卫星导航系统的广播星历

本发明主要涉及卫星导航，具体地涉及一种卫星导航系统的广播星历。

背景技术：

1、随着人类对月球探测活动的不断深入，活动范围由原先主要的月球附近低轨道、月表向广袤的地月空间扩展。这一扩展趋势对月球资源利用、载人登月、空间科学探索等任务提出了更为严苛的要求，需要建立、保持和传递高精度、高可信、广覆盖且自主可控的地月空间内时间和空间基准信息。

2、目前的月球探测器在定位与定轨上主要依赖于与地面的测距测速测量、甚长基线干涉测量等方式，并由地面测控中心进行定位定轨解算。这种依赖地面的定位定轨方式在地月空间、环月空间及月球表面的探测器管理中占据主要地位，对于当前相对有限的月球探索活动而言，地面测控系统尚能支撑定位定轨解算需求。然而随着月球探测器数量的不断增加以及月球探索活动的日益频繁，如果继续完全依赖地面测控系统进行定位定轨解算，无疑将增加地面测控系统的压力，也会限制月球探索活动在数量与频次上的进一步发展。

3、全球导航卫星系统(global navigation satellite system，gnss)已应用于近地空间的用户，其服务范围主要为低地球轨道1000km以下，其播发的广播星历包括在地球固定坐标系下的轨道根数，以此向用户播发自身的位置和速度信息等，用户根据广播星历可以计算出自身在地球固定坐标系中的位置。但对于地月空间、环月空间和月球表面的用户而言，使用地球固定坐标系不便于进行定位解算，存在空间基准不一致、定位解算准确度不高等问题。

技术实现思路

1、本技术所要解决的技术问题是提供一种卫星导航系统的广播星历，可以统一地月空间、环月空间和月球表面等月球附近空间用户进行定位解算的空间基准，提高定位解算的准确度。

2、本技术为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种卫星导航系统的广播星历，用于供地月空间用户定位，包括：j2000.0地心惯性坐标系和地球固定坐标系之间的第一转换参数；j2000.0地心惯性坐标系和j2000.0月心天球坐标系之间的第二转换参数；j2000.0月心天球坐标系和月球固定坐标系之间的第三转换参数。

3、在本技术的一实施例中，卫星导航系统的广播星历还包括卫星状态参数，卫星状态参数包括：参考时刻tb、相对论效应rn(tb)、卫星钟偏移τn(tb)、卫星位置xn,yn,zn、卫星速度日月摄动加速度卫星龄期en中的一种或任意种的组合。

4、在本技术的一实施例中，得到第一转换参数的步骤包括：步骤sa1：根据坐标系绕自身的x轴、y轴、z轴旋转的角度α分别构建第一转换矩阵rx(α)、第二转换矩阵ry(α)、第三转换矩阵rz(α)；步骤sa2：根据第一转换矩阵rx(α)、第二转换矩阵ry(α)、第三转换矩阵rz(α)构建：j2000.0惯性坐标系转换至瞬时平赤道坐标系的参数a、章动旋转矩阵n、瞬时真赤道坐标系转换至准地球固定

5、坐标系的参数b1和参数准地球固定坐标系转换至地球固定坐标系的参数b2；步骤sa3：根据参数b2、参数b1、参数章动旋转矩阵n、参数a构建第一转换参数；其中，第一转换参数包括hdg矩阵和hg矩阵。

6、在本技术的一实施例中，第一转换矩阵rx(α)、第二转换矩阵ry(α)、第三转换矩阵rz(α)为：

7、

8、在本技术的一实施例中，步骤sa2中，采用下面的公式构建参数a：

9、a＝rz(-za)ry(θa)rz(-ζa)

10、其中，ζa表示赤道面进动的第一欧拉角，ζa＝2306″.2181t+0″.30188t2+0″.017998t3；za表示赤道面进动的第二欧拉角，za＝2306″.2181t+1″.09468t2+0″.18203t3；θa表示赤道面进动的第三欧拉角，θa＝2004″.3109t-0″.42665t2-0″.041833t3；t＝(jed-2451545.0)/36525.0，jed表示与协调世界时utc对应的儒略历书时。

11、在本技术的一实施例中，步骤sa2中，采用下面的公式构建章动旋转矩阵n：

12、

13、其中，表示平黄赤交角，t＝(jed-2451545.0)/36525.0，jed表示与协调世界时utc对应的儒略历书时；表示真黄赤交角；δψ表示黄经章动，黄经章动δψ和交角章动根据jpl行星历表得到。

14、在本技术的一实施例中，步骤sa2中，采用下面的公式构建参数b1和参数

15、

16、其中，θg表示格林尼治真恒星时，表示格林尼治时角对历书时的导数。

17、在本技术的一实施例中，步骤sa2中，采用下面的公式构建参数b2：

18、b2＝ry(-xp)rx(-yp)

19、其中，xp,yp分别表示在x轴和y轴上的极移分量。

20、在本技术的一实施例中，步骤sa3中，采用下面的公式构建hdg矩阵和hg矩阵：

21、

22、hg＝(b2)(b1)(n)(a)

23、地月空间用户采用下面的公式在j2000.0地心惯性坐标系和地球固定坐标系之间进行转换从而实现定位：

24、

25、其中，分别表示地球固定坐标系下的第一卫星状态矢量、第二卫星状态矢量；分别表示j2000.0地心惯性坐标系下的第一卫星状态矢量、第二卫星状态矢量。

26、在本技术的一实施例中，第二转换参数包括矩阵参数，矩阵参数表示月球质心在j2000.0地心天球坐标系下的位置矢量；地月空间用户采用下面的公式在j2000.0地心惯性坐标系和j2000.0月心天球坐标系之间进行转换从而实现定位：

27、

28、其中，表示j2000.0月心天球坐标系下的位置矢量；表示j2000.0地心天球坐标系下的位置矢量。

29、在本技术的一实施例中，得到第三转换参数的步骤包括：步骤sb1：根据月球转动的第一欧拉角ω′、第二欧拉角is、第三欧拉角λ构建月心真赤道坐标系和j2000.0月心天球坐标系之间的第一转换关系式；步骤sb2：根据第一转换关系式构建采用主轴坐标系的月球固定坐标系和j2000.0月心天球坐标系和月心真赤道坐标系之间的第二转换关系式；步骤sb3：根据第二转换关系式构建采用主轴坐标系的月球固定坐标系和采用平轴坐标系的月球固定坐标系之间的第三转换关系式；其中，第三转换参数包括第二转换关系式和第三转换关系式；地月空间用户采用第三转换参数在j2000.0月心天球坐标系和月球固定坐标系之间进行转换从而实现定位。

30、在本技术的一实施例中，步骤sb1中，采用下面的公式构建第一转换关系式：

31、

32、其中，rx表示x轴的坐标旋转矩阵，rz表示z轴的坐标旋转矩阵。

33、在本技术的一实施例中，步骤sb2中，采用下面的公式构建第二转换关系式：

34、

35、

36、在本技术的一实施例中，步骤sb3中，采用下面的公式构建第三转换关系式：

37、

38、其中，ry表示y轴的坐标旋转矩阵。

39、本技术通过在广播星历中设计第一转换参数、第二转换参数、第三转换参数，可以向地月空间用户播发卫星在j2000.0地心惯性坐标系下的位置和速度信息、j2000.0地心惯性坐标系和地球固定坐标系的转换参数、j2000.0月心天球坐标系和月球固定坐标系的转换参数等，使接收到卫星信号的位于不同地月空间区域的用户，可以根据自身所在空间选择适合自身需求的坐标系下的空间位置信息来自动进行定位解算，从而可以提高用户的定位解算准确度。

40、本技术相当于服务地月空间的卫星导航系统广播星历体制设计，与传统的gnss系统基于地球固定坐标系播发的导航电文、广播星历参数相比，本技术设计的广播星历更加适用于地月空间用户。该广播星历的应用范围广泛，可用于月球表面、环月、地月转移段等地月空间用户的定位和导航需求，能够对未来月球探索、地月空间科学研究等活动提供空间基准支持。