一种基于北斗PPP-RTK的低轨卫星时空基准建立方法与流程

本发明属于卫星导航、无线电波传播以及精密定轨领域，尤其涉及一种基于北斗ppp-rtk的低轨卫星时空基准建立方法。

背景技术：

低轨卫星(leo)是未来导航，通信，遥感融合发展的平台，在其中起着至关重要的作用。首先低轨卫星作为空间结点；上行接收gps和bds等全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)的信号，下行服务于地面用户；同时，低轨卫星还起着支撑起未来天地一体化的作用。在这种空天信息发展新的趋势下，对低轨卫星提出了新的需求；主要包括未来低轨卫星增强定位、低轨卫星6g通信、低轨卫星全球覆盖对地观测等新的需求，而低轨卫星作为这些多功能服务平台的核心基础就是其实时高精度时空基准。因为，只有低轨卫星时空基准的准确建立，以上功能才能实现。

于此同时，在导、通、遥融合的新需求下，要求低轨卫星时空基准服务具备：实时性、高精度、大规模。首先因为：导航定位用户、通信用户、智能遥感用户需要实时服务；其次因为：低轨卫星增强精密定位、对地观测平台的厘米级实现，需要高精度服务；最后因为；未来应用大众化，低轨卫星数量庞大，需要提供大规模服务；然而现有的实时低轨卫星时空基准是不满足以上需求的：大部分都以星载接收机事后数据进行分析和研究，虽然精度较高，但是无法满足实时需求。也有部分研究是基于广播星历的低轨卫星实时定轨，但是精度多为亚米级，无法满足高精度的需求。

北斗卫星导航定位系统(bds)是我国时空基准的核心，该系统确保低轨卫星时空基准独立自主可靠，并能够满足以上新兴产业的需求。同时，bds是我国pnt(positioning,navigation,timing,pnt)核心，b2b频点上提供ppp-rtk服务，即北斗三号ppp与地基网络rtk高精度融合应用服务，这都为本发明基于北斗ppp-rtk的低轨卫星高精度实时定轨和授时提供条件。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种基于北斗ppp-rtk的低轨卫星时空基准建立方法，能够有效提高低轨卫星时空基准的精度。

一种基于北斗ppp-rtk的低轨卫星时空基准建立方法，包括以下步骤：

s1：采集低轨卫星的星载gnss原始双频观测数据，然后基于星载gnss原始双频观测数据构建伪距的非差非组合观测方程与载波相位的非差非组合观测方程；

s2：通过非差非组合ppp-rtk满秩函数模型获取导航卫星各频率上的相位偏差改正数、码偏差改正数、轨道改正数以及钟差改正数；

s3：采用步骤s2得到的四个改正数实时改正伪距的非差非组合观测方程与载波相位的非差非组合观测方程所对应频点上的相位偏差、码偏差、导航卫星轨道以及钟差；

s4：采用改正后的伪距的非差非组合观测方程与载波相位的非差非组合观测方程构建双频消电离层组合观测模型；

s5：采用扩展扩展卡尔曼滤波参数估计方法，实时解算双频消电离层组合观测模型，得到低轨卫星三个方向位置分量与低轨卫星星载接收机钟差，从而实时获取低轨卫星时空基准。

进一步地，所述导航卫星各频率上的相位偏差改正数的获取方法具体为：

s21：构建基于bds3/gps的双频非差非组合观测方程：

其中，r＝1,2...,n表示接收机标识；s＝1,2...,m表示卫星的标识；j＝1,2表示频率的标识；表示第j个频率上接收机r到卫星s的伪距观测值，单位为米；表示第j个频率上接收机r到卫星s的载波相位观测值，单位为米；表示接收机r与卫星s间的几何距离，单位为米；dtr表示接收机r的钟差；dt^s表示卫星s的钟差；br,j表示接收机r在第j个频率上的码偏差；表示卫星s在第j个频率上的码偏差；表示接收机r在第j个频率上的相位偏差；表示卫星s在第j个频率上的相位偏差；表示接收机r到卫星s的对流层延迟；表示第j个频率上接收机r到卫星s的电离层延迟；表示第j个频率上接收机r到卫星s的模糊度参数；λj表示第j个频率的波长；εp表示伪距观测值的观测噪声；εφ表示载波相位观测值的观测噪声；

s22：联合m颗卫星，n个接收机得到多组bds3/gps的非差非组合双频观测方程，选取其中精度最高的双频观测值作为基准，对各组bds3/gps的非差非组合双频观测方程进行消秩亏，得到满秩观测方程：

其中，表示伪距观测值减去已知计算值的伪距残差，表示载波相位观测值减去已知计算值的相位残差，其中，所述已知计算值包括接收机与卫星之间的站星距、相对论效应、卫星与接收机天线相位中心改正数；表示对流层映射函数；δτr表示天顶对流层延迟增量；表示消秩亏后的接收机r的钟差；表示消秩亏后的导航卫星s的钟差；μj表示第j个频率上的电离层系数；表示消秩亏后的导航卫星s与接收机r所对应的电离层延迟；表示消秩亏后的接收机r在第j个频率上的码偏差；表示消秩亏后的卫星s在第j个频率上的码偏差；表示消秩亏后的接收机r在第j个频率上的相位偏差；表示消秩亏后的卫星s在第j个频率上的相位偏差；表示消秩亏后的第j个频率上接收机r到卫星s的模糊度参数；

s23：解算满秩观测方程，得到各频点的相位偏差为：

其中，表示卫星端的初始相位偏差。

进一步地，所述导航卫星各频率上的码偏差改正数的计算公式具体为：

有益效果：

本发明提供一种基于北斗ppp-rtk的低轨卫星时空基准建立方法，充分利用北斗ppp-rtk服务所播发的各类误差改正信息及导航卫星精密轨道和钟差产品，建立观测方程，采用卡尔曼滤波参数估计策略解算低轨卫星时空基准；相对于现有方法，本发明有效避免了只采用广播星历所引入的导航卫星轨道和钟差精度差对低轨卫星时空基准的解算而带来的精度损失；同时，也避免了星载接收机钟差因吸收未被精确模型化的各类偏差项而带来的精度损失，较传统低轨卫星定轨和授时方法具有显著的特点和优势。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于北斗ppp-rtk的低轨卫星时空基准建立方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种基于北斗ppp-rtk技术的低轨卫星实时高精度时空基准建立方法，涉及无线通讯，信号硬件延迟，精密定轨与授时领域，主要利用低轨卫星星载接收机接收的多系统原始观测数据及北斗b2b频点上所播发的ppp-rtk的各类实时改正信息，包括导航卫星精密轨道和钟差改正信息(ssr)、码偏差(dcb)、相位偏差(upd)、系统偏差(isb)等，然后通过双频消电离层观测模型和卡尔曼滤波参数估计法为低轨卫星进行实时精密的轨道确定和钟差解算。具体的，如图1所示，一种基于北斗ppp-rtk的低轨卫星时空基准建立方法，包括以下步骤：

s1：采集低轨卫星的星载gnss原始双频观测数据，然后基于星载gnss原始双频观测数据构建伪距的非差非组合观测方程与载波相位的非差非组合观测方程；

具体的，采集低轨卫星星载gnss原始双频观测数据，包含载波相位观测数据、伪距观测数据以及导航卫星星历；由于低轨卫星不受对流层延迟的影响，可得到星上的基于星载gnss伪距和载波相位的非差非组合观测方程如下所示：

式中：tn中t表示导航卫星系统类型参照rinex3.03标准，n表示对应导航卫星系统中的卫星prn号；leo表示低轨卫星星载接收机；i、λi分别表示所接收信号的载波频点(l1/l2、b1/b2)及相应的载波波长(m)；为leo接收机关于导航卫星n在频率i上的伪距观测量(m)；为接收机leo关于卫星n在频率i上的载波相位观测量(m)；为在信号发射时刻的卫星与星载接收机二者天线相位中心之间的几何距离量(m)；δtleo为信号接收时刻的接收机钟差(m)；为信号发射时刻的导航卫星钟差(m)；为接收机关于导航卫星n在频率i上的电离层延迟误差量(m)，它对伪距和载波相位的影响二者符号相反，μi＝f1²/fi²＝λi²/λ1²；bleo,i分别为卫星和星载接收机在频率i上的硬件延迟码偏差(m)；分别为导航卫星和星载接收机在频率i上的初始相位偏差(m)；为频率i上关于卫星n的载波相位整周模糊度(cycle)；分别为伪距及载波相位的测量噪声以及其他未建模误差项(m)。

由此可见，由于越来越多的leo星载接收机可以接收多模gnss观测数据，而在星载gnss低轨卫星时空基准实时构建中，多系统不同观测量的合理定权以及多系统融合是保证实时定轨精度和提升收敛速度的关键；并且，由于星上计算资源有限，不能像地面用户一样，将所有观测数据一并接收并处理；如何克服星上计算能力带来的精度损失以及星上如何进行多系融合是本发明解决的问题之一；因此，本发明通过建立低轨卫星leo实时数据质量控制方法，其中包括观测数据质量控制和实时改正产品的质量控制；建立低轨卫星leo实时多系统融合策略，其中主要研究不同系统改正信息融合和顾及计算效率和精度的融合；因此，上述方法为观测数量最优、计算效率最优以及精度最优的数据质量控制方法和多系统融合方法。

s2：通过非差非组合ppp-rtk满秩函数模型获取导航卫星各频率上的相位偏差改正数、码偏差改正数、轨道改正数以及钟差改正数；

需要说明的是，导航卫星端的相位偏差参数(upd)作为北斗三号ppp-rtk服务重要改正参数之一，在模糊度固定中发挥着重要作用；本发明采用北斗ppp-rtk服务所提出的“骨干网”+“加密网”的云端并行处理模式和基准传递策略；以非差、非组合观测值出发，以消除秩亏作为主要理论基础，推导出严密的非差非组合ppp-rtk的满秩函数模型。具体可概括为：求解秩亏设计矩阵的零空间，以确定秩亏的个数和类型；选取部分未知参数定义为“基准”，其个数须等于秩亏数，构造转换矩阵，明确可估参数的数学解释，从而基于地面上的非差非组合观测模型实时解算出逐个频点上的卫星相位偏差；所述导航卫星各频率上的相位偏差改正数的获取方法具体为：

s21：构建基于bds3/gps的双频非差非组合观测方程：

其中，r＝1,2...,n表示接收机标识；s＝1,2...,m表示卫星的标识；j＝1,2表示频率的标识；表示第j个频率上接收机r到卫星s的伪距观测值，单位为米；表示第j个频率上接收机r到卫星s的载波相位观测值，单位为米；表示接收机r与卫星s间的几何距离，单位为米；dtr表示接收机r的钟差；dt^s表示卫星s的钟差；br,j表示接收机r在第j个频率上的码偏差；表示卫星s在第j个频率上的码偏差；表示接收机r在第j个频率上的相位偏差；表示卫星s在第j个频率上的相位偏差；表示接收机r到卫星s的对流层延迟；表示第j个频率上接收机r到卫星s的电离层延迟；表示第j个频率上接收机r到卫星s的模糊度参数；λj表示第j个频率的波长；εp表示伪距观测值的观测噪声；εφ表示载波相位观测值的观测噪声；

s22：联合m颗卫星，n个接收机得到多组bds3/gps的非差非组合双频观测方程，选取其中精度最高的双频观测值作为基准，对各组bds3/gps的非差非组合双频观测方程进行消秩亏，得到满秩观测方程，也即非差非组合ppp-rtk满秩函数模型如下：

其中，表示伪距观测值减去已知计算值的伪距残差，表示载波相位观测值减去已知计算值的相位残差，其中，所述已知计算值包括接收机与卫星之间的站星距、相对论效应、卫星与接收机天线相位中心改正数；表示对流层映射函数；δτr表示天顶对流层延迟增量；表示消秩亏后的接收机r的钟差；表示消秩亏后的导航卫星s的钟差；μj表示电离层系数，对双频gps来说，μ1＝1，表示消秩亏后的导航卫星s与接收机r所对应的电离层延迟；表示消秩亏后的接收机r在第j个频率上的码偏差；表示消秩亏后的卫星s在第j个频率上的码偏差；表示消秩亏后的接收机r在第j个频率上的相位偏差；表示消秩亏后的卫星s在第j个频率上的相位偏差；表示消秩亏后的第j个频率上接收机r到卫星s的模糊度参数；

需要说明的是，在ppp-rtk网数据处理中，考虑到已知的卫星坐标和接收机坐标，则接收机与卫星间的站星距已知，因此，分别表示了伪距和相位观测值减去站星距、相对论效应、卫星与接收机天线相位中心改正等信息，即“观测值减去计算值”的伪距残差和相位残差；其他参数在上方加上标识符“～”表示其数学解释不再是参数物理量本身，而是包含了基准参数，各参数的数学解释和基准，具体参见表1所示。

表1非差非组合ppp-rtk网解各参数的数学表达式

其中，

s23：解算满秩观测方程，得到各频点的相位偏差为：

其中，表示卫星端的初始相位偏差。

同理，本发明采用非差非组合ppp-rtk网处理方法，估计出逐个频点上的卫星码偏差(dcb)；所述导航卫星各频率上的码偏差改正数的计算公式具体为：

s3：采用步骤s2得到的四个改正数实时改正伪距的非差非组合观测方程与载波相位的非差非组合观测方程所对应频点上的相位偏差、码偏差、导航卫星轨道以及钟差；

也就是说，播发导航卫星各频率上的相位偏差改正数、码偏差改正数、轨道改正数以及钟差改正数，低轨卫星接收到四个改正数后，实时改正公式(1)和公式(2)所对应频点上的相位偏差、码偏差、导航卫星轨道以及钟差；

需要说明的是，本发明的ppp-rtk改正信息，即四个改正数可采用地面互联网和通信卫星两种方式播发，需要按照信息播发的频度和定位要求，对相关信息进行必要的压缩，发送给用户终端；播发策略设计上，低轨卫星接收来自通信卫星或北斗三号geo卫星播发的ppp-rtk实时改正产品；地面用户则接收来自互联网方式播发的ppp-rtk实时改正产品；

地面通信网和卫星通信播发的信息包含导航卫星轨道改正数、导航卫星钟差改正数、导航卫星相位偏差改正数、导航卫星码偏差改正数等信息；为了保证服务的连续性，信息播发按照连续播发的模式，卫星通信播发通过租用通信卫星来进行，数据处理中心通过固定ip把需要上注给的信息实时传输给注入终端，注入终端按照1s的频度进行信息上注，通信卫星转发后，下行的接收终端(低轨卫星和地面用户)实时接收改正信息。

需要说明的是，由于星载接收机钟差吸收了码偏差、相位偏差、系统偏差及硬件通道延迟等误差，因此在进行低轨卫星实时轨道确定和钟差解算过程中需要将接收机钟差所吸收的各类误差项分离出来，得到“干净”的接收机钟差，从而提高低轨卫星时空基准的精度；而本发明就是利用北斗ppp-rtk服务中播发的各类误差改正产品，充分利用各类产品进行轨道和星载接收机钟差解算的；下面介绍如何基于北斗三号ppp-rtk实时产品改正导航卫星的轨道和钟差：

对于实时导航卫星轨道和钟差的获取，采用北斗三号ppp-rtk播发的实时产品改正广播星历进行恢复，ppp-rtk改正信息包括的参数有：

δssr(t0,iod)＝(δor,δoa,δoc,δo'r,δo'a,δo'c,c0,c1,c2)(13)

其中，iod(issueofdata)为数据龄期；(δor,δoa,δoc)为径向、切向、法向在t0时刻的改正值；(δo'r,δo'a,δo'c)为径向、切向、法向在t0时刻改正值的变化速率；(c0,c1,c2)为计算实时精密钟差改正数的多项式系数。

假设在t时刻由广播星历计算的卫星坐标为(xb,yb,zb)，ssr改正信息计算得出的改正数是(δr,δa,δc)，由实时轨道改正数修正后的卫星的精密坐标为(x,y,z)，则有：

把此改正数转换到地固坐标系，然后加上广播星历进行修正即可得到精密的导航卫星坐标：

值得注意的是，导航卫星轨道改正信息与广播星历匹配的时候，不仅要选择时间最接近的广播星历，而且要根据实时改正信息里的数据龄期(iod)来选择相同的数据龄期的广播星历。

为了计算t时刻的导航卫星钟差，实时导航卫星钟差改正信息中给出了参考时刻t0的多项式系数c0、c1、c2，则t时刻的卫星的钟差改正值为：

δc＝c0+c1(t-t0)+c2(t-t0)²(16)

对由广播星历计算并且经过相对论效应改正的卫星钟差dt进行改正，可以得到t时刻的精密导航卫星钟差为：

dts＝dt+δc/c(17)

这样便获得了进行低轨卫星精密定轨所需的实时导航卫星精密轨道和钟差。

s4：采用改正后的伪距的非差非组合观测方程与载波相位的非差非组合观测方程构建双频消电离层组合观测模型；

具体的，针对双频观测数据，可形成如下双频消电离层组合观测模型：

令改正后的公式(1)和公式(2)中的i分别等于1和2，则得到两个频点上的伪距观测量(与)和、载波相位观测量(与)，将α、β的表达式代入上式，于是有：

其中，为导航卫星轨道，由广播星历和实时ssr改正信息恢复出的精密轨道确定，xleo为待求低轨卫星坐标。由igs精密钟差确定(钟差产品中包含了卫星端硬件延迟的if组合)。

s5：采用扩展扩展卡尔曼滤波参数估计方法，实时解算双频消电离层组合观测模型，得到低轨卫星三个方向位置分量与低轨卫星星载接收机钟差，从而实时获取低轨卫星时空基准。

由此可见，本发明主要基于北斗三号ppp与地基网络rtk高精度融合应用服务所提供的改正产品，利用精密单点定位的方法实时确定低轨卫星时空基准；通过合理建立leo实时多系统融合策略，从而达到观测数量最优、计算效率最优及精度最优的数据质量控制方法和多系统融合方案；同时，利用北斗三号ppp-rtk服务播发的各类偏差产品进行改正，将获得的ppp-rtk实时改正产品以及低轨卫星星载接收机接收到的伪距和载波相位观测量，构造卫星导航定位解算的观测模型和随机模型，采用卡尔曼滤波参数估计方法，实现低轨卫星实时位置和星载接收机钟差的计算；上述过程中，将低轨卫星看作是高速运动的流动站，对其进行精密单点定位和接收机钟差解算，最后将解算得到的低轨卫星leo实时位置作为其空间基准，高精度的接收机钟差传递给硬件进行驯服，以得到低轨卫星leo时间基准，使得低轨卫星实时定轨和授时精度明显优于传统的低轨卫星定轨方法。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。