一种基于双星载GNSS导航天线数据的低轨卫星定位方法与流程

本发明涉及一种基于双星载gnss导航天线数据的低轨卫星定位方法，属于卫星定位。

背景技术：

1、低轨卫星一般指在近地空间，如100km～1500km高度范围内运行的人造卫星。由于低轨卫星平台轨道高度较低、周期较短，其能够全面、及时地对地球进行全方位高时空分辨率的观测，因此低轨卫星观测系统已经成为高精度对地观测领域中最为重要的平台系统，并在认识地球环境和科学研究等诸多方面发挥了十分重要的作用。

2、高精度的卫星轨道，是准确提取对地观测信息的决定性因素之一，低轨卫星生产高精度高分辨率产品以及产品应用都依赖其轨道精度。因此低轨卫星精密定轨是卫星对地观测技术发展和应用的基础，同时又是提高和拓展卫星应用水平的关键因素。星载gnss技术由于其不受气候等因素的影响，能够全天候、全弧段对低轨卫星进行连续高精度观测，且具有维护简单、费用相对较低等特点，因此成为目前实施低轨卫星精密定轨的重要技术手段。

3、通常低轨卫星任务仅需搭载一台星载gnss接收机设备即可用于常规的精密定轨。目前通过采用单台星载gnss接收机双频伪距与相位观测数据，低轨卫星的定轨精度通常可以达到2-3cm。我国的海洋系列卫星、资源三号等遥感卫星项目均采用这一方式用于其精密轨道确定。然而某些特殊的卫星平台采用同时搭载两台星载gnss天线的导航系统设计，比如我国的中型敏捷遥感卫星平台项目。通过两台接收机的相互补充，可扩大卫星平台有效观测空间，增加精密定轨可用观测值数量，从而可以提高定轨精度以及增强导航定轨的可靠性。

4、目前，星载gnss定轨技术或现有定轨软件通常仅能处理单台导航接收机的数据，不支持同时利用两副导航天线的数据进行精密定轨处理。单天线精密定轨只涉及一路导航信号，观测模型及动力学模型对应关系较为简单。而在双天线精密定轨中，涉及两路导航信号，其存在以下挑战：一是存在两路导航信号时钟不同步的问题；二是两路导航信号观测值仅对一条卫星轨道进行积分，跟接收机、低轨卫星、导航卫星相关的各种参数之间的对应关系将变得更加复杂。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种基于双星载gnss导航天线数据的低轨卫星定位方法，该方法能够适用于同一卫星平台上联合两幅gnss导航天线数据的轨道确定，能增加定轨中观测数据利用率，有利于提高定轨精度以及可靠性。

2、实现本发明的技术方案如下：

3、一种基于双星载gnss导航天线数据的低轨卫星联合定轨方法，具体过程为：

4、步骤一，对接收两台gnss导航天线数据，利用各自接收机天线相位中心与卫星质心的几何关系均统一归算到卫星质心，针对两个接收机钟差各自修正其钟差参数，实现二者的时间统一；

5、步骤二，对同一卫星初始状态向量和动力学参数计算偏导数，对各自的钟差参数以及模糊度参数分别计算偏导；

6、步骤三，基于同一卫星初始状态向量和动力学参数的偏导数，对卫星状态参数和卫星动力学参数进行参数估计，采用基于各自的钟差参数以及模糊度参数的偏导数，分别对钟差参数以及模糊度参数进行估计；

7、步骤四，根据估计的卫星状态参数和卫星动力学参数进行轨道积分，得到卫星位置，从而实现卫星定位。

8、进一步地，本发明所述步骤一包括：

9、对于双天线接收机的伪码数据和相位观测数据，以无电离层组合作为基本观测模型，建立任一历元时刻下观测方程如(1)式所示：

10、

11、其中，k(k＝1,2)和j分别表示接收机和卫星编号，pk.j和lk,j分别表示无电离层组合的伪距和相位观测值，rk,j表示接收机天线与导航卫星天线之间的几何距离，δtk,δtj分别表示接收机钟差和导航卫星钟差，δrel表示相对论延迟，δph为相位缠绕误差，δpcv,k,δpcv,j分别为k号导航天线与j号gnss卫星天线相位中心变化，δpco,k,δpco,j分别为低轨卫星与gnss天线相位中心偏差，nk,j表示无电离层组合的相位模糊度，λlc表示无电离层组合波长，xk,yk,zk为k号天线平均相位中心在惯性系中的坐标，xj,yj,zj则为j号gnss卫星平均天线相位中心在惯性系中的坐标。

12、进一步地，本发明所述相对论效应延迟计算方式为，

13、

14、其中，为广义相对论引起的频率偏差周期项改正，为低轨卫星的位移和速度，为gps卫星的位移和速度，为地球引力场引起的信号传播的几何延迟；γ为后牛顿参数；gme为地球重力常数，ρ是未被改正的gps卫星与接收机的距离；rtr为gps卫星位置；rrec为接收机位置。

15、进一步地，本发明所述天线相位缠绕误差按下式计算，

16、δph＝sign(k(dsat×drec))cos-1((dsat·drec)/|dsat||drec|)/2π  (3)

17、其中，drec为接收机天线等效天线偶极，dsat为卫星天线等效天线偶极，k为克罗内克函数。

18、进一步地，本发明所述导航天线相位中心归化至卫星质心的方法为，在轨道积分时以卫星质心作为参考，得到低轨卫星质心的轨道，在观测值线性化，以天线平均相位中心作为参考带入式(1)中计算rk,j，并对观测值加入天线相位中心改正δpcv,k，按照下式将卫星质心坐标转至平均天线相位中心坐标，

19、

20、式(4)中，为低轨卫星质心在惯性系中的坐标，r为低轨卫星星固系转入惯性系的旋转矩阵，和分别为导航天线平均相位中心坐标在惯性系中以及在星固系中的坐标。

21、进一步地，本发明所述步骤二中分别计算偏导得到如下方程：

22、

23、其中，x为所有待估参数，包括q0，δtk以及nk,j，q0为低轨卫星初始轨道状态与动力学参数p，且δtk每副天线每个历元估计一个，nk,j则是每个导航天线和每颗gnss卫星之间每个弧段估计一个，若发生周跳或失锁时则需要加入新的nk,j参数进行估计，x0为参数初值，和分别为根据x0计算得到的伪距和载波模型值，dx为参数的改正值，以及表示观测误差和截断误差。

24、进一步地，本发明所述步骤三中，利用所述滤波或平差方法求偏导，在求解过程中，将钟差参数作为过程参数，或通过高斯消元法预先消去钟差参数，以减小方程维度。

25、进一步地，本发明所述步骤四，利用估计得到的卫星状态参数、动力学参数进行轨道积分的方法为：

26、初始时刻开始通过单步积分方法进行积分，作为多步法的起步算法；当采用单步法推出足够的步点后，采用高精度多步法往前继续推算，积分得到任意时刻的卫星位置，实现卫星定位。

27、有益效果：

28、第一，本发明通过对接收两台gnss导航天线数据，利用各自接收机天线相位中心与卫星质心的几何关系均统一归算到卫星质心，能够适用于同一卫星平台上联合两幅gnss导航天线数据的轨道确定，能增加定轨中观测数据利用率，有利于提高定轨精度以及可靠性。

29、第二，本发明通过观测方程的建立，并对天线相位缠绕误差等进行观测误差消除，能用于基于双天线联合的低轨卫星星上实时自主定轨、地面准实时精密定轨或者事后精密定轨处理等多种定轨模式。

30、第三，本发明通过能适用于双天线联合的双频gnss数据定轨以及单频gnss数据定轨，将钟差参数作为过程参数，或通过高斯消元法预先消去钟差参数，以减小方程维度。

31、第四，本发明易于实现，能够与传统的基于单天线数据定轨的算法流程保持一致，并且非常容易扩展至三副甚至更多天线的联合定轨数据处理。

32、第五，本发明能够适用于gps、glonass、bds、galileo等多种导航信号进行低轨卫星定轨。理论上只要星载gnss接收机能够接收并输出该卫星导航系统数据，即可利用该导航系统的数据进行低轨卫星定轨。