广播星历旋转误差对低轨星载BDS-3/GPS实时精密定轨影响分析

基于LT-01A卫星星载BDS-3/GPS观测值进行了星载实时精密定轨研究,并重点分析了广播星历旋转误差对实时定轨精度的影响。通过赫尔默特转换评估了所选时段内GPS和BDS-3广播星历轨道旋转误差,显示BDS-3广播星历旋转误差可达-8.7 mas,平均量级较GPS大约2.5倍。BDS-3广播星历经旋转改正后,轨道切向、法向均方根(RMS)误差从25 cm左右提升至10 cm量级,提升幅度超过50%。因此,基于星载BDS-3以及BDS-3/GPS联合的实时定轨精度受BDS-3星历旋转误差影响严重,且主要作用于切向和法向。经过旋转改正后,单独BDS-3实时定轨在切向、法向、径向RMS分别为21.0 cm、10.7 cm及11.2 cm,其切向和法向精度比改正前分别提升15.0%和31.8%;BDS-3与GPS联合定轨进一步提升切向精度至19.4 cm。得益于BDS-3广播星历较高的精度,单BDS-3以及BDS-3/GPS联合的实时定轨在旋转改正前的三维RMS分别为31.9 cm和29.2 cm,较单GPS实时定轨分别提升9.1%和16.8%;添加旋转改正后,其定轨精度分别提升至26.7 cm和25.0 cm,较单GPS实时定轨分别提升22.6%和27.5%。

低轨卫星轨道根数型广播星历预报

基于第一类无奇点轨道根数的参数模型设计了17~23参数的8种模型,通过拟合参数外推得到预报轨道,研究拟合轨道与预报轨道间的关系,并探究预报精度的影响因素。实验结果表明:增加参数个数对拟合精度有明显提升。相对于全球定位系统(GPS)的16参数模型,20参数模型的预报精度提升26.2%,拟合精度提升71.2%。同时,使用蜂群(Swarm)卫星、重力反演和气候实验(GRACE)卫星、贾森2号卫星及通信、导航预测中断系统(C/NOFS)卫星的实测数据分析了轨道倾角、轨道高度、偏心率和拟合弧长对预报精度的影响。

GPS/Galileo/BDS-3广播星历精度分析

为了分析当前GPS(Global Positioning System)、Galileo(Galileo Navigation Satellite System)和BDS-3(Beidou Navigation Satellite System with Global Coverage)广播星历的精度,详细分析研究了各种偏差改正及消除方法,并尽可能地消除了系统误差和粗差对评估结果的影响。选取2021-11-01/12-31共61天MGEX(multi-GNSS experiment)发布的多系统混合广播星历与武汉大学分析中心发布的事后精密星历数据进行实验,对GPS、Galileo和BDS-3近期广播星历精度进行对比分析,实验结果表明:3个系统广播星历整体精度由高到低依次是Galileo、BDS-3和GPS,其空间信号测距误差的RMS(root mean square)分别优于0.17、0.25和0.37 m,整体轨道精度的RMS分别优于0.17、0.12和0.25 m,BDS-3广播星历的轨道精度最高,钟差误差的RMS分别优于0.15、0.23和0.27 m,Galileo广播星历的钟差精度最高。对于GPS卫星的广播星历,blockⅢA卫星钟差和轨道精度均优于其他GPS类型卫星。

GNSS广播星历精度评估与分析

为了进一步探讨全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统(BDS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)、格洛纳斯全球卫星导航系统(GLONASS)的广播星历特性,并分析其精度和定位性能,对2023年3月的数据进行处理。结果表明:除GLONASS系统外,其他全球卫星导航系统(GNSS)广播星历卫星轨道精度在3个方向均优于1 m,GPS和Galileo系统广播星历卫星钟差精度均优于1 ns;当广播星历参数采用相同的更新间隔时,BDS系统对应的轨道精度较高,四大系统按轨道精度从高到低排序依次为BDS、GPS、Galileo、GLONASS;当广播星历采用10 min更新间隔时,不同于卫星轨道,BDS相应卫星钟差精度较低,这可能与BDS广播星历采用的时间同步技术有关;单点定位结果表明,BDS、GPS、Galileo系统对应的广播星历定位平面精度均优于1.3 m。

北斗GEO/IGSO/MEO卫星广播星历的轨道精度评估

获取卫星轨道位置是卫星导航系统进行定位导航的前提,卫星轨道的精度是影响实时定位导航精度的主要因素之一。以武汉大学IGS数据中心发布的精密星历作为参考基准,分析评估了北斗卫星导航系统的地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)、倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,IGSO)和中圆地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)3类轨道卫星的轨道精度。结果表明,GEO卫星的三维轨道精度为2.44~9.88 m,URE精度为2.50~8.45 m;IGSO卫星的三维轨道精度为1.95~3.12 m,URE精度为1.65~2.88 m;MEO卫星的三维轨道精度为1.74~3.18 m,URE精度为1.04~1.53 m;IGSO和MEO卫星轨道精度优于GEO卫星轨道精度,且GEO卫星轨道存在一定的系统偏差;3类轨道卫星的径向轨道精度要优于切向和法向的轨道精度。

低轨导航增强卫星广播星历拟合模型研究

传统的广播星历模型(如GPS的16参数模型和18参数模型)是针对中高轨卫星设计的,而中高轨卫星与低轨卫星所受摄动力有所区别,如果直接将传统模型应用到低轨卫星上,拟合精度会降低,因此需要针对低轨卫星所受摄动的特点设计更加合理的广播星历模型。考虑到大气阻力主要改变平面内的轨道要素,文章在18参数模型的基础上增加偏心率变化率这一参数,设计基于轨道根数的19参数模型,并分别对不同轨道高度和倾角的卫星进行位置拟合试验。试验结果表明:在相同仿真场景下,19参数模型的位置拟合精度高于18参数模型;同时,对于大倾角卫星的长弧段位置,其拟合精度与26参数模型近似。

基于广播星历的GPS/BDS-3非差非组合PPP

分析GPS和BDS-3卫星广播星历的误差特性,研究广播星历精度不足的补偿策略,提出一种SISRE补偿的非差非组合定位模型。采用2022年15个MGEX测站1周的数据进行实验。结果表明,SISRE补偿的非差非组合模型的GPS和BDS-3静态三维定位误差的RMS分别约为24 cm和23 cm, GPS/BDS-3双系统组合可进一步将精度提升至约18 cm;GPS和BDS-3仿动态三维定位误差的RMS分别约为73 cm和74 cm, GPS/BDS-3双系统组合可进一步将精度提升至约45 cm;SISRE补偿的非差非组合模型与SISRE补偿的无电离层组合模型定位精度相当。

基于B1C/B2a观测数据的北斗卫星精密定轨及广播星历轨道分析

利用开通全球服务以来近2 a的iGMAS和MGEX观测数据,确定并分析北斗三号卫星B1C/B2a数据的长时序定轨性能,以评估广播星历轨道对用户定位的影响。结果表明,基于新频点B1C/B2a观测数据的北斗三号MEO卫星精密轨道径向精度约为3 cm, IGSO约为8 cm。除GEO外,北斗三号IGSO/MEO卫星的广播星历轨道在径向、法向和切向的平均精度约为0.11 m、0.36 m和0.38 m,均优于GPS卫星;卫星轨道引起的用户测距误差(SISRE)约为14.5 cm。然而,广播星历轨道的激光测卫(SLR)检核残差结果显示,其轨道径向存在明显系统性偏差,最大可达近10 cm。

广播星历参数变化特征分析与异常监测

针对目前广播星历异常监测存在不能准确辨识出异常星历参数、时延大、易受人工干扰等问题,提出一种基于历史广播星历数据的异常监测方法:利用剔除异常数值后的15个星历参数时间序列,分析存在的时变规律和随机分布情况,结合差分序列,使用常数或包络线确定各卫星星历参数的监测阈值,完成广播星历异常监测。实验结果表明,参数√A、ω、e、i_(0)、Ω_(0)、C_(uc)、C_(us)、C_(rc)、C_(rs)异常概率较小,可直接使用确定阈值探测异常;其他参数异常概率较大,需要结合“自下而上法”对告警数据做出进一步判断,给出异常监测最终结果。

GLONASS卫星广播星历精度分析

讨论了对GLONASS卫星广播星历进行误差分析采取的方案;通过对GLONASS广播星历与IAC分析中心精密星历与钟差产品的比较,分析了连续两周所有健康GLONASS卫星的广播星历轨道及钟差的误差特性。分析结果表明:当前GLONASS广播星历轨道误差的径向均方根误差在1 m以内,切向均方根误差在6 m以内,法向均方根误差在4 m以内,GLONASS钟差误差均方根误差在15 ns以内;从空间信号测距误差(SISRE)分析,GLO-NASS卫星广播星历整体精度优于4.5 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。

两种GPS广播星历参数算法的比较

介绍了新GPS广播星历参数,分析了新旧GPS广播星历参数及其用户算法的区别,导出了卫星位置矢量对新GPS广播星历参数的偏导数,并与旧GPS广播星历参数偏导数进行了简要的比较分析．计算结果表明,两种GPS广播星历参数算法都能很好地描述MEO卫星的轨道特性,且广播星历参数拟合算法的精度损失仅为数厘米．

中高轨卫星广播星历精度分析

GPS广播星历参数具有物理意义明确、参数少、精度高等优点,可以考虑将它应用于其他卫星导航系统。但是GPS系统的卫星构成比较单一,而其他卫星导航系统可能包含中地球轨道 (MEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和地球静止轨道(GEO)等多种不同类型的中高轨卫星。分析了采用GPS广播星历参数时,MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度,特别讨论了轨道倾角接近于0的GEO卫星的广播星历拟合精度,并给出了相应的改进措施。计算表明,对于 MEO卫星,2 h的广播星历拟合精度(三维位置)可达厘米级;对于IGSO卫星和轨道倾角较大的GEO卫星,4 h的广播星历拟合精度约为0．1 m,径向位置误差在厘米量级;而对于轨道倾角接近于0的GEO卫星,若不采取特殊措施,由于轨道倾角和升交点经度统计相关,其广播星历拟合精度很差,为此提出了一种坐标转换方法。采用此方法后的广播星历拟合精度可达0．1 m,径向位置误差为厘米量级。

GEO导航星广播星历拟合改进算法设计

设计了倾角较小的GEO导航星的广播星历拟合算法。该方法的核心思想是在常规拟合算法的基础上对位置观测量进行合理的坐标系参考平面旋转,特别是提出针对拟合迭代初值进行相应的坐标变换,从而既可以解决轨道参数拟合的相关性问题,使轨道参数拟合快速收敛,同时又兼顾了用户接收机的计算简便化。通过仿真验证,该方法简洁有效,拟合中误差RMS在厘米量级,能够保证拟合精度。

利用广播星历计算GPS卫星位置及误差分析

为了提高GPS卫星轨道计算的精确性和实时性,通过对GPS卫星的广播星历进行分析,利用从广播星历中获取的开普勒轨道参数和轨道摄动修正项,以2005年11月6日的R INEX格式的广播星历为例,通过编程,计算了07号卫星当天24 h的轨道位置坐标,并将其与当天的精密星历所提供的卫星轨道位置坐标进行对比,并对广播星历的轨道精度进行初步的讨论。结果表明,该方法确实提高了GPS卫星轨道位置坐标计算的精度。利用广播星历计算GPS卫星位置的误差主要是由于时间外推方法造成的。

GPS广播星历的轨道误差分析

分析了2002—2006年GPS广播星历轨道误差的变化情况,并对其影响因素进行了讨论。分析表明,由于L-AII计划的实施和其他工作,2006年GPS广播星历的轨道精度较2002年有了较大的提高。

导航卫星广播星历参数拟合算法研究

基于GPS广播星历参数,研究了导航卫星广播星历参数的非线性最小二乘拟合算法,并推导了相应的计算公式。针对静止轨道卫星轨道倾角近似为0,致使卫星轨道的升交点定义模糊,在数据拟合过程中会导致法矩阵(HTH)奇异的问题,提出对卫星轨道进行轨道倾角变换拟合广播星历参数的方法,并获得较高的拟合精度。最后利用实际算例验证了所推公式和算法的合理性。

由广播星历解算卫星位置、速度及精度分析

介绍由广播星历和精密星历解算卫星位置、速度的方法。给出了广播星历解算卫星速度的公式,推导了一种由仅包含卫星位置信息的现代精密星历内插卫星速度的方法,并利用精密星历对由广播星历计算的卫星位置、速度精度进行分析。结果表明,GPS广播星历解算的卫星位置误差小于2m,速度误差基本在0.1cm/s之内。

北斗卫星广播星历精度分析

讨论了BDS卫星广播星历精度分析方案,通过BDS卫星广播星历与IGS MGEX的GBM分析中心精密星历产品进行比较,统计分析连续一个月所有在轨健康BDS卫星的广播星历轨道及钟差的误差特性。结果表明:1)当前BDS卫星广播星历轨道误差的径向均方根误差在1m以内,GEO类型卫星的轨道切向、法向精度在8m以内,IGSO、MEO类型卫星的轨道切向、法向精度在4m以内;2)BDS卫星钟差误差与轨道类型没有关系,其精度在10ns左右;3)从空间信号测距误差(SISRE)角度分析,BDS卫星广播星历整体精度与BDS卫星轨道类型关系不明显,BDS卫星广播星历整体精度优于2m。

GEO卫星广播星历的拟合参数设计

基于第一类无奇点要素的拟合参数和5°倾角旋转法,可以实现GEO发播电文与MEO和IGSO的电文一致性,但是没有完全避免数学奇异性。文章从无奇点要素的选取和主要摄动力的影响分析两方面出发,提出了一套16参数的GEO星历表示法。首先,利用同步要素描述卫星的星下点运动轨迹;其次,摄动参数中顾及了地球引力位田谐项引起的定点漂移。拟合试验表明,2h星历拟合的用户距离误差的均方根优于0.01m。