GNSS導航星座近實時精密軌道解算方法研究

肖長偉，曲國鵬，閆高原，劉家興

（江蘇建筑職業(yè)技術學院建筑工業(yè)化與信息化應用技術研究所，江蘇 徐州 221116）

1 引言

在GNSS系統(tǒng)中導航星座近實時精密軌道是保障系統(tǒng)正常運行的關鍵技術之一。GNSS導航星座近實時軌道精度是衡量GNSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能的一個重要指標[1-2]。GNSS導航星座的近實時精密軌道是保障GNSS精密定位、導航以及低軌衛(wèi)星精密定軌的基礎，因此，GNSS導航星座近實時精密軌道解算技術一直受到國內(nèi)外許多專家和研究機構的重視，成為全球導航定位系統(tǒng)領域重要的研究課題[3-5]。

隨著全球導航定位技術應用深入，社會對全球導航系統(tǒng)實時性和高精度的需求不斷增加，迫切需要基于GNSS導航星座實時精密軌道的高精度實時定位服務，研究GNSS導航星座高精度實時定位服務系統(tǒng)將有利于促進GNSS導航星座定位、定軌理論和算法的發(fā)展。GNSS導航星座近實時精密軌道確定技術作為實現(xiàn)GNSS高精度實時定位導航服務的核心技術，已經(jīng)成為全球衛(wèi)星導航定位領域最熱門研究課題之一[2]。

為了提高我國在政治、經(jīng)濟和軍事領域的世界地位，我國正在大力建設完全具有自主知識產(chǎn)權的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)——中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導航系統(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、導航和授時服務，并具有其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)沒有的全球通信功能。從2007年4月第一顆北斗導航衛(wèi)星的成功發(fā)射到今天為止我國已經(jīng)成功發(fā)射了45顆北斗導航衛(wèi)星，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已基本建設成熟。但是，由于我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)跟蹤站的布設主要設置在國內(nèi)，衛(wèi)星跟蹤弧段有限，因此，跟蹤網(wǎng)的基準約束條件和幾何觀測結構都相對比較弱，導致我國北斗衛(wèi)星導航星座的軌道精度以及軌道解算的實時性相對較差，因此，怎樣進行近實時導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IGS站的觀測數(shù)據(jù)，解算GNSS導航星座近實時精密軌道數(shù)據(jù)，然后與CODE提供的精密軌道作比較，評價滑動數(shù)據(jù)窗口內(nèi)短弧法方程疊加方法解算的近實時軌道可靠性和精度[6-7]。

2 GNSS導航星座近實時軌道解算

2.1 GNSS導航星座近實時軌道解算流程

圖1 導航星座近實時軌道解算流程圖

圖1為GNSS導航星座近實時軌道的解算流程圖，以全球均勻分布的60個IGS站提供的6h的觀測數(shù)據(jù)生成一個短弧段法方程，滑動窗口為2d48h的觀測數(shù)據(jù)（共8個6h短弧段法方程）。短弧段法方程進程處理當前6h時間段上可獲得的實時觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)解算結束后生成包括衛(wèi)星初始狀態(tài)、地球自轉參數(shù)、力模型參數(shù)、測站坐標、大氣參數(shù)和模糊度參數(shù)等的6h短弧段法方程，在當前的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6h短弧段法方程（共8個6h短弧段法方程）合并成一個法方程，求解出由整個滑動窗口中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的軌道以及預報以后6h的軌道，其中，我們把預報的6h的軌道作為近實時精密軌道。其后，將下一個6h短弧段法方程與相對于下一個6h短弧段法方程之前的7個6h短弧段法方程合并生成一個法方程，求解出由整個滑動窗口中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的預報軌道，以此類推。這樣，只需要快速解算當前天的6h短弧段法方程，以當前6h短弧段法方程之前的7個6h短弧法方程作為先驗法方程信息，從而實現(xiàn)近實時精密軌道的快速更新，下表為短弧段建立過程中采用的測量模型和力學模型[6-8]。

2.2 算例分析

圖2 全球分布的60個IGS站

本文基于2018年年積日89天～91天60個全球均勻分布的IGS站的觀測數(shù)據(jù)，IGS站的分布如圖2所示，利用BERNESE6.0軟件解算GNSS導航星座的近實時精密軌道，然后與CODE提供的精密軌道做差，求算其RMS以評價解算近實時精密軌道的精度。以2018年年積日91天0點至6點的觀測數(shù)據(jù)形成的6h短弧段法方程作為當前觀測數(shù)據(jù)形成的6h短弧法方程，然后與其之前緊鄰的7個6h短弧段法方程進行疊加。

圖3為利用2018年年積日91天0點至6點的觀測數(shù)據(jù)解算的各顆衛(wèi)星6h弧段軌道精度（RMS），圖4為當前6h觀測弧段與此觀測弧段之前緊鄰的7個6h短弧段疊加之后的當前6h短弧段的軌道精度（RMS）。從中我們可以看出，利用當前6h的觀測數(shù)據(jù)進行GNSS導航星座精密軌道解算，由于地面跟蹤站對GNSS衛(wèi)星的觀測弧段長度有限，沒有足夠的觀測數(shù)據(jù)進行約束導致各顆衛(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導航星座中衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)量比較少的緣故。所有的短弧法方程疊加之后，GNSS導航星座中各顆衛(wèi)星的軌道精度都有了明顯的提高，GNSS導航星座中所有衛(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報6h的軌道精度（RMS），即GNSS導航星座近實時軌道的精度。從中可以看出，短弧法方程疊加之后近實時軌道精度在徑向、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近實時軌道精度無論徑向、切向還是法向軌道精度都相對比較高，且GNSS導航星座中每顆衛(wèi)星的軌道精度都是穩(wěn)定可靠的。

圖3 疊加之前當前6h弧段的軌道精度（RMS）

圖4 疊加之后當前6h弧段的軌道精度（RMS）

圖5 預報6h（近實時）的軌道精度（RMS）

3 結論

本文詳細地論述了GNSS導航星座近實時精密軌道的解算方法。基于全球均勻分布的60個IGS站的觀測數(shù)據(jù)進行GNSS導航星座近實時精密軌道解算，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近實時軌道精度無論徑向、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數(shù)據(jù)窗口內(nèi)短弧法方程疊加的方法是可行的。