一种导航卫星预报轨道的处理方法及系统与流程
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种导航卫星预报轨道的处理方法及系统。
背景技术
自1995年4月27日美国gps系统正式运行以来，在20多年时间内卫星导航系统蓬勃发展。前苏联及随后的俄罗斯、欧盟、中国、日本以及印度等国家和地区出于自身战略安全和经济利益等需要相继研发各自的全球或区域性卫星导航定位系统——glonass、galileo、bds、qzss和navic(irnss)。而jason，champ、goce、grace、国内海洋、资源和风云等低轨卫星的在轨运行，为地球重力场、大气、海洋以及电磁等科学研究提供了重要的基础数据。实际上，各类导航卫星、对地观测卫星、商业卫星等高低轨卫星的数量已经达到一千多颗。对于地面用户来说，可观测的卫星数越多，用户的可选择性就多，所以整合现有卫星资源，将低轨和中高轨卫星联合起来组成一种新的星座是一种发展趋势。将高、中、低轨卫星联合起来作为导航卫星，极大地增加了用户端的卫星可见数、可用性和选择性，充足的卫星观测值使得用户的完好性监测更加可靠，更利于问题卫星的识别，继而提高了系统导航定位服务的可用性、连续性、稳定性和准确性，能够极大地改善了用户的产品使用体验。
导航星历是由导航卫星向用户播发的一组反映卫星在空间的运行轨道、卫星钟的改正参数、电离层延迟修正及卫星健康状态等信息的二进制代码。导航系统的监测站对卫星进行数据采集，并将采集的数据传输给主控站进行处理，得到卫星预报轨道和卫星钟改正数，对这些卫星位置和钟差改正数等信息进行编码，再由注入站将其编码信息注入给导航卫星，最终由在轨运行正常的导航卫星全天候不间断向可视用户进行播发。
卫星预报轨道和钟差是导航星历中最为重要的信息，预报轨道的不断更新保证了导航星历的精度，但是相邻预报轨道之间跳变的存在，一方面直接影响了用户导航定位及授时的使用，另一方面，增加了用户实时数据质量控制的难度，影响用户解算实时产品的效率，最终影响实时产品的用户体验。所以，解决相邻预报轨道之间的跳变，直接关系到导航系统的服务和用户体验，在生成中高低轨道融合的导航星历中，如何消除预报轨道的边界跳变问题显得非常具有实用意义。而且，与现有中高轨系统的导航星历不同，在中高低轨道融合的导航星历中需要顾及不同轨道高度的卫星星历的差异，使得不同高度的卫星星历能够提供相当的服务水平，基于此，如何兼顾现有中高轨卫星的导航星历，同时创造性的融入低轨卫星的星历信息，使得用户在使用中高低轨道融合的新导航星历时，无论在数据格式上还是卫星位置计算上能兼容旧星历，这在未来中高低轨卫星组合的导航系统中，是个亟待解决的问题。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明提出了一种导航卫星预报轨道的处理方法及系统，能够消除预报轨道边界跳变问题，兼顾中高低轨道的导航星历播发，从而为用户提供实时高精度服务，提升导航系统服务性能。
本发明的一个方面，提供了一种导航卫星预报轨道的处理方法，包括：
获取导航卫星的多个预报轨道弧段，所述多个预报轨道弧段包括当前预报轨道弧段和历史预报轨道弧段，所述多个预报轨道弧段中任意相邻的两个预报轨道弧段之间具有重叠部分；
根据所述多个预报轨道弧段确定所述导航卫星的基准轨道，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差；
根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差，判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否发生跳变；
若当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变，则对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复，得到导航卫星的连续预报轨道。
可选地，在所述得到导航卫星的连续预报轨道之后，所述方法还包括：
根据预设的拟合参数对跳变修复之后的所述连续预报轨道进行拟合，得到星历拟合参数；
播发所述星历拟合参数。
可选地，在所述根据预设的拟合参数对跳变修复之后的所述连续预报轨道进行拟合之前，所述方法还包括：
根据所述导航卫星的轨道高度，选择拟合参数的个数和内容。
可选地，所述根据所述多个预报轨道弧段确定所述导航卫星的基准轨道，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差，包括：
获取所述多个预报轨道弧段的平均轨道；
将所述平均轨道作为所述导航卫星的基准轨道，并根据所述多个预报轨道弧段和所述基准轨道建立相似变换观测模型；
根据所述相似变换观测模型，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差。
可选地，所述根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差，判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否发生跳变，包括：
采用粗差定位法根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否离群；
若离群，则确定所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变。
可选地，所述对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复，包括：
判断所述当前预报轨道弧段是否满足所述导航卫星对应的预设跳变修复条件，若满足，则对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复，否则，将所述当前预报轨道弧段设置为不可用状态。
本发明的另一个方面，提供了一种导航卫星预报轨道的处理系统，包括：
获取单元，用于获取导航卫星的多个预报轨道弧段，所述多个预报轨道弧段包括当前预报轨道弧段和历史预报轨道弧段，所述多个预报轨道弧段中任意相邻的两个预报轨道弧段之间具有重叠部分；
计算单元，用于根据所述多个预报轨道弧段确定所述导航卫星的基准轨道，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差；
判断单元，用于根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差，判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否发生跳变；
拼接单元，用于在当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变时，对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复，得到导航卫星的连续预报轨道。
可选地，所述系统还包括：
拟合单元，用于在得到导航卫星的连续预报轨道之后，根据预设的拟合参数对跳变修复之后的所述连续预报轨道进行拟合，得到星历拟合参数；
通信单元，用于播发所述星历拟合参数。
可选地，所述系统还包括：
配置单元，用于在根据预设的拟合参数对跳变修复之后的所述连续预报轨道进行拟合之前，根据所述导航卫星的轨道高度，选择拟合参数的个数和内容。
可选地，所述计算单元，包括：
获取模块，用于获取所述多个预报轨道弧段的平均轨道；
模型建立模块，用于将所述平均轨道作为所述导航卫星的基准轨道，并根据所述多个预报轨道弧段和所述基准轨道建立相似变换观测模型；
计算模块，用于根据所述相似变换观测模型，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差。
可选地，所述判断单元，具体用于采用粗差定位法根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否离群，若离群，则判定所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变。
可选地，所述拼接单元，包括：
判定模块，用于判断所述当前预报轨道弧段是否满足所述导航卫星对应的预设跳变修复条件；
拼接处理模块，用于当所述判定模块的判定结果为所述当前预报轨道弧段满足所述导航卫星对应的预设跳变修复条件时，对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复；否则，将所述当前预报轨道弧段设置为不可用状态。
本发明实施例提供的导航卫星预报轨道的处理方法及系统，通过利用不同导航卫星的多个预报轨道弧段之间的重叠部分，对发生跳变的预报轨道弧段进行跳变修复，得到对应导航卫星的连续预报轨道，能够消除预报轨道边界跳变问题，进而能够兼顾高低轨道的导航星历的实现，从而为用户提供实时高精度服务，提升导航系统服务性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例的一种导航卫星预报轨道的处理方法的流程图；
图2为本发明实施例中实现预报轨道弧段拼接修复的数据处理原理示意图；
图3为本发明实施例的另一种导航卫星预报轨道的处理方法的流程图；
图4为本发明实施例的卫星预报轨道拟合原理示意图；
图5为本发明实施例的一种导航卫星预报轨道的处理系统的结构示意图；
图6为本发明实施例的另一种导航卫星预报轨道的处理系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明主要是针对中高、低轨道融合的导航星历而提出，综合了“整体控制”和“局部调节”的思想，将其应用到预报轨道边界跳变问题解决中，在全面分析考察现有中高轨导航星历的基础上，创造性的提出了针对低轨卫星的导航星历，新的导航星历将兼顾中高低轨道卫星，使得用户可以非常方便即可实现从现有的导航星历到新导航星历的过渡。
图1示意性示出了本发明一个实施例的导航卫星预报轨道的处理方法的流程图。参照图1，本发明实施例的导航卫星预报轨道的处理方法具体包括以下步骤：
s11、获取导航卫星的多个预报轨道弧段，所述多个预报轨道弧段包括当前预报轨道弧段和历史预报轨道弧段，所述多个预报轨道弧段中任意相邻的两个预报轨道弧段之间具有重叠部分。
具体的，可根据导航卫星的卫星轨道高度的不同，灵活选择不同数量的预报轨道弧段。假定所选弧段总数为n，按时间先后顺序记为：1,2,3...n-1,n,则每个弧段与前后相邻的弧段都具有重叠部分，其中，第一个和最后一个除外。
本实施例中基于各个预报弧段之间存在重叠部分，只有这样才能有效地采用该轨道拼接算法。可理解的，在实际中该条件非常容易满足，实际上，只需要设置每个预报轨道弧段的弧长为指定的要求即可。
s12、根据所述多个预报轨道弧段确定所述导航卫星的基准轨道，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差。
s13、根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差，判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否发生跳变。
s14、若当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变，则对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复，得到导航卫星的连续预报轨道。
本实施例中，若确定当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变之后，通过计算当前预报轨道弧段边界跳变大小，对跳变程度小于预设阈值的跳变进行修复。参见图2，图2是本发明实施例中实现预报轨道弧段拼接修复的数据处理原理示意图。
本发明实施例提供的导航卫星预报轨道的处理方法，通过利用不同导航卫星的多个预报轨道弧段之间的重叠部分，对发生跳变的预报轨道弧段进行跳变修复，得到对应导航卫星的连续预报轨道，能够消除预报轨道边界跳变问题，进而能够兼顾中高低轨道的导航星历的实现，从而为用户提供实时高精度服务，提升导航系统服务性能。
本发明实施例中，所述根据所述多个预报轨道弧段确定所述导航卫星的基准轨道，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差，包括：
获取所述多个预报轨道弧段的平均轨道；
将所述平均轨道作为所述导航卫星的基准轨道，并根据所述多个预报轨道弧段和所述基准轨道建立相似变换观测模型，具体观测模型如下；
其中,
根据所述相似变换观测模型，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差。
本步骤中，通过根据所述相似变换观测模型形成法方程，进而解算变换参数，最终得到每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差。
本实施例中，所述根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差，判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否发生跳变，包括：
采用粗差定位法根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否离群；若离群，则确定所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变。
进一步地，本实施例中的对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复，包括：判断所述当前预报轨道弧段是否满足所述导航卫星对应的预设跳变修复条件，若满足，则对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复，否则，将所述当前预报轨道弧段设置为不可用状态。
本发明实施例中，根据每个卫星所有弧段的均方根误差，通过baarda粗差定位方法，判断当前预报轨道弧段和前一个预报轨道弧段的整体精度是否离群，若离群，则确定所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变。进而在后续处理中，选择与轨道边界时刻的时间间隔相关的幂函数，确定是否对当前预报弧段进行跳变修复，具体跳变修复公式如下:
dt＝ti-tobs
其中,tobs表示轨道边界时刻,ti表示有效预报弧段卫星位置节点时间,
在本发明的一个可选实施例中，如图3所示，在所述得到导航卫星的连续预报轨道之后，所述方法还包括以下步骤：
s15、根据预设的拟合参数对跳变修复之后的所述连续预报轨道进行拟合，得到星历拟合参数。
其中，在所述根据预设的拟合参数对跳变修复之后的所述连续预报轨道进行拟合之前，所述方法还包括：根据所述导航卫星的轨道高度，选择拟合参数的个数和内容。具体的，针对不同轨道高度的中高低轨卫星，拟合不同个数的星历参数，对于中高轨卫星，选取16个参数拟合中高轨卫星位置，对于低轨卫星，在16参数的基础上额外增加四个拟合参数，以拟合低轨卫星位置，参见图4。重复所有卫星，直到计算完成所有卫星的星历拟合参数。
在一个具体实施例中,拟合函数可以表示为:
其中,
m(t)＝e(t)-esine(t)
w＝u-ν
其中,(x,y,z)为卫星坐标分量,
针对中高轨卫星16参数广播星历中，计算轨道长半轴、平均运动角速度、升交距角的摄动项公式为：
δu＝cuccos2u+cussin2u
针对低轨卫星,新设计的16+4参数广播星历中，多加入的长半轴变率、平均运动角速度变率参数、两个升交距角的摄动项公式为：
δu＝cuccos2u+cussin2u+cuc2cos6u+cus2sin6u
表1拟合参数含义对照表
s16、播发所述星历拟合参数。
在上述的中高低轨道融合的导航星历连续拼接和播发算法中，假设了各个预报弧段之间存在重叠部分，只有这样才能有效地采用该轨道拼接算法。在实际中该条件非常容易满足，实际上，只需要设置每个预报弧段的弧长为指定的要求即可。另外对低轨卫星的拟合参数设置为20个，可以充分利用现有导航星历中备用的4个数据记录，无需修改现有的导航星历格式，对用户来说极为方便实用。
本发明实施例，采用多个预报弧段，充分利用各个弧段的重叠部分，可靠的识别问题弧段，为是否需要进行跳变修复提供参考依据；采用多个弧段的比较，既能够维持长时间的预报弧段的框架稳定，又能够较好地修复轨道边界跳变，实现轨道连续拼接；针对低轨卫星的预报轨道误差规律，创造性的增加升交点三分之一周的调和改正系数，灵活调节拟合弧长，使得拟合的低轨卫星预报精度满足指定要求；充分顾及了现有适合中高轨(gps、bds、galileo、qzss)的导航星历格式，只需要增加额外的4个拟合参数，即可满足兼容中高、低轨卫星导航星历的实现。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
图5示意性示出了本发明一个实施例的导航卫星预报轨道的处理系统的结构示意图。参照图5，本发明实施例的导航卫星预报轨道的处理系统具体包括获取单元501、计算单元502、判断单元503以及拼接单元504，所述的获取单元501，用于获取导航卫星的多个预报轨道弧段，所述多个预报轨道弧段包括当前预报轨道弧段和历史预报轨道弧段，所述多个预报轨道弧段中任意相邻的两个预报轨道弧段之间具有重叠部分；计算单元502，用于根据所述多个预报轨道弧段确定所述导航卫星的基准轨道，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差；判断单元503，用于根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差，判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否发生跳变；拼接单元504，用于在当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变时，对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复，得到导航卫星的连续预报轨道。
本发明实施例提供的导航卫星预报轨道的处理系统，通过利用不同导航卫星的多个预报轨道弧段之间的重叠部分，对发生跳变的预报轨道弧段进行跳变修复，得到对应导航卫星的连续预报轨道，能够消除预报轨道边界跳变问题，进而能够兼顾高低轨道的导航星历的实现，从而为用户提供实时高精度服务，提升导航系统服务性能。
在一个可选实施例中，如图6所示，所述系统还包括拟合单元505和通信单元506，其中：所述的拟合单元505，用于在得到导航卫星的连续预报轨道之后，根据预设的拟合参数对跳变修复之后的所述连续预报轨道进行拟合，得到星历拟合参数；所述的通信单元506，用于播发所述星历拟合参数。
本发明实施例中，基于各个预报弧段之间存在重叠部分，利用前面多个预报弧段的轨道(含当前预报弧段)，通过对重叠部分建立相似变换方程，根据平差之后的均方根误差来对当前预报弧段进行整体质量控制，并利用轨道边界的跳变数值修正当前预报弧段，对修复跳变之后的预报轨道进行拟合(根据不同轨道高度选择不同数量的拟合参数)，得到广播星历拟合参数。
在一个可选实施例中，所述系统还包括附图中未示出的配置单元，该配置单元，用于在根据预设的拟合参数对跳变修复之后的所述连续预报轨道进行拟合之前，根据所述导航卫星的轨道高度，选择拟合参数的个数和内容。
在一个可选实施例中，所述计算单元，包括获取模块、模型建立模块和计算模块，其中：所述的获取模块，用于获取所述多个预报轨道弧段的平均轨道；所述的模型建立模块，用于将所述平均轨道作为所述导航卫星的基准轨道，并根据所述多个预报轨道弧段和所述基准轨道建立相似变换观测模型；所述的计算模块，用于根据所述相似变换观测模型，计算所述多个预报轨道弧段中每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差。
在一个可选实施例中，所述判断单元，具体用于采用粗差定位法根据每一弧段相对于所述基准轨道的均方根误差判断所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段是否离群，若离群，则判定所述当前预报轨道弧段相对于历史预报轨道弧段发生跳变。
进一步地，所述拼接单元，包括判定模块和拼接处理模块，所述的判定模块，用于判断所述当前预报轨道弧段是否满足所述导航卫星对应的预设跳变修复条件；所述的拼接处理模块，用于当所述判定模块的判定结果为所述当前预报轨道弧段满足所述导航卫星对应的预设跳变修复条件时，对所述当前预报轨道弧段进行跳变修复；否则，将所述当前预报轨道弧段设置为不可用状态。
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导航卫星预报轨道的处理方法及系统，通过利用不同导航卫星的多个预报轨道弧段之间的重叠部分，对发生跳变的预报轨道弧段进行跳变修复，得到对应导航卫星的连续预报轨道，能够消除预报轨道边界跳变问题，进而能够兼顾高低轨道的导航星历的实现，从而为用户提供实时高精度服务，提升导航系统服务性能。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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