GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道解算方法研究

肖長(zhǎng)偉，曲國(guó)鵬，閆高原，劉家興

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工業(yè)化與信息化應(yīng)用技術(shù)研究所，江蘇 徐州 221116）

1 引言

在GNSS系統(tǒng)中導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)軌道精度是衡量GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)[1-2]。GNSS導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)精密軌道是保障GNSS精密定位、導(dǎo)航以及低軌衛(wèi)星精密定軌的基礎(chǔ)，因此，GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道解算技術(shù)一直受到國(guó)內(nèi)外許多專家和研究機(jī)構(gòu)的重視，成為全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)領(lǐng)域重要的研究課題[3-5]。

隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(shù)應(yīng)用深入，社會(huì)對(duì)全球?qū)Ш较到y(tǒng)實(shí)時(shí)性和高精度的需求不斷增加，迫切需要基于GNSS導(dǎo)航星座實(shí)時(shí)精密軌道的高精度實(shí)時(shí)定位服務(wù)，研究GNSS導(dǎo)航星座高精度實(shí)時(shí)定位服務(wù)系統(tǒng)將有利于促進(jìn)GNSS導(dǎo)航星座定位、定軌理論和算法的發(fā)展。GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道確定技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)GNSS高精度實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航服務(wù)的核心技術(shù)，已經(jīng)成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域最熱門研究課題之一[2]。

為了提高我國(guó)在政治、經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域的世界地位，我國(guó)正在大力建設(shè)完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成，可以在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為世界范圍內(nèi)各類用戶提供高精度，穩(wěn)定可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，并具有其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)沒有的全球通信功能。從2007年4月第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的成功發(fā)射到今天為止我國(guó)已經(jīng)成功發(fā)射了45顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已基本建設(shè)成熟。但是，由于我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤站的布設(shè)主要設(shè)置在國(guó)內(nèi)，衛(wèi)星跟蹤弧段有限，因此，跟蹤網(wǎng)的基準(zhǔn)約束條件和幾何觀測(cè)結(jié)構(gòu)都相對(duì)比較弱，導(dǎo)致我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航星座的軌道精度以及軌道解算的實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，因此，怎樣進(jìn)行近實(shí)時(shí)導(dǎo)航星座精密軌道確定成為了重要的研究課題[6-7]。

文章利用滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)短弧法方程疊加的方法，基于2018年年積日為89天～91天全球均勻分布的60個(gè)IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，解算GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道數(shù)據(jù)，然后與CODE提供的精密軌道作比較，評(píng)價(jià)滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)短弧法方程疊加方法解算的近實(shí)時(shí)軌道可靠性和精度[6-7]。

2 GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)軌道解算

2.1 GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)軌道解算流程

圖1 導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)軌道解算流程圖

圖1為GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)軌道的解算流程圖，以全球均勻分布的60個(gè)IGS站提供的6h的觀測(cè)數(shù)據(jù)生成一個(gè)短弧段法方程，滑動(dòng)窗口為2d48h的觀測(cè)數(shù)據(jù)（共8個(gè)6h短弧段法方程）。短弧段法方程進(jìn)程處理當(dāng)前6h時(shí)間段上可獲得的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解算結(jié)束后生成包括衛(wèi)星初始狀態(tài)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、力模型參數(shù)、測(cè)站坐標(biāo)、大氣參數(shù)和模糊度參數(shù)等的6h短弧段法方程，在當(dāng)前的6h短弧段法方程生成之后，利用短弧法方程疊加的方法與前七個(gè)6h短弧段法方程（共8個(gè)6h短弧段法方程）合并成一個(gè)法方程，求解出由整個(gè)滑動(dòng)窗口中48h數(shù)據(jù)求出的衛(wèi)星初始軌道和力模型參數(shù)，然后利用軌道積分的方法得到2d48h的軌道以及預(yù)報(bào)以后6h的軌道，其中，我們把預(yù)報(bào)的6h的軌道作為近實(shí)時(shí)精密軌道。其后，將下一個(gè)6h短弧段法方程與相對(duì)于下一個(gè)6h短弧段法方程之前的7個(gè)6h短弧段法方程合并生成一個(gè)法方程，求解出由整個(gè)滑動(dòng)窗口中48h數(shù)據(jù)求出的衛(wèi)星初始軌道和力模型參數(shù)，利用軌道積分的方法得到48h的軌道以及以后6h的預(yù)報(bào)軌道，以此類推。這樣，只需要快速解算當(dāng)前天的6h短弧段法方程，以當(dāng)前6h短弧段法方程之前的7個(gè)6h短弧法方程作為先驗(yàn)法方程信息，從而實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)精密軌道的快速更新，下表為短弧段建立過程中采用的測(cè)量模型和力學(xué)模型[6-8]。

2.2 算例分析

圖2 全球分布的60個(gè)IGS站

本文基于2018年年積日89天～91天60個(gè)全球均勻分布的IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，IGS站的分布如圖2所示，利用BERNESE6.0軟件解算GNSS導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)精密軌道，然后與CODE提供的精密軌道做差，求算其RMS以評(píng)價(jià)解算近實(shí)時(shí)精密軌道的精度。以2018年年積日91天0點(diǎn)至6點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)形成的6h短弧段法方程作為當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)形成的6h短弧法方程，然后與其之前緊鄰的7個(gè)6h短弧段法方程進(jìn)行疊加。

圖3為利用2018年年積日91天0點(diǎn)至6點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算的各顆衛(wèi)星6h弧段軌道精度（RMS），圖4為當(dāng)前6h觀測(cè)弧段與此觀測(cè)弧段之前緊鄰的7個(gè)6h短弧段疊加之后的當(dāng)前6h短弧段的軌道精度（RMS）。從中我們可以看出，利用當(dāng)前6h的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行GNSS導(dǎo)航星座精密軌道解算，由于地面跟蹤站對(duì)GNSS衛(wèi)星的觀測(cè)弧段長(zhǎng)度有限，沒有足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行約束導(dǎo)致各顆衛(wèi)星的軌道精度比較低，不過大部分衛(wèi)星的軌道精度都在1m范圍以內(nèi)，GNSS導(dǎo)航星座中所有衛(wèi)星的總誤差徑向、切向、法向分別為 0.873m、0.374m和0.395m，平均為0.547m。這是由于GNSS導(dǎo)航星座中衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)量比較少的緣故。所有的短弧法方程疊加之后，GNSS導(dǎo)航星座中各顆衛(wèi)星的軌道精度都有了明顯的提高，GNSS導(dǎo)航星座中所有衛(wèi)星的總誤差徑向、切向、法向分別為0.067m、0.069m 和 0.064m，平均為0.067m，且GNSS導(dǎo)航星座中每顆衛(wèi)星的軌道精度都是穩(wěn)定可靠的[8-11]。

圖5為短弧法方程疊加之后預(yù)報(bào)6h的軌道精度（RMS），即GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)軌道的精度。從中可以看出，短弧法方程疊加之后近實(shí)時(shí)軌道精度在徑向、切向、法向分別為0.078m、0.120m和0.064m，平均為0.088m，可以看出本文解算的GNSS近實(shí)時(shí)軌道精度無論徑向、切向還是法向軌道精度都相對(duì)比較高，且GNSS導(dǎo)航星座中每顆衛(wèi)星的軌道精度都是穩(wěn)定可靠的。

圖3 疊加之前當(dāng)前6h弧段的軌道精度（RMS）

圖4 疊加之后當(dāng)前6h弧段的軌道精度（RMS）

圖5 預(yù)報(bào)6h（近實(shí)時(shí)）的軌道精度（RMS）

3 結(jié)論

本文詳細(xì)地論述了GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道的解算方法。基于全球均勻分布的60個(gè)IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道解算，其解算精度在徑向、切向、法向分別為0.078m、0.120m和0.064m，平均為0.088m。本文解算的GNSS近實(shí)時(shí)軌道精度無論徑向、切向還是法向軌道精度都比較高，并且本文解算的GNSS導(dǎo)航星座中每顆衛(wèi)星的軌道精度都是穩(wěn)定的，說明本文采用的滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)短弧法方程疊加的方法是可行的。