基于GNSS定位信息的低轨卫星轨道误差修正方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于GNSS定位信息的低轨卫星轨道误差修正方法及系统，该轨道误差修正方法包括：建立低轨卫星的运动方程；获取低轨卫星的TLE文件；利用GNSS接收机捕获卫星导航信号以获取本地位置矢量和本地速度矢量；利用低轨卫星接收机量测得到低轨卫星与低轨卫星接收机之间的多普勒频移量测值；根据运动方程建立以低轨卫星的位置矢量和速度矢量为状态量的状态方程；根据TLE文件、本地位置矢量、本地速度矢量以及多普勒频移量测值建立量测方程；基于状态方程和量测方程通过卡尔曼滤波对低轨卫星的轨道误差进行修正。应用本发明专利技术的技术方案，以解决现有技术中通过TLE文件计算得出的低轨卫星轨道信息误差大导致定位精度低的技术问题。低的技术问题。低的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
基于GNSS定位信息的低轨卫星轨道误差修正方法及系统


[0001]本专利技术涉及机会信号导航
，尤其涉及一种基于GNSS定位信息的低轨卫星轨道误差修正方法及系统。

技术介绍

[0002]当前，卫星导航应用领域广泛，涉及到国民生产生活的方方面面，同时也是各种精确制导武器的重要组成部分。传统导航卫星均分布在中高轨道上，信号到达地面时已经非常微弱，加上信号格式都是公开的，很容易遭受到干扰和欺骗。相比较之下，低轨卫星由于其轨道高度较低，信号到达地面的功率更强，且卫星的几何位置变化快，因此，目前各国争相竞争发射低轨卫星。
[0003]利用低轨卫星进行定位目前已经得到较为广泛的应用，比如美国铱星通信公司提供的卫星授时与定位系统(STL)已因具备全球定位系统(GPS)的备份功能而被使用。但是低轨卫星的主要通途是用来通信，并不会像GNSS(全球导航卫星系统)一样实时播发导航电文，而且对于非合作的卫星其通信内容和格式都是经过加密的，因此，得到低轨卫星轨道信息的方式大多依赖于北美航空司令部发布的两行根数文件(TLE文件)。虽然TLE文件每天都会进行更新，但是根据TLE文件计算出来的卫星轨道具有非常大的误差，该误差甚至是公里级别的，对定位结果的影响非常大，减小TLE文件带来的轨道误差有助于提高低轨卫星的定位精度。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题之一，本专利技术提供了一种基于GNSS定位信息的低轨卫星轨道误差修正方法及系统。
[0005]根据本专利技术的一方面，提供了一种基于GNSS定位信息的低轨卫星轨道误差修正方法，轨道误差修正方法包括：
[0006]建立低轨卫星的运动方程；
[0007]获取低轨卫星的TLE文件；
[0008]利用GNSS接收机捕获卫星导航信号以获取本地位置矢量和本地速度矢量；
[0009]利用低轨卫星接收机量测得到低轨卫星与低轨卫星接收机之间的多普勒频移量测值；
[0010]根据运动方程建立以低轨卫星的位置矢量和速度矢量为状态量的状态方程；
[0011]根据TLE文件、本地位置矢量、本地速度矢量以及多普勒频移量测值建立量测方程；
[0012]基于状态方程和量测方程通过卡尔曼滤波对低轨卫星的轨道误差进行修正。
[0013]进一步地，根据TLE文件、本地位置矢量、本地速度矢量以及多普勒频移量测值建立量测方程包括：
[0014]根据TLE文件、本地位置矢量和本地速度矢量预测得到低轨卫星与低轨卫星接收
机之间的多普勒频移预测值；
[0015]根据多普勒频移量测值和多普勒频移预测值建立量测方程。
[0016]进一步地，根据TLE文件、本地位置矢量和本地速度矢量预测得到低轨卫星与低轨卫星接收机之间的多普勒频移预测值包括：
[0017]根据TLE文件预测得到低轨卫星的预测位置矢量和预测速度矢量；
[0018]根据预测位置矢量和本地位置矢量计算得到低轨卫星到低轨卫星接收机的相对位置矢量；
[0019]根据预测速度矢量和本地速度矢量计算得到低轨卫星到低轨卫星接收机的相对速度矢量；
[0020]根据相对位置矢量和相对速度矢量计算得到多普勒频移预测值。
[0021]进一步地，根据多普勒频移量测值和多普勒频移预测值建立量测方程包括：
[0022]计算多普勒频移预测值与多普勒频移量测值之间的多普勒频移差值；
[0023]建立以多普勒频移差值为量测量的量测方程。
[0024]进一步地，通过以下公式根据相对位置矢量和相对速度矢量计算得到多普勒频移预测值：
[0025][0026]上式中，f
r
(k)表示第k个采样点的多普勒频移预测值，f0(k)表示第k个采样点低轨卫星的发射频率，c表示电磁波在空间中的传播速度，n(k)表示第k个采样点低轨卫星的发射频率的量测误差，ρ(k)表示第k个采样点低轨卫星到低轨卫星接收机的相对位置矢量，表示第k个采样点低轨卫星到低轨卫星接收机的相对速度矢量，ρ
x
(k)、ρ
y
(k)和ρ
z
(k)表示相对位置矢量ρ(k)在三方向上的分量，和表示相对速度矢量在三方向上的分量。
[0027]进一步地，基于状态方程和量测方程通过卡尔曼滤波对低轨卫星的轨道误差进行修正包括：
[0028]基于状态方程和量测方程通过卡尔曼滤波得到低轨卫星的位置误差和速度误差；
[0029]根据位置误差和速度误差对预测位置矢量和预测速度矢量进行修正以得到低轨卫星的修正位置矢量和修正速度矢量；
[0030]根据修正位置矢量和修正速度矢量转换得到低轨卫星修正轨道误差后的轨道参数。
[0031]进一步地，低轨卫星的运动方程为：
[0032][0033]上式中，x、y和z分别表示低轨卫星在惯性直角坐标系中的位置矢量在三方向上的分量，和分别表示低轨卫星在惯性直角坐标系中的加速度在x、y、z三方向上的分量，μ表示地球开普勒常数，R
e
表示地球赤道半径，J2表示地球形状力学因子，表示低轨卫星惯性直角坐标系原点的距离。
[0034]进一步地，状态方程为：
[0035][0036]上式中，X(k+1)表示第k+1个采样点的状态量，X(k)表示第k个采样点的状态量，X(t)表示t时刻的状态量，t
k
表示第k个采样点的时刻，r(k)表示低轨卫星在第k个采样点在惯性直角坐标系中的位置矢量，表示低轨卫星在第k个采样点在惯性直角坐标系中的速度矢量，r(k)＝[x
k y
k z
k
]，x
k
、y
k
和z
k
分别表示低轨卫星在第k个采样点在惯性直角坐标系中的位置矢量在三方向上的分量，和分别表示低轨卫星在第k个采样点在惯性直角坐标系中的速度矢量在三方向上的分量，T表示采样间隔，I表示单位矩阵，F表示状态量X的非线性变换矩阵，ω(k)表示系统噪声矩阵。
[0037]进一步地，量测方程为：
[0038][0039]上式中，Z(k)表示第k个采样点的量测量，Δf
k
表示多普勒频移差值，表示低轨卫星到低轨卫星接收机的距离。
[0040]根据本专利技术的另一方面，提供了一种基于GNSS定位信息的低轨卫星轨道误差修正系统，误差修正系统包括：
[0041]数据读取单元，数据读取单元用于读取低轨卫星的TLE文件；
[0042]GNSS接收机，GNSS接收机用于捕获卫星导航信号以获取本地位置矢量和本地速度
矢量；
[0043]低轨卫星接收机，低轨卫星接收机用于量测得到低轨卫星与低轨卫星接收机之间的多普勒频移量测值；
[0044]卡尔曼滤波修正单元，卡尔曼滤波单元用于根据建立的低轨卫星运动方程、状态方程和量测方程进行卡尔曼滤波以对低轨卫星的轨道误差进行修正，状态方程根据运动方程建立并且以低轨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GNSS定位信息的低轨卫星轨道误差修正方法，其特征在于，所述轨道误差修正方法包括：建立所述低轨卫星的运动方程；获取所述低轨卫星的TLE文件；利用GNSS接收机捕获卫星导航信号以获取本地位置矢量和本地速度矢量；利用低轨卫星接收机量测得到所述低轨卫星与所述低轨卫星接收机之间的多普勒频移量测值；根据所述运动方程建立以所述低轨卫星的位置矢量和速度矢量为状态量的状态方程；根据所述TLE文件、所述本地位置矢量、所述本地速度矢量以及所述多普勒频移量测值建立量测方程；基于所述状态方程和所述量测方程通过卡尔曼滤波对所述低轨卫星的轨道误差进行修正。2.根据权利要求1所述的轨道误差修正方法，其特征在于，根据所述TLE文件、所述本地位置矢量、所述本地速度矢量以及所述多普勒频移量测值建立量测方程包括：根据所述TLE文件、所述本地位置矢量和所述本地速度矢量预测得到所述低轨卫星与所述低轨卫星接收机之间的多普勒频移预测值；根据所述多普勒频移量测值和所述多普勒频移预测值建立量测方程。3.根据权利要求2所述的轨道误差修正方法，其特征在于，根据所述TLE文件、所述本地位置矢量和所述本地速度矢量预测得到所述低轨卫星与所述低轨卫星接收机之间的多普勒频移预测值包括：根据所述TLE文件预测得到所述低轨卫星的预测位置矢量和预测速度矢量；根据所述预测位置矢量和所述本地位置矢量计算得到所述低轨卫星到所述低轨卫星接收机的相对位置矢量；根据所述预测速度矢量和所述本地速度矢量计算得到所述低轨卫星到所述低轨卫星接收机的相对速度矢量；根据所述相对位置矢量和所述相对速度矢量计算得到所述多普勒频移预测值。4.根据权利要求3所述的轨道误差修正方法，其特征在于，根据所述多普勒频移量测值和所述多普勒频移预测值建立量测方程包括：计算所述多普勒频移预测值与所述多普勒频移量测值之间的多普勒频移差值；建立以所述多普勒频移差值为量测量的量测方程。5.根据权利要求4所述的轨道误差修正方法，其特征在于，通过以下公式根据所述相对位置矢量和所述相对速度矢量计算得到所述多普勒频移预测值：
上式中，f
r
(k)表示第k个采样点的多普勒频移预测值，f0(k)表示第k个采样点低轨卫星的发射频率，c表示电磁波在空间中的传播速度，n(k)表示第k个采样点低轨卫星的发射频率的量测误差，ρ(k)表示第k个采样点低轨卫星到低轨卫星接收机的相对位置矢量，表示第k个采样点低轨卫星到低轨卫星接收机的相对速度矢量，ρ
x
(k)、ρ
y
(k)和ρ
z
(k)表示所述相对位置矢量ρ(k)在三方向上的分量，和表示所述相对速度矢量在三方向上的分量。6.根据权利要求5所述的轨道误差修正方法，其特征在于，基于所述状态方程和所述量测方程通过卡尔曼滤波对所述低轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文涛，刘峰，刘璞，高亚豪，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：