一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法技术

本发明专利技术涉及一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法，其特征在于：在区域网各站配备原子钟和纳秒级时间同步系统，区域网各站接收导航卫星的测距信号，得到各站的载波相位数据，采用Ｂｌｅｗｉｔｔ方法探测载波相位数据的周跳发生时刻，同时通过双向卫星时间频率传递方法ＴＷＳＴＦＴ，进行各站间的时间同步得到各站之间的钟差；在惯性坐标系下解算微分方程得到导航卫星的轨道。本发明专利技术的方法，在定轨数据处理之前，首先实现高精度的站间时间同步（即：得到站间钟差）。在定轨数据处理中，采用改进的非差方法，只需要解算轨道，不必求解站间钟差，不仅可改善几何因子，还有利于分离系统误差（站间钟差）。因而可提高定轨精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，涉及导航卫星精密定轨领域，属于天体测量与天体力学学科。
技术介绍
IGS介绍IGS的出现和成功运行极大推动了 GPS技术在各个领域的应用，促进了 世界范围内的科学研究的发展和社会生产生活水平的提高。IGS收集、整理、发布高精度的 GNSS数据以满足广泛的应用与科学实验的要求。精密卫星星历是IGS提供的两类核心产品 之一，当前IGS定轨精度达到5cm(各分析中心的轨道互差)。IGS布站模式是在全球范围 内布置很多站点(目前有几百个)，每个站点配置测地型GPS接收机；然后对各站的GPS观 测数据进行事后处理，得到高精度的卫星轨道和星钟等产品。 IGS系统中测量方法和定轨数据处理方法的不足IGS各站没有配置高精度时间 同步系统，并且大多数站没有配备原子钟。IGS的处理方法是对轨道、钟差以及其它参数统 一解算(非差方法是统一计算；双差方法是在解算轨道等参数后，进而再计算钟差)。这种 方法主要有2个问题(l)对MEO卫星的观测，在区域布站情况下，几何因子不好，并且观测 弧段受限，因而影响定轨精度；(2)对GEO卫星观测，几何因子不好，并且由于卫星相对静 止，轨道与钟差难以分离，因而影响定轨精度。 所以在IGS模式的区域跟踪网情况下，卫星测轨的几何因子受限，影响定轨精度。 尤其是对地球静止轨道卫星(GEO卫星)，在定轨过程中，不仅几何因子受限，并且钟差和轨 道难以分离，实现卫星精密定轨比较困难。
技术实现思路
要解决的技术问题 为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种站间钟差辅助的导航卫星精密定 轨方法，以站间高精度时间同步为约束条件，来分离系统误差(站间钟差)，减少定轨解算 参数，提高提高定轨和预报精度。 本专利技术的思想在于 技术方案 —种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法，其特征在于在区域网各站配备原 子钟和纳秒级时间同步系统，区域网各站接收导航卫星的测距信号，得到各站的载波相位 数据，利用各站载波相位数据进行导航卫星精密定轨的具体步骤如下 步骤1 :采用Blewitt方法探测载波相位数据的周跳发生时刻，同时通过双向卫星时间频率传递方法TWSTFT，进行各站间的时间同步得到各站之间的钟差； 步骤2 :采用相位平滑伪距的方法修复载波相位数据的周跳，得到连续的载波相位数据； 步骤3 :在惯性坐标系下解算微分方程得到导航卫星的轨道，X为导航卫星的状态量、F(X， t)为t时刻的导航卫星动力学模型、t。为初始时刻、X。为初始时刻 的卫星状态量； 所述的X二 T，其中O !为X方向的位置 坐标、h为Y方向的位置坐标、。3为Z方向的位置坐标、。4为X方向的速度、C^为Y方向的速度、o 6为Z方向的速度、h为光压参数、、载波相位数据的整周模糊度参数、、站钟 差参数、b4星钟差参数；t为与X对应的时刻； 解算步骤为 步骤a :根据初始时刻的初始轨道X。和动力学模型F (X， t)，用数值积分的方法，解 步骤b :以各站的载波相位数据与近似轨道进行差值计算，得到各站的定轨残差 0-C ; 步骤c :当各站的定轨残差0-C大于门限值时，将各站的定轨残差0-C与轨道X。进 行矢量相加得到X'。，以X'。替代X。重复步骤a 步骤c ; 步骤d :当各站的定轨残差0-C均小于门限值时，确认本次步骤时的X'。为导航 卫星的初始时刻的轨道，本次步骤时的X(t)为导航卫星在定轨弧段内任意时刻的轨道。 所述的门限值O. 05 1米。 有益效果 本专利技术提出的，在IGS模式的区域布 站情况下，在各站配备原子钟和高精度的时间同步系统。在定轨数据处理之前，首先实现高 精度的站间时间同步(即得到站间钟差)。在定轨数据处理中，采用改进的非差方法，只 需要解算轨道，不必求解站间钟差，不仅可改善几何因子，还有利于分离系统误差(站间钟 差)。因而可提高定轨精度。 1)在原子钟和站间钟差约束条件下，有助于解决周跳探测与修复，和模糊度的解算。 a)各站接收机外接高性能原子钟信号，提高载波相位观测值的稳定性，有利于探测周跳。使用Blewitt方法探测周跳，该方法对电离层变化的影响比较敏感。因此在电离层活动剧烈的情况下，需使用消除电离层的组合，这时该方法对接收机的钟性能比较敏感。因此各站配备高性能原子钟，有利于周跳的探测。 b)站间通过TWSTFT实现时间同步，有利于模糊度的解算。 各站通过双向卫星时间频率传递技术(TWSTFT)，实现高精度的站间时间同步。通过双向卫星时间传递可以近实时的实现站间高精度时间传递。时间同步准确度可达到约0. 5ns 0. 75ns，稳定度达到约0. lns。 (IGS钟差产品的站间时间同步准确度受接收机和天线时延校准的影响，校准水平目前约3ns ;钟差产品的稳定度约0. lns。 各站星钟差(地面站钟与卫星钟的差)、整周模糊度是密切相关的。利用TWSTFT事先实现站间同步，对于定轨是较好的约束条件。 根据伪距测量的表达式 p = 1+ t ion+ 在上式中，P为对某颗星的伪距观测值，1为地面站到卫星的几何距离，t i(m为信 号传播路径上的电离层附加时延，Ti，为信号传播路径上的对流层附加时延，At为站星 钟差，nT为相位观测的整周模糊度。 从该式子可以看出，各个站星钟差(地面站与卫星的钟差)、载波相位整周模糊度 之间存在很强的相关性。因此给跟踪网各站接收机外接原子钟信号，并且在各站用TWSTFT 实现高精度时间同步的约束条件下，有助于解决周跳探测与修复问题，有助于模糊度的解算。 2)通过高精度站间钟差(并且它是独立于导航系统之外的手段)的辅助，在定轨 过程中，有利于分离系统误差(站间钟差)，有效减少定轨参数，改善广义几何因子，从而提 高定轨和预报精度、提高定轨计算的稳定性。 这里，我们引入"广义几何因子"(EDOP)的概念，来描述本专利技术中改进的定轨算法 的优越性。为此首先介绍GDOP的含义，然后引入EDOP的概念。 ①GD0P的含义是(在接收机定位应用中)将用户的定位和定时误差参数，和伪距误差参数相关联起来的几何因子。 即+《+《+< = x ct, 式中，左边是总的定位误差，右边的o UEKE是用户等效测距误差。 ~ — — — (W//)-1 =21+D33+ A4。23A2化3"44 =;c2"少2 上式中，向:(ayi ，J是指向第i颗卫星位置的单位矢量。②本专利技术中，我们引入的ED0P概念。其含义是(在卫星定轨计算中)将卫星轨道根数、星钟差参数、光压参数、相位观测的整周模糊度参数等相互独立的很多待解参数， 和伪距误差参数相关联起来的几何因子。 幼(9尸=+￡>22 + "33 + D44 +…+ "朋 1 =123122324142A:14233324A,2 3443443w 2A 3 4￡1 式中，Dll， D22， D33， D44与GD0P定义中的含义类似，但这里是指定轨过程，即"倒 GPS定位"过程。从D55到Dnn对应于其他独立的待解参数。 从EDOp的定义可以看出，在定轨计算过程中，若需要求解的相互独立的未知数个 数越少，则EDOP越小，则定轨精度越高。以5个跟踪站为例，在可以减少4个独立的星地钟 差参数，有效改善ED0P，提高定轨精度。附图说明 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种站间钟差辅助的导航卫星精密定轨方法，其特征在于：在区域网各站配备原子钟和纳秒级时间同步系统，区域网各站接收导航卫星的测距信号，得到各站的载波相位数据，利用各站载波相位数据进行导航卫星精密定轨的具体步骤如下：步骤１：采用Ｂｌｅｗｉｔｔ方法探测载波相位数据的周跳发生时刻，同时通过双向卫星时间频率传递方法ＴＷＳＴＦＴ，进行各站间的时间同步得到各站之间的钟差；步骤２：采用相位平滑伪距的方法修复载波相位数据的周跳，得到连续的载波相位数据；步骤３：在惯性坐标系下解算微分方程＊＊＊得到导航卫星的轨道，Ｘ为导航卫星的状态量、Ｆ（Ｘ，ｔ）为ｔ时刻的导航卫星动力学模型、ｔ↓［０］为初始时刻、Ｘ↓［０］为初始时刻的卫星状态量；所述的Ｘ＝［σ↓［１］，σ↓［２］，σ↓［３］，σ↓［４］，σ↓［５］，σ↓［６］，ｂ↓［１］，ｂ↓［２］，ｂ↓［３］，ｂ↓［４］，］↑［Ｔ］，其中σ↓［１］为Ｘ方向的位置坐标、σ↓［２］为Ｙ方向的位置坐标、σ↓［３］为Ｚ方向的位置坐标、σ↓［４］为Ｘ方向的速度、σ↓［５］为Ｙ方向的速度、σ↓［６］为Ｚ方向的速度、ｂ↓［１］为光压参数、ｂ↓［２］载波相位数据的整周模糊度参数、ｂ↓［３］站钟差参数、ｂ↓［４］星钟差参数；ｔ为与Ｘ对应的时刻；解算步骤为：步骤ａ：根据初始时刻的初始轨道Ｘ↓［０］和动力学模型Ｆ（Ｘ，ｔ），用数值积分的方法，解算微分方程＊＊＊，得到近似轨道；步骤ｂ：以各站的载波相位数据与近似轨道进行差值计算，得到各站的定轨残差Ｏ－Ｃ；步骤ｃ：当各站的定轨残差Ｏ－Ｃ大于门限值时，将各站的定轨残差Ｏ－Ｃ与轨道Ｘ↓［０］进行矢量相加得到Ｘ′↓［０］，以Ｘ′↓［０］替代Ｘ↓［０］重复步骤ａ～步骤ｃ；步骤ｄ：当各站的定轨残差Ｏ－Ｃ均小于门限值时，确认本次步骤时的Ｘ′↓［０］为导航卫星的初始时刻的轨道，本次步骤时的Ｘ（ｔ）为导航卫星在定轨弧段内任意时刻的轨道。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨旭海，李志刚，雷辉，胡小工，贾小林，弓剑军，李伟超，吴风雷，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]