低轨卫星下行仿真数据精密定轨研究

低轨卫星导航定位是新一代卫星导航技术发展的重要方向,使用低轨卫星提供高精度定位、导航与授时(positioning,navigation and timing,PNT)服务,需要能够利用下行数据对其进行精密定轨.目前低轨卫星定轨相关研究多以星载GNSS数据和星间链路数据为研究对象,缺少针对低地球轨道(low earth orbit,LEO)下行数据定轨能力的分析.为分析低轨卫星下行数据定轨性能,模拟仿真了轨道高度1000 km、轨道倾角48°的Walker 90/10/1低轨卫星导航星座、150个地面测站及相应轨道、钟差和观测数据.分别使用测站数为60、90、120和150的全球测站网络观测数据进行LEO卫星精密定轨,并对定轨精度和可视测站卫星位置精度衰减因子(satellite position dilution of precision,SPDOP)值进行分析.结果表明:测站数从60增加至150可使LEO卫星轨道1d均方根(root mean square,RMS)从117.5 mm提升至39.8 mm;当测站稀疏时,LEO卫星定轨精度降低迅速;增加测站可以有效改善陆地范围可视测站SPDOP和LEO卫星定轨精度,但由于测站跟踪范围有限,海洋区域可视测站SPDOP和LEO卫星定轨精度难以获得改善,需引入新的观测数据源.研究结果可为低轨导航卫星系统建设提供支持.

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。

FCM测站定权的LAGEOS-2卫星精密定轨影响分析

由于卫星激光测距(satellite laser ranging, SLR)台站的测距精度和稳定性存在差异,精密定轨中需要对不同性能的台站赋予不同权重。本文将模糊C均值(fuzzy C-means, FCM)聚类定权应用于LAGEOS-2精密定轨,并比较原始测站定权和FCM定权对轨道精度的影响。结果表明:1)相较于原始测站定权,FCM定权更能反映各SLR台站的性能,提高定轨精度和观测值数量;2)对于ILRS四个质量分析机构,原始测站定权下JCET发布的质量报告在定轨精度上略优于其他中心,采用FCM定权后,以4个机构发布的质量报告进行定轨的结果在同一水平,轨道精度为4.83~4.86 cm。

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%。

HY2D星载北斗数据质量评估及事后精密定轨精度分析

基于海洋二号D卫星(HY2D)2021年7月7-16日(年积日Day Of Year(DOY)188-197)的星载北斗观测数据,从测量数据有效性、可见卫星数量、位置精度因子及伪距多路径效应等角度分析了数据质量,并利用其进行事后精密定轨,从相位残差、重叠弧段、轨道互比和激光检核4种手段评估了定轨结果精度.结论如下:(1)HY2D卫星接收北斗三号卫星数在4颗及以上占比约为86.66%;B1C频点多路径误差RMS(Root mean square)约为0.37 m,B2a频点约为0.18 m.(2)载波相位拟合残差RMS在6-8 mm之间;相邻轨道重叠4 h的位置差异小于2 cm,与法国CNES(Centre National d‘Etudes Spatiales)DORIS(Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite)轨道比较径向RMS优于1.9 cm.(3)用激光测距数据检核轨道精度,其星距残差的RMS约为3.24 cm.结果表明,国产星载双频北斗接收机可以完成海洋测高卫星的精密定轨指标.

双线程滑动窗口多系统GNSS超快精密定轨实现及评估

全球导航卫星系统(GNSS)超快精密定轨为GNSS实时应用提供了高精度空间基准。基于天地协同定位、导航与授时(PNT)网络服务中心实现了四系统GNSS卫星超快精密定轨,并对定轨结果进行精度评价。介绍了天地协同PNT网络的概念内涵以及网络服务中心部署的超快精密定轨软件架构和详细功能,并针对实时应用需求提出了一种双线程滑动窗口超快精密定轨策略。最后利用重叠弧段比较、与外部轨道产品比较以及卫星激光测距(SLR)检核3种方式对定轨结果进行了精度评价。结果表明,与武汉大学分析中心的最终事后精密轨道产品相比,四系统GNSS MEO卫星预报6 h弧段的径向均方根(RMS)误差整体在2~5 cm水平,BDS2 IGSO卫星最小一维RMS误差在10~15 cm水平;GPS和Galileo卫星的SLR检核残差均值在1~3 cm水平,标准差在3~6 cm水平,能够满足后续厘米级实时应用对空间基准的精度需求。

LEO星载GPS实时精密定轨伪模糊度随机过程参数优化

提出在定轨策略及其他变量不变的情况下,使用一种数值步进的搜索比较方法,以确定伪模糊度随机过程参数的最优设置。使用GRACE-C、SWARM-A两颗LEO卫星2021年doy92~101共10 d的GPS数据及同时段的CNT、MADOCA两种实时精密星历产品,以模拟在轨实时精密定轨的方式,对伪模糊度随机过程参数开展优化实验。结果表明,在伪模糊度参数最优值方案下,两颗LEO卫星的实时精密定轨三维位置误差(RMS)约为4.62~7.56 cm,相比于传统模糊度浮点解方案,使用CNT和MADOCA产品的实时定轨精度分别平均提升约39.15%和29.61%。

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。

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。

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。

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。

基于星载GPS数据的HY-2B卫星简化动力学精密定轨

为研究满足HY-2B星载GPS定轨要求的EGM2008重力场模型合理阶次和HY-2B卫星简化动力学定轨精度,采用HY-2B卫星14天星载GPS观测数据及不同阶次EGM2008重力场,进行简化动力学轨道确定。结果表明:采用120阶及以上阶次的EGM2008重力场模型,能够获得厘米级高精度定轨结果。同时,检核结果显示:采用简化动力学法定轨时,载波相位残差结果稳定在6.2~6.8mm之间,重叠轨道对比结果在轨道径向、切向、法向上均优于0.6cm,SLR检核整体轨道精度优于4cm。定轨结果满足测高卫星需求,可为后续我国海洋系列卫星精密轨道确定等相关科学研究提供借鉴。

HY2D卫星星载GPS数据精密定轨研究

采用HY2D卫星2021年6月1日―14日和6月19日―27日星载GNSS主、备份接收机数据,基于简化动力学定轨算法,研究了星载GPS精密定轨技术,分析了主、备份接收机性能及其定轨精度。利用主、备份星载GPS数据定轨,得到相位拟合残差RMS的平均值,分别为0.69 cm和0.82 cm。当轨道重叠4 h时,主份接收机径向差异为0.2 cm,三维位置差异为0.6 cm;备份接收机径向差异为0.3 cm,三维位置差异为1.7 cm,备份接收机结果差异稍大。用法国CNES提供的精密轨道检验主、备份接收机数据的定轨精度,发现主、备份接收机定轨结果与法国产品的径向差异平均值分别为0.8 cm和1.2 cm。用站星间高度角大于20°的全球SLR核心测站观测数据检验主、备份接收机定轨精度,其测距方向残差RMS分别为1.51 cm和2.44 cm。研究结果表明,HY2D卫星搭载的主、备份星载双频GNSS接收机都可以满足卫星径向厘米级精度的定轨需求。

地面基准站网与星载GNSS融合的高中低轨卫星联合精密定轨

下一代导航系统拟纳入低轨卫星(LEO)作为增强和备份。研究了地面基准站网与星载GNSS融合的高中低轨卫星联合精密定轨(POD)理论与方法,基于实测国际地面站(IGS)和低轨卫星星载GNSS数据,通过建立高精度动力学模型和观测模型,根据全球测站和区域测站两种情况进行了导航星与低轨星的联合精密定轨试验。结果表明,联合定轨可同时获得导航星和低轨星厘米级的定轨精度。低轨星作为高动态天基测站,对导航星定轨精度的提升程度可达20%~90%。

GPS天线相位中心校正对低轨卫星精密定轨的影响研究

执行各种低轨卫星任务的官方在公布定轨结果的同时并没有公布星载接收机的天线相位中心校正(PCV)信息,而PCV误差是星载GNSS精密定轨必须考虑的主要误差源之一。以GRACE卫星任务为例研究PCV误差对低轨卫星精密定轨的影响,利用GPS观测数据直接估计与相位误差有关的天线相位偏差(PCO)和PCV参数,然后利用K波段测距系统和卫星激光测距仪数据进行定轨评定。

用SLR资料精密确定GPS35卫星轨道

GPS35卫星是全球定位系统卫星星座中的一颗卫星,它的对地一侧安装了激光后向反射器,可实施激光测距观测。用全球SLR资料精密确定了GPS35卫星1995年10月22日～26日和1999年8月1日～6日共2个5天的轨道,求得观测值与计算值的RMS小于3cm。

SLR资料精密测定GLONASS卫星轨道

将SLR资料计算的轨道与CODE轨道进行了比较 ,并将比较结果转换到RTN坐标系中。通过比较分析发现 ,两种轨道差值在轨道径向、法向和沿轨方向的精度分别优于 1 0cm、5 0cm和 45cm ;SLR和微波资料确定的GLONASS卫星轨道在径向存在系统误差 。

CHAMP卫星cm级精密定轨

在卫星定位导航数据综合处理软件（PANDA软件）的基础上，解算了2002年年积日126～131d CHAMP卫星的精密轨道，并通过与GFZ精密轨道的比较、GPS观测值的验后残差和SLR观测值检验等3种方式进行了轨道精度的评估。结果显示，本文的轨道精度在径向为4～5cm，切向和法向为6～8cm。

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。

一种北斗卫星精密定轨方法

利用BDS/GPS双模观测数据,研究了高精度北斗卫星精密定轨的实现方法,使用PANDA软件,结合"北斗卫星观测实验网"的实测数据,进行了精密定轨实验,结果表明:北斗卫星径向定轨精度能够达到优于10 cm的水平;其中,GEO三维定轨精度能够优于5 m,但沿迹方向存在系统偏差,IGSO/MEO三维定轨精度优于0.5 m。