CN109061674B - 利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卫星导航***持续运行监测***及方法，该方法包括以下步骤：步骤一：设计四十颗至六十颗卫星组成的低轨星座；步骤二：低轨卫星通过GNSS数据、卫星激光测距方法实现低轨卫星实时/准实时的高精度定轨；步骤三：通过北斗中心站、低轨***星间链路进行对低轨星座所有星的双向授时，实现所有低轨卫星与北斗***时的时间同步；步骤四：通过星间链路传输回中心站所有LEO卫星的观测数据。本发明实现对北斗***全天时全天候的持续运行监测，为后端数据中心处理出更精确的北斗卫星星历星钟数据、北斗在国外推广应用做方法支撑。

Description

利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的***及方法
方法领域
本发明涉及一种利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的***及方法，尤其涉及通过低轨(LEO)小卫星实现北斗地面基准观测站作用的***及方法。
背景方法
当前GPS***主要是综合200多个遍布全球连续运行观测站对GPS卫星的监控信息，经过综合、分析后通过互联网发布很多不同采用间隔的精密轨道产品和精密钟差产品，为全球各种用户提供产品服务。
当前地面北斗地基观测基准站已基本形成，包括150个框架网基准站和1269个区域加密网基准站，但由于受地理环境、国家主权等诸多因素影响限制，当前绝大多数北斗基准站均部署在我国大陆，因此对于中轨道的北斗导航卫星不能实现全天时全天候的连续运行观测。另外虽然基准站数量众多，但重复建设，应用效果不佳，特别是国外北斗基准站网建设严重滞后，制约了北斗在全球的应用推广。
近年来，国内多个多功能低轨卫星星座***在可行性论证过程中，包括156颗低轨星组成的“虹云工程”星座、由六十颗低轨小卫星组成的“鸿雁星座”。另外随着星载计算平台性能提升和高集成小型化星载多模GNSS接收机方法的进步，通过星座建设机会搭载发射，使全球实时接收监测GNSS信号成为可能。
另外，当前海洋二号、资源三号利用GPS后处理、卫星激光测距(SLR)和星载多普勒无线电定轨定位***(DORIS)等方法对LEO进行联合事后精密定轨，试验结果显示低轨卫星定轨精度达到了cm级，因此为低轨卫星做地面基准站提供了方法基础。
发明内容
针对当前北斗地基站建设存在的问题，以及当前低轨星座建设的契机，本发明提出一种利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的***及方法，其利用40至六十颗低轨卫星组网实现对北斗导航卫星全天时全天候的连续观测，承担北斗地面基准站作用。
根据本发明的一个方面，提供一种利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的***，其特征在于，包括：
北斗卫星，为被监测对象，二十七颗中轨道MEO卫星、五颗静止轨道GEO卫星和三颗地球同步轨道IGSO卫星；
低轨卫星，为对北斗星座进行监测的主体，由40～六十颗低轨卫星组成，卫星装载高精度北斗监测接收机完成对北斗信号接收，并有激光角反射器配合地面完成自身高精度定轨，以及星间链路终端实现观测数据的传送和时间授时功能；
地面网关站，主要实现异轨间卫星进行数据路由功能；
地面激光测距站，实现对低轨卫星的高精度测定轨功能；
地面中心站，实现监测数据的接收处理功能。
本发明还提供一种利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设计四十颗至六十颗卫星组成的低轨星座，包括轨道高度、轨道倾角、轨道平面数量、每轨卫星数量、同一轨道平面卫星相对相位、相邻轨道平面卫星相对相位等设计，通过STK软件仿真分析低轨星座与基准站对北斗星座的持续监测时间，然后做对比；
步骤二：低轨卫星通过GNSS数据、卫星激光测距方法实现低轨卫星实时/准实时的高精度定轨；
步骤三：通过北斗中心站、低轨***星间链路进行对低轨星座所有星的双向授时，实现所有低轨卫星与北斗***时的时间同步；
步骤四：通过星间链路传输回中心站所有LEO卫星的观测数据。
优选地，所述步骤一具体包括以下步骤：
步骤一零一：通过分析设计低轨星座，考虑***成本、星座效能、空间环境多方面因素，设计低轨星座；
步骤一零二：通过STK软件建立LEO星座、地面站***、BD***模型；
步骤一零三：通过STK软件可见性分析模块分析LEO星座对BD***持续监测情况、地面站***对BD***的持续监测情况，仿真时间一星期，添加LEO星座为组合体、BD***为组合体、地面站***为组合体；建立组合体至组合体的链路,建立组合体至组合体的链路,分析模块计算产生两个链路的建立情况Access报告。
优选地，所述步骤一零一设计低轨星座的星座参数：卫星总颗数48颗、轨道面数6个、每个轨道面的卫星颗数8颗、轨道高度1100km、轨道倾角99.9度、每颗星四个星间链路通信终端。
优选地，所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤二零一：星载高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据；
步骤二零二：通过星地上行通道及星间链路，全星座所有LEO实时接收地面上注的导航星轨道修正数据、钟差修正数据、电离层改正值等数据；
步骤二零三：通过接收的GNSS观测数据、误差修正进行初定轨；
步骤二零四：地面激光测距站对过境低轨卫星进行激光测距定轨，与GNSS初定轨结果进行综合处理，得到低轨卫星最终定轨结果。
优选地，所述步骤三具体包括以下步骤：
步骤三零一：对中心站可视低轨卫星由星地无线电双向测距法进行星地时间同步；
步骤三零二：对于地面中心站不可视卫星，采用相同原理可视卫星和不可视卫星间通过星间双向测量进行星间时间同步，最后实现地面中心站与整个低轨星座的时间同步。
优选地，所述步骤四具体包括以下步骤：
步骤四零一：每颗LEO卫星实时进行空间路由计算，根据当前位置、目标地面站位置及星座空间构型，计算数据回传最优路径；
步骤四零二:有同轨道面卫星在地面站上空时，通过星间链路传至上空LEO卫星，LEO卫星通过星地链路传送至地面中心站；
步骤四零三：无同轨道面卫星在地面站上空时，通过星间链路传至北极上空卫星，北极上空卫星经过北极网关站完成与异轨面卫星信息交换，然后信息通过同轨间星间链路传至地面站上空卫星，然后通过星地链路传送至地面中心站。
本方法的优点在于：
(1)本方法摆脱了传统地基连续运行观测站布站限制，实现对北斗***全天时全天候的持续运行监测，为后端数据中心处理出更精确的北斗卫星星历星钟数据、北斗在国外推广应用做方法支撑。
(2)本方法利用GPS、SLR联合精密定轨方法，相对于单纯依靠GPS或地面测定轨，定轨精度提高了两个数量级，从m级提高至cm级，具有重要科学价值。
附图说明
图1为激光测距方法进行低轨卫星定轨示意图。
图2为双向时间同步与测距原理。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的实施方式，下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的***包括：
北斗卫星，为被监测对象，27颗中轨道MEO卫星、5颗静止轨道GEO卫星和3颗地球同步轨道IGSO卫星。
低轨卫星，为对北斗星座进行监测的主体，由40～六十颗低轨卫星组成，卫星装载高精度北斗监测接收机完成对北斗信号接收，并有激光角反射器配合地面完成自身高精度定轨，以及星间链路终端实现观测数据的传送和时间授时功能。
地面网关站，主要实现异轨间卫星进行数据路由功能。
地面激光测距站，实现对低轨卫星的高精度测定轨功能。
地面中心站，实现监测数据的接收处理功能。
如图1所示，本发明提出了一种利用低轨卫星星座对北斗***持续运行观测的方法，包括以下步骤：
步骤一：设计四十颗至六十颗卫星组成的低轨星座，包括轨道高度、轨道倾角、轨道平面数量、每轨卫星数量、同一轨道平面卫星相对相位、相邻轨道平面卫星相对相位等设计，通过STK软件仿真分析低轨星座与基准站对北斗星座的持续监测时间，然后做对比。步骤一包括以下步骤：
步骤一零一：设计低轨星座，主要考虑***成本、星座整体对地对空观测效能、运载发射能力、空间环境等多方面因素，设计星座，要求星座对全球可实现100％实时全覆盖，轨道高度考虑避开范艾伦辐射带，轨道倾角主要考虑方便卫星热控设计的太阳同步轨道。具体参数如下：卫星总颗数48颗、轨道面数6个、每个轨道面的卫星颗数8颗、轨道高度1100km、轨道倾角99.9度、每颗星四个星间链路通信终端。
步骤一零二：通过STK软件建立LEO星座、地面站***、BD***模型；LEO星座采用步骤一零一中设计的48星方案，每颗星加入一个对天传感器Sensor，Sensor波束角为正负85度；BD***采用未来建成后的27颗MEO+5颗GEO+3颗IGSO方案，轨道高度21500km；地面站***采用当前我国已建成的北斗150框架站+1269个区域站方案，地面站对天波束角设置为正负85度，地面站位置根据实际情况确定。
步骤一零三：通过STK软件可见性分析模块分析LEO星座对BD***持续监测情况、地面站***对BD***的持续监测情况，仿真时间一星期，添加LEO星座为组合体、BD***为组合体、地面站***为组合体；建立组合体至组合体的链路ChainLEO_BD,建立组合体至组合体的链路ChainStation_BD,分析模块计算产生两个链路的建立情况Access报告。
步骤二：低轨卫星通过GNSS数据、卫星激光测距(SLR)等方法实现低轨卫星实时/准实时的高精度定轨。步骤二包括以下步骤：
步骤二零一：星载高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据。
步骤二零二：通过星地上行通道及星间链路，全星座所有LEO实时接收地面上注的导航星轨道修正数据、钟差修正数据、电离层改正值等数据。
步骤二零三：通过接收的GNSS观测数据、误差修正进行初定轨。
步骤二零四：地面激光测距站对过境低轨卫星进行激光测距定轨，与GNSS初定轨结果进行综合处理，得到低轨卫星最终定轨结果。
步骤三：通过北斗中心站、低轨***星间链路进行对低轨星座所有星的双向授时，实现所有低轨卫星与北斗***时的时间同步；步骤三包括以下步骤：
步骤三零一：对中心站可视低轨卫星由星地无线电双向测距法进行星地时间同步。原理如图2所示，可视低轨卫星A与地面中心站B安装无线电发射机和接收机，可视低轨卫星A与地面站B同时向对方发射时间同步与测距信号，并接收对方的时间同步和测距信号，可以得到以下式(1)：
Figure BDA0001711360550000071
式(1)中：Δt为卫星A和地面中心站B的钟差，T1为卫星A发射定时信号与接收地面中心站B发射的定时信号的时间差，t2为地面中心站B发射设备时延，τBA为地面站B到卫星A的传播时延，r1为卫星A接收设备时延，δ1为其他时延；T2为地面中心站B发射定时信号与接收卫星A发射的定时信号的时间差，t1为卫星A发射设备延迟，τAB为卫星A到地面中心站B的传播时延，r2为地面站B接收设备时延，δ2为其他时延。
整理后可得地面中心站B与卫星A的钟差Δt，如下式(2)：
Figure BDA0001711360550000081
式(2)中：T1,T2通过卫星A、地面中心站B各自测量获得，t1，r1和t2，r2可以分别根据卫星和地面中心站发射接收信号的频率实现标定，当作已知量。当卫星A和地面中心站B互发时间同步与测距信号的频率接近，且链路对称，传播时延近似相等，有τAB＝τBA，同时忽略其他时延δ1δ2的影响，即可求出卫星A与地面中心站的钟差Δt，至此完成星地时间同步。
步骤三零二：对于地面中心站不可视卫星，采用相同原理可视卫星和不可视卫星间通过星间双向测量进行星间时间同步，最后实现地面中心站与整个低轨星座的时间同步。
步骤四：通过星间链路传输回中心站所有LEO卫星的GNSS监测数据。
步骤四包括以下步骤：
步骤四零一：每颗LEO卫星实时进行空间路由计算，根据当前位置、目标地面站位置及星座空间构型，计算数据回传最优路径。
步骤四零二:有同轨道面卫星在地面站上空时，通过星间链路传至上空LEO卫星，LEO卫星通过星地链路传送至地面中心站。
步骤四零三：无同轨道面卫星在地面站上空时，通过星间链路传至北极上空卫星，北极上空卫星经过北极网关站完成与异轨面卫星信息交换，然后信息通过同轨间星间链路传至地面站上空卫星，然后通过星地链路传送至地面中心站。
全星座所有LEO星通过星间链路，把观测数据实时传回地面中心站。星上路由策略为：路径最短策略，星上实时计算当前与地面中心站可见卫星编号，选择最优路径传输至该星，然后通过该星数传通道传输至地面中心站，至此完成对北斗***的实时持续运行监测。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设计四十颗至六十颗卫星组成的低轨星座，包括轨道高度、轨道倾角、轨道平面数量、每轨卫星数量、同一轨道平面卫星相对相位、相邻轨道平面卫星相对相位等设计，通过STK软件仿真分析低轨星座与基准站对北斗星座的持续监测时间，然后做对比；
步骤二：低轨卫星通过GNSS数据、卫星激光测距方法实现低轨卫星实时/准实时的高精度定轨；
步骤三：通过北斗中心站、低轨***星间链路进行对低轨星座所有星的双向授时，实现所有低轨卫星与北斗***时的时间同步；
步骤四：通过星间链路传输回中心站所有LEO卫星的观测数据；
所述步骤三具体包括以下步骤：
步骤三零一：对中心站可视低轨卫星由星地无线电双向测距法进行星地时间同步；
步骤三零二：对于地面中心站不可视卫星，采用相同原理可视卫星和不可视卫星间通过星间双向测量进行星间时间同步，最后实现地面中心站与整个低轨星座的时间同步；
所述步骤四具体包括以下步骤：
步骤四零一：每颗LEO卫星实时进行空间路由计算，根据当前位置、目标地面站位置及星座空间构型，计算数据回传最优路径；
步骤四零二:有同轨道面卫星在地面站上空时，通过星间链路传至上空LEO卫星，LEO卫星通过星地链路传送至地面中心站；
步骤四零三：无同轨道面卫星在地面站上空时，通过星间链路传至北极上空卫星，北极上空卫星经过北极网关站完成与异轨面卫星信息交换，然后信息通过同轨间星间链路传至地面站上空卫星，然后通过星地链路传送至地面中心站。
2.根据权利要求1所述的利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下步骤：
步骤一零一：通过分析设计低轨星座，考虑***成本、星座效能、空间环境多方面因素，设计低轨星座；
步骤一零二：通过STK软件建立LEO星座、地面站***、BD***模型；
步骤一零三：通过STK软件可见性分析模块分析LEO星座对BD***持续监测情况、地面站***对BD***的持续监测情况，仿真时间一星期，添加LEO星座为组合体、BD***为组合体、地面站***为组合体；建立组合体至组合体的链路,建立组合体至组合体的链路,分析模块计算产生两个链路的建立情况Access报告。
3.根据权利要求2所述的利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的方法，其特征在于，所述步骤一零一设计低轨星座的星座参数：卫星总颗数48颗、轨道面数6个、每个轨道面的卫星颗数8颗、轨道高度1100km、轨道倾角99.9度、每颗星四个星间链路通信终端。
4.根据权利要求1所述的利用低轨卫星星座对北斗***持续运行监测的方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤二零一：星载高精度GNSS接收机实现在轨高动态下的信号接收，完成导航电文提取，得到双频测码伪距、测相伪距原始观测数据；
步骤二零二：通过星地上行通道及星间链路，全星座所有LEO实时接收地面上注的导航星轨道修正数据、钟差修正数据、电离层改正值数据；
步骤二零三：通过接收的GNSS观测数据、误差修正进行初定轨；
步骤二零四：地面激光测距站对过境低轨卫星进行激光测距定轨，与GNSS初定轨结果进行综合处理，得到低轨卫星最终定轨结果。
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