BDS/GPS联合定轨的贡献分析

北斗卫星导航系统（BeiDou satellite navigation system,BDS）目前暂未具有全球导航定位能力,卫星轨道的全程跟踪与测站的几何结构还不完善,影响了卫星轨道的测定精度。针对上述问题,根据动力学定轨的原理与方法,推导了多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）联合定轨对参数求解精度的解析贡献量,并利用实测数据分析了BDS/GPS联合定轨对轨道和钟差求解精度的统计贡献量。结果表明,联合定轨对系统间公共参数求解精度的贡献显著,除地球静止轨道（geostationary orbit,GEO）卫星外,其余轨道和钟差求解精度均有显著提高。BDS/GPS联合定轨对BDS卫星轨道、卫星钟差均方根误差（root mean square,RMS）以及接收机钟差RMS的统计贡献量分别为36.21%、26.88%和20.88%,其中对可视卫星数较少的区域接收机钟差求解精度的贡献尤为显著,贡献量为45.95%。     

北斗卫星精密轨道与钟差精度分析

针对北斗卫星导航系统的卫星姿态模型、天线相位中心改正及卫星定轨数据处理策略未统一的现状,该文对比分析了武汉大学和德国地学研究中心提供的北斗事后精密轨道和钟差产品的差异及精度,结合实测数据,通过分析精密单点定位的定位精度来比较两中心精密轨道和钟差的差异。实验结果表明:北斗卫星的精密轨道精度与轨道类型有关,地球静止轨道(GEO)卫星的轨道精度为米级,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道精度为分米级,中地球轨道(MEO)卫星切向、法向和径向的精度分别为10.81、5.41和3.37cm;GEO卫星钟差精度优于0.38ns,IGSO卫星钟差优于0.25ns,MEO卫星钟差优于0.15ns;两家分析中心产品的北斗静态精密单点定位的平面精度相当;北斗静态精密单点定位的RMS统计值平面精度优于3cm,三维精度优于7cm。     

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。     

风云三号C卫星星载GPS/BDS实时定轨分析

随着北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的建设与运行,低轨卫星开始搭载GPS/BDS双系统接收机以实现卫星轨道确定.利用风云三号C(FengYun-3C,FY3C)卫星星载GPS/BDS双频伪距与载波相位观测数据,设置4种仿真试验方案,分别进行星载GPS/BDS在轨实时定轨数据处理,重点进行BDS观测数据对伪距实时定轨和载波相位实时定轨的精度影响分析和算法耗时分析.结果表明,采用伪距观测值,可获得1.0m的位置精度和1.0 mm/s的速度精度;采用载波相位观测值,可获得0.3 m的位置精度和0.3 mm/s的速度精度,且引入BDS观测值后,伪距实时定轨精度降低,相位实时定轨精度有所改善.     

北斗卫星导航系统广播星历精度分析

针对系统地评估我国北斗卫星导航系统广播星历精度与保障实时导航定位服务的需求,对BDS广播星历提供的卫星轨道、钟差以及用户测距误差(URE)的精度性能进行分析,统计了2015年连续4周全部BDS在轨健康卫星的广播星历各项精度指标值。分析结果表明:BDS的MEO和IGSO卫星轨道精度优于GEO卫星结果,且径向精度优于法向和切向精度;BDS搭载的国产星载铷钟卫星钟差序列相对比较稳定,其均方根误差优于4ns;GEO/IGSO卫星的用户距离误差(URE)在6m以内,MEO的URE优于20m。研究结果对北斗系统的建设、后期的发展和用户市场的拓展,都具有重要的参考价值。     

北斗三频数据的两个无电离层组合轨道钟差估计及其应用

本文针对全球连续监测评估系统（iGMAS）和国际多系统GNSS试验计划（MGEX）两个观测网接收到不同频率北斗卫星数据的情况,提出了一种北斗卫星（BDS）3个频率（B1I、B2I、B3I）的两种无电离层组合（B1/B3和B1/B2）数据精密定轨（POD）和钟差估计（CE）方法。该方法可以统一处理上述两个观测网收到的北斗二代（BDS-2）,北斗三代试验系统（BDS-3e）和北斗三代全球系统（BDS-3g）3个频率的观测数据,并在一次程序运行中对所有北斗卫星进行联合处理,可有效提高一次运行的数据使用率,从而提高参数估计精度。采集了多天iGMAS、MGEX的GPS和BDS数据进行试验。结果表明,对BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨时,采用三频两组合方法后由于增强了观测几何,BDS轨道重叠RMS为15.9 cm,比传统双频法定轨精度提高11.3%。新方法引入了与卫星端3个频率相关的码偏差,该量多天估计结果稳定,证明了模型和方法可靠。将新方法用于BDS-3g+BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨,6颗BDS-3g的MEO卫星轨道重叠RMS为14.5 cm,钟差重叠RMS为0.43 ns,与BDS-3e的15.1 cm和0.49 ns相当。开展了北斗卫星精密单点定位（PPP）试验,结果显示增加了BDS-3g的6颗MEO的精密轨道和钟差后,测站定位精度水平为39.6 mm,天顶为37.8 mm,比仅用BDS-2和BDS-3e卫星定位精度提高了11.1%。     

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题，该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计，利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下：北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内，地球静止轨道(GEO)精度在0.2～0.9 ns水平；BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^-14水平；GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明，MEO比IGSO卫星钟差精度高，稳定性强；BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定，这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响，相位与频率的波动较大；BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足，可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。     

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问时间同步的支持,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患,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卫星的自发自收武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11.642m,定轨残差为0.279m;轨道恢复1 h后的定轨位置精度优于60m,恢复6 h后的定轨位置精度优于15m,定轨残差在0.15 m左右.     

北斗卫星超短弧运动学定轨方法优化与试验分析

针对北斗卫星姿轨控后的轨道快速确定难题,系统地研究了基于多项式拟合和基于星历拟合两种运动学定轨方法,推导建立了相应的运动学定轨模型。同时针对接收机系统差和顽固多径问题,利用基于并置比对的接收机系统差解算方法和CNMC的多径削弱方法,实现了超短弧跟踪条件下接收机数据质量的有效控制。利用北斗GEO/IGSO/MEO卫星的实测伪距数据进行了试验验证,结果表明在10min超短弧跟踪条件下,GEO、IGSO和MEO卫星的运动学定轨位置精度分别为3.27m、8.19m和5.90m,实现了超短弧跟踪条件下的北斗卫星快速定轨,满足了卫星机动期间的北斗RDSS服务对轨道精度的需求,为北斗RDSS服务走向全球提供了技术支撑。     

MGEX钟差产品精度分析

IGS的多GNSS实验项目MGEX(Multi-GNSS Experiment)提供的精密钟差产品广泛应用于高精度导航定位领域。本文研究了卫星钟差精度评估的方法,以IGS最终钟差作为GPS卫星基准,以北斗星地双向时间频率传递钟差作为北斗卫星基准,对GFZ、CODE和WHU这3个分析中心的MGEX钟差产品精度进行了分析。研究结果表明:MGEX实验的GPS最终钟差RMS优于0.30 ns;超快速钟差实测部分RMS优于0.16 ns;24 h预报误差RMS优于3.5 ns。各分析中心北斗GEO卫星最终钟差互差RMS为0.75 ns;IGSO卫星为2.27～3.8 ns;MEO卫星为0.6～1.2 ns。北斗星地双向时间频率传递检核GEO卫星最终钟差RMS为2.6～2.7 ns;IGSO和MEO卫星为1～1.5 ns。北斗卫星超快速钟差实测部分RMS优于1 ns;24 h预报误差RMS为7～9 ns。     

Precise orbit determination of the Fengyun-3C satellite using onboard GPS and BDS observations

The GNSS Occultation Sounder instrument onboard the Chinese meteorological satellite Fengyun-3C (FY-3C) tracks both GPS and BDS signals for orbit determination. One month’s worth of the onboard dual-frequency GPS and BDS data during March 2015 from the FY-3C satellite is analyzed in this study. The onboard BDS and GPS measurement quality is evaluated in terms of data quantity as well as code multipath error. Severe multipath errors for BDS code ranges are observed especially for high elevations for BDS medium earth orbit satellites (MEOs). The code multipath errors are estimated as piecewise linear model in \(2{^{\circ }}\times 2{^{\circ }}\) grid and applied in precise orbit determination (POD) calculations. POD of FY-3C is firstly performed with GPS data, which shows orbit consistency of approximate 2.7 cm in 3D RMS (root mean square) by overlap comparisons; the estimated orbits are then used as reference orbits for evaluating the orbit precision of GPS and BDS combined POD as well as BDS-based POD. It is indicated that inclusion of BDS geosynchronous orbit satellites (GEOs) could degrade POD precision seriously. The precisions of orbit estimates by combined POD and BDS-based POD are 3.4 and 30.1 cm in 3D RMS when GEOs are involved, respectively. However, if BDS GEOs are excluded, the combined POD can reach similar precision with respect to GPS POD, showing orbit differences about 0.8 cm, while the orbit precision of BDS-based POD can be improved to 8.4 cm. These results indicate that the POD performance with onboard BDS data alone can reach precision better than 10 cm with only five BDS inclined geosynchronous satellite orbit satellites and three MEOs. As the GNOS receiver can only track six BDS satellites for orbit positioning at its maximum channel, it can be expected that the performance of POD with onboard BDS data can be further improved if more observations are generated without such restrictions.     

风云三号D星天基BDS实时定位性能分析

随着北斗三号卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system-3, BDS-3)开始向全球提供导航服务,独立使用BDS为在轨运行的卫星提供全球覆盖、全时段的定位服务成为可能。结合风云三号D星(FengYun-3D, FY-3D)全球卫星导航系统掩星探测仪(global navigation satellite system occultation sounder, GNOS)的真实在轨数据对天基BDS的定位性能进行了详细的分析。首先,使用BDS真实广播星历计算了在不同轨道高度下的可见卫星数和定位精度因子（position dilution of precision, PDOP）,并结合精密星历分析了广播星历的轨道误差、时钟误差及空间信号测距误差(signal-in-space range error, SISRE)。仿真结果表明,在95%的置信水平下,从地面到2 000 km的轨道高度,BDS在全球范围内最小可见卫星数为6,最大PDOP小于5,星座可用性已经达到100%,全球平均可见卫星数BDS比GPS(global positioning syste...     

Improving BeiDou precise orbit determination using observations of onboard MEO satellite receivers

In recent years, the precise orbit determination (POD) of the regional Chinese BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been a hot spot because of its special constellation consisting of five geostationary earth orbit (GEO) satellites and five inclined geosynchronous satellite orbit (IGSO) satellites besides four medium earth orbit (MEO) satellites since the end of 2012. GEO and IGSO satellites play an important role in regional BDS applications. However, this brings a great challenge to the POD, especially for the GEO satellites due to their geostationary orbiting. Though a number of studies have been carried out to improve the POD performance of GEO satellites, the result is still much worse than that of IGSO and MEO, particularly in the along-track direction. The major reason is that the geostationary characteristic of a GEO satellite results in a bad geometry with respect to the ground tracking network. In order to improve the tracking geometry of the GEO satellites, a possible strategy is to mount global navigation satellite system (GNSS) receivers on MEO satellites to collect the signals from GEO/IGSO GNSS satellites so as that these observations can be used to improve GEO/IGSO POD. We extended our POD software package to simulate all the related observations and to assimilate the MEO-onboard GNSS observations in orbit determination. Based on GPS and BDS constellations, simulated studies are undertaken for various tracking scenarios. The impact of the onboard GNSS observations is investigated carefully and presented in detail. The results show that MEO-onboard observations can significantly improve the orbit precision of GEO satellites from metres to decimetres, especially in the along-track direction. The POD results of IGSO satellites also benefit from the MEO-onboard data and the precision can be improved by more than 50% in 3D direction.     

北斗混合星座分层约束下的精密定轨方法

针对北斗导航卫星系统首创的GEO+IGSO+MEO混合星座设计,本文研究了根据不同星座,采取不同约束条件和数据处理策略的北斗卫星精密定轨方法,提出了一种针对北斗系统混合星座的分层约束精密定轨方案。该方案首先将北斗卫星分为非GEO(IGSO/MEO)和GEO两部分进行解算,利用GPS解算的公共参数对北斗IGSO/MEO精密定轨形成有效约束,然后固定GPS和北斗IGSO/MEO解算结果,最后单独对北斗GEO卫星进行强约束下的轨道解算。利用实测数据进行了精密定轨试验,试验结果表明:采用本文提出的方法,北斗GEO卫星和非GEO卫星三维重叠弧段轨道精度分别为0.688 m和0.042 m,比传统方法分别提高了54.2%和72.4%。另外,采用激光测距检核和测站坐标静态精密单点定位的方法对轨道精度进行了验证,激光检核精度提高了44.3%,测站坐标在水平和高程方向上精度分别平均提升了21.5%和20.7%。     

基于预报钟差的轨道快速恢复

我国北斗卫星导航系统由GEO/IGSO/MEO混合星座构成,基本每7~10 d就会有一颗GEO卫星或IGSO卫星进行轨控操作。从卫星轨控开始,卫星存在5~6 h的不健康时期。造成机动卫星长期不健康的关键因素之一在于卫星和测站钟差数据的积累周期较长。本文提出了一种基于预报钟差的轨道快速恢复算法,通过结合星钟和站钟预报压缩机动卫星定轨观测数据积累的时间,从而缩短卫星恢复所需时间。6组机动试验结果表明:采用预报钟差策略在快速恢复初期的前几个小时对轨道预报的贡献尤为显著,对第1组定轨URE预报贡献最大可达84.82%。从3~8 h期间6组定轨平均情况来看,采用优化策略的预报URE,C01平均降低了26.06%,C04平均降低了31.58%,C03降低了9.95%。经测试该方法至少能将卫星不可用时间压缩1 h,对北斗系统建设具有重要工程应用价值。     

重力卫星星载GPS简化动力学精密定轨

利用GRACE和SWARM重力卫星星载GPS观测数据,基于简化动力学方法进行精密定轨,通过相位观测值残差分析、重叠轨道对比和科学轨道对比进行轨道精度检核。GRACE和SWARM卫星相位观测值残差RMS值稳定在6 mm左右,重叠轨道对比差值RMS在径向、切向和法向均优于1.24 cm;通过与GFZ和ESA提供的GRACE卫星与SWARM卫星精密轨道对比,GRACE卫星简化动力学轨道在R,T,N方向的轨道精度分别达到1.3 cm、2.1 cm和1.3 cm;SWARM卫星简化动力学轨道在径向、切向和法向的轨道精度分别达到0.8 cm、1.3 cm和1.6 cm。实验表明,基于简化动力学方法,GRACE和SWARM卫星定轨精度均到达厘米级。     

不同卫星天线参数对BDS定轨定位精度的影响

论证了BDS精密单点定位时卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品保持一致的必要性。基于4组不同卫星天线参数BDS精密定轨RTN 3方向内符合精度，GEO卫星均在9.3、18.6、11.5 cm左右，IGSO卫星均在1.7、4.2、2.7 cm左右，MEO卫星均在2.1、5.1、4.8 cm左右，在R方向的差异小于5 mm，在TN方向的差异最大为2.4 cm；定轨结果与GFZ的事后精密产品比较，RTN 3方向外符合精度差异较明显，排除GEO卫星因定轨策略与GFZ差异较大的因素，IGSO和MEO外符合精度ESA和WHU相近，RTN 3方向均在10 cm以内，各分量上优于IGS和EST 1~10 cm，其中TN方向差异最显著。在保持BDS PPP使用的卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品一致的前提下，4组卫星天线参数定位精度相近，其中静态定位最后一个历元水平和高程方向坐标偏差均在5 cm以内，动态定位收敛后坐标偏差RMS水平方向在10 cm以内、高程方向在15 cm以内；使用ESA和WHU天线参数动态定位平均收敛时间在46 min左右，IGS和EST天线参数动态定位平均收敛时间在56 min左右，略差于基于GFZ事后产品的收敛时间，其平均收敛时间在34 min左右。