CN117890933A - 低轨星座高效精密定轨以及提高、核检定轨精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨星座高效精密定轨以及提高、核检定轨精度的方法，属于通信导航以及卫星定位领域，提出了载波相位卫星之间组合技术在低轨卫星定轨中的多种应用，所提供的低轨星座高效精密定轨方法无需高精GNSS星钟星历及动力学定轨高强度解算，无需大量数据下传地面，可在轨确定低轨卫星的高精度相对位置从而实现实时单星精密定轨。所提供的提高定轨精度的方法，利用载波相位卫星之间组合的方式，通过星间高精相对位置的确定，为高精运动学定轨添加星间坐标约束，提高了模型强度以及定轨精度。所提供的核检定轨精度的方法，利用载波相位卫星之间组合的方式，通过星间高精相对位置的确定，为高精简化动力学定轨提供了一种有效的检核手段。

Description

低轨星座高效精密定轨以及提高、核检定轨精度的方法

技术领域

本发明属于通信导航以及卫星定位领域，具体涉及一种低轨星座高效精密定轨以及提高、核检定轨精度的方法。

背景技术

低轨卫星通常指的是运行在距离地面较低高度的卫星，其轨道高度通常在400～2000公里之间。而低轨星座通常包括若干个低轨卫星。得益于低轨卫星高度低、速度快、造价成本低等特点，低轨增强GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)定位导航授时拥有信号强度强、收敛时间短、多路径效应白噪化等一系列优势，在近年获得了越来越多的关注。为更好地利用低轨导航信号实现地面的高精度实时定位授时，低轨卫星的高精度实时轨道成为了重要前提。

区别于GNSS卫星使用地面站网进行精密定轨的策略，低轨卫星由于飞行速度快、地面投影面积小，使用同GNSS定轨策略的前提是密集分布的全球地面站网，这在海洋、沙漠等地区难以实现。因此，低轨卫星精密定轨往往借助其星载GNSS接收机及天线，作为GNSS用户，利用GNSS信号及动力学模型进行精密定轨。

现有的低轨卫星精密定轨(厘米级)方法，基本依赖于用GNSS观测数据进行的单星定轨，主要分为两种方式：1)下传所有的星载GNSS原始观测数据，在地面利用GNSS精密星钟星历进行精密动力学或运动学定轨；2)在卫星上进行实时单星精密定轨，并将求解的轨道坐标或精轨瞬根下传地面。方法1)的优势在于可以利用地面强大的计算能力，且拥有多家机构提供的实时GNSS精密星钟星历实时流的选择，缺点在于依赖于大量原始观测数据的实时对地下传，当低轨卫星数量较多时，大量原始观测数据的实时下传具有挑战性。方法2)的优势在于所需的下传数据量变少，然而在卫星上进行精密定轨，尤其是结合动力学模型的精密定轨，对卫星载荷的计算能力有较高需求，依赖于星上载荷的高强度运算。

当通过现有方法对不同卫星进行单星定轨后，常通过星间或星地激光测距作为约束增强模型，从而提高整体定轨精度，同时也可以此手段作为检核定轨结果。然而不管星地还是星间激光测距，都有额外的载荷需求，进行除星载GNSS观测之外的其它观测，从而显著增加卫星成本，激光测距本身的精度也成为了提高或检核单星定轨精度的桎梏。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低轨星座高效精密定轨以及提高、核检定轨精度的方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明实施例提供了一种低轨星座高效精密定轨方法，所述方法包括：

针对当前时刻，低轨星座中的基准星获取星载GNSS观测数据和广播星历，下传至地面设备进行单星定轨，并获得所述地面设备在单星定轨后反馈的基准星位置；其中，基准星单星定轨的定轨精度达到厘米级；

针对所述当前时刻，低轨星座中的非基准星获取星载GNSS观测数据和广播星历并传输至所述基准星；所述基准星基于得到的基准星和非基准星的星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置；

所述基准星利用所述基准星位置和所述相对位置，得到非基准星位置，完成所述非基准星的单星定轨。

第二方面，本发明实施例提供了一种提高定轨精度的方法，所述方法包括：

针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取各自的星载GNSS观测数据和广播星历，并下传至地面设备；所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置；

所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，作为对所述两颗低轨卫星进行运动学定轨的约束条件，进行运动学定轨后得到所述两颗低轨卫星的位置。

第三方面，本发明实施例提供了一种核检定轨精度的方法，所述方法包括：

针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取各自的星载GNSS观测数据和广播星历，并下传至地面设备；所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置；

所述地面设备对所述两颗低轨卫星同时进行动力学单星定轨，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置；

所述地面设备利用当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置，以及当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，核检定轨精度。

本发明的有益效果：

本发明提出了载波相位卫星之间组合技术在低轨卫星定轨中的多种应用，具体的，本发明实施例所提供的低轨星座高效精密定轨方法中，对于基线长度为数百至上千千米的两颗或多颗低轨卫星，针对每个当前时刻，首先进行基准星的GNSS观测数据下传、地面单星定轨以及定轨后的基准星位置回传，然后非基准星获取星载GNSS观测数据和广播星历并传输至所述基准星；由所述基准星基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置，最后，由基准星利用所述基准星位置和所述相对位置得到非基准星位置，完成所述非基准星的单星定轨。本发明星上无需高精GNSS星钟星历及动力学定轨高强度解算，由于解算的数据量较小，也无需大量数据下传地面，可以星上在轨确定低轨卫星的高精度相对位置从而实现实时单星精密定轨。

另外，本发明实施例还提供了一种提高定轨精度的方法，利用载波相位卫星之间组合的方式，通过星间高精相对位置的确定，为高精运动学定轨添加星间坐标约束，可提高模型强度以及单星定轨精度。

另外，本发明实施例还提供了一种核检定轨精度的方法，利用载波相位卫星之间组合的方式，通过星间高精相对位置的确定，验证同基线低轨卫星独立进行的单星定轨结果，为高精简化动力学定轨提供了一种有效的检核手段。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种低轨星座高效精密定轨方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种提高定轨精度的方法的流程示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种核检定轨精度的方法的流程示意图。

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。

第一方面，本发明实施例提供了一种低轨星座高效精密定轨方法，如图1所示，该方法可以包括如下步骤：

S1，针对当前时刻，低轨星座中的基准星获取星载GNSS观测数据和广播星历，下传至地面设备进行单星定轨，并获得所述地面设备在单星定轨后反馈的基准星位置；其中，基准星单星定轨的定轨精度达到厘米级；

本领域技术人员可以理解的是，低轨星座中包含若干颗低轨卫星，所述低轨卫星是指轨道高度在400～2000公里之间的卫星。

本发明实施例的S1~S3是针对一个当前时刻进行处理，最终在星上计算得到该当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，可以理解的是，通过不同时刻的上述处理过程，可以获取各个时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置。以下以当前时刻为例进行说明。

本领域技术人员可以理解的是，一个低轨卫星的接收机可以获取到该低轨卫星对多颗GNSS卫星的观测数据，针对每颗GNSS卫星的观测数据可以包括该低轨卫星到观测的GNSS卫星的伪距和载波相位的观测量，对GNSS卫星的观测数据称之为星载GNSS观测数据；同时该低轨卫星的接收机还可以获取到广播星历。关于星载GNSS观测数据和广播星历的相关概念请参见现有技术理解，在此不做详细说明。

一个低轨星座有多颗低轨卫星。在S1中，为了增加灵活性，基准星可以为所述低轨星座的若干颗低轨卫星中的任意一颗；非基准星为所述低轨星座中，与基准星邻近的、能够共同可见多颗GNSS卫星的任意一颗低轨卫星。

当前时刻，低轨星座中的基准星可以获取自身的星载GNSS观测数据和广播星历，将获取的这些数据下传至地面设备，由地面设备结合预设的星载GNSS观测及动力学模型，对基准星进行高精度简化动力学定轨，使得基准星单星定轨的定轨精度达到厘米级，具体定轨过程请参见相关技术理解，在此不做详细说明。定轨完成后得到基准星的坐标，即基准星位置，然后地面设备将基准星位置回传至所述基准星；

S2，针对所述当前时刻，低轨星座中的非基准星获取星载GNSS观测数据和广播星历并传输至所述基准星；所述基准星基于得到的基准星和非基准星的星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置；

在同一个当前时刻，低轨星座中的任一个非基准星也可以获取自身的星载GNSS观测数据和广播星历，并将这些数据通过星间链路传输至基准星。

虽然所述基准星和所述非基准星均为低轨卫星，但由于高度和视角的差异，各自可以观测到的多颗GNSS卫星可能是不同的。基准星获得任一个非基准星的星载GNSS观测数据和广播星历后，结合自身的星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，进行非动力学简单运算，得到当前时刻下所述基准星和所述非基准星构成的这一对低轨卫星的相对位置，该部分以及后续步骤将在所述基准星上进行处理，比如，可以由所述基准星上的一个计算设备，如计算机等执行。

可选的一种实施方式中，所述基准星基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置，包括以下步骤：

1)所述基准星针对所述非基准星和所述基准星共同可见的每颗GNSS卫星，构建函数模型；其中，所述函数模型的表达式，包括：

(1)；

(2)；

(3)；

(4)；

其中，在进行步骤1)之前，基准星可以对获得的星载GNSS观测数据进行预处理以剔除野值，以及探测当前时刻是否发生GNSS载波相位周跳，并在发生时进行标记。基准星利用预处理后的星载GNSS观测数据执行步骤(1)。

所述基准星探测当前时刻是否发生GNSS载波相位周跳，并在发生时进行标记，是为了便于后续引入新的模糊度，剔除野值以及探测、标记过程属于现有技术，在此不做说明。

考虑到低轨卫星观测GNSS卫星及数据获取过程中存在的电离层延迟、硬件延迟等系统误差，对观测值建模产生的不良影响，在S2中，是针对这一对低轨卫星观测的所有GNSS卫星中共同可见的每颗GNSS卫星，利用观测该颗GNSS卫星时，这一对低轨卫星得到的广播星历和预处理后的星载GNSS观测数据，构建针对该颗GNSS卫星的函数模型，以实现消除系统误差，提高星间钟差求解精度的目的。

上述公式(1)~ (4)中，表示数学期望值；/>表示所述非基准星和所述基准星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，载波相位的观测值与模型值之差；/>表示所述非基准星和所述基准星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，伪距的观测值与模型值之差；无电离层组合即Ionosphere-free，以IF表示；观测值与模型值之差即Observed-Minus-Computed term，以O-C项表示；/>表示基准星/>的坐标初值；/>表示非基准星/>与基准星/>的坐标差；/>表示当前GNSS卫星的坐标，从广播星历或提前上注的精密星历预报轨道中得到；/>表示光速；/>表示IF组合波长；/>表示非基准星/>的接收机钟差；/>表示基准星/>的接收机钟差；/>表示非基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示非基准星/>的IF载波相位硬件延迟；/>表示基准星/>的IF载波相位硬件延迟；

从上述公式(1)~ (4)可以看出，仅、/>和/>是未知参数，/>为三维的向量，/>为一维向量；为了实现求解，需要利用多颗共同可见的GNSS卫星对应的函数模型。假设所述两颗低轨卫星共同可见的GNSS卫星共有/>颗，当前共同可见的GNSS卫星分别对应一个/>，因此当前共同可见的/>颗GNSS卫星得到的/>可以表示为。

(2) 所述基准星通过序贯最小二乘法以滤波形式求解所有共同可见的GNSS卫星对应的函数模型，得到当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置。

针对上述未知参数，具体的求解方法为现有方法，具体在此不做详细说明。在求解过程中，仅需考虑历元间的时间约束，通常在不发生周跳的情况下，认为/>两历元间的值相等。求解得到的所述非基准星和所述基准星的坐标差即相对位置/>是一个估计值，而同时求解出的/>和/>并非本发明实施例关注的，后续不做处理。

由于本发明实施例的函数模型中的观测方程(1)和(2)基于低轨卫星之间一次差，因此解算这三个未知参数时无需精密GNSS星钟产品，GNSS轨道产品既可使用预报的精密产品，也可使用精度较低的广播星历。求解相对位置的计算量较小，无需高强度解算方法，可以不下传至地面进行解算而在星上完成计算。

需要补充说明的是，在本发明实施例的函数模型的观测方程 (1) 和 (2)中，实质隐含了误差数据，/>为基准星/>的坐标真值，这个误差数据被残差吸收掉了，由于GNSS卫星高度远大于两颗低轨卫星基线长度，GNSS卫星/>到两颗低轨卫星的单位方向向量几乎一致，因此上述的残差项很小，不影响解算。

S3，所述基准星利用所述基准星位置和所述相对位置，得到非基准星位置，完成所述非基准星的单星定轨。

其中，S3包括：

所述基准星将所述基准星位置和所述相对位置/>求和，得到非基准星位置作为所述非基准星的单星定轨结果。

由于S1可以得到所述基准星位置，S2可以得到非基准星/>与基准星/>的坐标差，即相对位置/>，由于/>实际上是非基准星/>的坐标减去基准星/>的坐标的差值，S3中基准星将/>和/>求和可以得到：/>，即得到非基准星位置，完成了非基准星的单星定轨。

本发明实施例所提供的低轨星座高效精密定轨方法中，对于基线长度为数百至上千千米的两颗或多颗低轨卫星，针对每个当前时刻，首先进行基准星的GNSS观测数据下传、地面单星定轨以及定轨后的基准星位置回传，然后非基准星获取星载GNSS观测数据和广播星历并传输至所述基准星；由所述基准星基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置，最后，由基准星利用所述基准星位置和所述相对位置得到非基准星位置，完成所述非基准星的单星定轨。本发明星上无需高精GNSS星钟星历及动力学定轨高强度解算，由于解算的数据量较小，也无需大量数据下传地面，可以星上在轨确定低轨卫星的高精度相对位置从而实现实时单星精密定轨。

第二方面，本发明实施例提供了一种提高定轨精度的方法，如图2所示，该方法可以包括如下步骤：

A1，针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取各自的星载GNSS观测数据和广播星历，并下传至地面设备；所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置；

本发明实施例的A1~A2是针对一个当前时刻进行处理，最终在地面计算得到该当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置完成定轨，可以理解的是，通过不同时刻的上述处理过程，可以获取各个时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置。以下以当前时刻为例进行说明。

与第一方面不同，所述提高定轨精度的方法是地面设备对基准星和非基准星这两颗低轨卫星各自的星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置。

可选的一种实施方式中，所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，包括以下步骤：

1)所述地面设备针对所述两颗低轨卫星共同可见的每颗GNSS卫星，构建函数模型；其中，所述函数模型的表达式，包括：

(5)；

(6)；

(7)；

(8)；

其中，表示数学期望值；所述两颗低轨卫星包括基准星/>和非基准星/>；表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，载波相位的观测值与模型值之差；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，伪距的观测值与模型值之差；无电离层组合以IF表示，观测值与模型值之差以O-C项表示；/>表示基准星/>的坐标初值；/>表示非基准星/>与基准星/>的坐标差；/>表示当前GNSS卫星/>的坐标，从广播星历或提前上注的精密星历预报轨道中得到；/>表示光速；/>表示IF组合波长；/>表示非基准星/>的接收机钟差；表示基准星/>的接收机钟差；/>表示非基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示基准星的IF伪距硬件延迟；/>表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示非基准星/>的IF载波相位硬件延迟；表示基准星/>的IF载波相位硬件延迟；

2) 所述地面设备通过序贯最小二乘法以滤波形式求解所有共同可见的GNSS卫星对应的函数模型，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置。

该部分内容可以参见第一方面中，所述基准星基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置的具体描述理解，在此不做重复说明。

A2，所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，作为对所述两颗低轨卫星进行运动学定轨的约束条件，进行运动学定轨后得到所述两颗低轨卫星的位置。

可选的一种实施方式中，A2可以包括以下步骤：

1)所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，作为对所述两颗低轨卫星进行运动学定轨的约束条件，构建定轨模型，所述定轨模型表示为：

(9)；

(10)；

(11)；

其中，(12)；

(13)；

A2是对同基线下的两颗不同低轨卫星同时进行运动学定轨，利用A1中确定的高精度相对星间位置建立约束方程，提高定轨模型强度，从而提高定轨精度。

其中，表示基准星/>的载波相位O-C项；/>表示非基准星/>的载波相位O-C项；/>表示基准星/>的坐标；/>表示非基准星/>的坐标；/>表示GNSS观测值对基准星/>位置/>的偏导；/>表示GNSS观测值对非基准星/>位置/>的偏导；

当时，/>为/>；/>为/>；/>为/>；/>为/>，表示基准星/>对当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位模糊度；/>为/>；/>为/>；当/>时，/>为/>；/>为/>；为/>；/>为/>，表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位模糊度；为/>；/>为/>；/>表示当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位硬件延迟；/>表示当前GNSS卫星/>的载波相位硬件延迟；

2) 所述地面设备通过序贯最小二乘法对所述定轨模型进行求解，得到当前时刻下基准星的位置/>以及非基准星/>的位置/>。

通过序贯最小二乘法可解算低轨卫星位置及/>，在求解过程中，仅需考虑/>及/>历元间的时间约束，通常在不发生周跳的情况下，认为/>及/>两历元间的值相等。公式(11)作为引入的星间相对位置约束，即约束方程，用以增强模型，提高定轨精度。可以理解的是，定轨模型中当前GNSS卫星/>其实只是低轨卫星/>或/>可见的一颗GNSS卫星。实际定轨解算中会用到当前时刻低轨卫星/>可见的所有的GNSS卫星，以及低轨卫星/>可见的所有的GNSS卫星。对GNSS卫星没有两颗低轨卫星必须同时可见的约束。关于序贯最小二乘法解算低轨卫星位置/>及/>的过程请参见相关技术理解，在此不做详细说明。

本发明实施例所提供的提高定轨精度的方法中，针对当前时刻，首先两颗低轨卫星分别获取各自的星载GNSS观测数据和广播星历并下传至地面设备；所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置；然后，所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，作为对所述两颗低轨卫星进行运动学定轨的约束条件，进行运动学定轨后得到所述两颗低轨卫星的位置。本发明实施例利用载波相位卫星之间组合的方式，通过星间高精相对位置的确定，为高精运动学定轨添加星间坐标约束，可提高模型强度以及单星定轨精度。

第三方面，本发明实施例提供了一种核检定轨精度的方法，如图3所示，该方法可以包括如下步骤：

B1，针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取各自的星载GNSS观测数据和广播星历，并下传至地面设备；所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置；

本发明实施例的B1~B3是针对一个当前时刻进行处理，最终在地面核检当前时刻下所述两颗低轨卫星的定轨精度，可以理解的是，通过不同时刻的上述处理过程，可以实现各个时刻单星定轨精度的核检。以下以当前时刻为例进行说明。

可选的一种实施方式中，所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，包括：

1)所述地面设备针对所述两颗低轨卫星共同可见的每颗GNSS卫星，构建函数模型；其中，所述函数模型的表达式，包括：

(14)；

(15)；

(16)；

(17)；

其中，表示数学期望值；所述两颗低轨卫星包括基准星/>和非基准星/>；表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，载波相位的观测值与模型值之差；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，伪距的观测值与模型值之差；无电离层组合以IF表示，观测值与模型值之差以O-C项表示；/>表示基准星/>的坐标初值；/>表示非基准星/>与基准星/>的坐标差；/>表示当前GNSS卫星/>的坐标，从广播星历或提前上注的精密星历预报轨道中得到；/>表示光速；/>表示IF组合波长；/>表示非基准星/>的接收机钟差；表示基准星/>的接收机钟差；/>表示非基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示基准星的IF伪距硬件延迟；/>表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示非基准星/>的IF载波相位硬件延迟；表示基准星/>的IF载波相位硬件延迟；

2)所述地面设备通过序贯最小二乘法以滤波形式求解所有共同可见的GNSS卫星对应的函数模型，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置。

上述过程可以参见第一方面中，所述基准星基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置，以及第二方面中，所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置的具体描述理解，在此不做重复说明。

B2，所述地面设备对所述两颗低轨卫星同时进行动力学单星定轨，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置；

可选的一种实施方式中，B2可以包括：

所述地面设备利用动力学单星定轨公式，对所述两颗低轨卫星同时进行动力学单星定轨，在求解出动力学参数后，利用数值积分得到基准星的位置/>以及非基准星/>的位置/>；其中，所述动力学单星定轨公式表示为：

(18)；

(19)；

其中，(20)；

(21)；

该部分是对同基线下的两颗不同低轨卫星同时进行动力学单星定轨。

其中，表示基准星/>的载波相位O-C项；/>表示非基准星/>的载波相位O-C项；/>表示基准星/>所求解的动力学参数；/>表示非基准星/>所求解的动力学参数；/>表示GNSS观测值对基准星/>的动力学参数/>的偏导；/>表示GNSS观测值对非基准星/>的动力学参数/>的偏导；

当时，/>为/>；/>为/>；/>为/>；/>为/>，表示基准星/>对当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位模糊度；/>为/>；/>为/>；当/>时，/>为/>；/>为/>；为/>；/>为/>，表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位模糊度；/>为/>；/>为/>；/>表示当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位硬件延迟；/>表示当前GNSS卫星/>的载波相位硬件延迟。

B3，所述地面设备利用当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置，以及当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，核检定轨精度。

具体的，B3可以包括以下步骤：

1)所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置，以及当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，代入预设的残差计算公式，得到当前时刻下的残差值；其中，所述预设的残差计算公式为：

(22)；

其中，为残差值；/>为当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，是非基准星/>坐标和基准星/>坐标的差值；/>和/>是利用数值积分得到的基准星/>的位置以及非基准星/>的位置；

2)利用所述残差值的大小核检当前时刻的定轨精度。

具体的，残差值越小，表示当前时刻的定轨精度越高。可以预先设置一个残差阈值，若残差值小于所述残差阈值，则确定当前时刻的单星定轨精度达到要求，否则，确定当前时刻的单星定轨精度未达到要求。

本发明实施例所提供的核检定轨精度的方法中，针对当前时刻，首先两颗低轨卫星分别获取各自的星载GNSS观测数据和广播星历，并下传至地面设备；所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置；其次，所述地面设备对所述两颗低轨卫星同时进行动力学单星定轨，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置；最后，所述地面设备利用当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置，以及当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，核检定轨精度。本发明实施例利用载波相位卫星之间组合的方式，通过星间高精相对位置的确定，验证同基线低轨卫星独立进行的单星定轨结果，为高精简化动力学定轨提供了一种有效的检核手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低轨星座高效精密定轨方法，其特征在于，包括：

针对当前时刻，低轨星座中的基准星获取星载GNSS观测数据和广播星历，下传至地面设备进行单星定轨，并获得所述地面设备在单星定轨后反馈的基准星位置；其中，基准星单星定轨的定轨精度达到厘米级；

针对所述当前时刻，低轨星座中的非基准星获取星载GNSS观测数据和广播星历并传输至所述基准星；所述基准星基于得到的基准星和非基准星的星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置；

所述基准星利用所述基准星位置和所述相对位置，得到非基准星位置，完成所述非基准星的单星定轨。

2.根据权利要求 1所述的低轨星座高效精密定轨方法，其特征在于，所述基准星基于得到的基准星和非基准星的星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置，包括：

所述基准星针对所述非基准星和所述基准星共同可见的每颗GNSS卫星，构建函数模型；其中，所述函数模型的表达式，包括：

；

；

；

；

其中，表示数学期望值；/>表示所述非基准星和所述基准星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，载波相位的观测值与模型值之差；/>表示所述非基准星和所述基准星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，伪距的观测值与模型值之差；无电离层组合以IF表示，观测值与模型值之差以O-C项表示；/>表示基准星/>的坐标初值；/>表示非基准星/>与基准星/>的坐标差；/>表示当前GNSS卫星/>的坐标，从广播星历或提前上注的精密星历预报轨道中得到；/>表示光速；/>表示IF组合波长；/>表示非基准星/>的接收机钟差；/>表示基准星/>的接收机钟差； />表示非基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示非基准星对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示非基准星/>的IF载波相位硬件延迟；/>表示基准星/>的IF载波相位硬件延迟；

所述基准星通过序贯最小二乘法以滤波形式求解所有共同可见的GNSS卫星对应的函数模型，得到当前时刻下所述非基准星和所述基准星的相对位置。

3.根据权利要求2所述的低轨星座高效精密定轨方法，其特征在于，所述基准星利用所述基准星位置和所述相对位置，得到非基准星位置，完成所述非基准星的单星定轨，包括：

所述基准星将所述基准星位置和所述相对位置/>求和，得到非基准星位置/>作为所述非基准星的单星定轨结果。

4.一种提高定轨精度的方法，其特征在于，包括：

针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取各自的星载GNSS观测数据和广播星历，并下传至地面设备；所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置；

所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，作为对所述两颗低轨卫星进行运动学定轨的约束条件，进行运动学定轨后得到所述两颗低轨卫星的位置。

5.根据权利要求4所述的提高定轨精度的方法，其特征在于，所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，包括：

所述地面设备针对所述两颗低轨卫星共同可见的每颗GNSS卫星，构建函数模型；其中，所述函数模型的表达式，包括：

；

；

；

；

其中，表示数学期望值；所述两颗低轨卫星包括基准星/>和非基准星/>；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，载波相位的观测值与模型值之差；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星，无电离层组合低轨卫星之间，伪距的观测值与模型值之差；无电离层组合以IF表示，观测值与模型值之差以O-C项表示；/>表示基准星/>的坐标初值；/>表示非基准星/>与基准星/>的坐标差；/>表示当前GNSS卫星/>的坐标，从广播星历或提前上注的精密星历预报轨道中得到；/>表示光速；/>表示IF组合波长；/>表示非基准星/>的接收机钟差；/>表示基准星/>的接收机钟差；/>表示非基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示非基准星/>的IF载波相位硬件延迟；/>表示基准星/>的IF载波相位硬件延迟；

所述地面设备通过序贯最小二乘法以滤波形式求解所有共同可见的GNSS卫星对应的函数模型，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置。

6.根据权利要求5所述的提高定轨精度的方法，其特征在于，所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，作为对所述两颗低轨卫星进行运动学定轨的约束条件，进行运动学定轨后得到所述两颗低轨卫星的位置，包括：

所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，作为对所述两颗低轨卫星进行运动学定轨的约束条件，构建定轨模型，所述定轨模型表示为：

；

；

；

其中，；

；

其中，表示基准星/>的载波相位O-C项；/>表示非基准星/>的载波相位O-C项；表示基准星/>的坐标；/>表示非基准星/>的坐标；/>表示GNSS观测值对基准星/>位置的偏导；/>表示GNSS观测值对非基准星/>位置/>的偏导；

当时，/>为/>；/>为/>；/>为/>；/>为/>，表示基准星/>对当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位模糊度；/>为/>；/>为/>；当/>时，/>为/>；/>为/>；/>为；/>为/>，表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位模糊度；/>为/>；为/>；/>表示当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位硬件延迟；/>表示当前GNSS卫星/>的载波相位硬件延迟；

所述地面设备通过序贯最小二乘法对所述定轨模型进行求解，得到当前时刻下基准星的位置/>以及非基准星/>的位置/>。

7.一种核检定轨精度的方法，其特征在于，包括：

针对当前时刻，两颗低轨卫星分别获取各自的星载GNSS观测数据和广播星历，并下传至地面设备；所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置；

所述地面设备对所述两颗低轨卫星同时进行动力学单星定轨，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置；

所述地面设备利用当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置，以及当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，核检定轨精度。

8.根据权利要求7所述的核检定轨精度的方法，其特征在于，所述地面设备基于得到的所有星载GNSS观测数据和广播星历，利用载波相位卫星之间组合的方式，求解当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，包括：

所述地面设备针对所述两颗低轨卫星共同可见的每颗GNSS卫星，构建函数模型；其中，所述函数模型的表达式，包括：

；

；

；

；

其中，表示数学期望值；所述两颗低轨卫星包括基准星/>和非基准星/>；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星/>，无电离层组合低轨卫星之间，载波相位的观测值与模型值之差；/>表示所述两颗低轨卫星针对当前共同可见的GNSS卫星，无电离层组合低轨卫星之间，伪距的观测值与模型值之差；无电离层组合以IF表示，观测值与模型值之差以O-C项表示；/>表示基准星/>的坐标初值；/>表示非基准星/>与基准星/>的坐标差；/>表示当前GNSS卫星/>的坐标，从广播星历或提前上注的精密星历预报轨道中得到；/>表示光速；/>表示IF组合波长；/>表示非基准星/>的接收机钟差；/>表示基准星/>的接收机钟差；/>表示非基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示基准星/>的IF伪距硬件延迟；/>表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示基准星/>对当前GNSS卫星/>的IF组合模糊度；/>表示非基准星/>的IF载波相位硬件延迟；/>表示基准星/>的IF载波相位硬件延迟；

所述地面设备通过序贯最小二乘法以滤波形式求解所有共同可见的GNSS卫星对应的函数模型，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置。

9.根据权利要求8所述的核检定轨精度的方法，其特征在于，所述地面设备对所述两颗低轨卫星同时进行动力学单星定轨，得到当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置，包括：

所述地面设备利用动力学单星定轨公式，对所述两颗低轨卫星同时进行动力学单星定轨，在求解出动力学参数后，利用数值积分得到基准星的位置/>以及非基准星/>的位置；其中，所述动力学单星定轨公式表示为：

；

；

其中，；

；

其中，表示基准星/>的载波相位O-C项；/>表示非基准星/>的载波相位O-C项；表示基准星/>所求解的动力学参数；/>表示非基准星/>所求解的动力学参数；/>表示GNSS观测值对基准星/>的动力学参数/>的偏导；/>表示GNSS观测值对非基准星/>的动力学参数/>的偏导；

当时，/>为/>；/>为/>；/>为/>；/>为/>，表示基准星/>对当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位模糊度；/>为/>；/>为/>；当/>时，/>为/>；/>为/>；/>为；/>为/>，表示非基准星/>对当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位模糊度；/>为/>；/>为/>；/>表示当前GNSS卫星/>初始时刻的载波相位硬件延迟；/>表示当前GNSS卫星的载波相位硬件延迟。

10.根据权利要求9所述的核检定轨精度的方法，其特征在于，所述地面设备利用当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置，以及当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，核检定轨精度，包括：

所述地面设备将当前时刻下所述两颗低轨卫星各自的位置，以及当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，代入预设的残差计算公式，得到当前时刻下的残差值；其中，所述预设的残差计算公式为：

；

其中，为残差值；/>为当前时刻下所述两颗低轨卫星的相对位置，是非基准星/>坐标和基准星/>坐标的差值；/>和/>是利用数值积分得到的基准星/>的位置以及非基准星/>的位置；

利用所述残差值的大小核检当前时刻的定轨精度。