專利名稱：：一種站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法，涉及導航衛(wèi)星精密定軌領域，屬于天體測量與天體力學學科。
背景技術：
：IGS介紹IGS的出現(xiàn)和成功運行極大推動了GPS技術在各個領域的應用，促進了世界范圍內的科學研究的發(fā)展和社會生產(chǎn)生活水平的提高。IGS收集、整理、發(fā)布高精度的GNSS數(shù)據(jù)以滿足廣泛的應用與科學實驗的要求。精密衛(wèi)星星歷是IGS提供的兩類核心產(chǎn)品之一，當前IGS定軌精度達到5cm(各分析中心的軌道互差)。IGS布站模式是在全球范圍內布置很多站點(目前有幾百個)，每個站點配置測地型GPS接收機；然后對各站的GPS觀測數(shù)據(jù)進行事后處理，得到高精度的衛(wèi)星軌道和星鐘等產(chǎn)品。IGS系統(tǒng)中測量方法和定軌數(shù)據(jù)處理方法的不足IGS各站沒有配置高精度時間同步系統(tǒng)，并且大多數(shù)站沒有配備原子鐘。IGS的處理方法是對軌道、鐘差以及其它參數(shù)統(tǒng)一解算(非差方法是統(tǒng)一計算；雙差方法是在解算軌道等參數(shù)后，進而再計算鐘差)。這種方法主要有2個問題(l)對MEO衛(wèi)星的觀測，在區(qū)域布站情況下，幾何因子不好，并且觀測弧段受限，因而影響定軌精度；(2)對GEO衛(wèi)星觀測，幾何因子不好，并且由于衛(wèi)星相對靜止，軌道與鐘差難以分離，因而影響定軌精度。所以在IGS模式的區(qū)域跟蹤網(wǎng)情況下，衛(wèi)星測軌的幾何因子受限，影響定軌精度。尤其是對地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO衛(wèi)星)，在定軌過程中，不僅幾何因子受限，并且鐘差和軌道難以分離，實現(xiàn)衛(wèi)星精密定軌比較困難。
發(fā)明內容要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法，以站間高精度時間同步為約束條件，來分離系統(tǒng)誤差(站間鐘差)，減少定軌解算參數(shù)，提高提高定軌和預報精度。本發(fā)明的思想在于技術方案—種站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法，其特征在于在區(qū)域網(wǎng)各站配備原子鐘和納秒級時間同步系統(tǒng)，區(qū)域網(wǎng)各站接收導航衛(wèi)星的測距信號，得到各站的載波相位數(shù)據(jù)，利用各站載波相位數(shù)據(jù)進行導航衛(wèi)星精密定軌的具體步驟如下步驟1:采用Blewitt方法探測載波相位數(shù)據(jù)的周跳發(fā)生時刻，同時通過雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞方法TWSTFT，進行各站間的時間同步得到各站之間的鐘差；步驟2:采用相位平滑偽距的方法修復載波相位數(shù)據(jù)的周跳，得到連續(xù)的載波相位數(shù)據(jù)；步驟3:在慣性坐標系下解算微分方程得到導航衛(wèi)星的軌道，X為導航衛(wèi)星的狀態(tài)量、F(X，t)為t時刻的導航衛(wèi)星動力學模型、t。為初始時刻、X。為初始時刻的衛(wèi)星狀態(tài)量；所述的X二T，其中O!為X方向的位置坐標、h為Y方向的位置坐標、。3為Z方向的位置坐標、。4為X方向的速度、C^為Y方向的速度、o6為Z方向的速度、h為光壓參數(shù)、、載波相位數(shù)據(jù)的整周模糊度參數(shù)、、站鐘差參數(shù)、b4星鐘差參數(shù)；t為與X對應的時刻；解算步驟為步驟a:根據(jù)初始時刻的初始軌道X。和動力學模型F(X，t)，用數(shù)值積分的方法，解步驟b:以各站的載波相位數(shù)據(jù)與近似軌道進行差值計算，得到各站的定軌殘差0-C;步驟c:當各站的定軌殘差0-C大于門限值時，將各站的定軌殘差0-C與軌道X。進行矢量相加得到X'。，以X'。替代X。重復步驟a步驟c;步驟d:當各站的定軌殘差0-C均小于門限值時，確認本次步驟時的X'。為導航衛(wèi)星的初始時刻的軌道，本次步驟時的X(t)為導航衛(wèi)星在定軌弧段內任意時刻的軌道。所述的門限值O.051米。有益效果本發(fā)明提出的一種站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法，在IGS模式的區(qū)域布站情況下，在各站配備原子鐘和高精度的時間同步系統(tǒng)。在定軌數(shù)據(jù)處理之前，首先實現(xiàn)高精度的站間時間同步(即得到站間鐘差)。在定軌數(shù)據(jù)處理中，采用改進的非差方法，只需要解算軌道，不必求解站間鐘差，不僅可改善幾何因子，還有利于分離系統(tǒng)誤差(站間鐘差)。因而可提高定軌精度。1)在原子鐘和站間鐘差約束條件下，有助于解決周跳探測與修復，和模糊度的解算。a)各站接收機外接高性能原子鐘信號，提高載波相位觀測值的穩(wěn)定性，有利于探測周跳。使用Blewitt方法探測周跳，該方法對電離層變化的影響比較敏感。因此在電離層活動劇烈的情況下，需使用消除電離層的組合，這時該方法對接收機的鐘性能比較敏感。因此各站配備高性能原子鐘，有利于周跳的探測。b)站間通過TWSTFT實現(xiàn)時間同步，有利于模糊度的解算。各站通過雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞技術(TWSTFT)，實現(xiàn)高精度的站間時間同步。通過雙向衛(wèi)星時間傳遞可以近實時的實現(xiàn)站間高精度時間傳遞。時間同步準確度可達到約0.5ns0.75ns，穩(wěn)定度達到約0.lns。(IGS鐘差產(chǎn)品的站間時間同步準確度受接收機和天線時延校準的影響，校準水平目前約3ns;鐘差產(chǎn)品的穩(wěn)定度約0.lns。各站星鐘差(地面站鐘與衛(wèi)星鐘的差)、整周模糊度是密切相關的。利用TWSTFT事先實現(xiàn)站間同步，對于定軌是較好的約束條件。根據(jù)偽距測量的表達式p=1+tion+在上式中，P為對某顆星的偽距觀測值，1為地面站到衛(wèi)星的幾何距離，ti(m為信號傳播路徑上的電離層附加時延，Ti，為信號傳播路徑上的對流層附加時延，At為站星鐘差，nT為相位觀測的整周模糊度。從該式子可以看出，各個站星鐘差(地面站與衛(wèi)星的鐘差)、載波相位整周模糊度之間存在很強的相關性。因此給跟蹤網(wǎng)各站接收機外接原子鐘信號，并且在各站用TWSTFT實現(xiàn)高精度時間同步的約束條件下，有助于解決周跳探測與修復問題，有助于模糊度的解算。2)通過高精度站間鐘差(并且它是獨立于導航系統(tǒng)之外的手段)的輔助，在定軌過程中，有利于分離系統(tǒng)誤差(站間鐘差)，有效減少定軌參數(shù)，改善廣義幾何因子，從而提高定軌和預報精度、提高定軌計算的穩(wěn)定性。這里，我們引入"廣義幾何因子"(EDOP)的概念，來描述本發(fā)明中改進的定軌算法的優(yōu)越性。為此首先介紹GDOP的含義，然后引入EDOP的概念。①GD0P的含義是(在接收機定位應用中)將用戶的定位和定時誤差參數(shù)，和偽距誤差參數(shù)相關聯(lián)起來的幾何因子。即+《+《+<=xct,式中，左邊是總的定位誤差，右邊的oUEKE是用戶等效測距誤差。~———(W//)-1=21+D33+A4。23A2化3"44=;c2"少2上式中，向:(ayi，J是指向第i顆衛(wèi)星位置的單位矢量。②本發(fā)明中，我們引入的ED0P概念。其含義是(在衛(wèi)星定軌計算中)將衛(wèi)星軌道根數(shù)、星鐘差參數(shù)、光壓參數(shù)、相位觀測的整周模糊度參數(shù)等相互獨立的很多待解參數(shù)，和偽距誤差參數(shù)相關聯(lián)起來的幾何因子。幼(9尸=+￡>22+"33+D44+…+"朋1=123122324142A:14233324A,23443443w2A34￡1式中，Dll，D22，D33，D44與GD0P定義中的含義類似，但這里是指定軌過程，即"倒GPS定位"過程。從D55到Dnn對應于其他獨立的待解參數(shù)。從EDOp的定義可以看出，在定軌計算過程中，若需要求解的相互獨立的未知數(shù)個數(shù)越少，則EDOP越小，則定軌精度越高。以5個跟蹤站為例，在可以減少4個獨立的星地鐘差參數(shù)，有效改善ED0P，提高定軌精度。圖1:跟蹤站配置方案和整個系統(tǒng)的硬件配置框圖圖2:零基線比對系統(tǒng)硬件結構圖3:本方法的流程總體結構框圖圖4:昆明站的載波相位觀測數(shù)據(jù)(預處理前)圖5:昆明站的載波相位觀測數(shù)據(jù)(預處理后)具體實施例方式現(xiàn)結合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述依托中科院國家授時中心的轉發(fā)式測軌網(wǎng)(對通信衛(wèi)星測軌)，建立COMPASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國內測軌網(wǎng)(5個站)，使用本發(fā)明方法，進行COMPASS的MEO衛(wèi)星定軌試驗。試驗結果表明在各測軌站配備原子鐘和雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞系統(tǒng)的情況下，可有效提高衛(wèi)星定軌和軌道預報精度。建立5個測軌站，分別位于臨潼(國家授時中心)、上海、長春、昆明和烏魯木齊，構成國內測軌網(wǎng)。每個站除配備測地型COMPASS接收機外，還配備有高性能原子鐘和雙向衛(wèi)星時間傳遞(TWSTFT)系統(tǒng)。測軌網(wǎng)配置方案如圖1所示。在各測軌站，由銫原子鐘輸出高穩(wěn)性能的10MHz信號，送給COMPASS接收機。采用Blewitt方法探測周跳；用雙向衛(wèi)星時間同步(TWSTFT)計算各站原子鐘與主站原子鐘的鐘差各測軌站的COMPASS接收機，通過測量COMPASS衛(wèi)星下行的信號，得到載波相位觀測值。對各站的載波相位觀測值，使用通用的Blewitt方法探測周跳。在各測軌站，用SR620計數(shù)器(時間測量分辨率可達25ps)測量銫原子鐘時間與COMPASS接收機的鐘差，實現(xiàn)COMPASS接收機和銫原子鐘的時間同步。設備連接如圖2所示。使用各站的"雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞"(Two-WaySatelliteTimeandFrequencyTransfer，常縮寫為TWSTFT)系統(tǒng)，同時觀測GEO通信衛(wèi)星(試驗中使用"鑫諾一號"衛(wèi)星)，實現(xiàn)站間時間同步，得到各測軌站原子鐘與臨潼站(主站)原子鐘之間的鐘差。在我們的TWSTFT觀測中，使用20MChips偽碼，并且連續(xù)觀測，時間同步準確度優(yōu)于lns，穩(wěn)定度達到約0.lns。采用"相位平滑偽距"方法，做載波相位數(shù)據(jù)預處理使用"相位平滑偽距"的方法，對5個站(臨潼、上海、烏魯木齊等)的載波相位觀測數(shù)據(jù)進行預處理，修復周跳。具體如下地面接收機相對于實驗衛(wèi)星的觀測方程如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)其中，Pi是偽距，Li是載波相位對應的距離，P是衛(wèi)星至接收機的幾何距離，SPtr。p,i是對流層延遲，SPi。n,i是電離層延遲，￡,是噪聲，Xi是波長，&是整周模糊度，St是衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差總和，c是光速，下標i是對應的第i頻率。為消除一階電離層影響，采取雙頻組合<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)PC、LC分別是對應的無電離層組合，4、f2分別為對應的頻率，epe是組合后的偽距噪聲，A^是組合后的波長，是組合后的整周模糊度。(4)式與(3)式相減:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(5)在無相位周跳的時間段內，上述bw除了隨機噪聲誤差以外，基本保持為常數(shù)。對其在無相位周跳的時間段內進行平均，可以提高該量的精度。在探測到相位周跳后重新計算該參數(shù)值，將該值與(5)式右端第二項相加即可以得到相位平滑后的無電離層偽距觀測量(即預處理后的數(shù)據(jù))。以昆明站為例，預處理之前的載波相位數(shù)據(jù)見圖4，預處理后的載波相位數(shù)據(jù)見圖5。采用本發(fā)明的站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法進行導航衛(wèi)星精密定軌傳統(tǒng)的定軌計算方法為根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，求解各站鐘差、衛(wèi)星鐘差、軌道根數(shù)、光壓參數(shù)等。本發(fā)明方法為首先實現(xiàn)站間的雙向衛(wèi)星時間同步，將各站時間同步到主站，這樣定軌解算的待解參數(shù)為主站與衛(wèi)星的鐘差(對單顆衛(wèi)星定軌而言)、軌道根數(shù)、光壓參數(shù)等。本發(fā)明方法與傳統(tǒng)方法相比，待解算參數(shù)顯著減少。具體步驟如下根據(jù)牛頓第二定律進行推導，可以得到衛(wèi)星的微分運動方程為乂、乂這里X是待改進的狀態(tài)量，它包括衛(wèi)星的開普勒軌道根數(shù)o(或位置和速度矢量的3個分量)，和光壓參數(shù)(bl)、載波相位觀測的整周模糊度參數(shù)(b2)、站鐘差參數(shù)(b3)、星鐘差參數(shù)(b4)。X為n維向量，有X=[o丄，o2，o3，o4，o5，o6，b"b2，b3，b4]T對普通定軌方法，每個測站都有站鐘差(例如5個測站，就有5個站鐘差參數(shù))；而對本發(fā)明方法，各站已經(jīng)實現(xiàn)時間同步，因此只有主站有站鐘差，即只有1個站鐘差參數(shù)。上式是n個一階非線性方程組，其解的一般形式為X(t)=X(X。，t)衛(wèi)星的觀測量是狀態(tài)量的非線性函數(shù)，用下式表示y尸G(X,+=5(義"力+《式中，Yi表示ti時的實際觀測值(簡稱觀測值，記為0);g(Z。人A)由初始狀態(tài)X0出發(fā)，計算ti時的計算觀測量(簡稱計算值，記為C);ei為隨機噪聲。實際上由于初始狀態(tài)量XO不準，計算值和觀測值不相符。觀測值與計算值值之差稱為"O-C"或觀測殘差。精密定軌過程是通過一系列觀測值來估計初始狀態(tài)量XO的最佳估值f。，我們在此使用最佳判據(jù)是加權的觀測殘差的均方和為最小。具體的定軌計算步驟如下步驟a:根據(jù)初始時刻的初始軌道X。和動力學模型F(X，t)，用數(shù)值積分的方法，解步驟b:以各站的載波相位數(shù)據(jù)與近似軌道進行差值計算，得到各站的定軌殘差0-C;步驟c:當各站的定軌殘差0-C大于門限值(對本試驗，門限值在0.05mlm內選擇)時，將各站的定軌殘差o-c與軌道x。進行矢量相加得到x'。，以X'。替代X。重復步驟a步驟c;步驟d:當各站的定軌殘差0-C均小于門限值時，確認本次步驟時的X'。為導航衛(wèi)星的初始時刻的軌道，本次步驟時的X(t)為導航衛(wèi)星在定軌弧段內任意時刻的軌道。上述定軌方法的軟件設計方案在現(xiàn)有精密定軌軟件(COD軟件)的基礎上，對相應模塊進行修改，使用FORTRAN語言實現(xiàn)編程。軟件總體流程圖如圖3所示。定軌軟件的基本流程為相位觀測數(shù)據(jù)預處理，剔除野值；相位平滑偽距方法，對周跳和模糊度進行處理；零基線比對，對不同跟蹤站接收機設備時延的相對測量和計算；站間的雙向衛(wèi)星時間同步(TWSTFT)觀測；TWSTFT數(shù)據(jù)通信各站的TWSTFT觀測數(shù)據(jù)，實時傳遞到臨潼主站；實現(xiàn)TWSTFT歸算軟件，完成TWSTFT數(shù)據(jù)分析和處理，得到高精度的站間鐘差；TWSTFT比對結果顯示包括數(shù)值形顯示、圖形顯示；實現(xiàn)以站間時間同步為約束條件的定軌算法和軟件；對定軌結果做殘差分析；對比有站間同步的定軌結果，和無站間時間同步的定軌結果；結束。本發(fā)明方法定軌結果，以及與傳統(tǒng)定軌方法結果的比較為了比較傳統(tǒng)的定軌方法和本發(fā)明方法，我們使用對同一顆衛(wèi)星的完全相同的測軌站數(shù)據(jù)，進行定軌和軌道預報。傳統(tǒng)方法不使用站間時間同步數(shù)據(jù)；而本發(fā)明方法使用了站間時間同步數(shù)據(jù)，并使用本文改進的定軌算法。實際的結果如下所示。傳統(tǒng)方法結果(1)用重疊弧段方法表示的定軌結果跟蹤網(wǎng)為國家授時中心的國內5個跟蹤站網(wǎng)，各站配備雙向衛(wèi)星時間比對系統(tǒng)、高性能原子鐘、和COMPASS跟蹤接收機。對COMPASS的ME0衛(wèi)星進行跟蹤和定軌。每連續(xù)3天進行一次定軌計算，選取只有一天重疊的兩次定軌進行軌道比較，以此作為檢驗定軌精度的手段。重疊比較如表1所示，從表1可以看出5月17日、5月19日、5月23日、5月27日的軌道重疊誤差稍大，其他的軌道重疊誤差在R方向上基本小于l米，三維位置基本小于10米。(說明R方向為衛(wèi)星與地心連線方向；T方向為軌道面的沿跡方向，即切向；N方向為法向。)表1.2008年5月17日至5月28日定軌軌道重疊比較統(tǒng)計<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>(表中RMS_P指衛(wèi)星位置的均方根誤差，其他類推)(2)軌道預報結果用前三天資料精密定軌，解算出軌道參數(shù)以及太陽光壓系數(shù)進行預報，然后用精密軌道與之比較，如下表所示表2.2008年5月18日至5月23日軌道預報統(tǒng)計<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>本發(fā)明方法的結果(1)用重疊弧段方法表示的定軌結果以上每連續(xù)3天進行一次定軌計算，選取只有一天重疊的兩次定軌進行軌道比較，以此作為檢驗定軌精度的手段。由下表可以看出增加站間時間同步數(shù)據(jù)后定軌的重疊誤差要好很多。表3.2008年5月17日至5月21日重疊弧段軌道差統(tǒng)計<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(2)軌道預報結果用前三天資料精密定軌，解算出軌道參數(shù)以及太陽光壓系數(shù)進行預報，然后用精密軌道與之比較，如下表所示。從表4和表2的比較可以看出，本發(fā)明方法的軌道預報效果明顯好于傳統(tǒng)方法。表4.2008年5月18日至5月23日軌道預報統(tǒng)計<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權利要求一種站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法，其特征在于在區(qū)域網(wǎng)各站配備原子鐘和納秒級時間同步系統(tǒng)，區(qū)域網(wǎng)各站接收導航衛(wèi)星的測距信號，得到各站的載波相位數(shù)據(jù)，利用各站載波相位數(shù)據(jù)進行導航衛(wèi)星精密定軌的具體步驟如下步驟1采用Blewitt方法探測載波相位數(shù)據(jù)的周跳發(fā)生時刻，同時通過雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞方法TWSTFT，進行各站間的時間同步得到各站之間的鐘差；步驟2采用相位平滑偽距的方法修復載波相位數(shù)據(jù)的周跳，得到連續(xù)的載波相位數(shù)據(jù)；步驟3在慣性坐標系下解算微分方程得到導航衛(wèi)星的軌道，X為導航衛(wèi)星的狀態(tài)量、F(X，t)為t時刻的導航衛(wèi)星動力學模型、t0為初始時刻、X0為初始時刻的衛(wèi)星狀態(tài)量；所述的X＝[σ1，σ2，σ3，σ4，σ5，σ6，b1，b2，b3，b4，]T，其中σ1為X方向的位置坐標、σ2為Y方向的位置坐標、σ3為Z方向的位置坐標、σ4為X方向的速度、σ5為Y方向的速度、σ6為Z方向的速度、b1為光壓參數(shù)、b2載波相位數(shù)據(jù)的整周模糊度參數(shù)、b3站鐘差參數(shù)、b4星鐘差參數(shù)；t為與X對應的時刻；解算步驟為步驟a根據(jù)初始時刻的初始軌道X0和動力學模型F(X，t)，用數(shù)值積分的方法，解算微分方程得到近似軌道；步驟b以各站的載波相位數(shù)據(jù)與近似軌道進行差值計算，得到各站的定軌殘差O-C；步驟c當各站的定軌殘差O-C大于門限值時，將各站的定軌殘差O-C與軌道X0進行矢量相加得到X′0，以X′0替代X0重復步驟a～步驟c；步驟d當各站的定軌殘差O-C均小于門限值時，確認本次步驟時的X′0為導航衛(wèi)星的初始時刻的軌道，本次步驟時的X(t)為導航衛(wèi)星在定軌弧段內任意時刻的軌道。F2009102186663C0000011.tif,F2009102186663C0000012.tif2.根據(jù)權利要求1所述的站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法，其特征在于所述的門限值O.051米。全文摘要本發(fā)明涉及一種站間鐘差輔助的導航衛(wèi)星精密定軌方法，其特征在于在區(qū)域網(wǎng)各站配備原子鐘和納秒級時間同步系統(tǒng)，區(qū)域網(wǎng)各站接收導航衛(wèi)星的測距信號，得到各站的載波相位數(shù)據(jù)，采用Blewitt方法探測載波相位數(shù)據(jù)的周跳發(fā)生時刻，同時通過雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞方法TWSTFT，進行各站間的時間同步得到各站之間的鐘差；在慣性坐標系下解算微分方程得到導航衛(wèi)星的軌道。本發(fā)明的方法，在定軌數(shù)據(jù)處理之前，首先實現(xiàn)高精度的站間時間同步(即得到站間鐘差)。在定軌數(shù)據(jù)處理中，采用改進的非差方法，只需要解算軌道，不必求解站間鐘差，不僅可改善幾何因子，還有利于分離系統(tǒng)誤差(站間鐘差)。因而可提高定軌精度。文檔編號G01S19/39GK101702030SQ20091021866公開日2010年5月5日申請日期2009年10月29日優(yōu)先權日2009年10月29日發(fā)明者吳風雷,弓劍軍,李偉超,李志剛,楊旭海,胡小工,賈小林,雷輝申請人:中國科學院國家授時中心