一种实现北斗三号卫星定轨和时间同步的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用星间链路和锚固站实现北斗三号卫星定轨和时间同步的方法。属于卫星导航领域。该方法利用星间链路和锚固站的数据同时实现定轨和时间同步，不需要地面监测站，可以使北斗三号卫星摆脱对监测站的依赖，实现自主导航；数据处理过程过程中，不需要进行历元归化，因此不需要预报轨道信息，如果同时解算或忽略卫星钟差非零次项系数则也不需要预报钟差信息；仅需单向伪距数据，不需要双向数据配对，数据利用率高；同时解算卫星轨道和钟差，可以获得统计意义上的最优解，轨道和钟差具有更好的自洽性。

A Method for Orbit Determination and Time Synchronization of Beidou-3 Satellite

【技术实现步骤摘要】
一种实现北斗三号卫星定轨和时间同步的方法
本专利技术属于卫星导航领域，具体涉及一种利用星间链路和锚固站实现北斗三号卫星定轨和时间同步的方法。
技术介绍
众所周知，全球或区域导航卫星系统(如GPS、Galileo、GLONASS、BDS-2/3、QZSS等)由包括部署在地面的运行控制中心、监测站和运行在地球轨道上的若干卫星构成。常见的导航卫星轨道包括MEO(高度约20000km)、GEO和IGSO(高度约36000km)轨道，也可以是其他高度的轨道。每一颗所述卫星都搭载有高稳定性的原子钟以及向用户发送定位信号的导航信号设备，所述定位信号包括用户可进行测量的测距码、载波以及导航电文。用户接收机同时接收四颗以上所述卫星的信号、进行电磁波测量就可实现定位、测速或授时。所述导航电文包括用户进行定位测速授时所需的卫星轨道和时钟偏差(钟差)信息。这些信息通常由所述运行控制中心收集地面监测站(装备有高性能用户接收机)所获得的观测数据(包括码伪距和载波相位)，通过精确建模和参数估计确定出卫星的轨道和钟差，并进行预报后上注到所述卫星。其中确定轨道和钟差的过程常分别称为定轨和时间同步。为了使得所述轨道和钟差信息足够准确，需要广泛布设地面监测站(例如GPS、Galileo系统的监测站较均匀地分布于全球)以使每颗所述卫星在尽可能长的时间内被尽可能多的监测站观测到。所述监测站通常部署于陆地之上，由于地球表面陆海分布不均，国际政治外交关系和安全等因素，常常无法实现理想的监测站分布。例如中国的北斗卫星导航系统(BDS)的监测站都部署于中国境内，几乎没有境外监测站。为了在监测站局限于中国境内的情况下提供有竞争力的全球定位测速和授时服务能力，第三代北斗导航卫星(简称北斗三号或BDS-3)采用了星间链路技术，每颗卫星都搭载有星间链路设备，在Ka频段进行星间测距和信息传输，该设备还可以与装备有同样设备的地面站(这样的地面站称为锚固站)进行测距和信息传输。BDS-3的星间链路按照预先的建链规划采用时分多址的方式进行通信和测距，通过相控阵天线实现信号的接收和发射，以及波束指向控制。在预设的时间周期内，每颗卫星或每个锚固站(按建链规划)依次完成与其他卫星的通信和测距(锚固站之间不能直接通信和测距)，在任一时刻(隙)只能接收来自另外一颗卫星或锚固站的星间链路信号。例如每个上述时间周期内给每一对卫星A和B(A或B的其中之一也可以是锚固站)分配的时间帧为3秒，每颗卫星分别用1.5秒的时间依次进行信号的接收和发射，分别得到两个单程A->B和B->A伪距观测量。这些卫星之间或卫星与锚固站之间的伪距测量数据，可以联合地面监测站的数据用于北斗三号卫星的定轨和时间同步，也可以独立地用于北斗三号卫星的定轨和时间同步。由于锚固站布设方便，后者被认为可使导航卫星星座摆脱对地面运控站、监测站的依赖，实现“自主导航”。注意到，同一卫星或锚固站获得的伪距观测量是分别在不同时刻观测的。已知的利用所述星间链路和锚固站数据进行定轨(文献1：唐成盼,胡小工,周善石,等.利用星间双向测距数据进行北斗卫星集中式自主定轨的初步结果分析[J].中国科学：物理学力学天文学,2017,47(2):029501.)和时间同步(文献2：PanJ,HuX,ZhouS,TangC,GuoR,ZhuL,etal.Timesynchronizationofnew-generationBDSsatellitesusinginter-satellitelinkmeasurements.Advancesinspaceresearch.2018；61(1):145-53.)的方法是：1)首先将同一所述时间帧内一对卫星(或卫星与锚固站组成的“一对”)的两个单程伪距观测量进行卫星运动和钟差变化的修正(需要预报轨道和钟差信息)，得到在指定时刻(例如最近的整3秒时刻)收发同时的两个虚拟的单程伪距观测量，即归化伪距。2)将所得到的两个归化伪距相加除以2得到一个无钟差组合观测量；将两个所述归化伪距相减除以2得到一个无几何组合观测量，前者只包含轨道信息，后者只包含钟差信息。3)利用所述无钟差组合观测量进行定轨，利用无几何组合观测量联合星地双向时间频率比对(TWSTFT)数据进行时间同步，定轨和时间同步独立进行。上述已知的方法存在明显不足：1)需要双向单程伪距，实际应用中数据利用率低；2)轨道和钟差自洽性差；3)数据处理过程繁琐，特别是需要双向数据配对进行轨道和钟差信息解耦。4)归化伪距以及由此得到的无钟差或无几何组合观测量是线性相关的，但是实际处理过程中它们的相关性被忽略。5)锚固站数据在时间同步中没有发挥作用，星间链路需要联合星地双向时间频率比对(TWSTFT)数据才能进行北斗三号卫星的时间同步。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术的目的是提供一种利用星间链路和锚固站实现北斗三号卫星定轨和时间同步的方法。本专利技术所采用的技术方案是:一种利用星间链路和锚固站实现北斗三号卫星定轨和时间同步的方法，包括如下步骤：步骤一、汇集数据：汇集目标业务时间段内的所有卫星之间、卫星与锚固站之间的伪距观测数据以及所需的其他数据；步骤二、数据预处理，探测和剔除包含粗差的数据；步骤三、筛选数据：划分时间窗，将目标业务时间段划分为若干个互不重叠的时间窗，标记并记录每个伪距观测数据所对应的时间窗；步骤四、进行轨道积分。步骤五、进行模型改正和线性化，在进行线性化时，每颗卫星和每个锚固站的钟差用多项式表示；步骤六、解算未知参数；所述未知参数至少包括卫星轨道和卫星钟差参数，所述卫星钟差参数为非已知的多项式系数；步骤七、进行残差分析和收敛判断。如果满足收敛要求，则进入下一步，否则，不满足收敛要求，重新执行步骤四～七。步骤八、输出轨道和钟差解算结果；其中，所述步骤五中，必须对每颗所述卫星的星间链路设备的接收和发射时延偏差利用已知的方法获得的标定值进行改正；可选地，同时对每个锚固站的接收和发射时延利用已知值进行改正其中，所述步骤五中，所述多项式为分段多项式，即按一定间隔划分时间窗，对应每个时间窗，每颗卫星或每个锚固站的钟差分别用一个多项式表示。其中，所述步骤六中，未知参数至少包括每颗卫星的轨道和钟差参数，可选地包括以下非精确已知的参数：锚固站的对流层天顶延迟、锚固站钟差参数、锚固站设备的接收和发射时延、地球自转参数、锚固站的坐标。本专利技术的有益效果包括：1)利用星间链路和锚固站的数据同时实现定轨和时间同步，不需要地面监测站，可以使北斗三号卫星摆脱对监测站的依赖，实现自主导航；2)数据处理过程过程中，不需要进行历元归化，因此不需要预报轨道信息，如果同时解算或忽略卫星钟差非零次项系数则也不需要预报钟差信息；3)仅需单向伪距数据，不需要双向数据配对，数据利用率高；4)同时解算卫星轨道和钟差，可以获得统计意义上的最优解，轨道和钟差具有更好的自洽性。本专利技术进行定轨和时间同步的过程与传统的基于地面监测站数据的定轨和时间同步方法非常相似，为了使本专利技术获得的卫星钟差能够直接用于用户定位和授时解算，在步骤五中必须利用已知的方法(如文献3：阮仁桂,冯来平,贾小林.导航卫星星地/星间链路联合定轨中设备时延估计方法.测绘学报.2014；43(02):137-42,57)标定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用星间链路和锚固站实现北斗三号卫星定轨和时间同步的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、汇集数据：汇集目标业务时间段内的所有卫星之间、卫星与锚固站之间的伪距观测数据以及所需的其他数据；步骤二、数据预处理，探测和剔除包含粗差的数据；步骤三、筛选数据：划分时间窗，将目标业务时间段划分为若干个互不重叠的时间窗，标记并记录每个伪距观测数据所对应的时间窗；步骤四、进行轨道积分。步骤五、进行模型改正和线性化，在进行线性化时，每颗卫星和每个锚固站的钟差用多项式表示；步骤六、解算未知参数；所述未知参数至少包括卫星轨道和卫星钟差参数，所述卫星钟差参数为非已知的多项式系数；步骤七、进行残差分析和收敛判断。如果满足收敛要求，则进入下一步，否则，不满足收敛要求，重新执行步骤四～七。步骤八、输出轨道和钟差解算结果。

【技术特征摘要】
1.一种利用星间链路和锚固站实现北斗三号卫星定轨和时间同步的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、汇集数据：汇集目标业务时间段内的所有卫星之间、卫星与锚固站之间的伪距观测数据以及所需的其他数据；步骤二、数据预处理，探测和剔除包含粗差的数据；步骤三、筛选数据：划分时间窗，将目标业务时间段划分为若干个互不重叠的时间窗，标记并记录每个伪距观测数据所对应的时间窗；步骤四、进行轨道积分。步骤五、进行模型改正和线性化，在进行线性化时，每颗卫星和每个锚固站的钟差用多项式表示；步骤六、解算未知参数；所述未知参数至少包括卫星轨道和卫星钟差参数，所述卫星钟差参数为非已知的多项式系数；步骤七、进行残差分析和收敛判断。如果满足收敛要求，则进入下一步，否则，不满足收敛要求，重新执行步骤四～七。步骤八、输出轨道和钟差解算结果。2.一种如权利要求1所述的利用星间链路和锚固站实现北斗三号卫星定轨和时间同...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮仁桂，
申请(专利权)人：中国人民解放军六一五四零部队，
类型：发明
国别省市：陕西,61