导航卫星的地面站定轨算法

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1、2012年6月中国空间科学技术27丝!塑篁!!竺!!呈量呈呈!呈量!!呈望!!呈呈!!竺!垒呈皇!皇堡兰：：：导航卫星的地面站定轨算法陈治国陈培韩潮(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分，而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此，研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测，将导航卫星钟差参数作为状态量，推导了滤波算法的状态方程、测量方程，并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导

2、航卫星为例进行了2天的仿真试验，考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断，并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明，4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级，钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级，并且在滤波中断后重启滤波器，仍然可以达到此估计精度，表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。，关键词地面定轨滤渡算法单向伪距测量导航卫星DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2012．03．0051引言星座导航系统能够给用户提供精确的时间、位置和速度信息的关键就是需要保证导航卫星星历和时钟的精确估计。目前导航卫

3、星的测定轨技术主要有类似于GPS系统的基于卫星下行导航信号进行伪距和载波相位测量的技术[1。2]、基于甚长基线干涉测量的测定轨技术(VLBI)【3]、基于卫星激光测距(SLR)的测定轨技术，以及融合多种测轨手段进行测定轨的技术【4]。这些测定轨技术各有优缺点。为提高导航星座系统的自主性，各国也相继针对导航卫星的自主导航能力展开了研究。其中最主要的成果就是提出了基于星间伪距测量进行导航卫星自主定轨的方法[5-6]，但这种方法目前还存在因为卫星星座整体旋转和卫星钟差整体漂移而引入误差的问题。本文研究了基于单向、被动测量

4、模式的星座导航系统导航卫星地面定轨算法。该定轨算法利用导航卫星的下行导航信号进行单向双频伪距测量，只需要地面站具备导航信号伪距测量接收机。对于伪距观测，本质上是测量码相位(接收机与卫星载波信号处于相位锁定状态)。复现码相位可以变换为卫星信号的发射时刻，同时导航星座的导航卫星可以利用天文导航或者传统测控网实现低精度的轨道确定，从而抵消到达时间测量的模糊度(GPS是1ms)，此时可知导航信号从卫星发射到地面站接收的传播时间，即可得到伪距观测值。由于导航卫星的时钟存在钟差使由此得到的卫星信号发射时间存在误差，这将在伪距观

5、测值中引入误差，而测量误差最终会影响卫星星历的估计精度。卫星钟差处理方面目前常用的有两种方法：一种是利用历元间差分的方法消除钟差的慢变项，剩余的部分作为噪声进行滤波处理；另一种方法是建立钟差的多项式模型，将钟差参数作为滤波器状态变量和轨道参数一起估计。历元间差分只提供关于轨道的差分信息，其定轨的几何强度也因此降国家自然科学基金(11002008)，CAST创新基金(20090403)资助项目收耥日期：2011一08—04。收修改稿日期：2011—1i-1028中国空间科学技术2012年6月低，定轨精度也不是很高。本

6、文中将钟差参数作为状态变量参与滤波估计，以获得更高的定轨精度。2地面主控站测量数据处理流程星座导航系统的地面区段由主控站、监测站和地面天线阵列组成，监测站对导航卫星进行跟踪和测量。地面监测站每间隔约30s的时间可获得一组相对其可见的卫星的双频伪距测量值。地面主控站利用这些观测信息估计卫星星历和钟差。在进行滤波估计之前，这些基本的观测信息需要进行一定的预处理。首先需要消除电离层延迟。电离层延迟的一阶项用双频伪距方法可以消除，未消除的高阶部分可视为伪距测量误差的一部分。对流层延迟与测站处的大气参数及电磁波的传播方向有关

7、，通过测站测量当地大气参数，利用对流层延迟修正模型及相应的映射函数可修正大部分对流层延迟，未消除的部分亦作为伪距测量误差的一部分。星座导航系统需要高精度的绝对时间基准，此时间基准为导航星座系统时。而导航卫星和伪距测量接收机又分别有各自的时钟，两者与导航星座系统时之间都存在钟差，利用拉格朗日插值算法构建插值多项式，将伪距测量数据进行平滑处理，实现数据的时问同步。平滑后的伪距测量数据送人滤波算法处理，从而得到卫星星历及钟差的估计。主控站数据处理流程如图l所示。测量数据预处理l滤波估计卫星星历、钟差状态估计燃H漱H盏燃蕊

8、H燃计!⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一圭焦盐一图1星座导航系统地面主控站数据处理流程Fig．1AlgorithmfororbitdeterminationinMCS地面主控站滤波模型的建立3．1系统状态的选取利用主控站精确的轨道预报模型和原子钟的数学模型生成参考状态量，每一时刻卫星的轨道和时钟状态与相应的参考状态作差，得到状态残差量，以此为状态变量推导