基于北斗卫星导航系统的低轨卫星精密定轨精度分析

随着北斗卫星导航系统的建成运行,基于北斗卫星导航系统的低轨卫星精密定轨得以广泛应用。为有效评估基于北斗卫星导航系统的低轨卫星精密定轨精度,本文分别基于运动学法、动力学法和简化动力学法对低轨星载北斗观测数据进行了精密定轨处理,并通过重叠弧段法进行内符合精度评价,然后采用不同定轨方法对比的方式对精密定轨结果进行了验证分析。试验结果表明,3种精密定轨结果的位置互差均方根误差为1.4 cm,最大位置互差7 cm,说明基于北斗卫星导航系统的精密定轨精度可达到厘米级。

GPS/BDS组合导航系统的精密单点定位模型

为了改善单卫星导航系统由于卫星数量较少,导致定位误差高的问题,设计全球定位系统(GPS)/北斗卫星导航系统(BDS)组合导航系统的精密单点定位模型:线性组合处理GPS与BDS的伪距和载波相位观测值,并构建GPS/BDS组合导航系统的组合观测值;接下来利用协方差成形自适应卡尔曼滤波方法,对组合导航系统导航过程中的卫星钟差、电离层延迟等误差实施滤波;再利用滤波处理后组合导航系统的广播星历,获取卫星轨道以及钟差;然后利用经验模型修正对流层延迟,获取相位观测值与伪距的综合改正数;最后利用综合改正数修正组合导航系统的观测方程,构建精密单点定位模型。实验结果表明,GPS/BDS组合导航系统采用所构建模型进行精密单点定位,不同方向定位误差均低于10 cm,证明了提出模型的有效性。

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%。

BDS-3全球短报文2种低轨卫星几何法定轨

针对低轨卫星实时在线精密定轨难以获取实时改正数问题,提出基于北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)全球短报文播发距离改正数和状态空间表达(SSR)改正数的低轨卫星精密定轨方法。基于提出的距离改正数和SSR改正数编码播发方案,利用Swarm A卫星7 d星载全球卫星导航系统(GNSS)数据进行验证,从定轨精度以及处理效率2方面进行分析,结果表明:基于BDS-3全球短报文播发的改正数可以实现低轨卫星几何法定轨精度约为0.1 m,且基于SSR改正数的低轨卫星定轨精度优于距离改正数。非差非组合模型的定轨精度略优于无电离层(IF)组合定轨精度;当BDS-3全球短报文通信成功率为90%时,定轨精度下降约15%。在处理效率上,IF组合较非差非组合提升明显,2种方法在主频为1.6 GHz的个人笔记本上单历元处理时间均小于0.003 s。

基于转发式的北斗卫星导航系统地球静止轨道卫星精密定轨试验

地球静止轨道卫星(GEO)在北斗卫星导航系统(Compass)的卫星导航中具有特别重要的作用,除了利用导航系统自身的伪距相位以外,利用其他的测轨系统对其进行精密定轨有着重要的意义。利用国家授时中心的转发式测轨网对Compass的GEO卫星进行观测,获取转发式测轨数据,利用该数据对Compass的GEO卫星进行精密定轨分析。分别从观测数据的观测精度,定轨残差以及轨道重叠误差等方面分析GEO卫星的定轨精度。

北斗卫星导航系统双差动力法精密定轨及其精度分析

针对GEO卫星切向轨道分量与双差模糊度强相关的问题,对经典双差动力法进行了改进,提出联合使用载波相位和相位平滑伪距实现北斗系统精密定轨,并从理论上分析了以上处理策略的可行性及对模糊度固定的影响,然后结合北斗系统精密定轨特点,推导给出了利用QIF方法实现北斗卫星双差模糊度固定的基本原理,实测数据分析表明:联合载波相位和相位平滑伪距,既可降低相关性,又可兼顾精度,定轨效果优于经典双差动力法;利用QIF方法能够取得一定的模糊度固定效果,但受观测条件限制,北斗卫星双差模糊度固定成功率整体不高,双差模糊度固定之后对轨道的改进作用有限。

北斗卫星导航系统精密定轨技术研究现状

北斗系统开通运行以来,无论是系统建设还是精密定轨技术均获得了长足发展。文中简要介绍了北斗系统目前的建设情况,总结梳理了北斗卫星精密定轨技术发展现状。在此基础上,分析论述了北斗系统精密定轨中亟待解决的主要问题。

北斗卫星导航系统精密定轨和广播星历轨道精度分析

为了分析北斗卫星导航系统导航定位服务能力,基于2013年国际GNSS服务组织（International GNSS Service,IGS）多GNSS试验（Multi-GNSSExperiment,M-GEX）、荷兰辉固公司（Furgo）、武汉大学北斗试验跟踪网（BeiDou Experiment Tracking System,BETS）和国际激光服务组织（International Laser Ranging Service,ILRS）等4个跟踪网观测数据,首先进行卫星精密定轨及精度评定,然后采用与事后精密轨道比较、激光检核等方式进行广播星历轨道精度评定,最后分析广播星历轨道对用户定位的影响.结果表明：基于载波相位观测数据的北斗地球静止卫星（Geostationary Earth Orbit,GEO）卫星精密定轨中切向分量存在1～4m级的常偏量误差,而基于时间比对和平滑伪距观测数据的广播星历切向分量没有这一现象;北斗卫星精密定轨径向、法向精度分别可以达到0.1m和0.2m;广播星历径向、法向精度分别为0.5m和1m 左右,轨道引起的用户测距误差（User Range Error,URE）平均为0.57m.

北斗卫星导航系统精密轨道确定方法研究

北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统。作为后起建设的卫星导航系统,北斗卫星精密定轨方法的研究尚处于起步阶段,理论方法还不完善,定轨精度也还有较大的提升空间。有鉴于此,论文围绕精密轨道确定核心问题展开研究,从单系统精密定轨、多系统融合精密定轨、精密定轨后处理、LEO辅助北斗卫星精密定轨以及实时轨道确定等方面对北斗卫星精密定轨方法进行了系统研究,论文的主要贡献总结如下。

顾及随机脉冲参数约束的BDS卫星精密定轨

为了进一步完善北斗卫星导航系统(BDS)的动力学模型,提高其定轨精度,提出一种动力学模型的补偿方法来实现对BDS的精密定轨:在原有力学模型的基础上,每隔12h在BDS卫星轨道的径向、切向和法向附加一组随机脉冲参数,使其与确定性参数一起进行参数估计;并分别给出随机脉冲参数对非地影期和地影期BDS轨道精度的影响;最后将定轨结果与武汉大学分析中心提供的事后定轨结果进行分析与比较。实验结果表明,加入随机脉冲参数后,非地影期的北斗卫星导航(区域)系统(BDS-2)地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星以及北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)MEO卫星的轨道精度可分别提升5.1%、14.9%、14.8%、16.4%,对于进入地影期的BDS-2 MEO和BDS-3 MEO卫星,轨道精度可分别提升18.9%、27.3%,说明随机脉冲参数的引入可以在一定程度上弥补力学模型缺陷,进而提高BDS卫星的轨道精度,尤其是BDS-3卫星轨道精度提升更为显著,同时通过对外推轨道精度的分析进一步验证了提出方法的可行性以及定轨精度的准确性。

LEO多星座增强BDS精密单点定位性能评估

针对不同构型的低轨星座(LEO)增强北斗卫星导航系统BDS的精密单点定位PPP性能开展研究。通过IGS高、中、低纬度6测站实测数据、精密轨道及钟差产品,生成BDS、“鸿雁”HY、“微厘空间”CS精密星历、卫星钟差、观测量等实验仿真数据,构建了LEO增强BDS PPP数学模型,实现了BDS、BDS+HY、BDS+CS、BDS+HY+CS不同组合PPP。实验结果表明,在10、60 min静态PPP定位精度以及平均可视卫星数、PDOP值等方面均有不同程度的提升,HY对高纬度KIRU站改善效果显著,收敛时间减至2 min以内,CS对低纬度FAA1站测站收敛时间的提升最大,从46 min 50 s缩短至2 min,HY+CS增强BDS的效果最好,10 min定位精度均能达到毫米级,除FAA1站外其他测站均收敛在1 min以内。

分析型光压模型在北斗导航卫星精密定轨中的应用

太阳辐射压摄动是导航卫星受到的最大非保守力,是精密定轨的主要误差源,目前一般使用扩展经验光压模型(ECOM)等经验模型应用于卫星的精密定轨,分析型光压模型物理背景清晰,更加适合在轨初期的精密定轨。文章分析了分析型光压模型在我国北斗高轨导航卫星中的应用。选取了约1个月的北斗地球静止轨道-6(GEO-6)和倾斜地球同步轨道-5(IGSO-5)卫星数据进行分析,其太阳辐射压摄动加速度在轨道的径向(R)、横向(T)和法向(N)3个方向分别约为10-7、10-7和10-8m/s2量级,将分析型光压模型和精密定轨输出的太阳辐射压加速度进行比较,GEO-6卫星径向和横向的差异在10-8m/s2量级,法向方向在10-9m/s2量级,相对误差在10%左右,对IGSO-5卫星,差异要小1/2左右,约为5%。以多模GNSS系统试验网络(MGEX)的轨道作为参考,直接使用分析型光压模型,GEO-6位置误差约为2.5 m, IGSO-5位置误差约为1.5 m,增加偏差和尺度因子标校参数后,位置精度分别提高到约0.5 m和0.1 m。结果表明:利用分析型光压模型,可以实现北斗GEO和IGSO卫星分米级的定轨精度。

国外卫星导航系统精密定轨技术的研究现状及发展趋势

目前,卫星导航技术已经进入蓬勃发展时期,本文在简单介绍国外主要卫星导航系统建设情况的基础上,重点总结梳理了其精密定轨技术的研究现状,指出了未来导航卫星精密定轨技术的发展趋势,相关研究成果对我国北斗卫星导航系统的建设发展具有借鉴参考意义。

顾及BDS-2/BDS-3间ISB的精密定位及时频传递性能评估

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)-3已于2020年7月31日正式向全球用户提供定位、导航和授时服务,因BDS-2与BDS-3在信号调制方式及特性上存在差异,接收机端在接收与处理BDS-2、BDS-3信号时将存在系统间偏差(inter-system bias,ISB)。文章采取忽略ISB(ISB_(NO))、ISB估计为常数(ISB_(CT))、ISB估计为随机游走(ISB_(RW))、ISB估计为白噪声(ISB_(WN))4种随机模型,分别使用GBM、WUM、CLK93实时精密产品,基于BRUX、CEDU、CUT0、HOB2、HARB、PTBB站点的观测数据,对BDS-2/BDS-3组合事后、仿实时精密单点定位(precise point positioning,PPP)及时频传递性能进行评估。结果表明:GBM、WUM产品事后平均PPP定位精度、收敛时间均在1.7 cm、23.3 min,估计ISB策略的定位及时频传递性能均稍优于忽略ISB策略,ISB_(CT)的数据处理策略最优。CLK93产品仿实时PPP的三维定位精度优于4.0 cm,估计ISB与忽略ISB的定位精度相当、收敛时间有所缩短、时频传递稳定度有所提升,ISB_(CT)、ISB_(RW)、ISB_(WN)相比ISB_(NO)解算策略在60000 s的平均频率稳定度分别提高了8.03%、25.32%、24.21%。综合比较,BDS-2/BDS-3组合PPP的ISB_(CT)、ISB_(RW)策略定位及时频传递性能优于ISB_(NO)、ISB_(WN)策略。

北斗三号卫星GNSS/SLR数据联合精密定轨

为了进一步提升北斗卫星定轨技术的精度,研究引入不同类型的观测数据联合全球导航卫星系统(GNSS)观测数据对提升北斗卫星轨道产品的精确度的影响:在GNSS观测数据的基础上引入卫星激光测距(SLR)的观测数据对北斗三号卫星进行联合轨道确定,并采用激光检核轨道残差和将解算结果与武汉大学(WHU)提供的精密星历产品进行轨道互差2种方法,讨论引入激光测距观测值对提升北斗三号卫星轨道精度的作用。实验结果表明,引入SLR观测数据之后,北斗三号系列卫星中的中圆地球轨道(MEO)卫星的轨道精度有所提升。

基于分区综合改正数的北斗卫星导航系统和GPS组合的动态精密单点定位

提出一种基于分区综合改正数的北斗卫星导航系统(BDS)和GPS双系统组合(BDS/GPS)动态精密单点定位(PPP)模型。选取15个MGEX(multi-GNSS experiment)测站作为参考站或用户站进行试验,统计分析了20 d的BDS/GPS动态精密单点定位的精度及收敛性。结果表明,BDS双频动态精密单点定位平均13 min收敛至三维定位误差小于1 m,平均平面精度和平均高程精度分别优于0.15 m和0.30 m;BDS/GPS双频动态精密单点定位平均3 min收敛至三维定位误差小于1 m,平均平面精度和平均高程精度分别优于0.07 m和0.15 m。

联合SLR的BDS精密定轨光压模型影响与分析

围绕联合卫星激光测距(SLR)数据的北斗卫星导航系统(BDS)精密定轨中光压模型选取和精化问题,分析了不同光压模型对轨道精度的影响,包括ECOM1、ECOM2以及混合光压模型。采用125个全球GNSS测站和23个SLR测站265天观测数据进行联合定轨,从SLR检核、轨道边界不连续性以及轨道预报三方面对定轨精度进行分析,结果表明:联合定轨均能显著提高轨道的SLR检核精度,其中采用混合光压模型时精度最高。采用ECOM1和ECOM2时,联合SLR观测值定轨降低了BDS卫星计算轨道和预报轨道的精度,采用混合模型时BDS卫星轨道预报精度略有提升。综合外符合和内符合精度,建议在联合SLR观测数据进行BDS卫星精密定轨时采用混合光压模型。

基于北斗卫星导航系统的精密单点定位研究

北斗卫星导航系统(BDS)是我国自主发展、独立运行的卫星导航系统,目前已有5颗GEO、5颗IGSO和4颗MEO卫星在轨运行,并于2012年12月28日开始正式提供区域服务。本文在武汉大学PANDA软件的基础上,采用武汉大学发布的BDS精密星历和30s采样率精密钟差产品,利用北京和武汉站观测数据进行了BDS的静态和动态精密单点定位试验。一周的静态数据解算结果表明,基于BDS的静态单天解在平面方向的精度达到1cm,在高程方向的精度在1cm-2cm量级;动态解算结果表明,收敛后平面的精度达到4cm,高程方向为4cm-6cm。

BDS-3多频非差非组合精密定轨精度分析

针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)五频点观测数据和非差非组合精密定轨理论,介绍了非差非组合观测模型和参数估计方法,提出了利用K均值聚类算法(K-means)进行测站选取的策略,分析并讨论了非差非组合方法的优势.通过K-means和人工经验选取两种测站选取方案,分别使用BDS-3五频,B1C+B2a、B1I+B3I三种频率选择方式,利用30个观测站,对BDS-3中轨道地球卫星(MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)进行精密定轨处理.结果表明:当接收B1C+B2a频点观测数据测站不足时,非差非组合方法可以通过利用五频观测数据增加观测数据数量、优化测站布局,提高定轨精度,与B1C+B2a频率组合相比,五频定轨结果切向(A)、法向(C)、径向(R)和三维(3D)方向均方根(RMS)月均值分别提升0.003 m、0.004 m、0.003 m和0.007 m;K-means算法选取的测站与人工经验选取相比,分布更加合理,定轨精度更高,三种频率选择方案MEO卫星3D RMS月均值精度分别提升0.009 m、0.017 m和0.009 m.

模糊度固定的北斗卫星多系统融合精密轨道确定

利用全球分布的IGS和MGEX站多模观测数据,研究了北斗卫星多系统融合双差动力学精密定轨方法,提出了适应北斗系统的双差模糊度固定策略。结合实测数据,对比了单系统与多系统融合、模糊度固定解与浮点解的定轨效果。结果表明:相比单系统定轨,多系统融合定轨能有效改进IGSO和MEO卫星轨道精度,但对于GEO卫星,多系统融合定轨并无优势;利用改进的模糊度固定策略对IGSO和MEO卫星双差模糊度进行固定,有效提高了长基线模糊度固定率,整体固定成功率由40%提高到60%以上;模糊度固定对定轨精度改进作用明显,IGSO和MEO卫星三维定轨精度分别提高了48%和36%,达到0.048 m和0.066 m。