针对低轨星座的空间信号测距误差投影系数确定

随着低轨星座建设的不断推进,计算卫星空间信号测距误差(signal in space range error,SISRE)的面向对象不再局限于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的地面用户,还包括GNSS的低轨星载用户和低轨导航系统地面用户。为更好地支持基于低轨星座SISRE的解算,根据SISRE的计算原理,分别研究了低轨星载用户和低轨卫星地面用户的SISRE误差投影系数的特征。计算结果显示,GNSS卫星对地面用户的误差投影系数并不适用于低轨星载用户及低轨导航星座地面用户。当低轨卫星轨道高度由2000 km降低至300 km时,GNSS卫星对低轨星载接收机的轨道径向误差投影系数由0.96增加到0.98,轨道切法平面误差投影系数由0.20降低至0.15;低轨卫星对地面用户的轨道径向误差投影系数从0.72降至0.37,轨道切法平面误差投影系数从0.49增加至0.66。上述结果可为未来低轨卫星相关的空间信号测距误差分析以及低轨完好性研究提供重要参考。

2013—2015年BDS空间信号测距误差的精度评估

基于武汉大学发布的精密星历,计算2013年1月至2015年9月北斗广播星历的轨道、钟差和空间信号测距误差,并对其进行统计分析评估。结果表明:北斗卫星的径向精度总体上优于0.7 m、法向精度总体上优于1.4 m,且无明显的长期变化趋势;在切向精度上,倾斜地球同步轨道和中轨道优于2.1 m,高轨道的切向精度已从14 m左右提升至8 m左右;北斗高轨道、倾斜地球同步轨道、中轨道的钟差精度分别为6.3 ns,4.7 ns,4.3 ns;所有卫星的钟差精度总体上优于6 ns;所有卫星的空间信号误差精度总体上优于2 m,从长期来看,中轨道卫星的空间信号误差精度较为稳定;倾斜地球同步轨道和高轨道卫星的空间信号误差精度存在一定的波动。

北斗三号空间信号测距误差评估与对比分析

北斗三号作为我国自主建设的全球卫星导航系统,其本身性能水平以及与其他卫星导航系统的性能对比情况,对后续推广应用具有重要影响。为此,本文以空间信号测距误差(signal-in-space range error,SISRE)作为系统关键性能指标,以GFZ提供的多系统精密轨道钟差作为标准,给出了卫星轨道、卫星钟差、SISRE的比对评估方法,并以2020年1—3月共3个月的实测数据,验证了北斗三号相对北斗二号的精度改进情况,并重点分析了北斗三号与GPS、Galileo、GLONASS之间的性能对比关系。结果表明:无论是卫星轨道还是卫星钟差,北斗三号的精度水平相对北斗二号都有了明显提高;北斗三号卫星轨道在R、T、N方向精度分别达到0.07、0.30、0.26 m,在4个全球系统中处于最优水平;卫星钟差精度达到1.83 ns,基本与GPS系统持平,优于GLONASS,但还略差于Galileo;在空间信号测距误差方面,如果仅考虑轨道误差,北斗三号SISRE(orb)平均达到0.08 m,紧随其后,Galileo达到0.26 m,GPS达到0.57 m,GLONASS达到0.98 m。如果综合考虑轨道和钟差误差,北斗三号SISRE平均达到0.50 m,稍逊于Galileo的0.38 m,略优于GPS的0.58 m,明显好于GLONASS的2.35 m。

卫星导航空间信号用户测距误差评估方法

空间信号(SIS)精度是卫星导航系统的基本性能之一,而卫星的用户测距误差(URE)是SIS精度的重要指标。基于轨道误差及钟差误差研究了GPS(全球定位系统)和BDS(北斗卫星导航系统)的SIS URE评估方法,并利用实测数据评估了GPS和BDS的SIS性能。验证结果表明:GPS的SIS URE均优于2.2 m,BDS SIS URE除GEO-01和GEO-04卫星外均优于2.5 m,符合GPS标准定位服务性能规范(2008年)及北斗卫星导航系统公开服务性能规范(1.0版)对SIS URE的指标要求。

北斗卫星导航系统空间信号用户测距误差计算方法研究

按照空间信号用户测距误差(User Range Error,URE)定义,参考GPS标准定位服务性能规范中URE的计算方法,结合北斗卫星导航系统(BDS)多星混合星座类型,在考虑仰角限制情况下,详细推导了适用于BDS的瞬时URE和均方根URE计算公式。利用广播星历和精密星历计算的卫星轨道误差和卫星钟钟差,带入所推导的公式,对BDS URE进行分析评估;并使用GNSS接收机原始观测量和伪距观测方程计算BDS URE,最后将两种计算结果进行对比分析。研究结果表明,两种方法 BDS URE的计算结果基本一致,在95%置信度情况下均小于2.5m,满足北斗公开服务性能规范中对空间信号URE的基本要求。

北斗三号广播星历空间信号测距误差分析

全球导航卫星系统(GNSS)的空间信号测距误差(Signal-In-Space Range Error,SISRE)是影响大地测量用户定位与授时性能的主要因素。本文利用武汉大学提供的2019年事后精密轨道和钟差产品,对北斗三号(BDS-3)广播星历轨道、钟差参数和SISRE精度进行评估与分析。结果表明,北斗三号各MEO卫星广播星历轨道的径向、切向和法向的精度(以RMS表征)分别优于0.12 m、0.60 m和0.50 m,卫星的3D轨道精度基本能够达到0.6 m;BDS-3卫星广播星历钟差参数呈现出明显非零均值偏差,所有卫星钟差参数均方根误差的平均值为0.42 m;仅考虑轨道误差影响时,BDS-3卫星广播星历SISRE值均小于0.15 m,同时考虑钟差参数误差的影响,BDS-3广播星历的SISRE平均值达到0.51 m。

北斗三号系统PPP-B2b空间信号性能评估

评估北斗三号系统B2b播发的实时精密改正数,对系统精密单点定位服务能力的提升具有促进作用,将改正数恢复成精密轨道和钟差产品,采用事后精密产品对广播星历、BDS-3和CNES实时精密产品的空间信号进行了系统的量化评估。结果表明.BDS-3卫星实时精密轨道径向、切向和法向分别为8.2 cm、27.9 cm、22.4 cm,稍优于广播轨道的精度,而GPS实时精密轨道3个方向的精度为11.0 cm、45.2 cm、34.6 cm,同时段的CNES轨道精度相对较好。BDS-3卫星钟差误差的均方根为55.6 cm,标准差为4.1 cm,GPS对应精度为112.3 cm和5.9 cm,两个系统的标准差明显优于广播钟差。受实时精密钟差较大的RMS影响,BDS-3和GPS卫星空间信号测距误差的均方根为54.0 cm和114.9 cm,但相应标准差仅为3.8 cm和5.1 cm。

高精度BDS空间信号完好性评估方法

针对北斗卫星导航系统精密单点定位空间信号完好性评估方法研究中存在的问题,构建了一种高精度BDS空间信号完好性性能评估方法。通过轨道时钟误差恢复、空间信号异常排除以及建立误差包络模型,分析了无故障情况下的BDS-2和BDS-3高精度空间信号测距误差的完好性。为准确地剔除有故障的空间信号,提出了一种故障趋势与阈值组合判断的异常空间信号剔除方法,能比经验阈值法更准确剔除空间信号异常,提升了空间信号完好性性能评估精度。通过对2021年1月至2022年1月期间法国空间研究中心的实际数据进行分析,给出了高精度用户测距精度的评估结果,并分析了其值在轨道间显著差异性和星间差异性。

GPS导航电文参数表示的测距误差分析

针对在GPS现代化进程中将出现的新的CNAV/CNAV-2导航电文格式,比较了目前发播的GPS NAV导航电文与新电文在数据表达方式上的差别.为了衡量不同的数据截断方式对于导航定位的影响,引用导航数据截断测距误差的概念进行分析.利用实际的导航数据对于两种电文结构进行了仿真生成、处理,比较星历/星钟参数截断带来的测距误差影响.结果表明:相比于NAV电文,CNAV/CNAV-2由于截断所造成的测距误差更小,NAV电文对截断误差更敏感.其中星历参数截断的测距误差改善可达厘米级,星钟参数截断的测距误差改善可达分米级.因此,在带宽有限的条件下应优先考虑提高星钟参数的表示精度.改进星钟参数的表达形式可望获得更高的精度提升.

北斗三号全球系统空间信号精度评估分析

以精密星历和钟差为基准,对BDS-3广播星历的轨道精度、钟差精度和3类空间信号测距误差(signal-in-space range error,SISRE)精度进行评估。结果表明,BDS-3广播星历的轨道精度明显优于BDS-2同类卫星,其轨道径向RMS精度优于0.18 m,切向和法向RMS精度优于0.6 m;BDS-3广播星历钟差的误差基本小于5 ns,且较BDS-2卫星变化更为平稳,其平均RMS统计精度为1.86 ns,平均95%统计精度为3.23 ns,均优于BDS-2卫星;BDS-3卫星仅受轨道影响的SISRE、全球平均SISRE和最差SISRE的RMS统计精度分别为0.12 m、0.58 m和0.60 m,相应95%统计精度分别为0.22 m、0.99 m和1.02 m,较BDS-2均有明显提升。

北斗三号基本系统空间信号性能分析

北斗三号基本系统于2018-12-27正式开通运行。本文采用北斗三号实测数据对基本系统星座覆盖性、广播轨道以及广播钟差、SISRE等重点空间信号性能指标进行了评估。指出北斗三号采用了星间链路测量体制,有效弥补了地面监测站布设范围受限的不足。空间信号精度显著优于北斗二号,甚至优于GPS系统。北斗三号基本系统将有效提升“一带一路”地区乃至全球的服务性能。

GNSS空间信号精度的研究分析

基于MGEX提供的产品,对当前全球卫星导航定位系统的空间信号精度分析与评估。结果表明:目前各系统的全球平均SISRE分别为GPS 0.6 m,Galileo 0.28 m,GLONASS 2.5 m,BDS-30.49 m,BDS-21.41 m;其中,Galileo最优,BDS-3次之,GPS稍低于BDS-3,另外,BDS-3 SISRE精度相对于BDS-2提升65%。

北斗三号全球卫星导航系统空间信号精度评估

针对北斗三号(BDS-3)正式开通后的空间信号精度情况,选取2020-08-01—2021-07-31共1 a的混合广播星历数据,以德国波茨坦地学研究中心(GFZ)和武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据中心(WHU)提供的精密星历为参考分别从轨道精度、钟差精度和空间信号测距误差(SISRE)来进行BDS-3的空间信号精度评估.结果表明:BDS-3的轨道精度在径向(R)、切向(A)、法向(C)三个方向上分别优于0.100 m、0.405 m、0.547 m,钟差精度优于1.926 ns,仅受轨道影响的SISRE(orb)为0.134m,SISRE为0.612 m.地球静止轨道(GEO)卫星的SISRE为1.137 m,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和中圆地球轨道(MEO)卫星的SISRE相比GEO卫星分别减少36.3%、51.3%.

融合SISRE的卫星高度角定权模型及PPP应用性能分析

在GNSS高精度定位中,观测量定权方式的选择影响着定位的性能,特别是对于实时精密单点定位,由于各个卫星实时轨道及钟差改正数的精度不同,PPP的定位解算性能会受到不同的影响。据此采用融合SISRE的方式将不同卫星轨道及钟差精度信息加入到卫星高度角定权模型中,通过对56个测站单天观测数据进行仿实时PPP实验可以发现,融合SISRE的定权模型在平均情况下可以减少收敛时间约0.91%,个别测站的收敛时间可以减小5 min以上,且可获得静态cm级甚至是mm级定位精度。

基于拉格朗日插值法的卫星导航空间信号精度评估算法

卫星导航空间信号精度是卫星导航系统的基本性能之一,为评估GPS和BDS卫星导航系统空间信号精度,研究了拉格朗日插值模型。采用插值精度和效率较高的十阶拉格朗日滑动插值法对IGS精密星历数据进行内插计算,使用本地接收机采集到的广播星历数据作为实测数据,并对GPS和BDS的空间信号精度进行了评估。结果表明,基于本地实测数据的GPS和北斗SIS URE满足GPS和北斗导航系统标准定位服务性能规范的指标要求,对应的URRE和URAE均优于对应接口文件中的指标。

北斗卫星导航系统空间信号精度分析

按照空间信号测距误差(SISRE)的定义给出了北斗卫星SISRE的计算公式。利用2013年11月的实测数据及相应精密轨道钟差产品对北斗卫星轨道精度及SISRE进行了统计分析。结果表明:北斗系统non-GEO卫星广播星历轨道精度优于GEO卫星;各卫星广播星历轨道误差径向精度最好;GEO卫星SISRE均值优于4m,IGSO卫星SISRE均值优于3m,MEO卫星SISRE均值优于4m。

GNSS导航电文空间信号测距误差分析

空间信号测距误差(Signal-In-Space Range Error,SISRE)描述卫星广播星历误差和钟差参数误差在用户平均星站方向的投影,是影响用户定位授时精度的关键因素.本文以事后精密轨道和钟差参数为基准,分别评估Galileo,GPS和BDS-3卫星的广播星历轨道用户测距误差(User Range Error,URE)、钟差参数误差、SISRE的大小和特征.结果表明,Galileo,GPS,BDS-3的SISRE分别为0.14,0.49,0.35 m.三者的广播星历轨道URE分别为0.14,0.27,0.09 m.三者的钟差参数误差分别为0.14,0.41,0.35 m.Galileo广播星历径向轨道误差和钟差参数误差之间具有很强的相关性.两者相互抵消,可有效降低Galileo卫星的SISRE.不同类型GPS卫星的钟差参数误差和SISRE有明显区别.随着GPS卫星的更新换代,其钟差参数误差和SISRE会逐步降低.BDS-3卫星具备与GPS和Galileo卫星显著不同的特征:(1)BDS-3卫星广播星历轨道径向误差和钟差参数误差的相关性较小,自洽性较差;(2)BDS-3卫星广播星历轨道URE较小,而钟差参数误差较大.其中,BDS-3卫星的广播星历轨道URE小于Galileo和GPS,但是其钟差参数误差对SISRE的贡献显著大于Galileo和GPS.通过比对上述卫星的SISRE大小及特征,指出提高钟差参数精度是提高BDS-3卫星空间信号精度的关键.

轨道与钟差对低轨导航增强PPP性能影响分析

利用低轨卫星进行导航增强是实现精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)快速收敛的有效途径之一。针对低轨卫星轨道与钟差误差对增强PPP性能的影响,推导了适用于低轨卫星的空间信号测距误差(Signal in Space Ranging Error, SISRE)计算公式,并基于低轨SISRE开展仿真试验,讨论低轨轨道与钟差误差对PPP的贡献。仿真结果显示,低轨SISRE与中高轨卫星存在显著不同,其切向和法向占比最高可达30%以上,同时SISRE显著影响PPP的收敛时间。为了保证北斗与低轨联合PPP的性能,SISRE最好应小于0.06 m,最大不超过0.20 m。

北斗星基增强系统性能评估

以实际广播星历、精密星历和北斗星基增强系统(BDSBAS)增强报文为实验数据,通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标,评估分析了BDSBAS空间信号的性能。结果显示:BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差在切向、法向、径向分别降低了34.57%,40.57%,30.90%;卫星钟差均方根降低了24.31%,卫星钟差标准差降低了16.8%;空间信号测距误差相比增强前降低了32.75%;BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区;BDSBAS各点电离层延迟播发间隔均达到ICAO对精确差分定位的要求;电离层延迟在0°-5°N范围内误差在0.4 m以上,可信度均达到99.9%,在5°-55°N范围内误差小于0.4 m,可信度均为100%;BDSBAS水平定位误差提升超过25%,垂直定位误差提升超过50%,完好性均在99.9%以上。

Galileo系统服务中断前后广播星历精度对比分析

2019年7月中旬发生的Galileo服务中断事件,在整个卫星导航发展史上都是较为罕见的重大事故。本文选取Galileo服务中断前后的广播星历,从纵向(利用中断前后29 d的数据)和横向(与其他主要系统进行对比)两个维度,通过卫星位置、速度、钟差、空间信号测距误差4个方面,对中断事件前后广播星历计算精度进行了较为全面的分析。结果表明:从纵向维度来看,服务中断前,Galileo健康卫星数发生剧烈变化,卫星钟差精度普遍发散,卫星位置、速度精度未发生明显异常,服务恢复后各项指标随之恢复正常。从横向维度来看,与GPS相比,Galileo系统目前在卫星位置速度精度、卫星钟差精度方面已表现出优于GPS的性能,在空间信号测距误差(SISRE)方面,Galileo轨道精度具有明显优势,平均SISRE达到0.27 m。GPS与BDS相当,GPS平均SISRE达到0.61 m,BDS的3类卫星MEO、IGSO和GEO分别达到0.76、0.58和0.68 m;QZSS的IGSO和GEO卫星平均SISRE分别达到0.85和0.99 m。GLONASS轨道精度稍差,平均SISRE为1.05 m。