文档介绍：CSNC2010 第一届中国卫星导航学术年会北京

基于多频载波相位的 GEO 导航卫星精密定轨
孙保琪 1,2,3 欧吉坤 1 杨旭海 2 刘吉华 1,3 盛传贞 1,3
(,湖北武汉,430077;
,陕西临潼,710600;,北京,100049)

摘要: GEO pass 卫星导航系统中具有特别重要的作用, 充分利用高精度的载波相位观测值实现 GEO 导航
卫星精密定轨具有重要意义。分析了 GEO 卫星载波相位模糊度解算的特殊难点和现有传统的模糊度解算方法的不足。利
用新型导航卫星播发的三频码和载波相位观测值,提出了一种长基线多频模糊度解算方法。该方法首先借助码组合解算
波长较长的超宽巷和宽巷模糊度;然后利用固定了模糊度的超宽巷和宽巷相位组合计算电离层延迟,并对其进行平滑;
最后,基于固定了模糊度的宽巷相位组合和估计的电离层延迟,解算基本频率相位模糊度。
与传统模糊度解算策略相比,本文所提新方法可较好地解决 GEO 导航卫星模糊度参数与卫星轨道根数强相关这一难
题。仿真实验表明,不考虑对流层误差时,基于国内 5 pass 导航卫星 cm 级
定轨。pass 卫星导航系统精密定轨及高精度应用提供有益参考。
pass;载波相位模糊度;多频; GEO

1 引言
GEO 卫星可以对目标区域实施连续覆盖,pass 卫星导航系统中具有重要的作用。由于卫星
轨道高达 3 万 6 千千米,地面跟踪站对其观测几何较差,GEO 卫星精密定轨面临较大困难,当跟踪站分
布在较小区域时尤其如此[1]。
载波相位具有 mm 级观测精度,充分利用高精度载波相位观测值,pass GEO 卫星定
轨精度。而模糊度解算是载波相位观测值使用的一个关键前提,因为与地面相对运动非常缓慢,基于传
统策略难以解算 GEO 卫星载波相位模糊度[2]。
Compass 播发三个频率的码和载波相位导航信号[3]。与双频相比,多频信号可以形成更多具有优良
特性的数据组合,为载波相位模糊度解算提供了新的研究思路[4]。
Forssell[5]提出了三频模糊度解算方法(Three Carrier Ambiguity Resolution,TCAR),阐述了多频模
糊度解算的基本思想。十几年来,许多学者从组合信号的选取[4, 6-11]、解算模式[12-15]、模糊度固定方法[16]、
电离层延迟残余处理[17-19]以及码多路径处理[20, 21]等方面,对多频模糊度解算方法进行了更加深入的研
究。这些研究面向的应用领域主要为对中短基线实时精密导航定位,以 GPS、Galileo 信号为研究对象。
而本文研究的 GEO 卫星精密定轨,属于长基线事后处理,pass 卫星导航系统,因此,
需要进一步探索更加适合的多频模糊度解算方法。
论文第 2 部分根据对定轨观测方程结构的分析,指出 GEO 卫星难以利用载波相位的原因和现有方
法的不足;第 3 部分简要介绍多频数据组合理论、三频模糊度解算原理,pass
GEO 精密定轨的长基线三频模糊度解算方法,详细说明该方法的实施步骤和关键措施;第 4 部分给通过
定轨算例分析了 GEO 卫星轨道根数与模糊度参数之间的相关性,探索了在顾及初轨误差、力模型误差
等情况下,基于国内 5 个跟踪站的多频载波相位数据,pass GEO
卫星可能达到的定轨精度。
2 基于载波相位的 GEO 卫星定轨难点分析
假定 m +1 个测站,在 n 个历元对两颗卫星保 k 、l 持连续观测,线性化后的双差载波相位定轨观测
1 — 1 —
基于多频载波相位的 GEO 导航卫星精密定轨
方程为
lk
⎡⎤LV()tt0 ⎡⎤AI()tt06 AI () 06 Im l ⎡⎤()0
⎢⎥⎡⎤x ()t0
⎢⎥LV()ttll kk I ⎢⎥⎢⎥()
⎢⎥1 ⎢⎥A ()tttt1101Φ(, )A ()Φ(, tt 10 ) m k ⎢⎥1
=+⎢⎥x ()t0 (1)
⎢⎥
⎢⎥
⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎢⎥λN ⎢⎥
LV()tt⎢⎥ll kk I ⎣⎦()
⎣⎦n ⎣⎦A ()ttttnnΦ(,)00A () nΦ(,) tt n m ⎣⎦n
上式可以写为
L =AX+V
l k
其中, 待估参数向量 X 中的 x ()t0 、 x ()t0 分别为卫星 k 、 l 初始时刻状态向量的改正数,状态向量
l
既可以取为卫星的位置和速度,也可用轨道根数表示; λ N 为载波相位模糊度;设计矩阵 A 中 A