基于衛(wèi)星位置與速度的北斗衛(wèi)星廣播星歷擬合

王解先，王君剛，，陳俊平（.同濟大學測繪與地理信息學院，上海0009；.中國科學院上海天文臺，上海00030）

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基于衛(wèi)星位置與速度的北斗衛(wèi)星廣播星歷擬合

王解先1，王君剛1，2，陳俊平2
（1.同濟大學測繪與地理信息學院，上海200092；2.中國科學院上海天文臺，上海200030）

提出基于衛(wèi)星位置與速度的廣播星歷擬合算法，給出了該擬合算法的計算過程，并對傳統(tǒng)坐標擬合算法與坐標＋速度擬合算法的擬合精度及外推精度進行比較.結果表明：基于位置＋速度的擬合算法是有效的，且與傳統(tǒng)坐標擬合算法相比，該算法能顯著提高擬合的速度精度，且坐標精度也略有提高.此外，在衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)已知歷元數(shù)較少時，采用坐標＋速度擬合算法優(yōu)勢更明顯.

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（BDS）；廣播星歷；衛(wèi)星軌道參數(shù)；最小二乘擬合；衛(wèi)星速度；衛(wèi)星軌道精度

全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)進行定位導航需要獲取衛(wèi)星的位置，衛(wèi)星位置由衛(wèi)星星歷提供，星歷分后處理精密星歷和實時預報2種.以全球定位系統(tǒng)（GPS）為例，國際全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務（IGS）提供的精密星歷位置精度優(yōu)于5cm，但是有十幾天的時延，適于后處理精密定位；廣播星歷精度在米級，可實時獲取，在導航與實時定位中應用廣泛［1－2］.

廣播星歷是以衛(wèi)星位置擬合的軌道參數(shù)形式來表達，便于用戶接受使用，因此衛(wèi)星廣播星歷的擬合是一個重要問題.提高廣播星歷擬合的精度，減少擬合誤差，能夠充分利用預報星歷的高精度，更好地服務于用戶的導航定位.

針對GPS衛(wèi)星廣播星歷的擬合問題，現(xiàn)有的研究文獻較多，其數(shù)學模型也比較完善［3］.擬合算法中偏導數(shù)的計算有解析法［4］和數(shù)值導數(shù)法［5－6］，針對擬合過程中出現(xiàn)的偏心率近似于零導致的法方程奇異等問題，相應的解決算法有QR分解算法［7］、無奇異變換的廣播星歷擬合算法［8－9］、改變坐標系參考軌道面的方法［10］等.

北斗系統(tǒng)衛(wèi)星分為地球靜止軌道（GEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）、中地球軌道（MEO）3種.其中IGSO與MEO廣播星歷計算衛(wèi)星位置的方法與GPS衛(wèi)星類似，其擬合過程可參照GPS廣播星歷的擬合，而以GPS廣播星歷形式直接擬合GEO衛(wèi)星軌道不合適，需要通過坐標軸旋轉的策略加以解決［11－12］.不同的旋轉軸對擬合精度沒有影響［13］，即選擇不同的慣性系坐標軸指向其擬合結果是一致的.GEO廣播星歷擬合過程中易出現(xiàn)參數(shù)超限的問題，通過增大軌道面旋轉角［14］、固定超限參數(shù)同時解算其余星歷參數(shù)和參數(shù)嶺估計等方法［15］可以有效解決.

由衛(wèi)星廣播星歷可以計算衛(wèi)星速度與坐標［16］，然而只采用由衛(wèi)星位置擬合出的衛(wèi)星軌道參數(shù)來計算衛(wèi)星速度的精度較低，因此本文探討采用衛(wèi)星坐標＋速度擬合衛(wèi)星軌道參數(shù)的方法，利用最小二乘原理進行衛(wèi)星廣播星歷擬合，并對擬合精度進行詳細分析.

1 由廣播星歷計算衛(wèi)星位置與速度

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（BDS）衛(wèi)星軌道可以由15個軌道根數(shù)表達，包括：6個開普勒根數(shù)、e、Ω0、ω、i0、 M0，分別表示長半軸平方根、偏心率、升交點赤經(jīng)、近地點幅角、軌道傾角、平近點角；9個攝動參數(shù)Δn、 i、、Cuc、Cus、Crc、Crs、Cic、Cis，分別表示衛(wèi)星平均運動速率與計算值之差、軌道傾角變化率、升交點赤經(jīng)變化率、緯度幅角的余弦調(diào)和改正項的振幅、緯度幅角的正弦調(diào)和改正項的振幅、軌道半徑的余弦調(diào)和改正項的振幅、軌道半徑的正弦調(diào)和改正項的振幅、軌道傾角的余弦調(diào)和改正項的振幅、軌道傾角的正弦調(diào)和改正項的振幅.由參考時刻toe的軌道根數(shù)可計算其前后一段時間內(nèi)任意時刻ti的衛(wèi)星坐標和速度.

由BDS廣播星歷計算衛(wèi)星位置與速度的步驟如下：

（1）計算半長軸A

（2）計算衛(wèi)星平均角速度n0

其中，地球引力常數(shù)μ＝3.986 004 418×1014m3· s2.

（3）計算觀測歷元時刻ti到參考歷元時刻toe的時間差tk

（4）計算改正后的平均角速度n

（5）計算平近點角Mk

（6）計算偏近點角Ek和偏近點角變率k

（7）計算真近點角vk

（8）計算升交距角φk及其變率k

（9）計算周期改正項δuk、δrk、δik

（10）計算改正后的升交距角uk及其變率k

（11）計算改正后的向徑rk及其變率k

（12）計算改正后的傾角ik及其變率k

GEO在慣性系中，升交點赤經(jīng)及其變率分別為

（15）計算衛(wèi)星在地固系（CGCS2000）中坐標（Xk，Yk，Zk）及速度

（13）計算衛(wèi)星在軌道面內(nèi)的坐標（xk，yk）與速度

（14）計算衛(wèi)星升交點赤經(jīng)Ωk及其變率Ω·k

MEO／IGSO衛(wèi)星在地固系中，升交點赤經(jīng)及其變率分別為

對于MEO／IGSO衛(wèi)星，在地固系中的坐標和速度分別為

對于GEO衛(wèi)星，先計算GEO衛(wèi)星在自定義坐標系中的坐標與速度，如下所示：

再計算其在CGCS2000中的坐標與速度，如下所示：

其中，

2 廣播星歷擬合模型

由參考時刻的軌道參數(shù)可以計算其前后一小時內(nèi)的衛(wèi)星坐標與速度，計算過程如式（1）所述，可寫為

式中：a15為toe時刻的15個軌道參數(shù).采用位置＋速度擬合算法的誤差方程為

根據(jù)每個歷元的軌道根數(shù)方程的偏導數(shù)確定誤差方程的系數(shù)矩陣B，常數(shù)項由精密星歷與開普勒15參數(shù)初值確定的衛(wèi)星軌道（位置、速度）之差確定，3個歷元的觀測值即可組成18個誤差方程進行解算，因此，3個歷元的觀測數(shù)據(jù)即可通過最小二乘平差估計軌道根數(shù).

在確定誤差方程后，采用間接平差，組成法方程并解算參數(shù)改正數(shù)為

式中：m為觀測歷元個數(shù)，每個歷元可以組成6個誤差方程；P為權陣；L為誤差方程常數(shù)陣；V為誤差方程殘差矩陣.迭代計算至收斂即可.

迭代計算的初值選取很重要，初值不準確時，難以收斂.首個歷元的開普勒6參數(shù)初值可由衛(wèi)星位置與速度計算［17］，其余9個攝動參數(shù)初值取0，后續(xù)歷元可取上一歷元計算的軌道根數(shù)作為初值.

3 算例分析

以2012年6月25日至30日共計6天的BDS觀測數(shù)據(jù)為例，分別采用位置、位置＋速度2種擬合方案，比較不同擬合方案下的位置與速度精度.擬合時長為2h，為了更好地切合實際擬合情況，第1小時采用精密后處理星歷，第2小時采用預報軌道.星歷采樣間隔為15min，因此每個擬合時段有9個歷元的精密軌道數(shù)據(jù).衛(wèi)星速度由Lagrange內(nèi)插獲得［18］.擬合出衛(wèi)星軌道根數(shù)后，由式（1）計算時段內(nèi)以及前后各外推一小時的每分鐘衛(wèi)星位置和速度，以精密星歷內(nèi)插的衛(wèi)星位置與速度為真值來統(tǒng)計誤差.

圖1是3號衛(wèi)星在2012年6月25日9—11時段的擬合中誤差.圖1a是位置精度，圖1b是速度精度，圖中P＋V表示采用位置＋速度擬合，P表示只采用位置擬合.由于2種擬合方式的速度精度相差太大（位置＋速度擬合的速度精度是cm·s－1級，位置擬合的速度精度可達m·s－1級），為方便繪圖，圖1b左側刻度表示位置＋速度擬合，右側刻度表示位置擬合.

圖1 3號衛(wèi)星一個時段的擬合誤差Fig.1 Fitting error of PRN 3

從圖1可以看出，與只采用位置擬合相比，位置＋速度擬合算法的位置擬合精度一致，而速度精度有很大提高.圖1中，采用位置與速度觀測量擬合時，速度的三維均方根值在10.5h附近出現(xiàn)拐點，這是由于X、Y方向速度擬合誤差均在厘米級，Z方向誤差在米級，而Z方向誤差趨勢是從－10～＋6m之間逐漸增加，在10.5h左右過零點，因此速度的三維均方根值會出現(xiàn)拐點.

對3～12號BDS衛(wèi)星6天的擬合精度及前后各外推一小時的精度進行統(tǒng)計，結果見圖2.其中3～5號是GEO衛(wèi)星，6～10號是IGSO衛(wèi)星，11和12號是MEO衛(wèi)星.

圖2 3～12號衛(wèi)星的擬合與外推精度Fig.2 Position fitting and extrapolating accuracy of PRN 3～12

圖2的統(tǒng)計結果表明，基于位置＋速度的擬合算法并不會影響位置的擬合與外推精度，相反，大多數(shù)衛(wèi)星的位置擬合精度還會略有提高.

表1 2種方法擬合與外推的速度精度Tab.1_Fitting and extrapolating velocity accuracy

由表2可以看出，與位置擬合相比，位置＋速度擬合能夠顯著提高速度的擬合精度，在未附加速度值進行擬合時廣播星歷速度精度可達每秒數(shù)十米，而附加速度值擬合后速度精度僅為厘米級別.考慮到擬合算法的不完善，實際應用中位置擬合精度可能小于表中數(shù)值，但是附加速度的擬合方法對速度擬合精度的提升是明顯的.這是由于在附加速度觀測值時，對廣播星歷的速度計算進行了強制約束，使其能夠達到較高精度.此外，從表1可以看出，如果只采用位置擬合，GEO、IGSO的速度精度遠差于MEO衛(wèi)星，這可能是由于GEO、IGSO衛(wèi)星軌道高于MEO引起的，具體原因有待探討.

此外，在已知的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)歷元較少時，位置＋速度擬合的效果更加明顯.以3號衛(wèi)星為例，擬合2012年6月26日的衛(wèi)星軌道，擬合弧長為2h，每個擬合弧段內(nèi)已知數(shù)據(jù)歷元為3個，對擬合結果進行統(tǒng)計分析.在12個擬合時段中，位置擬合只有3個時段收斂，且位置擬合精度為米級，而12個時段的位置＋速度擬合的位置精度均為厘米級別.這是由于位置擬合一個歷元只有3個誤差方程，而位置＋速度擬合每個歷元有6個誤差方程，能提供足夠的多余觀測值.因此在已知數(shù)據(jù)歷元較少時，采用位置＋速度的擬合算法能夠保證擬合的有效性與精度.

4 結論

（1）與傳統(tǒng)的廣播星歷位置擬合算法相比，位置＋速度擬合算法對擬合與外推的位置精度不但沒有降低，還略有提升.

（2）附加速度觀測值后擬合廣播星歷，速度精度有顯著提高，擬合精度與外推精度均可達厘米級別.

（3）在已知數(shù)據(jù)歷元個數(shù)較少時，采用位置＋速度擬合算法能充分保證擬合的有效性與精度.

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BDS Broadcast Ephemeris Fitting Based on Satellite’s Position and Velocity

WANG Jiexian1，WANG Jungang1，2，CHEN Junping2
（1.College of Surveying and Geo－Informatics，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Shanghai Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200030，China）

A new fitting method based on both the position and the velocity of satellite is presented in this paper and a fitting formula is deduced.Then，the fitting and the extrapolating accuracy are compared between conventional position based fitting method and the new position－velocity based fitting method.Compared with conventional fitting method，the new fitting method shows a significant improvement in velocity accuracy，with a slight improvement in position accuracy.Besides，the new method’s advantage is more obvious when the fitting epoch is few.

BeiDou Navigation Satellite System（BDS）；broadcast ephemeris；satellite orbit element；least square fitting；satellite velocity；satellite’s orbit accuracy

P228

A

0253－374X（2016）01－0155－06

10.11908／j.issn.0253－374x.2016.01.023

2014-12-13

國家“八六三”高技術研究發(fā)展計劃（2013AA122402，2014AA123102）；國家“九七三”重點基礎研究發(fā)展計劃（2013CB733304）；國家自然科學基金（11273046，41174023）；上海市科委項目（12DZ2273300，13PJ1409900）

王解先（1963—），男，教授，博士生導師，工學博士，主要研究方向為衛(wèi)星大地測量.E－mail：wangjiexian＠#edu.cn