基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法及系统技术方案

一种基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法及系统，所述偏置星载加速度计设置在偏离GNSS卫星质心的位置，选取IGS跟踪站提供的GNSS观测数据以及GNSS卫星偏置星载加速度计数据；数据预处理，包括粗差探测、GNSS观测数据周跳探测、模型改正和偏置星载加速度计数据归算，得到GNSS卫星质心处的非保守力加速度；结合检校后的非保守力加速度和GNSS卫星轨道动力学模型，建立GNSS卫星的轨道积分和变分方程；解算GNSS卫星轨道初始参数、GNSS卫星钟差和星载加速度计校准参数，实现GNSS卫星精密定轨。本发明专利技术应用时偏置星载加速度计设计安装简易方便，可精确测量GNSS卫星所受到的非保守力，同时避免了传统方法中复杂的太阳辐射压建模不精确的问题，可实现GNSS卫星轨道预报。

【技术实现步骤摘要】
基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法及系统
本专利技术属于导航卫星精密定轨
，涉及一种基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方案。
技术介绍
自上世纪70年代以来，GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem全球导航卫星系统)以其全球性、全覆盖、高精度、连续、快速、实时以及高精度等优势，目前已经被广泛地应用于测绘、电信、水利、交通运输和国家安全等诸多领域，并逐步发挥重要作用。GNSS卫星的精密定轨是GNSS技术发展和应用的前提和基础，只有获取高精度的GNSS卫星精密轨道，才能进行精密定位和开拓其它应用。GNSS卫星的轨道受到多种摄动力的影响。其轨道动力学模型主要包括保守力和非保守力两个部分。保守力部分包括地球引力,潮汐引力以及三体引力等，其中地球引力是作用于卫星上的主要保守力；对GNSS卫星(轨道高度20000km以上)而言，非保守力部分包括太阳辐射压,地球辐射压等，其中太阳辐射压是非保守力中的主要部分。对于保守力，均可采用已有模型提供精确的卫星轨道动力学信息；而非保守力部分，尤其是太阳辐射压，则很难采用模型予以精确改正，非保守摄动力仍是影响GNSS卫星精密定轨的主要因素之一。太阳辐射压是由于太阳光子与卫星接触所产生的力,不仅与太阳辐射信息,卫星几何物理信息以及太阳-卫星轨道面之间的相对位置关系有关，而且受到卫星表面结构、卫星姿态变化等一系列复杂因素的影响。另一方面，星载加速度计可以高精度地测量非保守力，已成功应用于多颗重力卫星任务(CHAMP、GRACE、GOCE和GRACE-FO等)，目前尚未实际应用星载加速度计增强GNSS卫星精密定轨。针对以上特点，研究人员对GNSS卫星太阳辐射压模型进行大量研究，提出了多种太阳辐射压模型；也有研究人员基于模拟数据提出了星载加速度计联合星间链路数据的GNSS卫星自主定轨方法。但这些方法仍存在问题：(1)太阳辐射压过于复杂。现有的太阳辐射压模型均无法对太阳辐射压进行理想的改正，精度难以有质的提高。(2)星载加速度计设置对卫星结构设计要求苛刻。一些方法仿照重力卫星任务的星载加速度计，模拟时将星载加速度计的设计在GNSS卫星质心，然后辅助增强GNSS卫星精密定轨。由于GNSS卫星的功能构造复杂，GNSS卫星的核心功能不受影响的前提下，未来GNSS卫星难以保证星载加速度计设置在GNSS卫星质心，相应的方法将难以应用。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供一种星载加速度计对卫星结构设计要求简易，且能精确提供非保守力信息，辅助增强GNSS卫星精密定轨的方案。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为一种基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法，所述偏置星载加速度计设置在偏离GNSS卫星质心的位置，定轨过程包括以下步骤，步骤a，选取全球均匀分布的IGS跟踪站提供的GNSS观测数据以及GNSS卫星偏置星载加速度计数据；所述GNSS观测数据中包含伪距观测值和载波相位观测值；步骤b，对步骤a中得到的全球跟踪站GNSS观测数据和GNSS卫星偏置星载加速度计数据进行数据预处理，包括粗差探测、GNSS观测数据周跳探测、模型改正和偏置星载加速度计数据归算，得到GNSS卫星质心处的非保守力加速度；步骤c，利用步骤b所得数据预处理后的全球跟踪站GNSS观测数据和星载加速度计数据作为基础，结合检校后的非保守力加速度和GNSS卫星轨道动力学模型，建立GNSS卫星的轨道积分和变分方程；步骤d，利用步骤c所得GNSS卫星的轨道积分和变分方程，解算GNSS卫星轨道初始参数、GNSS卫星钟差和星载加速度计校准参数，实现基于偏置星载加速度计增强的GNSS卫星精密定轨。而且，步骤a的实现方式包括如下子步骤，步骤a1，随机选取IGS跟踪站，若跟踪站数量小于预设的相应阈值N1，则继续选取下一个跟踪站，否则进入步骤a2；步骤a2，获取步骤a1所选取的IGS跟踪站的GNSS观测数据和GNSS卫星偏置星载加速度计数据，并统计已获取数据的GNSS卫星数量，若GNSS卫星数量小于预设的相应阈值N2，则进入步骤a1继续选取新的IGS跟踪站，否则进入步骤a3；步骤a3，判断已选取的IGS跟踪站是否全球分布均匀，若分布不均匀，则删除较密集区域的部分IGS跟踪站及其对应的数据后，进入步骤a1。而且，步骤b的实现方式包括如下子步骤，步骤b1，对IGS跟踪站的GNSS观测数据的伪距观测值进行粗略的数据编辑，获取数据编辑后的伪距观测值Pc，然后遍历进行粗差探测，如数据编辑后的伪距观测值Pc大于预设的相应阈值Pi，则标记相应观测历元后剔除，否则不做数据标记；步骤b2，对IGS跟踪站的GNSS观测数据的载波相位观测值进行粗略的数据编辑，获取数据编辑后的载波相位观测值Lc，然后遍历进行周跳探测，如数据编辑后的载波观测值Lc大于预设的相应阈值Li，则标记相应观测历元发生周跳，否则不做周跳标记；步骤b3，利用粗差探测和周跳探测后的GNSS观测数据，进行模型改正，计算改正后的GNSS伪距观测值和载波相位观测值步骤b4，对偏置的GNSS卫星星载加速度计的观测值进行数据归算，根据＝GNSS卫星轨道动力学模型，顾及重力梯度和卫星姿态旋转的影响，计算GNSS卫星质心处的非保守力加速度如下：其中，Vij为GNSS卫星质心处地球重力场在不同方向i和j上对应的重力梯度，i,j＝x,y,z，x,y,z表示星固系的三个方向；为星载加速度计质心到GNSS卫星质心的向量；为GNSS卫星的角速度，为对时间的导数，为卫星机动的加速度。而且，步骤c的实现方式包括如下子步骤，步骤c1，利用步骤b中得到的GNSS卫星质心处的非保守力加速度计算检校后的非保守力加速度步骤c2，利用检校后的非保守力加速度和GNSS卫星轨道动力学模型，计算不同时刻GNSS卫星状态之间的状态转移矩阵Φ(t,t0)，其中Φ(t,t0)需满足条件和为GNSS卫星在t0和t时刻的状态；步骤c3，利用步骤b改正后得到的t时刻GNSS伪距观测值和载波相位观测值建立与GNSS卫星初始状态的关系。而且，步骤d的实现方式包括如下子步骤，步骤d1，利用步骤c建立的GNSS卫星的轨道积分和变分方程，建立间接平差观测方程；步骤d2，利用步骤d1建立的间接平差观测方程，采用最小二乘方法平差，解算GNSS卫星轨道初始参数、GNSS卫星钟差和星载加速度计校准参数，实现基于偏置星载加速度计增强的GNSS卫星精密定轨。本专利技术还提供一种基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强系统，其特征在于：用于实现如上所述的一种基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法。而且，所述偏置星载加速度计设置在偏离GNSS卫星质心的位置，设置包括以下模块，第一模块，用于选取全球均匀分布的IGS跟踪站提供的GNSS观测数据以及GNSS卫星偏置星载加速度计数据；所述GNSS观测数据中包含伪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法，其特征在于：所述偏置星载加速度计设置在偏离GNSS卫星质心的位置，定轨过程包括以下步骤，/n步骤a，选取全球均匀分布的IGS跟踪站提供的GNSS观测数据以及GNSS卫星偏置星载加速度计数据；所述GNSS观测数据中包含伪距观测值和载波相位观测值；/n步骤b，对步骤a中得到的全球跟踪站GNSS观测数据和GNSS卫星偏置星载加速度计数据进行数据预处理，包括粗差探测、GNSS观测数据周跳探测、模型改正和偏置星载加速度计数据归算，得到GNSS卫星质心处的非保守力加速度；/n步骤c，利用步骤b所得数据预处理后的全球跟踪站GNSS观测数据和星载加速度计数据作为基础，结合检校后的非保守力加速度和GNSS卫星轨道动力学模型，建立GNSS卫星的轨道积分和变分方程；/n步骤d，利用步骤c所得GNSS卫星的轨道积分和变分方程，解算GNSS卫星轨道初始参数、GNSS卫星钟差和星载加速度计校准参数，实现基于偏置星载加速度计增强的GNSS卫星精密定轨。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法，其特征在于：所述偏置星载加速度计设置在偏离GNSS卫星质心的位置，定轨过程包括以下步骤，
步骤a，选取全球均匀分布的IGS跟踪站提供的GNSS观测数据以及GNSS卫星偏置星载加速度计数据；所述GNSS观测数据中包含伪距观测值和载波相位观测值；
步骤b，对步骤a中得到的全球跟踪站GNSS观测数据和GNSS卫星偏置星载加速度计数据进行数据预处理，包括粗差探测、GNSS观测数据周跳探测、模型改正和偏置星载加速度计数据归算，得到GNSS卫星质心处的非保守力加速度；
步骤c，利用步骤b所得数据预处理后的全球跟踪站GNSS观测数据和星载加速度计数据作为基础，结合检校后的非保守力加速度和GNSS卫星轨道动力学模型，建立GNSS卫星的轨道积分和变分方程；
步骤d，利用步骤c所得GNSS卫星的轨道积分和变分方程，解算GNSS卫星轨道初始参数、GNSS卫星钟差和星载加速度计校准参数，实现基于偏置星载加速度计增强的GNSS卫星精密定轨。


2.根据权利要求1所述基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法，其特征在于：步骤a的实现方式包括如下子步骤，
步骤a1，随机选取IGS跟踪站，若跟踪站数量小于预设的相应阈值N1，则继续选取下一个跟踪站，否则进入步骤a2；
步骤a2，获取步骤a1所选取的IGS跟踪站的GNSS观测数据和GNSS卫星偏置星载加速度计数据，并统计已获取数据的GNSS卫星数量，若GNSS卫星数量小于预设的相应阈值N2，则进入步骤a1继续选择新的IGS跟踪站，否则进入步骤a3；
步骤a3，判断已选取的IGS跟踪站是否全球分布均匀，若分布不均匀，则删除较密集区域的部分IGS跟踪站及其对应的数据后，进入步骤a1。


3.根据权利要求2所述基于偏置星载加速度计的GNSS卫星精密定轨增强方法，其特征在于：步骤b的实现方式包括如下子步骤，
步骤b1，对IGS跟踪站的GNSS观测数据的伪距观测值进行粗略的数据编辑，获取数据编辑后的伪距观测值Pc，然后遍历进行粗差探测，如编辑后的伪距观测值Pc大于预设的相应阈值Pi，则标记相应观测历元后剔除，否则不做数据标记；
步骤b2，对IGS跟踪站的GNSS观测数据的载波相位观测值进行粗略的数据编辑，获取数据编辑后的载波相位观测值Lc，然后遍历进行周跳探测，如数据编辑后的载波观测值Lc大于预设的相应阈值Li，则标记相应观测历元发生周跳，否则不做周跳标记；
步骤b3，利用粗差探测和周跳探测后的GNSS观测数据，进行模型改正，计算改正后的GNSS伪距观测值和载波相位观测值
步骤b4，对偏置的GNSS卫星星载加速度计的观测值进行数据归算，根据GNSS卫星轨道动力学模型，顾及重力梯度和卫星姿态旋转的影响，计算GNSS卫星质心处的非保守力加速度如下：



其中，Vij为GNSS卫星质心处地球重力场在不同方向i和j上对应的重力梯度，i,j＝x,y,z，x,y,z表示星固系的三个方向；为星载加速度计质心到GNSS卫星质心的向量；为GNSS卫星的角速度，为对时间的导数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹贤才，李建成，魏辉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42