，待估参数矩阵由引入约束条件的全部的待估参数所形成；
S420，根据待估参数矩阵确定钟差模型约束的低轨卫星的实时钟差。
作为本发明一种可选的实施方式，本发明的S410包括：
S411，将观测数据代入携带约束条件的观测方程，并初始化低轨卫星的轨道、低轨卫星的钟差以及载波相位模糊度以对解算过程进行初始化；
值得说明的是：低轨卫星的轨道由低轨卫星的位置坐标点所形成。
本发明初始化低轨卫星的轨道，即位置坐标、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。
S412，在初始化后，求解携带约束的观测方程得到待估参数矩阵；
由于钟差系数和钟频系数/>两个参数是影响接收机钟差的最主要因素，因此，以N=2为例，将以公式（5）为例的星载钟模型代入观测方程（1），求解得到待估参数矩阵表示为：
（7）；
其中，为设计矩阵，含观测值对未知数的偏导，/>的矩阵大小为/>，，/>为观测向量与模型向量之差，/>的矩阵大小/>；
（8）；
（9）；
（10）；
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；
其中，为与轨道相关的设计矩阵，/>为与钟差中包含噪声类型有关的预设矩阵，需根据实际情况确定。当噪声类型为白噪声时，/>表示为：
（11）；
其中，的功率谱密度为/>，/>的功率谱密度为/>。
作为本发明一种可选的实施方式，S420包括：
S421，从待估参数矩阵的第4行获取钟差系数的确定值以及从待估参数矩阵的第5行获取钟频系数/>的确定值；
S422，根据钟差系数的确定值以及钟频系数/>的确定值，计算出钟差模型约束的低轨卫星的实时钟差。
因此，根据公式（5）-（11）即可得钟差系数和钟频系数/>，这两个参数为/>矩阵的第4，5行。此时，根据这两个系数即可得到低轨卫星的实时钟差。
本发明提供了一种顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定系统，设置在低轨卫星上，用于实现顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法。
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 (6)

1.一种顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，包括：
S100，获取低轨卫星的历史钟差数据以及低轨卫星的观测数据；
S200，对所述历史钟差数据分析建模得到低轨卫星的星载钟模型；
S300，将所述星载钟模型作为求解低轨卫星的实时钟差的约束条件，并代入观测方程，得到携带约束条件的观测方程；
S400，将所述观测数据代入携带约束条件的观测方程，并对所述观测方程求解得到所述低轨卫星的实时钟差；
S200包括：对所述历史钟差数据中因确定性因素以及随机因素产生的误差进行分析建模得到低轨卫星的星载钟模型；所述确定性因素包括星钟本身的多项式函数变化、受外界影响的中长期的系统性变化、受外界影响的中长期的周期性变化以及硬件时延的系统性变化；所述随机因素包括：低轨卫星的星钟本身的噪音、星钟在不同频段的噪音类型，以及解算精度；
S300包括：
S310，获取观测方程，并对所述观测方程线性化得到线性化的观测方程；
S320，将所述星载钟模型作为求解所述低轨卫星的实时钟差的约束条件，并引入所述线性化的观测方程得到携带约束条件的观测方程；
S310中的观测方程表示为：
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r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s表示参数与GNSS卫星有关，Xr为待估的低轨轨道参数，δtr为待估的低轨卫星钟差参数，/>为待估的载波相位模糊度，v为光速，/>为无电离层组合载波相位，λ为无电离层组合载波波长，且e＝[ex,ey,ez]，表示为：
Xr＝[Δx；Δy；Δz] (4)；
其中，X为全部的待估参数，包含待估的低轨轨道参数Xr，待估的低轨卫星钟差参数δtr，待估的载波相位模糊度[x，y，z]为地心地固坐标系下低轨卫星的位置坐标，[xGNSS,yGNSS,zGNSS]为GNSS卫星的位置坐标，[Δx；Δy；Δz]为地心地固坐标系下低轨卫星的位置坐标的变化量；
S320中的星载钟模型表示为：
其中，a0为钟差系数，a1为钟频系数，a1和a0在星载钟模型中均为未知参数，τ为采样时间，ωa0为钟差噪声，ωa1为频漂噪声；
引入约束条件的全部的待估参数表示为：
2.根据权利要求1所述的顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S400包括：
S410，将所述观测数据代入携带约束条件的观测方程，并求解所述携带约束的观测方程得到待估参数矩阵，所述待估参数矩阵由引入约束条件的全部的待估参数所形成；
S420，根据所述待估参数矩阵确定钟差模型约束的低轨卫星的实时钟差。
3.根据权利要求2所述的顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S410包括：
S411，将所述观测数据代入携带约束条件的观测方程，并初始化低轨卫星的轨道、低轨卫星的钟差以及载波相位模糊度以对解算过程进行初始化；
S412，在初始化后，求解所述携带约束的观测方程得到待估参数矩阵。
4.根据权利要求3所述的顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S410中的待估参数矩阵表示为：
其中，Ac为设计矩阵，含观测值对未知数的偏导，Ac的矩阵大小为(2m+n)×6，Lc＝L，L为观测向量与模型向量之差，L的矩阵大小(2m+n)×1；
其中，和/>均为与低轨卫星的轨道有关的设计矩阵，n为伪距观测值的个数，m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p表示参数与伪距观测有关，角标clk表示参数与钟差有关，/>和Im×1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m或含n的式子表示矩阵大小；
其中，Qr为与轨道相关的设计矩阵，Qclk为与钟差中包含噪声类型有关的预设矩阵，当噪声类型为白噪声时，Qclk表示为：
其中，ωa0的功率谱密度为q1，ωa1的功率谱密度为q2。
5.根据权利要求4所述的顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法，其特征在于，S420包括：
S421，从所述待估参数矩阵的第4行获取钟差系数a0的确定值以及从所述待估参数矩阵的第5行获取钟频系数a1的确定值；
S422，根据所述钟差系数a0的确定值以及所述钟频系数a1的确定值，计算出钟差模型约束的低轨卫星的实时钟差。
6.一种顾及钟差模型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5任一项所述的顾及钟差模型的低轨卫星钟差的确定方法。
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