低轨导航增强卫星的轨道状态型星历参数设计

导航增强卫星从高轨拓展到低轨,需要设计可靠的低轨道LEO广播星历参数。GLONASS广播星历模型能够利用9个状态参数高精度描述30min内中高轨卫星的摄动运动,但不能直接用于低轨卫星。为了适应LEO的摄动力的短期快变化,设计了基于轨道状态型的21参数广播星历模型。分析了低轨卫星主要摄动力的短期变化规律,选取了二次多项式和基于轨道半周期的三角函数来补偿大气阻力等主要摄动在3个方向上的累计。基于星历拟合试验讨论了拟合参数个数、拟合时段和数据间隔对500~1200km轨道高度的LEO圆轨道的拟合精度影响。试验表明,当拟合时段为20min（约1/5个轨道周期）时,轨道高度大于700km的近圆轨道,拟合用户距离误差（FURE）精度优于0.05m;高度为1000km时,FURE平均精度达到0.03m。

无旋转倾角的NAV/CNAV型GEO广播星历拟合

目前北斗GEO的星历拟合算法和用户卫星位置算法均引进了人为设置的5°倾角旋转,此外,少数星历参数还有超限现象。取消GEO的旋转倾角和抑制参数超限能够统一北斗混合星座的用户算法。基于第一类无奇点根数,分析了无旋转倾角的GEO两步法星历参数拟合算法。讨论了GEO的参数超限原因,提出采用固定1至2个超限参数取值的缩减参数拟合法。北斗GEO卫星在非地影期和地影期的拟合试验表明,拟合成功率和拟合精度能够保证,拟合用户距离误差(URE)的平均值优于3mm;缩减参数拟合法能够抑制特定时段下的参数超限问题,但是拟合URE放大到2cm。

LEO卫星轨道根数型星历参数与接口设计

低轨卫星是导航增强系统发展的新兴力量,具有独特优势。广播星历参数是其实现星基增强的重要指标。中轨GPS星历采用16/18参数模型,若直接用于LEO的星历参数拟合,卫星沿迹方向的位置分量拟合误差大,且对小偏心率近圆轨道有潜在的拟合法矩阵病态问题。基于第一类无奇点根数,通过增加或修改轨道沿迹向和径向摄动参数,设计了适用于近圆低轨卫星的16～19参数的5种星历模型。基于300～1500 km高度LEO的拟合试验表明:提出的16/17/18/18~*/19参数星历,URE最大值分别优于10/6/4/5/2.5 cm。最后,根据拟合参数的变化范围,对5个星历模型进行了接口设计。在数据截断对URE的影响为毫米量级要求下,总比特位分别为329/343/376/379/396,其中16/17参数星历模型比GPS16参数模型减少了29/15个,18/18~*/19参数星历模型比GPS18参数星历模型减少了64/61/41个。

GNSS卫星地影的一体化建模方法和星蚀参数计算

基于日地关系建立地影模型,利用数值法可以高精度计算单个卫星的地影参数,但是难以快速而全面地分析某一类卫星的地影参数变化和分布规律。本文从日、地和卫星三者的几何关系出发,提出了一种基于空间视场的卫星地影直接建模方法。首先,分别利用轨道半长轴和太阳的周年视运动确定卫星地影的大小和位置变化;其次,基于球面几何分析法推导了卫星地影参数的计算公式以及扁率摄动等对长期预报的影响改正公式。对北斗混合星座中3类卫星的地影参数分析试验表明,卫星地影模型和地影参数解析法能够快速获得中高轨近圆轨道类型的星蚀规律信息。

低轨卫星广播星历参数设计

导航增强卫星从高轨拓展到低轨(LowEarthOrbit,LEO),需要针对低轨卫星设计可靠的广播星历参数模型。传统的广播星历主要针对中高轨卫星设计,如果直接用于受摄动力更复杂的LEO卫星,星历拟合的URE精度难以达到要求。针对低轨卫星的受力特性,在ECEF坐标系内分别利用多项式和多项式+周期项2种方案来进行经验力(除地球扁率以外的摄动力)建模,设计了2种基于轨道列表型的16参数广播星历参数模型;将拟合时间设定为卫星的地面最大可见时间,以减少用户更新星历频率。300~1500km高度的轨道拟合实验表明,利用多项式+周期项建立经验力的16参数星历拟合精度更高,其R/T/N三个方向拟合误差分别优于10/10/3cm,URE优于9cm。

多星定轨条件下北斗卫星钟差的周期性变化

基于地面监测网的多星精密定轨可以同时解算出北斗卫星轨道和卫星钟差。由于轨道和钟差的耦合影响,卫星钟差时序难免会出现周期性波动。此外,受限于目前并不完善的北斗全球监测网络分布、系统导航文件缺失以及定轨后处理软件的设置问题,3类卫星的钟差均存在大量数据间断问题。本文利用适用于间断数据的谱分析方法,对多星定轨条件下的北斗卫星钟差数据进行了周期项提取,并利用周期项改进后的钟差预报模型评估了24h以内的预报精度。基于近一年的数据分析表明,北斗GEO卫星钟差3个主周期依次为12、24和8h,IGSO卫星钟差的3个主周期依次为24、12和8h,而MEO卫星钟差的3个主周期依次为12.91、6.44和24h。与改进前相比,周期项改进后的钟差预报模型将北斗卫星钟差在24h以内的预报精度提高了20%~40%。

姿态模式切换期间QZSS卫星轨道及其钟差产品特性分析

导航卫星姿态控制模式切换对精密定轨解算得到的轨道和钟差均有较大影响。本文首先从理论上分析了卫星偏航姿态及其对精密定轨的影响,然后分别以卫星激光测距检核和钟差多项式拟合的方法对IGS MGEX分析中心的QZSS卫星轨道和钟差产品精度进行评价,最后以谱分析方法和改进阿伦方差揭示了卫星钟差的周期特性。基于2014年全年的QZSS卫星轨道和钟差产品的研究表明,一年内有两次长约20 d的地影季,太阳角呈现半年周期的波动;QZSS卫星在低太阳角时有零偏保护,其卫星轨道和钟差精度都与太阳角有显著相关性;卫星钟差具有与轨道周期相近的周期项,且周期项振幅与太阳角的大小也具有相关性,表明现有的定轨策略存在不足。考虑到QZSS与目前北斗星座中IGSO和MEO卫星姿态控制模式的相似性,该结论对于研究我国BDS姿态切换期间的精密定轨有一定参考价值。

北斗系统精密卫星钟差精度评价

针对目前北斗卫星导航系统尚未形成统一的事后轨道和钟差产品的现状,该文提出了一种较为全面的北斗卫星导航系统精密卫星钟差精度评价方法,从钟差拟合残差标准差和天跳变等方面对北斗系统事后精密卫星钟差的精度进行了评价。使用相同方法对2013年全年、2014年上半年的北斗系统精密卫星钟差产品进行了评价,以此来分析定轨策略调整对卫星钟差的影响。结果表明,武汉大学分析中心解算的北斗系统精密卫星钟差产品的精度为分米级,大部分卫星的钟差精度优于0.2m,且定轨策略调整后倾斜地球同步轨道/中地球轨道卫星钟差产品的精度有小幅度提升;定轨策略调整前卫星钟差天跳变在0.2-0.5m间,但是调整后钟差天跳变显著增大,变化范围为2-3m,建议在实际应用中对其加以慎重处理。