一种高轨卫星厘米级定轨系统与方法与流程

1.本发明属于卫星导航技术领域，特别涉及一种高轨卫星厘米级精密定轨系统与方法。


背景技术：

2.近三十年来我国航天发展日新月异，各类人造卫星为我国国民经济发展、社会生产生活、国防安全建设等方面发挥了重大作用，也是我国迈向世界大国强国的重要标志。随着航天技术的不断发展与进步，卫星应用在各领域，如通信导航、遥感探测、气象研究、军事侦察、深空探测等方面的作用日益突出，成为各行业不可或缺的信息工具。人造卫星根据轨道高度，区分为低轨卫星、中轨卫星和高轨卫星。卫星的轨道精度作为各类卫星业务的“空间基准”，直接影响到卫星服务的连续性、可用性与应用水平，也在一定程度上决定了潜在用户和市场的开发与拓展潜力。
3.一般将轨道高度低于2000km的卫星称为低轨卫星，轨道高度介于2000km和35786km的为中轨卫星，而轨道高度大于35786km的为高轨卫星。当前低轨卫星大多应用于对地观测卫星、空间站、以及以“星链”为代表的下一代通信星座；中轨卫星一般应用于导航卫星星座，如我国的北斗系统、美国的gps系统、欧盟的galileo系统等；而高轨卫星，由于其独特的高轨特性、静地特性，一颗卫星就几乎可以覆盖三分之一地球，越来越广泛的应用于通信、监测、气象、天文、深空探测等各个领域，具有中低轨不可替代的作用，成为地球空间段最重要的轨道资源。
4.相较于高轨卫星，当前大部分中低轨卫星均配备有星载gnss接收机，借助于星载gnss接收机的伪距和相位观测数据，可以实现中低轨卫星实时或事后厘米级精密定轨，满足其高精度轨道精度需求。对于高轨卫星定轨问题，传统定轨所采用的地面站跟踪方式，设施复杂，成本高，精度低，而且还受限于我国国土疆域限制，无法在国外区域布设跟踪站。如果采用类似与中低轨卫星搭载星载gnss接收机的方式，由于高轨卫星运行轨道高于gnss卫星轨道，而gnss导航卫星信号发射方向是指向地心，会造成高轨卫星的星载gnss接收机接收到的是从地球另一侧导航卫星发射的边缘信号，造成高轨卫星可见gnss卫星数量过少和信噪比过低的问题，严重影响基于星载gnss接收机的高轨卫星轨道确定精度，制约高轨卫星在通信、导航、遥感、侦察、科研等方面的应用潜力。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题：针对高轨卫星对厘米级高精度轨道的需求，结合当前低轨卫星星座发展前景，充分利用高中低地多系统多层次观测数据，提出了一种适用于高轨卫星的厘米级精密定轨系统与方法，满足当前高轨卫星应用对厘米级高精度轨道的需求。
6.为实现上述目的，本发明公开了一种高轨卫星厘米级精密定轨系统与方法。
7.一种高轨卫星厘米级精密定轨系统，该定轨系统包括北斗/gnss导航卫星、高轨卫星、低轨卫星星座、地面监测站、地面控制中心；
8.所述的北斗/gnss导航卫星在星载原子钟的控制下生成下行导航信号，并向近地用户连续播发以提供定位测速授时服务，北斗/gnss导航卫星包括中国北斗系统、美国gps系统、俄罗斯glonass系统、欧盟galileo系统中的至少一个；
9.所述的近地用户是指低轨卫星星座和地面监测站；
10.所述的高轨卫星配置了高稳原子钟，用于提供高精度的时频基准，高稳原子钟秒稳～百秒稳优于1e
‑
12量级，万秒稳优于1e
‑
14量级；高轨卫星还配置了导航信号生成单元，导航信号生成单元能够在高稳原子钟提供的时频基准控制下，生成下行导航信号，并将生成的下行导航信号向近地用户连续播发；
11.所述的低轨卫星星座包括两个以上的低轨卫星，能够实现对高轨卫星的一重及以上覆盖，即任一时刻对高轨卫星的可见卫星数(仰角大于7
°
)不少于1颗；所有的低轨卫星均配置了高精度星载gnss接收机，gnss接收机能够接收北斗/gnss导航卫星下行导航信号和高轨卫星下行导航信号；低轨卫星之间具有星间链路，通过星间链路能够将低轨卫星观测数据在低轨卫星之间进行实时数据传输；低轨卫星具有数据下传链路，能够将低轨卫星观测数据实时传输至地面控制中心；低轨卫星观测数据包括两部分内容，一部分内容为低轨卫星星载gnss接收机接收北斗/gnss导航卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；另一部分内容为低轨卫星星载gnss接收机接收高轨卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；并将由低轨卫星星载gnss接收机接收北斗/gnss导航卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据称为低轨卫星观测数据a，将由低轨卫星星载gnss接收机接收高轨卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据称为低轨卫星观测数据b，即低轨卫星观测数据a是由低轨卫星星载gnss接收机接收北斗/gnss导航卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；低轨卫星观测数据b是由低轨卫星星载gnss接收机接收高轨卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；
12.所述的地面监测站配备有高精度gnss监测接收机，能够接收北斗/gnss下行导航信号和高轨卫星播发的下行导航信号，生成地面监测站观测数据，并将生成的地面监测站观测数据实时传输至地面控制中心；地面监测站观测数据包括两部分内容，一部分为由地面监测站高精度gnss监测接收机接收北斗/gnss导航卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；另一部分为由地面监测站高精度gnss监测接收机接收高轨卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；将由地面监测站高精度gnss监测接收机接收北斗/gnss导航卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据称为地面监测站观测数据a，将由地面监测站高精度gnss监测接收机接收高轨卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据称为地面监测站观测数据b，即地面监测站观测数据a是指由地面监测站高精度gnss监测接收机接收北斗/gnss导航卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；地面监测站观测数据b是指由地面监测站高精度gnss监测接收机接收高轨卫星下行导航信号，然后生成的伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；
13.所述的地面控制中心包括数据管理子系统和数据处理子系统，数据管理子系统用
于接收、存储、管理低轨卫星观测数据；数据管理子系统用于接收、存储、管理地面监测站观测数据；数据管理子系统用于接收、存储、管理高轨卫星精密轨道和精密钟差；数据处理子系统利用地面监测站观测数据、低轨卫星观测数据进行数据处理，生成高轨卫星厘米级精密轨道和精密钟差；
14.所述的数据处理子系统利用地面监测站观测数据、低轨卫星观测数据进行数据处理，生成高轨卫星厘米级精密轨道和精密钟差的方法有两种，第一种为高中低地一体化精密定轨与时间同步方法，另一种为高轨卫星单系统精密定轨方法，其中高中低地一体化精密定轨与时间同步方法的的步骤包括：
15.第一步，建立地面监测站对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星观测模型的误差方程；
16.地面监测站对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星观测模型的误差方程为：
17.v
sta
＝f(x
gnss
,x
heo
,x
sta_y
,x
sta_n
,t
sta
)
‑
obs
sta
18.式中，v
sta
表示地面监测站相对于北斗/gnss导航卫星观测方程的残差和相对于高轨卫星观测方程的残差；f(x
gnss
,x
heo
,x
sta_y
,x
sta_n
,t
sta
)表示x
gnss
,x
heo
,x
sta_y
,x
sta_n
,t
sta
与obs
sta
的函数关系；obs
sta
表示地面监测站对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
gnss
表示北斗/gnss卫星的动力学参数，包括北斗/gnss卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
sta_y
表示与地面监测站坐标的参数，包括测站坐标、地球固体潮改正、ut1变化率；x
sta_n
表示与地面监测站坐标无关的参数，包括地面监测站接收机钟差、北斗/gnss卫星钟差、高轨卫星钟差、模糊度参数、对流层参数和电离层参数；t
sta
表示地面监测站观测历元；
19.第二步，建立低轨卫星对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星观测模型的误差方程；
20.低轨卫星对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星观测模型的误差方程表示为：
21.v
leo
＝g(x
gnss
,x
heo
,x
leo
,x
leo_y
,x
leo_n
,t
leo
)
‑
obs
leo
22.式中，v
leo
表示低轨卫星相对于北斗/gnss导航卫星观测方程的残差和相对于高轨卫星观测方程的残差；g(x
gnss
,x
heo
,x
leo
,x
leo_y
,x
leo_n
,t
leo
)表示x
gnss
,x
heo
,x
leo
,x
leo_y
,x
leo_n
,t
leo
与obs
leo
的函数关系；obs
leo
表示低轨卫星对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据，x
gnss
表示北斗/gnss卫星的动力学参数，包括北斗/gnss卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
leo
表示低轨卫星的动力学参数，包括低轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
leo_y
表示与低轨卫星坐标参数；x
leo_n
表示与低轨卫星坐标无关的参数，包括低轨卫星星载接收机钟差、北斗/gnss卫星钟差、高轨卫星钟差、模糊度参数和电离层参数；t
leo
表示低轨卫星观测历元；
23.第三步，将第一步建立的误差方程在待估参数近似值第三步，将第一步建立的误差方程在待估参数近似值处进行泰勒公式展开，得到：
[0024][0025]
第四步，将第二步建立的误差方程在待估参数近似值第四步，将第二步建立的误差方程在待估参数近似值处进行泰勒公式展开，得到：
[0026][0027]
式中，dx
gnss
、dx
heo
、dx
sta_y
、dx
sta_n
、dx
leo
、dx
leo_y
、dx
leo_n
表示待估参数的改正数；
[0028]
第五步，采用最小二乘估计，得到待估参数改正数的最优估值第五步，采用最小二乘估计，得到待估参数改正数的最优估值
[0029]
第六步，将待估参数初始值第六步，将待估参数初始值和待估参数改正数dx
gnss
、dx
heo
、dx
sta_y
、dx
sta_n
、dx
leo
、dx
leo_y
、dx
leo_n
相加，得到待估参数的最优估值；
[0030]
其中高轨卫星单系统精密定轨的方法步骤包括：
[0031]
第一步，从国际igs数据中心或全球科研机构，获取北斗/gnss精密轨道、精密钟差和地面监测站精确坐标文件；从低轨卫星星座运行控制机构获取低轨卫星精密轨道文件；
[0032]
第二步，建立地面监测站对高轨卫星观测误差方程，地面监测站对高轨卫星观测误差方程表示为：
[0033]
v
stageo
＝f
geo
(x
heo
,t
sta
)
‑
obs
stageo
[0034]
式中，v
stageo
表示地面监测站对高轨卫星观测方程的残差；f
geo
(x
heo
,t
sta
)表示x
heo
与obs
stageo
的函数关系；obs
stageo
表示地面监测站对高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；t
sta
表示地面监测站观测历元；
[0035]
第三步，建立低轨卫星对高轨卫星观测误差方程，低轨卫星对高轨卫星观测误差方程表示为：
[0036]
v
leogeo
＝g
geo
(x
heo
,t
leo
)
‑
obs
leogeo
[0037]
式中，v
leogeo
表示低轨卫星对高轨卫星观测方程的残差；g
geo
(x
heo
,t
leo
)表示x
heo
与obs
leogeo
的函数关系；obs
leogeo
表示低轨卫星对高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状
态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；t
leo
表示低轨卫星观测历元；
[0038]
第四步，对第二步得到的误差方程在待估参数近似值处进行泰勒公式展开，得到：
[0039][0040]
第五步，对第三步得到的误差方程在待估参数近似值处进行泰勒公式展开，得到：
[0041][0042]
式中，dx
heo
表示待估参数的改正数；
[0043]
第六步，采用最小二乘估计，得到待估参数改正数的最优估值
[0044]
第七步，将待估参数初始值和待估参数改正数相加，得到待估参数的最优估值。
[0045]
一种高轨卫星厘米级精密定轨方法，该方法的步骤包括：
[0046]
1)在高轨卫星上，搭载高稳原子钟与导航信号生成单元，在原子钟提供的时频基准控制下，生成下行导航信号，并将生成的下行导航信号向近地用户连续播发；
[0047]
2)在低轨卫星上，搭载高精度星载gnss接收机，对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星播发的下行导航信号进行接收、存储，再通过低轨卫星星间链路将低轨卫星观测数据下注至地面控制中心；
[0048]
3)在地面监测站，配备高精度gnss监测接收机，接收北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的下行导航信号，并将地面监测站观测数据实时传输至地面控制中心；
[0049]
4)在地面控制中心，收集、汇总、存储低轨卫星观测数据和地面监测站观测数据，通过数据处理，生成高轨卫星厘米级精密轨道。
[0050]
高中低地一体化精密定轨与时间同步详细的数据处理流程，具体描述为：
[0051]
1)地面控制中心收集地面监测站观测数据和低轨卫星观测数据，所述地面监测站观测数据包括地面监测站观测数据a和地面监测站观测数据b，所述低轨卫星观测数据包括低轨卫星观测数据a和低轨卫星观测数据b；
[0052]
2)进一步，对地面监测站观测数据和低轨卫星观测数据分别进行周跳探测和粗差剔除，得到具有模糊度标记和粗差标记的地面监测站观测数据和低轨卫星观测数据；
[0053]
3)利用北斗/gnss广播星历，生成北斗/gnss卫星的位置序列，通过轨道拟合生成一组北斗/gnss卫星参考时刻的初始状态向量、动力学参数初值信息；
[0054]
4)利用北斗/gnss广播星历和低轨卫星观测数据，解算低精度低轨卫星位置序列，通过轨道拟合生成低轨卫星参考时刻的初始状态向量、动力学参数初值信息和低轨卫星接收机钟差；
[0055]
5)利用高轨卫星预报轨道，或者高轨卫星低精度轨道信息，通过轨道拟合生成高轨卫星参考时刻的初始状态向量、动力学参数信息；
[0056]
6)利用生成的北斗/gnss卫星、低轨卫星、高轨卫星的初始状态向量、动力学参数信息，通过轨道积分生成北斗/gnss卫星、低轨卫星和高轨卫星的轨道位置时间序列；
[0057]
7)利用第二步处理得到的地面监测站观测数据，建立地面监测站观测误差方程：
[0058]
v
sta
＝f(x
gnss
,x
heo
,x
sta_y
,x
sta_n
,t
sta
)
‑
obs
sta
[0059]
式中，v
sta
表示地面监测站相对于北斗/gnss导航卫星观测方程的残差和相对于高轨卫星观测方程的残差；f表示x
gnss
,x
heo
,x
sta_y
,x
sta_n
,t
sta
与obs
sta
的函数关系；obs
sta
表示地面监测站对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
gnss
表示北斗/gnss卫星的动力学参数，包括北斗/gnss卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
sta_y
表示与地面监测站坐标的参数，包括测站坐标、地球固体潮改正、ut1变化率；x
sta_n
表示与地面监测站坐标无关的参数，包括地面监测站接收机钟差、北斗/gnss卫星钟差、高轨卫星钟差、模糊度参数、对流层参数和电离层参数；t
sta
表示地面监测站观测历元。
[0060]
8)利用第二步处理得到的低轨卫星观测数据，建立低轨卫星观测误差方程：
[0061]
v
leo
＝g(x
gnss
,x
heo
,x
leo
,x
leo_y
,x
leo_n
,t
leo
)
‑
obs
leo
[0062]
式中，v
leo
表示低轨卫星相对于北斗/gnss导航卫星观测方程的残差和相对于高轨卫星观测方程的残差；g表示x
gnss
,x
heo
,x
leo
,x
leo_y
,x
leo_n
,t
leo
与obs
leo
的函数关系；obs
leo
表示低轨卫星对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
gnss
同上；x
heo
同上；x
leo
表示低轨卫星的动力学参数，包括低轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
leo_y
表示与低轨卫星坐标参数；x
leo_n
表示与低轨卫星坐标无关的参数，包括低轨卫星星载接收机钟差、北斗/gnss卫星钟差、高轨卫星钟差、模糊度参数和电离层参数；t
leo
表示低轨卫星观测历元。
[0063]
9)利用泰勒公式，将第7步和第8步中的误差方程在待估参数初始值处展开至一阶项，同时赋予初始值相应的先验约束：
[0064][0065][0066]
式中，dx
gnss
、dx
heo
、dx
sta_y
、dx
sta_n
、dx
leo
、dx
leo_y
、dx
leo_n
表示待估参数的改正数；
[0067]
10)利用最小二乘估计得到待估参数改正数的最优估值10)利用最小二乘估计得到待估参数改正数的最优估值同时利用初始值同时利用初始值进行恢复，得到待估参数的最优估值；
[0068]
11)参数估计完成后，更新测站坐标、测站接收机钟差、测站对流层延迟参数、低轨卫星接收机钟差参数、北斗/gnss导航卫星初始状态向量及动力学参数、低轨卫星初始状态向量及动力学参数、高轨卫星初始状态向量及动力学参数；
[0069]
12)带入待估参数的估计值至误差方程，计算残差，同时对所有卫星所有历元的残差进行搜索检验，重新标记观测量中存在的周跳信息和粗差信息；
[0070]
13)重复步骤7至步骤12，直至残差小于设定阈值后跳出；
[0071]
14)基于最终估计得到的北斗/gnss卫星、低轨卫星、高轨卫星的初始状态向量和动力学参数信息，通过轨道积分，生成北斗/gnss卫星、低轨卫星、高轨卫星厘米级精密轨道位置时间序列。
[0072]
高轨卫星单系统精密定轨详细的数据处理流程，具体描述为：
[0073]
1)地面控制中心收集地面监测站观测数据b，所述地面监测站观测数据b为地面监测站接收高轨卫星下行导航信号生成的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；
[0074]
2)地面控制中心收集低轨卫星观测数据b，所述低轨卫星观测数据b为低轨卫星接收高轨卫星下行导航信号生成的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；
[0075]
3)地面控制中心获取北斗/gnss精密轨道、精密钟差和地面监测站精确坐标文件；
[0076]
4)地面控制中心获取低轨卫星精密轨道、精密钟差文件；
[0077]
5)对第1步中的地面监测站观测数据b和第2步中的低轨卫星观测数据b分别进行周跳探测和粗差剔除，得到具有模糊度标记和粗差标记的地面监测站观测数据b和低轨卫星观测数据b；
[0078]
6)利用高轨卫星预报轨道，或者高轨卫星低精度轨道信息，通过轨道拟合生成高轨卫星参考时刻的初始状态向量、动力学参数信息；
[0079]
7)利用生成的高轨卫星的初始状态向量、动力学参数信息，通过轨道积分生成高轨卫星的轨道位置时间序列；
[0080]
8)利用第5步处理得到的地面监测站观测数据b，建立地面监测站观测误差方程：
[0081]
v
stageo
＝f
geo
(x
heo
,t
sta
)
‑
obs
stageo
[0082]
式中，v
stageo
表示地面监测站对高轨卫星观测方程的残差；f
geo
()表示x
heo
与obs
stageo
的函数关系；obs
stageo
表示地面监测站对高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；t
sta
表示地面监测站观测历元。
[0083]
9)利用第5步处理得到的低轨卫星观测数据b，建立低轨卫星观测误差方程：
[0084]
v
leogeo
＝g
geo
(x
heo
,t
leo
)
‑
obs
leogeo
[0085]
式中，v
leogeo
表示低轨卫星对高轨卫星观测方程的残差；g
geo
()表示x
heo
与obs
leogeo
的函数关系；obs
leogeo
表示低轨卫星对高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；t
leo
表示低轨卫星观测历元。
[0086]
10)利用泰勒公式，将误差方程在待估参数初始值处展开至一阶项，同时赋予初始值相应的先验约束：
[0087][0088][0089]
式中，dx
heo
表示待估参数的改正数；
[0090]
11)进而利用最小二乘估计得到待估参数改正数的估值同时利用初始值进行恢复，得到待估参数的最优估值；
[0091]
12)参数估计完成后，更新高轨卫星初始状态向量及动力学参数；
[0092]
13)带入待估参数的估计值至误差方程，计算残差，同时对所有观测历元的残差进行搜索检验，重新标记观测量中存在的周跳信息和粗差信息；
[0093]
14)重复步骤8至步骤13，直至残差小于设定阈值后跳出；
[0094]
15)基于最终估计得到的高轨卫星的初始状态向量和动力学参数信息，通过轨道积分，生成高轨卫星厘米级精密轨道位置时间序列。
[0095]
同现有的方法相比，本发明公开的方法具有如下优点：
[0096]
(1)采用在高轨卫星上搭载原子钟和导航信号生成单元的方式，使高轨卫星具有导航信号生成与播发能力；
[0097]
(2)在低轨卫星上搭载星载gnss接收机，其同时接收北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的下行导航信号，利用低轨卫星运动速度快、几何构型变化大的特点，解决高轨卫星静止特性对精密定轨带来的不利影响，显著改善高轨卫星几何观测条件，极大程度提高高轨卫星定轨精度，尤其是切向方向精度；
[0098]
(3)在地面监测站，同时接收北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的导航信号，通过增加多余观测量，在提高定轨精度的同时，也增强了定轨解的强度；
[0099]
(4)在定轨解算策略上，给出了一种高中低地一体化精密定轨与时间同步方法，从观测方程层面直接将低轨卫星观测方程和地面监测站观测方程进行融合，通过建立合理正确的函数关系，联合估计北斗/gnss轨道参数、低轨卫星轨道参数和高轨卫星轨道参数，进而通过残差检验、迭代循环的方式得到北斗/gnss卫星、低轨卫星、高轨卫星的最优估值，最后再通过轨道积分，得到北斗/gnss卫星、低轨卫星、高轨卫星的厘米级精密轨道。该方法充分利用了多系统多层次观测数据，提供了更加稳定可靠的时空基准，增强了定轨解的强度，同时也能够获得更高的轨道精度。
[0100]
(5)进一步考虑到北斗/gnss精密轨道、精密钟差，和低轨卫星精密轨道、精密钟差可从外部获取的情形，给出了一种高轨卫星单系统精密定轨方法，该方法固定北斗/gnss精密轨道、精密钟差，固定低轨卫星精密轨道和精密钟差，固定地面测站坐标，只估计与高轨
卫星有关的初始状态向量和动力学参数，在同样获得高轨卫星厘米级精密轨道和精密钟差的同时，极大简化了高轨卫星精密定轨数据处理流程，并大幅缩短了处理时间。
[0101]
(6)本发明公开了一种高轨卫星厘米级精密定轨系统与方法，利用本发明设计的系统和方法，可以实现高轨卫星厘米级精密轨道确定，满足当前高轨卫星应用对厘米级高精度轨道的需求。
附图说明
[0102]
图1为本发明的高轨卫星厘米级精密定轨系统组成示意图；
[0103]
图2为高中低地一体化精密定轨与时间同步方法框图；
[0104]
图3为高轨卫星单系统精密定轨方法框图。
具体实施方式
[0105]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图，对本发明进一步详细说明。
[0106]
本发明公开的一种高轨卫星厘米级精密定轨系统如图1所示：
[0107]
1)在高轨卫星上，搭载高稳原子钟与导航信号生成单元，在原子钟提供的时频基准控制下，生成下行导航信号；
[0108]
2)在低轨卫星上，搭载高精度星载gnss接收机，对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星播发的下行导航信号进行接收、存储，再通过低轨卫星星间链路将低轨卫星观测数据下注至地面控制中心；
[0109]
3)在地面监测站，配备高精度gnss监测接收机，接收北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的下行导航信号，并将地面监测站观测数据实时传输至地面控制中心；
[0110]
4)在地面控制中心，收集、汇总、存储低轨卫星观测数据和地面监测站观测数据，通过数据处理，生成高轨卫星厘米级精密轨道。
[0111]
图2给出了高中低地一体化精密定轨与时间同步详细的数据处理流程，具体描述为：
[0112]
1)地面控制中心收集地面监测站观测数据和低轨卫星观测数据，所述地面监测站观测数据包括地面监测站观测数据a和地面监测站观测数据b，所述低轨卫星观测数据包括低轨卫星观测数据a和低轨卫星观测数据b；
[0113]
2)进一步，对地面监测站观测数据和低轨卫星观测数据分别进行周跳探测和粗差剔除，得到具有模糊度标记和粗差标记的地面监测站观测数据和低轨卫星观测数据；
[0114]
3)利用北斗/gnss广播星历，生成北斗/gnss卫星的位置序列，通过轨道拟合生成一组北斗/gnss卫星参考时刻的初始状态向量、动力学参数初值信息；
[0115]
4)利用北斗/gnss广播星历和低轨卫星观测数据，解算低精度低轨卫星位置序列，通过轨道拟合生成低轨卫星参考时刻的初始状态向量、动力学参数初值信息和低轨卫星接收机钟差；
[0116]
5)利用高轨卫星预报轨道，或者高轨卫星低精度轨道信息，通过轨道拟合生成高轨卫星参考时刻的初始状态向量、动力学参数信息；
[0117]
6)利用生成的北斗/gnss卫星、低轨卫星、高轨卫星的初始状态向量、动力学参数
信息，通过轨道积分生成北斗/gnss卫星、低轨卫星和高轨卫星的轨道位置时间序列；
[0118]
7)利用第二步处理得到的地面监测站观测数据，建立地面监测站观测误差方程：
[0119]
v
sta
＝f(x
gnss
,x
heo
,x
sta_y
,x
sta_n
,t
sta
)
‑
obs
sta
[0120]
式中，v
sta
表示地面监测站相对于北斗/gnss导航卫星观测方程的残差和相对于高轨卫星观测方程的残差；f表示x
gnss
,x
heo
,x
sta_y
,x
sta_n
,t
sta
与obs
sta
的函数关系；obs
sta
表示地面监测站对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
gnss
表示北斗/gnss卫星的动力学参数，包括北斗/gnss卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
sta_y
表示与地面监测站坐标的参数，包括测站坐标、地球固体潮改正、ut1变化率；x
sta_n
表示与地面监测站坐标无关的参数，包括地面监测站接收机钟差、北斗/gnss卫星钟差、高轨卫星钟差、模糊度参数、对流层参数和电离层参数；t
sta
表示地面监测站观测历元。
[0121]
8)利用第二步处理得到的低轨卫星观测数据，建立低轨卫星观测误差方程：
[0122]
v
leo
＝g(x
gnss
,x
heo
,x
leo
,x
leo_y
,x
leo_n
,t
leo
)
‑
obs
leo
[0123]
式中，v
leo
表示低轨卫星相对于北斗/gnss导航卫星观测方程的残差和相对于高轨卫星观测方程的残差；g表示x
gnss
,x
heo
,x
leo
,x
leo_y
,x
leo_n
,t
leo
与obs
leo
的函数关系；obs
leo
表示低轨卫星对北斗/gnss导航卫星和高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
gnss
同上；x
heo
同上；x
leo
表示低轨卫星的动力学参数，包括低轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；x
leo_y
表示与低轨卫星坐标参数；x
leo_n
表示与低轨卫星坐标无关的参数，包括低轨卫星星载接收机钟差、北斗/gnss卫星钟差、高轨卫星钟差、模糊度参数和电离层参数；t
leo
表示低轨卫星观测历元。
[0124]
9)利用泰勒公式，将第7步和第8步中的误差方程在待估参数初始值处展开至一阶项，同时赋予初始值相应的先验约束：
[0125][0126][0127]
式中，dx
gnss
、dx
heo
、dx
sta_y
、dx
sta_n
、dx
leo
、dx
leo_y
、dx
leo_n
表示待估参数的改正数；
[0128]
10)利用最小二乘估计得到待估参数改正数的最优估值10)利用最小二乘估计得到待估参数改正数的最优估值同时利用初始值同时利用初始值进行恢复，得到待估参数的最优估值；
[0129]
11)参数估计完成后，更新测站坐标、测站接收机钟差、测站对流层延迟参数、低轨卫星接收机钟差参数、北斗/gnss导航卫星初始状态向量及动力学参数、低轨卫星初始状态向量及动力学参数、高轨卫星初始状态向量及动力学参数；
[0130]
12)带入待估参数的估计值至误差方程，计算残差，同时对所有卫星所有历元的残差进行搜索检验，重新标记观测量中存在的周跳信息和粗差信息；
[0131]
13)重复步骤7至步骤12，直至残差小于设定阈值后跳出；
[0132]
14)基于最终估计得到的北斗/gnss卫星、低轨卫星、高轨卫星的初始状态向量和动力学参数信息，通过轨道积分，生成北斗/gnss卫星、低轨卫星、高轨卫星厘米级精密轨道位置时间序列。
[0133]
图3给出了高轨卫星单系统精密定轨详细的数据处理流程，具体描述为：
[0134]
1)地面控制中心收集地面监测站观测数据b，所述地面监测站观测数据b为地面监测站接收高轨卫星下行导航信号生成的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；
[0135]
2)地面控制中心收集低轨卫星观测数据b，所述低轨卫星观测数据b为低轨卫星接收高轨卫星下行导航信号生成的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；
[0136]
3)地面控制中心获取北斗/gnss精密轨道、精密钟差和地面监测站精确坐标文件；
[0137]
4)地面控制中心获取低轨卫星精密轨道、精密钟差文件；
[0138]
5)对第1步中的地面监测站观测数据b和第2步中的低轨卫星观测数据b分别进行周跳探测和粗差剔除，得到具有模糊度标记和粗差标记的地面监测站观测数据b和低轨卫星观测数据b；
[0139]
6)利用高轨卫星预报轨道，或者高轨卫星低精度轨道信息，通过轨道拟合生成高轨卫星参考时刻的初始状态向量、动力学参数信息；
[0140]
7)利用生成的高轨卫星的初始状态向量、动力学参数信息，通过轨道积分生成高轨卫星的轨道位置时间序列；
[0141]
8)利用第5步处理得到的地面监测站观测数据b，建立地面监测站观测误差方程：
[0142]
v
stageo
＝f
geo
(x
heo
,t
sta
)
‑
obs
stageo
[0143]
式中，v
stageo
表示地面监测站对高轨卫星观测方程的残差；f
geo
()表示x
heo
与obs
sta
的函数关系；obs
stageo
表示地面监测站对高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位观测数据和多普勒观测数据；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；t
sta
表示地面监测站观测历元。
[0144]
9)利用第5步处理得到的低轨卫星观测数据b，建立低轨卫星观测误差方程：
[0145]
v
leogeo
＝g
geo
(x
heo
,t
leo
)
‑
obs
leogeo
[0146]
式中，v
leogeo
表示低轨卫星对高轨卫星观测方程的残差；g
geo
()表示x
heo
与obs
leogeo
的函数关系；obs
leogeo
表示低轨卫星对高轨卫星的观测数据，包括伪距观测数据、载波相位
观测数据和多普勒观测数据；x
heo
表示高轨卫星的动力学参数，包括高轨卫星初始状态向量、大气阻力参数、光压参数、经验力参数；t
leo
表示低轨卫星观测历元。
[0147]
10)利用泰勒公式，将误差方程在待估参数初始值处展开至一阶项，同时赋予初始值相应的先验约束：
[0148][0149][0150]
式中，dx
heo
表示待估参数的改正数；
[0151]
11)进而利用最小二乘估计得到待估参数改正数的估值同时利用初始值进行恢复，得到待估参数的最优估值；
[0152]
12)参数估计完成后，更新高轨卫星初始状态向量及动力学参数；
[0153]
13)带入待估参数的估计值至误差方程，计算残差，同时对所有观测历元的残差进行搜索检验，重新标记观测量中存在的周跳信息和粗差信息；
[0154]
14)重复步骤8至步骤13，直至残差小于设定阈值后跳出；
[0155]
15)基于最终估计得到的高轨卫星的初始状态向量和动力学参数信息，通过轨道积分，生成高轨卫星厘米级精密轨道位置时间序列。