利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法技术

本发明专利技术公开了属于导航卫星实时精密定轨技术领域，具体公开了利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法，包括：获取当前时刻的轨道状态，对当前时刻构建观测方程和包含当前时刻状态转移矩阵的状态方程，利用状态方程进行时间更新；获取当前时刻的超快速轨道的状态参数与约束方程标准差，计算得到超快速轨道相对于滤波轨道的改正数，构建约束方程；根据观测方程与约束方程进行量测更新，得到当前时刻的轨道状态改正数的估值，计算得到更新后的轨道状态参数；具有如下优点：明确了超快速轨道的预报部分精度与滤波轨道精度之间的关系，并对其关系进行数学建模；设置约束时间并加入约束方程，能够进一步缩短轨道收敛时间提高速度。高速度。高速度。

【技术实现步骤摘要】
利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法


[0001]本专利技术涉及导航卫星实时精密定轨
，具体而言，涉及利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法。

技术介绍

[0002]全球导航卫星系统(GNSS)是一种利用人造地球卫星播发的无线电波信号对地面或者空间用户进行导航定位的大型基础设施，具有全球性、全天候、高精度等优势。世界各国都在发展自己的GNSS系统，例如美国的GPS系统、欧盟的Galileo系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的BDS系统等。卫星轨道是导航系统的空间基准，基于广播星历的实时导航定位授时(PNT)服务是GNSS实时PNT服务的最基本形式。目前大部分实时定位导航用户采用广播星历作为实时轨道，GPS广播星历轨道精度优于1m，BDS广播星历轨道精度GEO卫星约为10m，IGSO/MEO卫星约为2m。由此可见，广播星历作为实时轨道的精度偏低，无法满足用户的高精度需求。为了提高实时PNT服务精度，可以使用精密单点定位(PPP)技术在状态域对流动站的观测值进行改正。PPP技术的出现可以使用户端的数据处理摆脱对基准站的依赖，但是由于无法通过站间观测量的差分来消除轨道和卫星钟差的影响，因此实时高精度卫星轨道、钟差产品是实现高精度实时PPP的关键，因此研究GNSS实时精密定轨具有重要的军事与商业意义。
[0003]目前实时精密定轨主要有批处理预报和扩展滤波两种模式，批处理预报模式的缺陷是如果卫星在初始时刻的状态参数、动力学参数不够准确，那么在长时间的积分后轨道精度会急剧降低。并且批处理预报模式需要将大量的观测数据储存起来进行事后批处理，计算效率较低、耗时较长，无法满足用户的实时需求。而扩展滤波模式不对轨道在参考时刻的状态进行估计，而是逐历元更新轨道的状态与动力学参数，能够减小数据储存量，提高计算效率，同时也可以减小事后模式中轨道初始参数不准确而导致方程线性化产生的误差。并且当卫星遇到机动或者故障时，可以及时通知用户采取合适的应对方式。该模式常用的滤波模型有扩展卡尔曼滤波、平方根信息滤波(SRIF)、自适应抗差滤波等。扩展滤波模式的问题是轨道收敛至厘米级需要较长的收敛时间，在收敛期间卫星精度较差。
[0004]目前已有研究提出利用超快速轨道约束来改善实时滤波轨道的收敛问题，主要利用超快速轨道对实时轨道参数进行约束，在实时解算过程中逐历元添加约束。但约束方程标准差的大小依靠经验值确定，缺乏普适性，且已有提出利用超快速轨道来改善实时滤波轨道的收敛问题，主要是利用超快速轨道对实时轨道参数进行先验约束，在轨道参数逐历元解算中并未起到约束作用。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法，确定了BDS
‑
3MEO卫星、GPS卫星、Galileo卫星各自约束方程标准差的大小，利用超快速轨道的预报部分逐历元对轨道参数进行约束，以增强轨道结果的强度、大幅度减小实时滤波轨道启动初期
的收敛时间。
[0006]有鉴于此，本专利技术的第一方面在于提供利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法。
[0007]本专利技术的第一方面提供了一种利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法，包括如下步骤：S1，对精密星历进行动力学拟合，得到滤波起始时刻的轨道状态与状态转移矩阵，设置约束时长和总处理时长；S2，获取当前时刻的轨道状态，对当前时刻构建观测方程和包含当前时刻状态转移矩阵的状态方程；S3，判断当前时刻与上一时刻的差值是否小于约束时长，若是则执行S4，若否则执行S5；S4，获取当前时刻的超快速轨道状态参数与约束方程标准差，计算得到超快速轨道相对于参考轨道的改正数和滤波轨道相对于参考轨道的改正数，以构建约束方程并加入S5的量测更新中对当前时刻的轨道状态改正数的估值进行修正；S5，根据状态方程，获取当前时刻的轨道状态参数的改正数，并根据观测方程，进行量测更新得到当前时刻的轨道状态改正数的估值，计算得到更新后的轨道状态参数并输出；S6，判断当前时刻与上一时刻的差值是否小于总处理时长，若是则返回S2并将下一时刻变为当前时刻，若否则结束。
[0008]进一步的，所述精密星历的选取时间为前48小时，以及总处理时长为72小时；所述约束时长对GPS卫星为14小时，或伽利略卫星为16小时，或北斗卫星为18小时。
[0009]进一步的，所述约束方程标准差采用下述公式获得：进一步的，所述约束方程标准差采用下述公式获得：其中，表示ECI坐标系下的超快速轨道相对于参考轨道的状态改正数与滤波轨道相对于参考轨道的状态改正数差异的标准差、G表示旋转矩阵、表示在RTN坐标系下的超快速轨道相对于参考轨道的状态改正数与滤波轨道相对于参考轨道的状态改正数差异的标准差、G
T
表示旋转矩阵的转置。
[0010]进一步的，所述旋转矩阵G采用下述公式获得：G＝(g1,g2,g3)
T
；其中，T表示矩阵转置运算符、g1表示旋转矩阵的第一个列向量，且g2表示旋转矩阵的第二个列向量，且g3表示旋转矩阵的第三个列向量，且g2＝g1*g3、r表示卫星当前时刻在ECI坐标系下的位置矢量、表示卫星当前时刻在ECI坐标系下的速度矢量。
[0011]进一步的，所述约束方程标准差为在卫星轨道坐标系下超快速轨道相对于参考轨道的状态改正数与滤波轨道相对于参考轨道的状态改正数之间的差异的标准差。
[0012]进一步的，所述约束方程具体为下述公式：
[0013][0014]其中，表示当前时刻超快速产品相对于参考轨道的状态改正数，且x(t
i
)表示当前时刻的轨道状态改正数、表示当前时刻的超快速轨道状态参数、X
*
(t
i
)表示当前时刻的参考轨道状态。
[0015]进一步的，所述构建约束方程用于使滤波轨道向超快速轨道接近，且接近的程度
取决于以使滤波轨道起始之后的收敛速度加快。
[0016]进一步的，所述S2的步骤，具体包括：S201，对前一时刻的轨道状态进行动力学积分，获取当前时刻的轨道状态和状态转移矩阵，构建状态方程；S202，读取当前时刻每个观测站的伪距和相位观测值，构建观测方程。
[0017]进一步的，所述S4中修正的步骤，具体为：在滤波器中，通过设定的标准差大小，限制的变化范围，以减小当前时刻的轨道状态改正数估值偏差。
[0018]本专利技术与现有技术相比所具有的有益效果：
[0019]首先利用平方根信息滤波器(SRIF)作为滤波估计器，相较于卡尔曼滤波器数值精度更高、滤波解更稳定；其次，明确了超快速轨道的预报部分精度与收敛后的滤波轨道精度之间的关系，并对其关系进行数学建模，为不同卫星系统的约束方程标准差选取确定了具有普适性的结论；最后将约束方程标准差添加在RTN坐标系下，再转换到地心惯性坐标系(ECI)中，在滤波轨道解算过程中逐历元添加约束。
[0020]相较于现有研究，能够进一步缩短轨道收敛时间，其中GPS、Gal本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，对精密星历进行动力学拟合，得到滤波起始时刻的轨道状态与状态转移矩阵，设置约束时长和总处理时长；S2，获取当前时刻的轨道状态，对当前时刻构建观测方程和包含当前时刻状态转移矩阵的状态方程；S3，判断当前时刻与上一时刻的差值是否小于约束时长，若是则执行S4，若否则执行S5；S4，获取当前时刻的超快速轨道状态参数与约束方程标准差，计算得到超快速轨道相对于参考轨道的改正数和滤波轨道相对于参考轨道的改正数，以构建约束方程并加入S5的量测更新中对当前时刻的轨道状态改正数的估值进行修正；S5，根据状态方程，进行时间更新获取当前时刻的轨道状态参数的改正数，并根据观测方程，进行量测更新得到当前时刻的轨道状态改正数的估值，计算得到更新后的轨道状态参数并输出；S6，判断当前时刻与上一时刻的差值是否小于总处理时长，若是则返回S2并将下一时刻变为当前时刻，若否则结束。2.根据权利要求1所述的利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法，其特征在于，所述精密星历的选取时间为前48小时，以及总处理时长为72小时；所述约束时长对GPS卫星为14小时，或伽利略卫星为16小时，或北斗卫星为18小时。3.根据权利要求1所述的利用超快速轨道约束的GNSS卫星实时精密定轨方法，其特征在于，所述约束方程标准差采用下述公式获得：其中，表示ECI坐标系下的超快速轨道相对于参考轨道的状态改正数与滤波轨道相对于参考轨道的状态改正数之间的差异的标准差、G表示旋转矩阵、表示在RTN坐标系下的超快速轨道相对于参考轨道的状态改正数与滤波轨道相对于参考轨道的状态改正数之间的差异的标准差、G
T
表示旋转矩阵的转置。4.根据权利要求3所述的利用超快速...

【专利技术属性】
技术研发人员：施闯，周立勤，范磊，方欣颀，张涛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：