导航卫星精密定轨与时间同步技术进展

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)通过播发卫星钟差和精密轨道信息实现时间和空间基准信息向导航用户的传递.随着高精度原子钟等导航卫星载荷、星间链路等天基/地基监测手段以及数据处理方法等技术的不断更新,卫星轨道和钟差产品的精度和实时性也逐步提升. 2018年12月,北斗三号卫星导航系统正式开通,为'一带一路'国家提供实时高精度、高可靠的基本导航定位服务.综述了北斗导航系统从北斗二号区域系统到北斗三号全球系统精密定轨与时间同步处理面临的困难和挑战,针对上述问题,阐述了北斗运行控制系统的解决途径和实现指标.与GPS等其他GNSS系统进行比较,分析了不同导航系统技术特点.最后展望了精密定轨与时间同步技术未来的发展路线图,为更高精度的GNSS导航定位授时服务提供参考.

顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法

BDS-3高稳定星载原子钟作为北斗星座的显著技术优势,在GNSS数据处理中尚未得到充分利用。针对严格时效性限制下GNSS超快速轨道钟差参数精度受限问题,本文提出顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法。首先,以GNSS轨道钟差参数间相关性为基础,构建顾及BDS-3星钟参数特性的GNSS定轨模型;然后,基于GNSS精密钟差产品,分析星钟约束对GNSS轨道钟差参数精度的影响规律;最后,为克服预报钟差精度与约束筛选对定轨影响,建立BDS-3星钟建模与GNSS超快速轨道钟差估计的同步处理方法。试验结果表明,在BDS-3星钟参数最优约束下,BDS-3与GPS轨道钟差精度可分别提升27.5%、5.1%和20.2%、5.2%;且较传统BDS-3星钟单历元处理策略,基于BDS-3星钟建模与GNSS超快速定轨同步处理方法,GNSS超快速轨道钟差精度可分别提升至4.8%与34.2%,轨道精度实现了毫米级改善。因此,顾及BDS-3星钟约束的GNSS超快速轨道钟差解算方法可有效对BDS-3高稳星钟信息模型化,并实现GNSS超快速轨道钟差精度的优化处理。

基于精密单点定位的GNSS时间同步方法研究

高精度时间服务是国家综合PNT(positioning,navigation,timing)体系的重要组成部分,在国防军事、移动通信、天文观测等领域中发挥着重要作用。论文采用全球导航卫星系统GNSS授时的方式,提出了一种基于精密单点定位(PPP)技术的时间同步方法。该方法根据PPP时间传递结果驾驭本地时钟,使本地时钟所表示的本地时间与基准时间同步,可以达到亚纳秒级的时间同步精度,并且具备全天候、全覆盖、高精度、低成本等优点。

镜面投影法确定地球同步卫星精密轨道

针对地球同步卫星(GEO)轨道面变化缓慢且能知道较准确近似值的特点,提出了镜面投影法。它以轨道面作对称面(镜面),将原观测站投影生成虚拟观测站;利用原站星距构成虚拟观测值。原观测值与虚拟观测值联合用于轨道参数估计,可以大大地增强观测几何结构,改善法方程状态,提高参数估值的精度。仿真计算的结果表明,新方法的效果明显。

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。

一种适用于北斗三号星间扩展用户的定轨算法

针对北斗卫星导航系统星间链路网络扩展服务航天器的精密轨道确定及时间同步需求,提出了基于多项式轨道拟合方法的轨道确定与时间同步算法,克服了传统算法中使用北斗星间链路双向测量数据必须具备初始轨道和钟差等先验信息的约束,可有效拓宽北斗星间链路使用场景。该算法以多项式表达航天器一段时间的轨道和钟差,并使用星间双向测量数据基于最小二乘算法迭代估计多项式系数,从而完成航天器轨道和钟差解算。利用北斗三号星间链路在轨实测数据的试验表明定轨和时间同步精度均在0.12 m以内,有效验证了该算法的正确性。

方差分量估计方法在ERS-2卫星精密定轨中的应用

将方差分量估计 (VCE)方法应用于ERS 2卫星的精密定轨 ,用SLR和PRARE资料计算了 1 998年前 3个月的 2 3个长度为 5天的弧段 (除了调整轨道的时段外 ,相邻弧段有两天的重叠 ) ,从观测值残差分析和重叠弧段比较两个方面 ,考察VCE方法对定轨计算的影响 ,并给出了各组观测值的平均验后均方差 .对观测值残差的分析表明 ,使用VCE方法明显地改善了观测值的拟合程度 .但从阿卑 (Abbey)标准对观测值残差的检验结果来看 ,使用VCE方法不能消除轨道中由力学模型和几何模型误差引入的系统差 .重叠弧段比较的结果表明 :(1 )使用VCE方法缩小了重叠弧段的平均距离差 ,并改善了一部分弧段明显不合理的偏离 ,使最后得到的轨道具有更均匀的精度 ;(2 )相比较而言 ,VCE方法使相邻弧段靠拢的趋势在轨道切向体现得较为明显 .由各组观测值的平均验后均方差可见 :就单个标准点观测值而言 ,部分SLR台站的观测资料在定轨计算中占有比其他观测资料更重要的地位 .纵观全文 。

地震电磁卫星精密定轨方法研究

高精度卫星轨道是提高卫星应用水平的基础,卫星精密定轨方法主要基于卫星轨道动力学理论,通过跟踪卫星轨迹的测轨技术,将几何和动力学信息进行融合。地震电磁卫星拟采用星载GPS和综合轨道求解方法进行精密定轨,并辅之以人卫激光测距,其定轨的精度可达厘米级。

基于RT-PPP的低轨卫星实时高精度时间同步方法

实现低轨导航增强的关键前提是实现低轨星座的整网时间同步,本文针对低轨导航增强系统,提出了一种基于实时精密单点定位(RT-PPP)的低轨卫星高精度时间同步方法,以解决低轨星座实时高精度时间同步的问题.本文分析了在处理过程中存在的各类误差,介绍了低轨卫星采用状态空间(SSR)改正信息通过精密单点定位(PPP)实现实时高精度时间同步方法的处理流程,将此方法应用于气象、电离层与气候星座观测系统(COSMIC)卫星实测数据的处理,并将该方法与采用广播星历伪距的方法以及事后精密星历的方法进行了比较分析.结果表明:采用SSR改正信息PPP的方式对2颗COSMIC卫星进行GPS双频观测值的解算,得到的轨道误差的标准差在分米级,钟差误差标准差分别在2.4 ns和2.3 ns左右,可以达到纳秒级.通过对不同方法解算的结果进行比较可以看出,采用SSR改正信息PPP的方法明显优于采用广播星历伪距方法的解算精度,且与事后精密星历PPP的方法解算精度相当.

低轨道卫星GPS精密定轨动力学方法的研究

结合低轨卫星简化动力学定轨算法,以及不同几何信息精度条件下的纯几何定轨和动力定轨精度比较,定量分析星载双频GPS实现精密定轨过程中的主要因素,得到星载GPS接收机性能设计所需的关键技术指标,为卫星精密定轨系统的顶层设计提供了科学合理的参考依据。

基于光学测角数据的风云四号同步轨道卫星精密定轨

针对风云四号同步卫星的精密定轨和精度评估需求,首先利用地面光学测角数据对FY-4A卫星进行精密定轨,定轨后方位角和高度角的残差rms分别为0.25"和0.45"。与基于测距数据的轨道相比,位置精度在有测角数据的弧段内小于50 m。进一步联合测角数据和测距数据对FY-4A卫星进行联合定轨,定轨后轨道重叠精度优于15 m。利用联合定轨结果评估了基于测距数据的实时轨道产品精度,可以明显发现轨道精度随着测距数据的积累而逐步提高。

卫星与测站钟差支持条件下的GEO卫星精密定轨

在基于伪距的GEO卫星精密定轨中,GEO卫星的静地特性导致定轨解算无法对星地组合钟差进行有效估计,需要独立的时间同步支持.本文讨论了卫星和测站钟差支持条件下的GEO卫星定轨原理,利用仿真数据系统地分析了中国区域网跟踪条件下GEO卫星的定轨精度,从定性和定量角度分析了钟差二次项、星地时间同步精度、站间时间同步精度及系统差等因素对定轨精度的影响.

同步卫星有源精密测距定轨

精确测量和确定同步卫星轨道是卫星测控领域的重要研究内容，也是实现高精度导航、定位等应用的基础，采用高精度测距定轨是实现同步卫星精密定轨的主要方法之一。描述基于多站自发自收的同步卫星有源测轨方法，提出了一种有源精密测轨系统的技术实现方案，详细介绍了该系统研制的高精度距离测量设备，并提出了精密统计定轨算法。通过对某卫星的精密测距和定轨实验表明：同步卫星内符合定轨精度位置误差约为7．67m，12h内符合预报精度约为8．08m，外符合精度约为65m，三站定轨残差分别为0．967m、0．644m和1．788m。

基于自发自收测距的GEO卫星精密定轨

对于基于伪距测量模式的GEO卫星定轨,需要星地时间同步和站间时间同步的支持,因此卫星钟差和接收机钟差的精度直接制约了GEO卫星的定轨精度。自发自收式测距的观测数据并不含有卫星钟差和接收机钟差信息,定轨解算中避免了钟差精度带来的影响,可以实现GEO卫星的精密定轨。此处采用GEO卫星的自发自收式测距数据进行精密定轨试验,分析和讨论了基于自发自收式测距的GEO卫星精密定轨策略,提出了卫星轨控后轨道快速恢复的定轨策略。试验结果表明:轨道的内符R方向精度为1.615 m,位置精度为11.642 m,定轨残差为0.279 m;轨道恢复1 h后的定轨位置精度优于60 m,恢复6 h后的定轨位置精度优于15 m,定轨残差在0.15 m左右。

空间目标编目定轨理论与技术进展

根据近年文献调研,归纳总结了现有空间目标编目定轨方法的研究现状,概括了现有空间目标编目应用中面临的主要工程技术性难题。在初轨确定领域,重点对改进的Laplace法、改进的Gauss法、以及近年新提出的纯测角法开展了跟踪研究。在空间目标精密定轨领域,重点研究了事后精密定轨方法和实时精密定轨方法。在联合定轨领域,重点研究了多种观测源的联合定轨技术、基于模型的联合定轨技术、以及多源数据融合的联合定轨。通过大量文献研究,对近年来空间目标定轨理论与技术的进展和发展现状进行了总结和展望。

基于速度增量修正的卫星入轨段外测数据定轨新方法

在传统的数值积分精密定轨方法基础上,提出基于器箭分离速度增量修正的定轨方法,实现了器箭分离前后两段外测数据的联合定轨。仿真计算结果和任务实战数据验证结果表明,该方法大大提高了地月转移轨道入轨段外测定轨精度,比传统初轨确定方法提高约一个数量级。

BDS精密定轨关键技术研究

2012年12月27日,中国北斗二代卫星导航系统(BDS)正式为亚太区域用户提供定位导航授时(PNT)以及短报文通信服务,预计到2020年BDS将实现全球组网并提供全球PNT服务。导航卫星的轨道产品是保障导航系统可用性的核心要素之一,卫星轨道精度将直接影响用户的导航定位性能,因此,如何获取高精度的导航卫星轨道是BDS目前关注的重点研究问题。我国BDS由三类卫星组成,包括地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星以及中圆地球轨道(MEO)卫星,独特的星座构成使其在亚太区域PNT服务中更具优势,但这种星座异质性给精密定轨工作带来新的挑战。

地球同步卫星定轨中的两个问题

本文研究了在地球同步卫星精密定轨中，采用数值定轨方法的基本变量选择及有关地影“间断”问题对计算精度的影响。

精密定轨中变分方程的数值解法及其检验

变分方程的求解是卫星精密定轨中的关键步骤之一,通常都通过积分方法求解。首先从原理上详细阐述一种新的数值方法求解变分方程,接着通过低轨卫星精密定轨仿真软件对其精度和效率进行测试,且与常用数值积分方法的定轨结果进行比较。结果表明,在实际轨道确定中,采用新的数值方法可达到较高的精度要求,且算法的效率更高。

区域导航卫星精密定轨研究

区域卫星导航系统采用混合星座设计,GEO(地球同步轨道)卫星是系统的重要组成部分,其精密定轨技术也是导航系统的关键技术之一。GEO卫星的高轨特性致使地面跟踪基线长度有限,定轨几何条件不佳;其静地特性致使卫星轨道与钟差存在强相关特性,对于基于伪距的GEO卫星定轨模式,需要星地与站间时间同步技术的支持。因此,如何利用区域卫星导航系统的多种测量技术实现多模式、多层次的导航卫星精密定轨,是一项值得深入研究的课题。