国际星基增强系统发展现状及趋势

为推动GNSS在高生命安全领域的应用,出现了以星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)为代表的增强手段,全面提升了GNSS服务的精度、完好性、连续性和可用性.美国、日本等国家及欧洲均已启动了SBAS性能提升工作,从单频增强系统向双频增强系统进行过渡,以期进一步提升星基增强服务能力.本文对国际SBAS的组成、服务性能、进展情况和后续发展规划进行了总结,并重点介绍了我国北斗星基增强系统(BeiDou Satellite-Based Augmentation System,BDSBAS)的系统架构、服务能力、应用验证评估工作和国际化推进情况.随着国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)最新版国际民用航空公约附件10的生效,BDSBAS已成为国际认可的星基增强服务系统.后续,为了推动BDSBAS在高生命安全领域的应用,需要尽快完成民航应用验证评估工作,使得BDSBAS跻身正式服务行列.

星基增强系统码噪声和多路径误差处理方法研究

星基增强系统(Satellite-Based Augmentation System,SBAS)利用伪距测量校正值实现对导航卫星的差分完好性增强,码噪声和多路径误差处理精度是影响系统服务性能和用户定位精度的重要因素.本文详细介绍了三种不同的原始伪距码噪声和多路径误差处理方法,包括单频平滑方法、码噪声和多路径改正方法(code noise and multipath correction,CNMC)以及广域增强系统(Wide Area Augmentation System,WAAS)使用的码噪声多路径方法(code noise multipath,CNMP),并通过正式运行的SBAS数据,验证了不同的码噪声和多路径误差方法对于用户定位精度的影响.结果表明:CNMP能够有效消除SBAS服务性能评估中的原始伪距码噪声和多路径误差影响,相较于CNMC方法,全球参考系统(wide-area reference station,WRS)站点95%水平定位精度提升0.2 m,95%垂直定位精度提升0.47 m.

基于GPS数据的近海区域电离层建模及其精度评估

电离层模型精度严重影响GPS单频用户的定位精度,而海洋区域的电离层建模精度受到布站条件的严重制约。基于日本海周边的GPS观测数据,利用多项式函数进行日本海区域电离层建模,同时对频间硬件延迟进行估计。利用IGS提供的格网模型和频间硬件延迟数据,对所建立的日本海区域电离层模型精度及频间硬件延迟精度进行了评估。

实测板块运动模型修正导航系统监测站坐标精度分析

为了解决卫星导航系统各类地面站的坐标修正问题,必需精确给出各个地面站受地壳板块运动引起的位置变化速度。采用中国地壳运动观测网GPS观测数据计算的实测速度场,利用滑动欧拉矢量建模法建立局部虚拟的板块运动模型,并对虚拟板块运动模型计算的测站速度场的精度进行了分析,结果表明,在东西方向的精度为2.092 mm/a,在南北方向的精度为2.072 mm/a,在点位分布较少的地区和我国边界地区,其精度并没有明显降低,据此指出,该模型可用于我国卫星导航系统各类地面站的坐标修正。

单站GPS接收机硬件延迟估计新算法

硬件延迟的确定与所采用的电离层误差修正方法密切相关,其方法的准确度直接影响到硬件延迟的估算精度。本文综合利用广播星历所提供的Klobuchar模型系数以及双频载波与码观测量修正电离层误差,修正过程中绕开了整周模糊度的计算,给出了一种实时计算GPS接收机硬件延迟的算法,提高了实时电离层修正的精度,通过实例反算卫星硬件的延迟与广播星历中的TGD一致,验证了算法的有效性。

基于GPS的中国大陆地壳运动模型

本文使用国家攀登项目“现代地壳运动与地球动力学研究”1994、1996、1999年三期GPS复测数据，以及中国地壳运动观测网络基准站1998－1999年的观测数据，初步建立了中国大陆地壳运动速度场和模型。

分米级低轨卫星精密定轨

本文提出一种分米级低轨卫星精密定轨方案：首先，利用载波相位平滑伪距进行几何法定轨，其中平滑伪距通过非发散的哈齐滤波器获得；然后，将几何法轨道作为虚拟观测量进行动力学平滑。为了验证该方案的可行性，作者采用GRACE卫星星载GPS数据进行定轨实验。结果表明，与JPL精密轨道相比，本文获得的轨道每个分量的精度优于2dm。

利用中国地壳运动观测网络研究中国大陆相对于ITRF97板块模型形变

在建立全球ITRF97板块运动模型的基础上 ,利用“中国地壳运动观测网络”79个GPS基本站的数据 ,建立我国新的地壳运动方向图和块体运动模型 .通过与NNR NUVEL1A地质模型比较认为 ,ITRF97板块运动模型反映了现今十几年跨度的地壳运动 ,在研究我国现今几年到十几年时间跨度的地壳形变时 。

同时估计电离层延迟的单频精密单点定位方法

提出一种基于单频码和相位观测量的单频精密单点定位方法,将每个观测量的电离层延迟量与接收机钟差、对流层天顶延迟、接收机位置、相位模糊度一起作为未知参数。采用约化参数的平方根信息滤波与平滑算法进行参数解算。该方法适用于实时定位和事后处理,且不需要外部的电离层模型。采用全球分布的32个IGS监测站16 d实测数据进行静态解算试验,结果表明E、N、U方向的RMS分别为0.023 m、0.018 m、0.059 m;基于一组机载GPS数据进行动态解算试验,得到E、N、U方向的RMS(与载波相位动态相对定位结果比较)分别为0.168 m、0.151 m、0.172 m。

关于坐标旋转法进行地球静止轨道导航卫星广播星历拟合的探讨

介绍基于坐标选转法的GEO广播星历拟合算法,推导坐标系旋转前后卫星瞬时轨道根数及其摄动的解析关系式,分析选择不同惯性系(不同的X轴指向和不同旋转角)对卫星轨道根数及其摄动的影响,通过仿真GEO轨道的广播星历拟合实验分析不同坐标旋转角度对星历参数拟合结果的影响。分析和试验表明:①采用简化法,经坐标变换后得到的轨道倾角不为常数,而是随着选择的参考历元不同呈周期性变化;②选择不同的惯性参考系会导致轨道倾角摄动以不同的放大倍数放大后被新坐标系的轨道升交点赤经摄动和近地点幅角摄动吸收,放大倍数可达几十倍至上百倍甚至出现奇点;③拟合得到的GEO卫星星历参数Δn和.Ω的取值范围随坐标旋转角的增大而减小。

基于伪距和观测量的地球同步卫星动力学定轨研究

利用伪距和观测量对同步卫星进行了动力学定轨的研究,给出了伪距和观测量的测量方程和修正方法,采用国内4个监测站的模拟数据进行了仿真计算.结果表明,采用7天弧长伪距和数据进行轨道改进及轨道外推的精度,与5天弧长数据的计算结果相当,但远优于3天数据的计算结果.在观测随机误差为3m时,7天弧长数据定轨精度约为5m,预报7天径向精度优于20m.

IRNSS区域卫星导航系统服务性能分析

分析IRNSS星座结构及特点,通过对印度区域格网点几何精度因子的计算,讨论了IRNSS系统在服务区内的定位精度;以星座值和单点可用性为依据,分析IRNSS星座完整及失效一颗星情况下星座的可用性。结果表明:IRNSS导航系统星座设计合理,具有良好的区域覆盖性,印度及向外延伸2000km区域内的用户可以获得10m左右的定位精度;星座结构具有一定的冗余度,稳定性较好,以PDOP小于6为阈值,在一颗卫星失效情况下仍具有95%以上的可用性。

联合低轨卫星和地面监测站数据确定导航卫星轨道

探讨同时利用星载数据和地面监测站数据进行导航卫星联合定轨的方法。为验证该方法的有效性,利用2011-03-16-31中国境内7个GPS监测站的观测数据和GRACE-A＆B星载数据进行定轨实验。结果表明,在7个国内监测站基础上,加入一颗低轨卫星（GRACE-B）星载GPS数据,GPS可见弧段增加约14%,卫星径向、切向和法向（R、T、N）定轨精度可分别提高约35%、44%和45%;若同时加入GRACE-A和GRACE-B星载数据,可见弧段增加约18%,R、T、N分量精度分别提高约51%、60%和62%。该方法为区域监测站布设条件下导航卫星定轨精度的提升提供了一种新思路。

轨道面旋转角对GEO卫星广播星历参数拟合的影响

广播星历参数拟合是建立卫星导航系统的一项关键技术,星历用户算法的简洁高效直接决定了用户导航定位的效率。在基于GEO、IGSO和MEO三类卫星的北斗二代导航定位系统中,GEO卫星的广播星历参数拟合是迫切需要解决的难点之一。基于广播星历参数的最小二乘解法,推导出了轨道面旋转角对广播星历参数的影响表达式,分析了轨道面旋转角的大小对广播星历参数拟合稳定性的影响。计算结果表明,通过增加轨道面旋转角不仅很好地解决了GEO卫星广播星历参数超限的问题,而且确保了广播星历参数拟合算法的精度和可靠性。

CHAMP重力场恢复时域法和空域法比较研究

利用CHAMP数据恢复重力场的解算方法分为时域法和空域法.本文首先介绍了这两种方法恢复CHAMP重力场的基本原理和算法,分析了它们的优缺点.针对空域法中的延拓误差和格网化误差进行了讨论.计算表明:延拓误差中的截断误差部分影响量级约0.001m^2·s^(-2)(均方误差意义下),最大误差仅为0.11m^2·s^(-2) ,可完全忽略;延拓误差中的参考重力场模型误差影响随参考场选取的不同而有所差异,整体而言小于0.1m~·s^(-2),但最大误差可达1.3m^2·s^(-2),采用高精度的参考重力场模型能大大减小延拓误差影响.目前最常用的格网化方法包括加权平均方法和最小二乘配置方法,计算表明,利用30天的CHAMP数据进行2°×2°格网化处理,加权平均法的格网化误差在0.13m~·s^(-2)量级,最大误差可达1.58m^2·s^(-2),而最小二乘配置法的格网化误差在0.006 m^2·s^(-2)量级,最大误差仅为0.15m~·s^(-2) ,明显优于加权平均法.文章最后对时域法和以快速最小二乘配置(FSC)为代表的空域法恢复60阶次的CHAMP重力场的精度进行了比较,结果表明:两种方法的得到的重力场模型精度相差不大,整体而言,时域法略优于空域法.

星间差分GRAPHIC观测量单频精密单点定位算法

提出了一种基于星间差分GRAPHIC观测量的单频精密单点定位算法,采用正反向滤波实现了静态和动态解算功能。该算法的优点是不需要外部电离层模型进行电离层延迟改正。采用4个IGS站7d的数据和一组机载GPS动态数据进行解算实验,结果表明:静态定位E,N和U方向的RMS分别为0.035,0.007和0.080m;动态定位E,N和U方向的RMS分别为0.117,0.122和0.180m。

Sherneck海潮系数对中国GPS网的适用性分析

叙述了海潮引起测站位移的计算公式 ,分析了利用 Sherneck海潮系数计算的海潮改正对中国 GPS网的影响 ,指出在高精度 GPS网中连续观测时间延长至 15

GLONASS广播星历用户算法精度分析

分析了GLONASS广播星历的用户算法,指出由于星历参数表示及用户算法的不完善对轨道拟合精度带来损失;分析了用户算法的误差源,并对其大小进行了计算。结果显示,在利用GLONASS广播星历采用数值积分时,由于模型的简化卫星位置计算的精度损失可达0.5 m。

利用X射线源实现航天器相对定位

利用X射线源实现航天器相对定位,突破了X射线脉冲星绝对定位中需要选取具有稳定周期脉冲星的限制,通过周期脉冲信号及非周期时变信号互相关时差测量仿真试算,得出信号变化幅度是影响时延测量精度的重要因素。在分析测距和星历误差对相对定位精度影响的基础上,利用脉冲星数据库中提供的脉冲星参数,对同时观测3～6颗脉冲星的相对定位精度进行了试算。

国际星基增强系统综述

由于单频技术体制的制约,现有星基增强系统均为到达一类精密进近性能指标的要求。为了满足航空用户对星基增强系统在精度、完好性、连续性和可用性上的要求,目前全球的星基增强系统都在开展由单频单系统向双频多系统的过渡,并成立了相应的工作组来制定双频多系统星基增强系统的定义文档和空间信号接口文档。同时,各星基增强系统也在着手准备地面系统的升级工作,计划在2020年前后提供初步的双频星基增强服务。我国为了推进北斗星基增强系统的国际化进程,已经启动了频率国际协调工作和国际化标准制定工作。