基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法。所述几何解算方法利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行连续的跟踪观测，采用非差法对低轨卫星进行精密运动学定轨；接着利用低轨卫星上搭载的卫星激光测距角反射棱镜得到的SLR激光测距值，对SLR观测资料进行系统误差改正，将其换算成高精度的SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，结合多历元单颗/多颗低轨卫星的精密几何轨道，根据距离交会定位原理，由最小二乘方法解算出地面SLR观测台站的三维几何坐标。本发明专利技术利用低轨卫星的星载GNSS数据和SLR跟踪观测资料，采用几何方法，实现地面SLR观测台站的高精度几何坐标解算；相比经典的动力学解算，避免了复杂的动力学模型。

【技术实现步骤摘要】
基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法
本专利技术涉及一种基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法。
技术介绍
卫星激光测距(SatelliteLaserRanging，简称SLR)是利用测量激光脉冲在地面与卫星之间的往返传播时间来进行对卫星跟踪观测的一种双程测距方法，这是它与其它空间观测技术，诸如甚长基线干涉测量(VLBI)、全球导航卫星系统(GNSS)、卫星多普勒定轨定位系统(DORIS)等的主要差别。GNSS是在一个全球或区域范围内，提供精确定位、导航和时间服务的一项非常重要的空间技术。GNSS主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和其他几个新出现的全球/区域导航卫星系统，如欧洲的伽利略和中国的北斗系统。当前以VLBI、SLR、GNSS和DORIS为主的空间大地测量技术有了很快的发展，这些不同的空间大地测量技术建立了各自的地球参考框架，将不同的空间大地测量技术获得的数据和结果集成与融合问题是一个具有挑战性的课题。目前国际上公认的精度最高、被广泛采用的国际地球参考框架ITRF是由上述四种空间大地测量技术所提供的全球范围内一系列测站站坐标和站速度综合的结果予以实现和维持的。由于不同的空间大地测量技术建立的参考框架之间本身含有差异，这些差异是影响ITRF精度的主要因素，目前国际地球自转和参考系服务(IERS)组织通过多种空间大地测量技术的并置观测技术来实现不同技术框架的统一，对于并置站的偏心向量的测量是IERS长期测量任务。在并置站中，由于VLBI和SLR技术采用的大口径望远镜导致无法通过外部的测量标志直接测定其测量中心，进而采用台站的旋转几何中心作为参考点，再利用经典的大地控制网测量即可测量出GNSS与SLR台站之间的归心向量，进而求得在GNSS技术下的SLR台站坐标。目前对SLR台站坐标解算是通过动力学方法对地球动力学卫星进行精密定轨，从而完成对SLR台站坐标的动力学解算，然而，此种解算方式需要建立复杂的动力学模型。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，以克服SLR台站坐标解算时需要建立复杂力学模型的不足。本专利技术为了实现上述目的，采用如下技术方案：基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，包括如下步骤：s1利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行跟踪观测，在GNSS卫星多于三颗的条件下以非差法进行运动学精密定轨；利用几何方式，使用星载GNSS观测量，由最小二乘方法估计每个历元的低轨卫星三维坐标；解算出的低轨卫星几何轨道信息作为SLR台站解算的起算数据；s2.利用低轨卫星上装载的激光后向反射棱镜，得到地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值；对SLR台站及SLR观测资料进行各项系统误差改正，将实际观测数据归算为SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，将改正后的激光测距值作为SLR台站解算的几何观测值；s3.利用解算出的多历元低轨卫星几何轨道信息和改正后的激光测距值，建立观测方程，由最小二乘方法求解出地面SLR台站三维几何坐标，具体计算过程如下：SLR台站对低轨卫星的观测方程为：公式(1)中，低轨卫星在历元i的位置矢量为(xi，yi，zi)；SLR台站的真实位置矢量为(x，y，z)，ρslr是激光测距值，Δρtro是大气折射延迟改正；Δρscc是卫星质心补偿修正；Δρrel是广义相对论效应修正，Δρec测站偏心改正，Δρsyms是测站测距系统改正，Δρtd为潮汐改正，Δρcm地壳运动改正，ε是观测噪声，其中激光测距值的权pi；定义SLR台站位置的近似坐标为(x0,y0,z0)，将公式(1)在SLR台站近似坐标(x0,y0,z0)处用泰勒级数展开后，保留一阶项，可得线性化的观测方程为：公式(2)中，vx，vy，vz分别为SLR台站近似位置处坐标三个分量x0,y0,z0的改正数；其中，vx＝x-x0，vy＝y-y0，vz＝z-z0；为从SLR台站近似位置至第i历元的低轨卫星之间的距离；分别是从SLR台站近似位置到低轨卫星方向上的方向余弦；令当SLR台站对低轨卫星的观测历元数i>3时,误差方程可表示为：vi＝-livx-mivy-nivz+hi(3)公式(3)中，i＝1,2,…n,n>3；hi为常数项，且令：V＝[v1v2v3…vn]T；X＝[vxvyvz]T；H＝[-h1-h2-h3…-hn]T；则公式(2)可改写为：相应的最小二乘解为：利用解算出的改正数更新SLR台站近似位置的坐标(x0,y0,z0)；重复执行上述步骤(2)-步骤(5)计算，使不断逼近改正后的激光测距值；当满足迭代计算收敛精度时，则退出循环即可求得最终的SLR台站几何坐标及其精度。所述步骤s1中，在解算出低轨卫星几何轨道信息后，将低轨卫星位置内插到SLR观测时刻；内插方法采用非动力学平滑的内插方法，内插精度保持毫米级精度。本专利技术具有如下优点：本专利技术能够通过低轨卫星星载GNSS和SLR观测资料，运用几何方法实现对地面SLR台站三维坐标的几何解算，相比以往通过动力学方法对SLR台站三维坐标的解算，避免了复杂的动力学模型，方法更为简洁；并且实现了在GNSS技术构建的IGS框架内的SLR台站几何坐标求解，比传统的利用大地控制网实现的归心测量更为方便，为多种空间大地测量技术的融合提供一种新的思路。附图说明图1为基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法的流程图；图2为本专利技术中卫星激光测距台站对低轨卫星的观测示意图；图3为SLR台站对GRACE-A卫星的可视区域分布示意图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明：结合图1所示，本专利技术实施例给出了一种基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，其包括如下步骤：s1.利用低轨卫星星载GNSS技术对低轨卫星进行精密运动学定轨。如图2所示，利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行跟踪观测，在GNSS卫星(诸如GPS卫星等)多于三颗的条件下以非差法进行运动学精密定轨。在图2中，GNSSSatellite代表GNSS卫星，LEOSatellite代表低轨卫星，LaserStation代表SLR台站。利用几何方式，使用星载GNSS观测量，由最小二乘方法估计每个历元的低轨卫星三维坐标；解算出的低轨卫星几何轨道信息作为SLR台站解算的起算数据。该步骤s1中解算出的低轨卫星几何轨道信息，例如可以是一颗低轨卫星的多历元下的几何定轨结果或者是多颗低轨卫星多历元下的几何定轨结果。在解算出低轨卫星几何轨道信息后，需要将低轨卫星位置内插到SLR观测时刻；内插方法采用非动力学平滑的内插方法，内插精度保持毫米级精度。s2.对低轨卫星的SLR观测资料进行预处理，从而将地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值转换为高精度的SLR台站与低轨卫星质心之间的距离观测值。具体的，利用低轨卫星上装载的激光后向反射棱镜，得到地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值；对SLR台站及SLR观测资料进行各项系统误差改正，将实际观测数据归算为SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，将改正后的激光测距值作为SLR台站解算的几何观测值。s3.利用解算出的多历元本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，其特征在于，包括如下步骤：s1.利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行跟踪观测，在GNSS卫星多于三颗的条件下以非差法进行运动学精密定轨；利用几何方式，使用星载GNSS观测量，由最小二乘方法估计每个历元的低轨卫星三维坐标；解算出的低轨卫星几何轨道信息作为SLR台站解算的起算数据；s2.利用低轨卫星上装载的激光后向反射棱镜，得到地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值；对SLR台站及SLR观测资料进行各项系统误差改正，将实际观测数据归算为SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，将改正后的激光测距值作为SLR台站解算的几何观测值；s3.利用解算出的多历元低轨卫星几何轨道信息和改正后的激光测距值，建立观测方程，由最小二乘方法求解出地面SLR台站三维几何坐标，具体计算过程如下：SLR台站对低轨卫星的观测方程为：

【技术特征摘要】
1.基于低轨卫星星载GNSS技术的SLR台站三维坐标几何解算方法，其特征在于，包括如下步骤：s1.利用低轨卫星上搭载的GNSS接收机进行跟踪观测，在GNSS卫星多于三颗的条件下以非差法进行运动学精密定轨；利用几何方式，使用星载GNSS观测量，由最小二乘方法估计每个历元的低轨卫星三维坐标；解算出的低轨卫星几何轨道信息作为SLR台站解算的起算数据；s2.利用低轨卫星上装载的激光后向反射棱镜，得到地面SLR台站对低轨卫星的激光测距值；对SLR台站及SLR观测资料进行各项系统误差改正，将实际观测数据归算为SLR台站与低轨卫星质心之间的距离，将改正后的激光测距值作为SLR台站解算的几何观测值；s3.利用解算出的多历元低轨卫星几何轨道信息和改正后的激光测距值，建立观测方程，由最小二乘方法求解出地面SLR台站三维几何坐标，具体计算过程如下：SLR台站对低轨卫星的观测方程为：公式(1)中，低轨卫星在历元i的位置矢量为(xi，yi，zi)；SLR台站的真实位置矢量为(x，y，z)，ρslr是激光测距值，Δρtro是大气折射延迟改正；Δρscc是卫星质心补偿修正；Δρrel是广义相对论效应修正，Δρec测站偏心改正，Δρsyms是测站测距系统改正，Δρtd为潮汐改正，Δρcm地壳运动改正，ε是观测噪声，其中激光测距值的权pi；定义SLR台站位置的近似坐标为(x0,y0,z0)，将公式(1)在SLR台站近似坐标(x0,y0,z0)处用泰勒级数展开后，保留一阶项，可得线性化的观测方程为：

【专利技术属性】
技术研发人员：郭金运，王友存，刘新，孔巧丽，沈毅，刘路，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37