一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法与流程

本发明涉及地球观测与导航技术领域，尤其涉及一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法。

背景技术：
我国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，简称“BDS”)，由空间端、地面端和用户端组成。目前，已经发射22颗卫星，在轨正常运行、稳定传输数据及提供服务的有14颗星，其采用地球静止轨道(GeostationaryEarthOrbit,GEO)、倾斜地球同步轨道(InclinedGeosynchronousSatelliteOrbit,IGSO)及(MediumEarthOrbit,MEO)混合星座设计，满足亚太地区定位导航服务的同时，已向全球组网开始迈进。目前，全球兼容BDS的跟踪站分布现状为：①中国及欧洲区域分布较为密集，其他区域分布较为稀疏，陆地上BDS跟踪站分布不均匀；②跟踪站大多布设在地形稳定的地面，各海洋区域分布甚少，地球仅29％为陆地，其他为海洋，也就是说，全球理论能跟踪到BDS的71％的区域中没有跟踪站存在。因此，由于地球实际环境及其他因素影响，全球兼容BDS的跟踪站分布极其不均匀，定轨构型较差，影响了BDS精密定轨精度。欧吉坤等人提出镜面投影法，将轨道面作为对称面(镜面)，将原始观测站投影生成虚拟观测站，采用原始观测值和虚拟观测值联合定轨；其他学者也先后提出了定轨中跟踪站的选取方法，提高定轨的精度等。但这些方法仅是针对数据处理过程，本质都是基于地面上现有的BDS跟踪站数据，没有充分利用地球71％的海域，由于跟踪站定轨构型较差，势必引起BDS轨道的系统误差，严重影响了BDS用户的使用。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，包括如下步骤：S1，获取船载和陆地GNSS原始数据；所述船载和陆地GNSS原始数据至少兼容BDS和GPS双系统，包括GNSS卫星导航星历和原始观测数据；所述原始观测数据包括两个频率的伪距观测值和载波相位观测值；S2，利用S1中获取到的船载GPS原始数据，基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，得到船载GNSS跟踪站的动态定位结果及精度；S3，通过地面站坐标的强约束和船载GNSS坐标适当约束，解算BDS卫星端UPD及船载接收机UPD，并确定船载北斗模糊度；S4，基于S3中确定的所述北斗模糊度，利用S1船载GNSS原始数据中载波相位信息，对船载BDS伪距原始数据进行精化，获取精化后的船载BDS伪距值；S5，利用S2中获取的所述船载GNSS跟踪站的动态定位结果和S4中获取的所述精化的船载BDS伪距值，辅助BDS地面跟踪站，确定BDS精密轨道。优选地，S2中，所述基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，采用如下公式进行实施：X(k)＝φ(k,k-1)X(k-1)+Γ(k/k-1)w(k-1)，Z(k)＝H(k)X(k)+v(k)，其中：X(k)为所要进行估计的状态值(即船载坐标GNSS站坐标)，为状态转移矩阵，Γ(k/k-1)为系统噪声驱动矩阵，w(k)为状态噪声，H(k)为GPS测量系数阵，Z(k)为GPS实际测量值，v(k)为测量噪声。优选地，S3，包括如下步骤：S301，采用如下方法解算BDS卫星端宽巷UPD：通过以下公式形成非差M-W组合观测方程：Bw＝Bmw＝NL1-NL2(3.2)实数宽巷模糊度可以表示为：Bw＝Nw+bw-bw(3.3)其中，Lmw指宽巷组合观测值，f1,f2指北斗卫星两个频点的频率，L1，L2指两个频率载波相位观测值，p1,p2指北斗卫星两个频点的伪距观测值，ρ指卫星位置到接收机的距离，c指真空中的光速，dtr为接收机钟差，T为对流层延迟影响，εmw为M-W组合观测值噪声，λmw指M-W组合观测值的波长，Bw指实数宽巷模糊度，Bmw指实数M-W组合模糊度，NL1，NL2指两个频率实数模糊度，εmw指宽巷组合的观测噪声，bw，bw分别指接收机端和卫星端的宽巷UPD，Nw指非差整数宽巷模糊度；选取陆地若干已知站坐标的GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.1解算参考站的BDS实数非差宽巷模糊度Bmw。设某一测站接收机端宽巷UPD为0，利用式3.3，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的宽巷UPD；S302，采用如下方法确定BDS卫星端窄巷模糊度：通过以下公式形成非差无电离层组合观测方程：实数无电离层组合模糊度可以表示为：其中，Lc为无电离层组合观测值，λc为无电离层组合观测值波长，εc为无电离层组合观测值噪声，Bc为无电离层组合实数模糊度，Bn为实数窄巷模糊度；采用301所述陆地GNSS参考站，对站坐标强约束，利用式3.4解算陆地GNSS站的BDS实数无电离层组合模糊度；将301中计算得到的BDS实数非差宽巷模糊度代入式3.5，得到实数非差窄巷模糊度Bn；实数非差窄巷模糊度可以表示为：Bn＝Nn+bn-bn(3.6)其中，bn，bn分别指接收机端和卫星端的窄巷UPD；设某一测站接收机端窄巷UPD为0，利用式3.6，采用最小二乘方法，得到每颗北斗卫星端和接收机端的窄巷UPD；S303，采用如下方法解算船载BDS模糊度解算：实数窄巷模糊度为：Bn＝NL1+NL2(3.7)根据所述船载GNSS跟踪站动态定位结果及精度，给予约束，采用式3.4解算船载BDS实数无电离层组合模糊度，采用式3.1计算船载BDS实数宽巷模糊度；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式bw1＝Bw-bw，将bw1小数部分取均值，得到船载BDS接收机宽巷UPD；利用所述北斗卫星端宽巷UPD，根据式3.3，得到船载BDS宽巷整数模糊度；根据式3.5，采用所述船载BDS实数无电离层组合模糊度和船载BDS实数宽巷模糊度，计算船载BDS实数窄巷模糊度；利用所述北斗卫星端窄巷UPD，根据式bn1＝Bn-bn，将bn1小数部分取均值，得到船载BDS窄巷UPD；利用所述卫星端窄巷UPD，根据式3.6，得到船载BDS窄巷整数模糊度；联合式3.2和3.7，解算得到船载BDS两个频率上的整数模糊度。优选地，S4，包括如下步骤：S401，通过下式，所述船载BDS原始观测数据中载波相位值可以表示为：L1＝N1+LL1，L2＝N2+LL2其中，N1，N2指所述两个频率的整数模糊度，LL1，LL2为载波相位实际值；S402，通过下式，将所述船载BDS原始观测数据中载波相位观测值转为所述船载BDS伪距观测值：lp1＝LL1×λ1，lp2＝LL2×λ2其中，lp1,lp2为北斗两个频率精化后的所述船载BDS伪距观测值。优选地，S5，包括如下步骤：S501，采用如下方法生成BDS初始轨道及钟差：根据北斗导航星历，提取轨道根数及钟差参数，生成北斗初始轨道及钟差；S502，采用如下方法建立测站约束信息：采用船载GNSS辅助地面跟踪站数据定轨，根据陆地跟踪站坐标精度进行站坐标的约束，采用紧约束方式，一般为毫米级；根据船载GNSS动态定位精度进行动态站坐标的约束，采用松约束方式，一般为厘米级；S503，精密定轨：根据所述精化后船载BDS伪距观测值，辅助地面跟踪站，进行BDS精密轨道的确定，生成最终BDS轨道。本发明的有益效果是：本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，通过研究高精度的船载GNSS跟踪站逐历元动态定位、船载GNSS北斗卫星模糊度的确定、船载GNSS辅助北斗卫星定轨等关键技术，充分利用船载(如各大洋中货船、游轮等)GNSS数据，优化了BDS定轨中跟踪站构型，辅助北斗卫星轨道精确确定，削弱了BDS轨道的系统误差，提高了定轨精度。与现有技术中，采用BDS精密定轨技术方法，仅利用了地面跟踪站观测数据，其定轨构型较差，精度难以提高，严重影响科研工作者及普通用户的使用，本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，利用船载GNSS数据辅助地面跟踪站进行BDS精密定轨。由于货轮等船载设备航线遍布海洋，极大的丰富并改善了BDS精密定轨构型，削弱了BDS精密轨道的系统误差；由于游轮航线较多，其动态位置填补了跟踪站空白区域，为BDS精密定轨提供了更丰富的原始数据，同时提高了BDS精密轨道的精度，为用户提供了更为精确的轨道产品；船载GNSS接收机接收BDS的同时，还接收GPS等其他导航卫星数据，因此，可应用到其他卫星导航系统轨道确定，对于多系统联合定轨具有重要的意义。附图说明图1是船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法流程示意图；图2是船载数据辅助地面跟踪站的BDS精密定轨流程示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。为了优化BDS定轨中跟踪站构型，削弱BDS轨道的系统误差，提高定轨精度。充分利用船载(如各大洋中货船、游轮等)GNSS数据，辅助北斗导航卫星轨道精确确定，需要经过高精度的船载GNSS跟踪站逐历元动态定位、船载GNSS北斗导航卫星模糊度的确定、船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨等流程。如图1所示，本发明实施例提供了一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，包括如下步骤：S1，获取船载和陆地GNSS原始数据；所述船载和陆地GNSS原始数据至少兼容BDS和GPS双系统，包括GNSS卫星导航星历和原始观测数据；所述原始观测数据包括两个频率的伪距观测值和载波相位观测值；S2，利用S1中获取到的船载GPS原始数据，基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，得到船载GNSS跟踪站的动态定位结果及精度；S3，通过地面站坐标的强约束和船载GNSS坐标适当约束，解算BDS卫星端UPD及船载接收机UPD，并确定船载北斗模糊度；S4，基于S3中确定的所述北斗模糊度，利用S1船载GNSS原始数据中载波相位信息，对船载BDS伪距原始数据进行精化，获取精化后的船载BDS伪距值；S5，利用S2中获取的所述船载GNSS跟踪站的动态定位结果和S4中获取的所述精化的船载BDS伪距值，辅助BDS地面跟踪站，确定BDS精密轨道。其中，全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystems，简称“GNSS”)。本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗导航卫星定轨方法，通过研究高精度的船载GNSS跟踪站逐历元动态定位、船载GNSS北斗卫星模糊度的确定、船载GNSS辅助北斗卫星定轨等关键技术，充分利用船载(如各大洋中货船、游轮等)GNSS数据，优化了BDS定轨中跟踪站构型，辅助北斗导航卫星轨道精确确定，削弱了BDS轨道的系统误差，提高了定轨精度。与现有技术中，采用BDS精密定轨技术方法，仅利用了地面跟踪站观测数据，其定轨构型较差，精度难以提高，严重影响科研工作者及普通用户的使用，本发明实施例提供的一种船载GNSS辅助北斗卫星定轨方法，利用船载GNSS数据辅助地面跟踪站进行BDS精密定轨。由于货轮等船载设备航线遍布海洋，极大的丰富并改善了BDS精密定轨构型，削弱了BDS精密轨道的系统误差；由于游轮航线较多，其动态位置填补了跟踪站空白区域，为BDS精密定轨提供了更丰富的原始数据，同时提高了BDS精密轨道的精度，为用户提供了更为精确的轨道产品；船载GNSS接收机接收BDS的同时，还接收GPS等其他导航卫星数据。因此，可应用到其他卫星导航系统轨道确定，对于多系统联合定轨具有重要的意义。S2中，所述基于卡尔曼滤波进行船载GNSS事后逐历元动态定位，采用如下公式进行实施：X(k)＝φ(k,k-1)X(k-1)+Γ(k/k-1)w(k-1)，Z(k)＝H(k)X(k)+v(k)，其中：X(k)为所要进行估计的状态值(即船载坐标GNSS站坐标)，为状态转移矩阵，Γ(k/k-1)为系统噪声驱动矩阵，w(k)为状态噪声，H(k)为GPS测量系数阵，Z(k)为GPS实际测量值，v(k)为测量噪声。S3，包括如下步骤：S301，采用如下方法解算BDS卫星端宽巷UPD：通过以下公式形成非差M-W组合观测方程：Bw＝Bmw＝NL1-NL2(3.2)实数宽巷模糊度可以表示为：Bw＝Nw+bw-bw(3.3)其中，Lmw指宽巷组合观测值，f1,f2指北斗卫星两个频点的频率，L1，L2指两个频率载波相位观测值，p1,p2指北斗卫星两个频点的伪距观测值，ρ指卫星位置到接收机的距离，c指真空中的光速，dtr为接收机钟差，T为对流层延迟影响，εmw为M-W组合观测值噪声，λmw指M-W组合观测值的波长，Bw指实数宽巷...