一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法及系统

摘要

本发明属于通信及定位技术领域，公开了一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法及系统，地面监测站通过采集卫星导航系统的基本导航定位信息获得地面监测站基本导航定位信息并发送到地面主控站；地面主控站根据自身的物理位置信息和地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统差分改正信息，并发送到上行注入站；上行注入站将卫星导航系统差分改正信息发送到北斗三号卫星；北斗三号卫星利用短报文通信功能，广播播发卫星导航系统差分改正信息；低轨卫星接收到卫星导航系统差分改正信息后，联合低轨卫星的星载接收机接收到的低轨卫星基本导航定位信息，进行实时精密定轨。本发明具有不依赖外部通信链路，完全自主，安全性和性价比高的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及通信及定位技术领域，尤其涉及一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法及系统。

背景技术

在过去的几十年里，低轨卫星及其星座作为高精度对地观测系统的传感器搭载平台，已广泛应用于资源遥感、大气探测、海洋开发、军事侦察等领域，在科学研究、经济建设、社会发展及国家安全中具有不可替代的作用。近年来，伴随着全球通讯、科学研究等需求的急剧增加，众多低轨星座计划如雨后春笋般出现，例如美国的Oneweb、铱星(Iridium)、SpaceX，中国的鸿雁、虹云和CentiSpace，韩国的Samsung等。因此，研究全球范围内低轨卫星实时精密定轨十分必要。

星载GNSS技术，因具有提高空间任务的自主性，降低地面操作的成本，减轻地面设备负担等优势，已经发展为低轨卫星精密定轨的主流手段。然而，基于GNSS基本导航服务产品的星载GNSS定轨通常只能达到米级精度，尚无法满足海洋测高、大气掩星反演等实时数据处理需求。为了提高星载GNSS实时定轨精度，通常需采用外部通信的方式提供实时的GNSS精密轨道钟差产品。

为实现精密产品的实时发播，现有实时系统常采用诸如移动网络、无线电台和通信卫星等通信方式。然而，移动网络和无线电台受到基站分布的限制，一般部署在人口稠密地区，在人烟稀少地区或者无人区，基站覆盖不到位，不仅作用距离有限，而且易受恶劣天气的影响。通信卫星虽然能保证大范围全天候实时通信，但是通信费用过于昂贵。同时，这些通信链路极易遭受敌对势力的干扰，不能完全保证通信的安全性。

发明内容

本发明通过提供一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法及系统，解决了现有技术中GNSS系统基本导航服务精度有限，通信链路的覆盖范围小、造价昂贵、安全性较差的问题。

本发明提供一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法，为低轨卫星配置星载接收机，包括以下步骤：

S11、地面监测站通过采集卫星导航系统的基本导航定位信息获得地面监测站基本导航定位信息，并将所述地面监测站基本导航定位信息发送到地面主控站；

S12、所述地面主控站根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统差分改正信息，并将所述卫星导航系统差分改正信息发送到上行注入站；

S13、所述上行注入站将所述卫星导航系统差分改正信息发送到北斗三号卫星；

S14、所述北斗三号卫星利用短报文通信功能，广播播发所述卫星导航系统差分改正信息；

S15、低轨卫星接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，联合所述低轨卫星的星载接收机接收到的低轨卫星基本导航定位信息，进行实时精密定轨。

优选的，所述步骤S12包括以下子步骤：

S121、所述地面主控站根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统精密轨道、钟差产品；

S122、所述地面主控站根据所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品和所述地面监测站基本导航定位信息中的卫星导航系统广播星历计算生成所述卫星导航系统差分改正信息，并将所述卫星导航系统差分改正信息发送到所述上行注入站。

优选的，所述步骤S121的具体实现方式为：

构建卫星导航系统的观测模型；

所述地面主控站根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息对所述观测模型进行线性化处理；

采用最小二乘法计算线性化处理后的观测模型，生成所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品。

优选的，采用最小二乘法计算线性化处理后的观测模型之前，预先配置基准约束条件；在所述基准约束条件下，采用最小二乘法计算线性化处理后的观测模型。

优选的，所述步骤S122的具体实现方式为：

根据所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品计算获得精密星历的卫星位置和精密钟差的卫星钟差，根据所述卫星导航系统广播星历计算获得广播星历的卫星位置和广播星历的卫星钟差；

将所述精密星历的卫星位置与所述广播星历的卫星位置作差处理，生成协议地固系XYZ方向上的坐标改正数，将所述精密钟差的卫星钟差与所述广播星历的卫星钟差作差处理，生成钟差改正数；

将所述协议地固系XYZ方向上的坐标改正数分别对应地转换到卫星的径向、切向和法向上，生成卫星导航系统轨道差分改正信息；

将所述钟差改正数作平均处理，得到钟差改正数平均值，并将所述钟差改正数减去所述钟差改正数平均值，获得卫星导航系统钟差差分改正信息；

所述卫星导航系统轨道差分改正信息和所述卫星导航系统钟差差分改正信息构成所述卫星导航系统差分改正信息。

优选的，所述步骤S14的具体实现方式为：

在全球范围内，通过所述北斗三号卫星的全球短报文功能，广播播发所述低轨卫星的可视卫星的所述卫星导航系统差分改正信息；

同时在境内及周边区域，通过所述北斗三号卫星的区域短报文功能，广播播发全星座的所述卫星导航系统差分改正信息。

优选的，在全球范围内，所述北斗三号卫星根据所述低轨卫星的预报轨道和所述卫星导航系统的预报轨道获得所述低轨卫星的可视卫星信息。

本发明提供一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨系统，包括：

地面监测站，用于采集卫星导航系统的基本导航定位信息，获得地面监测站基本导航定位信息，并将所述地面监测站基本导航定位信息发送到地面主控站；

地面主控站，用于根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统差分改正信息，并将所述卫星导航系统差分改正信息发送到上行注入站；

上行注入站，用于将所述卫星导航系统差分改正信息发送到北斗三号卫星；

北斗三号卫星，用于利用短报文通信功能，广播播发所述卫星导航系统差分改正信息；

低轨卫星，用于在接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，联合所述低轨卫星的星载接收机接收到的低轨卫星基本导航定位信息，进行实时精密定轨；

所述基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨系统用于实现上述基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法中的步骤。

优选的，所述地面主控站包括：

计算单元，用于根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统精密轨道、钟差产品；

处理单元，用于根据所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品和所述地面监测站基本导航定位信息中的卫星导航系统广播星历计算生成所述卫星导航系统差分改正信息，并将所述卫星导航系统差分改正信息发送到所述上行注入站。

优选的，所述北斗三号卫星包括：

GEO卫星，用于在接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星区域短报文通信功能，在境内及周边地区广播播发全星座的所述卫星导航系统差分改正信息；

MEO卫星，用于在接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星全球短报文通信功能，在全球范围内广播播发所述低轨卫星的可视卫星的所述卫星导航系统差分改正信息。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，为低轨卫星配置星载接收机，地面监测站通过采集卫星导航系统的基本导航定位信息获得地面监测站基本导航定位信息，并发送到地面主控站；地面主控站根据自身的物理位置信息和地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统差分改正信息，并发送到上行注入站；上行注入站将卫星导航系统差分改正信息发送到北斗三号卫星；北斗三号卫星利用短报文通信功能，广播播发卫星导航系统差分改正信息；低轨卫星接收到卫星导航系统差分改正信息后，联合低轨卫星的星载接收机接收到的低轨卫星基本导航定位信息，进行实时精密定轨。本发明利用我国北斗三号系统的全球短报文通信功能，通过其播发实时高精度卫星轨道、钟差等改正信息，并在低轨卫星星座上配置星载接收机，以实现全球范围内低轨卫星实时精密定轨。本发明充分发挥了北斗三号系统短报文通信覆盖范围广的特点，具有不依赖外部通信链路，完全自主，安全性和性价比高的优势。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法中步骤S12的细分流程图；

图3为本发明实施例的一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨系统的结构示意图；

图4为本发明实施例的一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨系统中地面主控站的内部结构示意图。

具体实施方式

随着我国北斗三号系统的不断建设，北斗三号系统的3颗GEO卫星可以提供亚太地区的区域短报文通信服务，MEO卫星可以将短报文服务范围扩大到全球。为解决现有GNSS系统基本导航服务精度有限，而一般通信链路又具有覆盖范围小、造价昂贵、安全性较差等弊端的问题，本发明公开了一种基于北斗全球短报文的低轨卫星实时精密定轨方法及系统。本发明利用我国北斗三号系统的全球短报文通信功能，通过其播发实时高精度卫星轨道、钟差等改正信息，以实现全球范围内低轨卫星实时精密定轨。同时，本发明充分发挥了北斗三号系统短报文通信覆盖范围广的特点，具有不依赖外部通信链路，完全自主，安全性和性价比高的优势。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明实施例中为低轨星座中的低轨卫星配置星载接收机，参照图1，本发明实施例提供一种基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法，具体包括以下步骤：

S11、地面监测站通过采集卫星导航系统的基本导航定位信息获得地面监测站基本导航定位信息，并将所述地面监测站基本导航定位信息发送到地面主控站。

S12、地面主控站根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统差分改正信息，并将所述卫星导航系统差分改正信息发送到上行注入站。

S13、上行注入站将所述卫星导航系统差分改正信息发送到北斗三号卫星。

S14、所述北斗三号卫星接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星的短报文通信功能，广播播发所述卫星导航系统差分改正信息。

S15、低轨卫星接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，联合所述低轨卫星的星载接收机接收到的低轨卫星基本导航定位信息，进行实时精密定轨。

本发明实施例中，如图2所示，步骤S12具体包括以下步骤：

S121、所述地面主控站根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统精密轨道、钟差产品。

S122、所述地面主控站根据所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品和所述地面监测站基本导航定位信息中的卫星导航系统广播星历计算卫星导航系统差分改正信息，并将所述卫星导航系统差分改正信息发送到上行注入站。

进一步地，所述地面主控站根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统精密轨道、钟差产品，通过以下具体流程实现：

构建卫星导航系统的观测模型；

所述地面主控站根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息对所述观测模型进行线性化处理；

采用最小二乘法计算线性化处理后的观测模型，生成所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品。

在另一个实施例中，所述采用最小二乘法计算线性化处理后的观测模型，生成卫星导航系统精密轨道、钟差产品，还包括以下步骤：预先配置基准约束条件；在所述基准约束条件下，采用最小二乘法计算线性化处理后的观测模型。

进一步地，所述步骤S122通过以下具体流程实现：

根据所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品计算精密星历的卫星位置和精密钟差的卫星钟差，同时根据所述卫星导航系统广播星历计算广播星历的卫星位置和广播星历的卫星钟差；

将所述精密星历的卫星位置与所述广播星历的卫星位置作差处理，生成协议地固系XYZ方向上的坐标改正数，将所述精密钟差的卫星钟差与所述广播星历的卫星钟差作差处理，生成钟差改正数；

将所述协议地固系XYZ方向上的坐标改正数分别对应地转换到卫星的径向、切向和法向上，生成卫星导航系统轨道差分改正信息；

同时将所述钟差改正数作平均处理，得到钟差改正数平均值，并将所述钟差改正数减去所述钟差改正数平均值，获得卫星导航系统钟差差分改正信息；

所述卫星导航系统轨道差分改正信息和所述卫星导航系统钟差差分改正信息构成所述卫星导航系统差分改正信息。

下面通过一个具体实施例对地面主控站根据自身的物理位置信息和地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统精密轨道、钟差产品进行详细说明。

地面主控站收集和地面监测站接收的GNSS基本导航定位信息，具体包括多频点伪距ρ和载波相位φ观测值。在频点i从卫星s至测站a的伪距和相位观测值可以表示为：

式(1)中，

上式中忽略了天线相位偏差和变化、相位缠绕、卫星钟差的相对论效应等误差改正以及多路径和观测值噪声等误差。

式(1)中天顶对流层延迟参数T

在导航卫星数据处理中，常常根据需要构建不同类型的相位和伪距观测值组合，其中由于消电离层组合消除了一阶电离层影响，因此被广泛用于构建高精度数据处理的观测模型，其可以表示为：

式中，

相似的，卫星端消电离层组合伪距和相位观测值硬件延迟

式中，

考虑到式(2)中各个参数与测站、卫星以及信号频率等的相关性，因此对于多系统观测值，式(2)可以扩展为：

式中，S表示GNSS系统。对于GPS、GALILEO和北斗等采用码分多址技术的导航卫星系统，其不同卫星载波频率相同，因此接收机端的伪距和载波相位观测值硬件延迟对所有单系统卫星相同。但是由于GLONASS系统采用频分多址技术，因此其相应接收机端伪距和相位硬件延迟还与卫星(频率)相关，不同GLONASS卫星(频率)对应不同的接收机端硬件延迟。

由于在精密定轨模型中，导航卫星钟差在估计时会吸收卫星端伪距硬件延迟

式中，

式中，

将式(8)在给定卫星轨道、钟差等参数初值处进行线性化，未知参数主要包括：GNSS卫星轨道参数、地面站位置参数、地面跟踪站接收机钟差、GNSS卫星钟差、载波相位模糊度、天顶对流层延迟、ISB/IFB等参数。

其中，

式中，r

联合线性化后的观测模型构建法方程并在最小二乘准则下求解相关参数。由于接收机钟差、卫星钟差、ISB等参数相关，在求解时需加入基准约束。当求解得到卫星轨道参数x

本发明实施例中，步骤S14中的所述北斗三号卫星接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星短报文通信功能，广播播发所述卫星导航系统差分改正信息，主要包括如下两种情况：

一是所述北斗三号卫星接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星区域短报文通信功能，在境内及周边地区广播播发全星座的卫星导航系统差分改正信息；

二是所述北斗三号卫星接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星全球短报文通信功能，在全球范围内广播播发所述低轨卫星的可视卫星的所述卫星导航系统差分改正信息。

进一步地，所述北斗三号卫星接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星全球短报文通信功能，在全球范围内广播播发所述卫星导航系统差分改正信息，可通过如下步骤实现：

所述北斗三号卫星根据低轨卫星预报轨道和卫星导航系统预报轨道确定所述低轨卫星可视卫星情况；所述北斗三号卫星根据所述低轨卫星可视卫星情况，利用北斗三号卫星全球短报文通信功能，在全球范围内广播播发跟踪到的所述卫星导航系统差分改正信息。

具体地，在实际工作中，顾及到北斗三号系统全球短报文与区域短报文通信带宽的差异和限制，在全球范围内可以只广播播发跟踪到的特定卫星差分改正信息，并根据卫星的系统和类型灵活地制定不同的数值分辨率，在发播方式上也可采取分包策略，可通过至少两条短报文播发完整的全星座差分改正信息；而在境内及其周边区域则可利用区域短报文通信功能，播发全星座差分改正信息，同时应设置更高的数值分辨率，尽量减少计算机截断误差造成的轨道、钟差的精度损失。值得注意的是，境内及其周边地区的低轨卫星应优先使用区域短报文播发的全星座差分改正信息。

图3示意性示出了本发明一个实施例的基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨系统的结构示意图。参照图3，本发明实施例的基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨系统具体包括地面监测站301、地面主控站302、上行注入站303、北斗三号卫星304和低轨卫星305，所述低轨卫星配置有星载接收机；

所述地面监测站301，用于采集卫星导航系统的基本导航定位信息，获得地面监测站基本导航定位信息，并将所述地面监测站基本导航定位信息发送到地面主控站302；

所述地面主控站302，用于根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统差分改正信息，并将所述卫星导航系统差分改正信息发送到上行注入站303；

所述上行注入站303，用于将所述卫星导航系统差分改正信息发送到北斗三号卫星304；

所述北斗三号卫星304，用于在接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星短报文通信功能，广播播发所述卫星导航系统差分改正信息；

所述低轨卫星305，用于在接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，联合低轨卫星的星载接收机接收到的低轨卫星基本导航定位信息，进行实时精密定轨。

本发明实施例中，如图4所示，所述地面主控站302，具体包括计算单元3021和处理单元3022，其中：

所述计算单元3021，用于根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息生成卫星导航系统精密轨道、钟差产品；

所述处理单元3022，用于根据所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品和所述地面监测站基本导航定位信息中的卫星导航系统广播星历计算卫星导航系统差分改正信息，并将所述卫星导航系统差分改正信息发送到上行注入站。

进一步地，所述计算单元3021，具体用于构建卫星导航系统的观测模型；根据自身的物理位置信息和所述地面监测站基本导航定位信息对所述观测模型进行线性化处理；采用最小二乘法计算线性化处理后的观测模型，得到所述卫星导航系统精密轨道、钟差产品。

在另一可选实施例中，所述计算单元3021，具体还用于预先配置基准约束条件；在所述基准约束条件下，采用最小二乘法计算线性化处理后的观测模型。

进一步地，所述北斗三号卫星304，具体包括：

GEO卫星，用于在接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星区域短报文通信功能，在境内及周边地区广播播发全星座的卫星导航系统差分改正信息；

MEO卫星，用于在接收到所述卫星导航系统差分改正信息后，利用北斗三号卫星全球短报文通信功能，在全球范围内广播播发所述低轨卫星的可视卫星的所述卫星导航系统差分改正信息。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本发明实施例提供的基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法及系统，通过引入北斗三号卫星作为通信媒介，解决了一般通信链路具有覆盖范围小、造价昂贵、安全性较差等弊端的问题，能够利用我国北斗三号系统的全球短报文通信功能，通过其播发实时高精度卫星轨道、钟差等改正信息，以实现全球范围内低轨卫星实时精密定轨。而且，本发明充分发挥了北斗三号系统短报文通信覆盖范围广的特点，具有不依赖外部通信链路，完全自主，安全性和性价比高的优势。

此外，本发明实施例提供的基于北斗短报文的低轨卫星实时精密定轨方法及系统，为低轨卫星配置星载接收机，通过其接收基本导航信息，加上北斗三号卫星播发的差分改正信息，可实现低轨卫星实时、自主、高精度定轨，以满足低轨增强等高精度需求。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。