基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911046908.5 (22)申请日 2019.10.30 (71)申请人 中海北斗 （深圳） 导航技术有限公司 地址 518000 广东省深圳市前海深港合作 区前湾一路1号A栋201室 (72)发明人 许小龙赵齐乐周泉 (51)Int.Cl. G01S 19/23(2010.01) (54)发明名称 基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星 机动及异常探测方法 (57)摘要 本发明涉及GNSS星基增强系统领域， 尤其涉 及北斗卫星精密轨道解算及在轨运行异常机动 探测领域， 。

2、具体是指一种基于精密轨道和地面台 站数据的北斗卫星机动及异常探测方法， 其主要 特点是结合预报的北斗卫星精密轨道与地面台 站计算得到的卫星位置做比对， 判定北斗卫星在 轨运行是否发生机动及异常， 能够准确确定卫星 机动时间的方法， 该方法利用北斗卫星系统事后 精密轨道和地面台站观测数据， 探测北斗卫星机 动开始及结束时刻， 通过能够对机动量级进行判 别； 该方法同样适用于其他卫星导航系统异常机 动探测， 具有较好的推广性。 权利要求书4页 说明书9页 附图3页 CN 111308515 A 2020.06.19 CN 111308515 A 1.一种基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异。

3、常探测方法， 其特征在于， 结合预报的北斗卫星精密轨道与地面台站计算得到的卫星位置做比对， 判定北斗卫星在轨 运行是否发生机动及异常， 并包括以下步骤： S1、 从事后解算的北斗卫星精密轨道中获取参考时刻卫星状态参数， 包括： 卫星在 J2000 .0惯性坐标系下空间位置参数， 空间速度参数， 其中 J2000.0惯性坐标系定义如下， 坐标轴原点与地球质心重合， Z轴与J2000.0时刻地球瞬时自 转轴重合， X轴指向J2000.0时刻瞬时真春分点， Y轴与Z轴和X轴组成右手坐标系； S2、 对参考时刻北斗卫星状态参数轨道积分， 获取连续弧段的北斗卫星轨道参数及各 时刻卫星位置关于初始状态参数。

4、的转移矩阵； S3、 利用步骤S2中的卫星位置参数和状态转移矩阵拟合S1中的状态参数， 获取较为准 确的状态参数； S4、 对步骤S3中获的状态参数进行长时间轨道积分， 求得积分方向一段时间北斗卫星 空间位置参数； S5、 收集能够跟踪到北斗卫星的地面台站观测数据， 利用其精确已知的坐标参数和地 面钟差参数， 计算北斗卫星空间位置， 并将地固坐标系中坐标参数转换到惯性坐标系统中， 其中地固系定义如下， 坐标系原点与包含海洋和大气层在内的整个地球质心重合， 坐标轴 指向按照BIH1984.0确定的指向， Z轴与BIH1984.0瞬时自转轴重合， X轴指向BIH1984.0时刻 本初子午线与地球赤。

5、道交点， Y轴与Z轴和X轴组成右手坐标系； S6、 对比步骤S4和步骤S5中卫星空间坐标参数， 将坐标差异转换到轨道坐标系中， 给定 先验参数， 判别北斗卫星是否发生异常机动， 如果发生机动则给出机动发生时刻、 机动大 小； S7、 当检测出机动事件发生时， 通过对机动结束后的精密轨道向前积分， 重复步骤S4至 S6， 计算出北斗卫星机动结束时刻。 2.根据权利要求1所述的基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测方 法， 其特征在于， 采用Runge-Kutta积分方法6/7阶计算初始10个历元位置， 随后采用Adams 积分方法进行后续历元连续积分； Runge-Kutta积分方法。

6、6阶和7阶公式可表示为： 相应的系数如表所示： 权利要求书 1/4 页 2 CN 111308515 A 2 Adams积分显式公式可表示为： Adams积分隐式公式可表示为： 在轨道数值积分计算时， 显式公式与隐式公式同时采用， 先由显式公式计算出步点 上近似值， 再由隐式公式校正该近似值， 得出需要的。 3.根据权利要求1中基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测方法， 其特征在于， 第S5步骤中， 根据全球分布的北斗地面连续跟踪台站计算卫星空间位置的方 法， 通过固定地面台站地固系坐标和接收机钟差参数， 求解北斗卫星空间位置， 具体的实现 如下： 利用北斗卫星伪距和相位双频观测。

7、值方程如下： 权利要求书 2/4 页 3 CN 111308515 A 3 其中： 和分别表示载波和伪距无电离组合观测值， 为卫星至测站的几何距离， 为真空中光速，和分别表示吸收了接收机端或卫星端硬件延迟的钟差参数，为 对流层延迟参数，为其它需要顾及的改正， 为无电离层组合相位观测值波长， 为无 电离层组合相位观测值模糊度， 可表示为： 为载波相位和伪距测量值的误差项； 观测方法对卫星位置参数求偏导数可表示为： 其中：，M为对流层投影函数， 和分别为待估 参数近似值和原始观测计算得到的随机误差； 经线性化后， 待估参数以距离长度为单位， 顾 及卫星初始状态参数， 有： 其中设计矩阵和待估参数可。

8、表示为： 至此， 观测方程线性化完成， 通过线性估计方法进行待估参数的求解。 4.根据权利要求1中基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测方法， 其特征在于， 步骤S5中， 所述的并将地固坐标系中坐标参数转换到J2000.0惯性坐标系统 中， 其实现过程如下： 以r表示某点在历元J2000.0对应的协议地心惯性系 （CIS） 中的坐标， 以R表示协议地球 固定坐标系 （CTS） 中的坐标， 则有： 权利要求书 3/4 页 4 CN 111308515 A 4 其中：为岁差矩阵；为章动矩阵；为地球自转矩阵；为极移矩阵； 上述 转换矩阵中，矩阵根据历元的时刻可以精确确定；矩阵可根据198。

9、0IAU章动理论来 计算；矩阵通过从IERS的时间公报中内插求出IAT-UT1进而求得；矩阵需要的极移 值需从由IERS公布的极移值差值得到。 5.根据权利要求1中基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测方法其 特征在于， 步骤S6中,所述将坐标差异转换到轨道坐标系中， 其实现过程如下： 轨道坐标系 的坐标轴在惯性系中的单位矢量可以借助于惯性系中的卫星位置与速度向量来 表示， 即： 若轨道坐标系中某一点坐标为， 则该点在惯性系中坐标为： 。 6.根据权利要求1中基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测方法， 其特征在于， 步骤S6中， 所述给定先验参数， 判别北斗卫星是否发。

10、生异常机动， 其实现过程 如下： 将计算得到的卫星坐标差异转换到轨道坐标系后， 即可直观显示坐标在轨道坐标系下 的机动方向和大小， 判断卫星机动发生的标准为坐标差异前后历元间差分R方向大于1米， 或N方向大于5米， 或T方向大于10米， 公式表示为： 式中，s表示机动发生状态， 其中1表示发生机动， 0表示未发生机动；为前后历元 间计算的坐标差异， 可表示为： R、 N、 T分别代表轨道坐标系的径向、 法向和切向。 权利要求书 4/4 页 5 CN 111308515 A 5 基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测 方法 技术领域 0001 本发明涉及GNSS星基增强系统领域， 尤。

11、其涉及北斗卫星精密轨道解算及在轨运行 异常机动探测领域， 具体是指一种基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探 测方法。 背景技术 0002 GNSS技术发展至今， 一直致力于为用户提供实时、 高精度、 高可靠性的导航授时服 务。 传统实时定位采用广播星历解算卫星轨道、 钟差参数， 实时解算用户空间位置参数， 但 是受限于广播星历精度较差， 用户仅能达到米级定位精度。 为了满足高精度定位用户需求， 对GNSS高精度卫星轨道求解提出了较高的要求， 广域高精度定位用户通过引入GNSS精密轨 道作为空间基准， 可消除卫星轨道部分引入的误差， 提高用户定位解算精度， GNSS卫星轨道 解算精度。

12、是整个高精度定位的核心环节， 其解算精度受卫星轨道机动影响较大， 但从卫星 系统角度来看， 轨道维持是必不可少的环节。 因此， 较为可靠的机动探测方法成为GNSS精密 定轨需要解决问题。 0003 北斗卫星导航系统 （BeiDou Navigation Satellite System， BDS） 是中国独立发 展的卫星导航系统， 系统建设分为了三个阶段。 第一阶段系统由2颗地球同步卫星 （Geostationary Earth Orbit satellites， GEO） 组成； 第二阶段系统由5颗GEO卫星、 5颗倾 斜地球同步卫星 （Inclined GeoSynchronous Orb。

13、it satellite， IGSO） 和4颗中轨地球轨道 卫星 （Medium Earth Orbit satellite， MEO） 组成。 ； 第三阶段系统由3颗GEO、 3颗IGSO和24 颗MEO卫星组成。 由于北斗系统星座构成复杂， 轨道维持频繁， 卫星机动时卫星主动喷射燃 料将破坏卫星空间受力属性， 将严重影响精密定轨精度。 0004 准确探测北斗卫星在轨运行期间的机动事件， 对于机动期间卫星精度定轨精度提 高有一定的作用。 发明内容 0005 本发明的目的是针对北斗卫星系统的机动时间进行探测， 提供一种能够准确确定 卫星机动时间的方法， 该方法利用北斗卫星系统事后精密轨道和地面。

14、台站观测数据， 探测 北斗卫星机动开始及结束时刻， 通过能够对机动量级进行判别。 该方法同样适用于其他卫 星导航系统异常机动探测， 具有较好的推广性。 0006 为了实现上述目的， 本发明的基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异 常探测方法具有如下构成： 该基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测方 法， 其主要特点是结合预报的北斗卫星精密轨道与地面台站计算得到的卫星位置做比对， 判定北斗卫星在轨运行是否发生机动及异常。 0007 所述的方法包括以下步骤： S1、 从事后解算的北斗卫星精密轨道中获取参考时刻卫星状态参数， 包括： 卫星在 说明书 1/9 页 6 CN 11130。

15、8515 A 6 J2000.0惯性坐标系下空间位置参数， 空间速度参数； S2、 对参考时刻北斗卫星状态参数轨道积分， 获取连续弧段的北斗卫星轨道参数及各 时刻卫星位置与步骤 （1） 中状态参数的状态转移矩阵； S3、 利用步骤S2中的卫星位置参数和状态转移矩阵拟合S1中的状态参数， 获取较为较 为准确的状态参数； S4、 对步骤S3中获的状态参数进行长时间轨道积分， 求得积分方向一段时间北斗卫星 空间位置参数； S5、 收集能够跟踪到北斗卫星的地面台站观测数据， 利用其精确已知的坐标参数和地 面钟差参数， 计算北斗卫星空间位置， 并将地固坐标系中坐标参数转换到惯性坐标系统中， 其中地固系定。

16、义如下， 坐标系原点与包含海洋和大气层在内的整个地球质心重合， 坐标轴 指向按照BIH1984.0确定的指向， Z轴与BIH1984.0瞬时自转轴重合， X轴指向BIH1984.0时刻 本初子午线与地球赤道交点， Y轴与Z轴和X轴组成右手坐标系； S6、 对比步骤S4和步骤S5中卫星空间坐标参数， 将坐标差异转换到轨道坐标系中， 给定 先验参数， 判别北斗卫星是否发生异常机动， 如果发生机动则给出机动发生时刻、 机动大 小； S7、 当检测出机动时间发生时， 通过对机动结束后的精密轨道向前积分， 重复步骤S4至 S6， 计算出北斗卫星机动结束时刻。 0008 优选的， 根据步骤S1所述的轨道积。

17、分方法， 其特征在于采用Runge-Kutta积分方法 6/7阶计算初始10个历元位置， 随后采用Adams积分方法进行后续历元连续积分； Runge-Kutta积分方法6阶和7阶公式可表示为： 和 相应的系数如表所示： 说明书 2/9 页 7 CN 111308515 A 7 Adams积分显式公式可表示为： Adams积分隐式公式可表示为： 在轨道数值积分计算时， 显式公式与隐式公式同时采用， 先由显式公式计算出步点 上近似值， 再由隐式公式校正该近似值， 得出需要的。 0009 优选的， 步骤S5中， 所述的根据全球分布的北斗地面连续跟踪台站计算卫星空间 位置的方法， 其特征在于， 通过。

18、固定地面台站地固系坐标和接收机钟差参数， 求解北斗卫星 空间位置， 利用北斗卫星伪距和相位双频观测值方程如下： 说明书 3/9 页 8 CN 111308515 A 8 其中： 和分别表示载波和伪距无电离组合观测值， 为卫星至测站的几何距离， 为真空中光速，和分别表示吸收了接收机端或卫星端硬件延迟的钟差参数， 为对流层延迟参数，为其它需要顾及的改正，为无电离层组合相位观测值波长， 为无电离层组合相位观测值模糊度， 可表示为： 为载波相位和伪距测量值的误差项； 观测方法对卫星位置参数求偏导数可表示为： 其中：，M为对流层投影函数，和分别 为待估参数近似值和原始观测计算得到的随机误差； 经线性化后。

19、， 待估参数以距离长度为 单位， 顾及卫星初始状态参数， 有： 其 中 设 计 矩 阵和 待 估 参 数 可 表 示 为 ：和 和至此， 观测方程线性化完成， 通过线性 估计方法进行待估参数的求解。 0010 进一步， 步骤S5中， 所述的并将地固坐标系中坐标参数转换到J2000.0惯性坐标系 统中， 其实现过程如下： 以r表示某点在历元J2000.0对应的协议地心惯性系中的坐标， 以R表示协议地球固定 坐标系中的坐标， 则有： 其中：为岁差矩阵；为章动矩阵；为地球自转矩阵；为极移矩 阵。 上述转换矩阵中，矩阵根据历元的时刻可以精确确定；矩阵可根据1980IAU 章动理论来计算；矩阵通过从IE。

20、RS的时间公报中内插求出IAT-UT1进而求得；矩 说明书 4/9 页 9 CN 111308515 A 9 阵需要的极移值需从由IERS公布的极移值差值得到。 0011 优选的， 步骤S6中， 所述将坐标差异转换到轨道坐标系中， 其实现过程如下： 轨道坐标系的坐标轴在惯性系中的单位矢量可以借助于惯性系中的卫星位置与 速度向量来表示， 即： 若轨道坐标系中某一点坐标为， 则该点在惯性系中坐标为： 。 0012 进一步， 步骤S6中， 所述给定先验参数， 判别北斗卫星是否发生异常机动， 其实现 过程如下： 将计算得到的卫星坐标差异转换到轨道坐标系后， 即可直观显示坐标在轨道坐标系下 的机动方向和。

21、大小， 判断卫星机动发生的标准为坐标差异前后历元间差分R方向大于1米， 或N方向大于5米， 或T方向大于10米， 公式表示为： 式中，s表示机动发生状态， 其中1表示发生机动， 0表示未发生机动；为前后历 元间计算的坐标差异， 可表示为： R、 N、 T分别代表轨道坐标系的径向、 法向和切向。 附图说明 0013 图1是基于精密轨道和地面台站数据的北斗卫星机动及异常探测方法步骤图； 图2是轨道积分方法示意图； 图3是北斗卫星空间位置计算方法示意图。 说明书 5/9 页 10 CN 111308515 A 10 具体实施方式 0014 为了能够清楚地描述本发明的技术内容， 下面结合具体实施案例来。

22、进行进一步描 述。 0015 如图1所示， 本发明创造了使用北斗事后精密轨道和地面台站跟踪数据进行北斗 卫星在轨运行异常机动探测， 主要通过以下技术方案来实现： S1、 从事后解算的北斗卫星精密轨道中获取参考时刻卫星状态参数， 包括： 卫星在 J2000.0惯性坐标系下空间位置参数， 空间速度参数； S2、 对参考时刻北斗卫星状态参数轨道积分， 获取连续弧段的北斗卫星轨道参数及各 时刻卫星位置关于初始状态参数的转移矩阵； 其中， 数值积分方法采用Runge-Kutta 6/7阶单步积分法起步， 积分公式为： 和 相应的系数如表所示： 。 0016 优选的， 根据步骤S1中， 采用Runge-K。

23、utta积分方法6/7阶计算初始10个历元位置， 随后采用Adams积分方法进行后续历元连续积分； S3、 利用步骤S2中的卫星位置参数和状态转移矩阵拟合 （1） 中的状态参数， 获取较为准 确的状态参数， 其中修正轨道采用事后精密轨道， 通过本步骤可以获得较为准确轨道状态 参数； S4、 对步骤S3中获的精确轨道状态参数进行长时间轨道积分， 求得积分方向一段时间 内北斗卫星空间位置参数， 实现未来一段时间的轨道预报。 轨道积分方法采用Runge-Kutta 说明书 6/9 页 11 CN 111308515 A 11 6/7单步法起步， 随后用Adams多步法积分， 计算未来连续区间轨道， 。

24、轨道积分过程如图2所 示； S5， 收集跟踪到北斗卫星的地面台站观测数据， 利用其精确已知的坐标参数和地面钟 差参数， 计算北斗卫星空间位置， 过程如图3所示， 并将地固坐标系中坐标参数转换到 J2000.0惯性坐标系统中。 利用北斗卫星伪距和相位双频观测值方程如下： 其中：和分别表示载波和伪距无电离组合观测值， 为卫星至测站的几何距离， 为真空中光速，和分别表示吸收了接收机端或卫星端硬件延迟的钟差参数， 为对流层延迟参数，为其它需要顾及的改正，为无电离层组合相位观测值波长， 为无电离层组合相位观测值模糊度， 可表示为： 为载波相位和伪距测量值的误差项。 观测方法对卫星位置参数求偏导数可表示为。

25、： 其中：， M为对流层投影函数，和分别为待估参数近似值和原始观测计算得到的随机误 差。 经线性化后， 待估参数以距离长度为单位， 顾及卫星初始状态参数， 有： 其中设计矩阵和待估参数可表示为： 至此， 观测方程线性化完成， 通过线性估计方法进行待估参数的求解。 0017 进一步， 步骤S5中， 将地固坐标系中坐标参数转换到J2000.0惯性坐标系统中， 其 实现过程如下： 以r表示某点在历元J2000.0对应的协议地心惯性系中的坐标， 以R表示协议 地球固定坐标系中的坐标， 则有： 说明书 7/9 页 12 CN 111308515 A 12 其中：为岁差矩阵；为章动矩阵；为地球自转矩阵；为。

26、极移矩阵； 上述转换矩阵中，矩阵根据历元的时刻可以精确确定；矩阵可根据1980IAU章动 理论来计算；矩阵通过从IERS的时间公报中内插求出IAT-UT1进而求得；矩阵需 要的极移值需从由IERS公布的极移值差值得到。 0018 优选的， 步骤S6中,将坐标差异转换到轨道坐标系中， 其实现过程如下： 轨道坐标系的坐标轴在惯性系中的单位矢量可以借助于惯性系中的卫星位置与 速度向量来表示， 即： 若轨道坐标系中某一点坐标为， 则该点在惯性系中坐标为： 。 0019 优选的， 步骤S6中， 所述给定先验参数， 判别北斗卫星是否发生异常机动， 如果发 生机动则给出机动发生时刻、 机动大小； 判别北斗卫。

27、星是否发生异常机动， 其实现过程如 下： 将计算得到的卫星坐标差异转换到轨道坐标系后， 即可直观显示坐标在轨道坐标系下 的机动方向和大小， 判断卫星机动发生的标准为坐标差异前后历元间差分R方向大于1米， 或N方向大于5米， 或T方向大于10米， 公式表示为： 式中，s表示机动发生状态， 其中1表示发生机动， 0表示未发生机动；为前后历 元间计算的坐标差异， 可表示为： R、 N、 T分别代表轨道坐标系的径向、 法向和切向。 0020 优选的， S7中， 当检测出机动事件发生时， 通过对机动结束后的精密轨道向前积 分， 重复步骤S4至S6， 计算出北斗卫星机动结束时刻。 0021 需要说明的是， 上述各技术特征继续相互组合， 形成未在上面列举的各种实施例， 说明书 8/9 页 13 CN 111308515 A 13 均视为本发明说明书记载的范围； 并且， 对本领域普通技术人员来说， 可以根据上述说明加 以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 说明书 9/9 页 14 CN 111308515 A 14 图1 说明书附图 1/3 页 15 CN 111308515 A 15 图2 说明书附图 2/3 页 16 CN 111308515 A 16 图3 说明书附图 3/3 页 17 CN 111308515 A 17 。