顾及卫星姿态的多系统精密钟差产品综合

国际GNSS服务(IGS)提供的GPS综合产品被广泛应用于各种高精度科学研究中. 随着各国卫星导航系统的发展,亟需研究针对多系统全球卫星导航系统(GNSS)产品的综合策略. 由于卫星姿态与钟差相互耦合,综合钟差时额外考虑姿态改正将进一步提高综合产品精度,因此研究了一种顾及卫星姿态的GNSS钟差综合策略,改正姿态后GPS综合残差最大可减小80%. 对142个IGS测站进行精密单点定位(PPP)解算发现,综合产品比单个分析中心产品更加稳定,东(E)、北(N)、高(U)方向的动态定位精度最大可提升22.7%、16.7%和18.3%. 相对于未顾及姿态改正的综合产品,顾及姿态改正的综合产品的动态定位精度最大可提升65.3%.      

GPS卫星钟差改正数实时预报算法

实时卫星钟差（satellite clock bias,SCB）的获取是实时精密单点定位（real-time precise point positioning,RTPPP）需要解决的关键问题。给出了国际GNSS服务（International GNSS Service,IGS）所提供的实时服务（real-time service,RTS）钟差产品的修复方法,分析了IGS02、IGS03实时数据流中GPS卫星钟差改正数的稳定性及其精度。同时,从原理上推导证明了钟差一次差分数据符合一次多项式模型,并结合对GPS卫星钟差改正数的分析提出了一种基于一次差分的钟差改正数预报算法,通过与一次多项式模型、二次多项式模型以及灰色模型的预报精度进行对比试验,结果表明,该钟差改正数预报算法预报精度有明显提高,预报30 s的精度达到0.06 ns,可满足实时精密单点定位的要求。     

GNSS精密卫星钟差估算与分析

为估算与分析GNSS卫星钟差的精度,利用中国测绘科学研究院国际GNSS监测评估系统分析中心研发的软件,采用全球均匀分布的50个IGS跟踪站和8个我国自建的IGMAS测站的观测数据,对GNSS包含的四大导航系统事后精密卫星钟差进行了估计。计算结果分别与国际上的分析中心结果进行了比对,得出GPS卫星钟差与IGS结果互差在0.2ns,GALILEO卫星钟差精度与GPS相当,在亚纳秒量级,GLONASS卫星钟差精度相对较低,在4ns以内,BDS各轨道类型上卫星之间钟差存在较大的系统性偏差,选择多星基准消除偏差之后,估算的北斗卫星钟差精度在1ns以内。试验结果表明,目前我国分析中心估算的卫星钟差总体上与国际IGS各分析中心估计的卫星钟差精度相当。     

GPS/GALILEO偏航姿态异常对动态PPP的影响及其改正模型

当GPS、GALILEO卫星运行至与太阳、地球近似共线时,卫星很难维持名义姿态,将出现一段时间的偏航姿态异常。本文基于不同分析中心所提供的精密轨道和钟差产品,在卫星偏航姿态异常时期,设计不同姿态改正策略,选取全球分布的7个MGEX站10 d实测数据,分析了GPS、GALILEO卫星的天线相位中心改正、相位缠绕改正对观测值残差及动态PPP定位结果的影响。研究表明,在卫星偏航姿态异常时期,采用名义偏航姿态对GPS、GALILEO卫星观测值残差的影响可分别达到8和11 cm,在此期间,GPS/GALILEO卫星采用模型偏航姿态,与采用名义偏航姿态相比,动态PPP的E、N、U 3个方向的定位精度可分别提高13.30%、15.77%和12.98%,相较于剔除卫星策略,采用模型偏航姿态的动态PPP定位精度在E、N、U方向可分别提高5.399%、4.430%、5.992%。     

GBM快速轨道产品及非差模糊度固定对其精度的改进

GNSS是实时定位导航最重要的方法,精密卫星轨道钟差产品是GNSS高精度服务的前提。国际GNSS服务中心(IGS)及其分析中心长期致力于GNSS数据处理的研究及高精度轨道和钟差产品的提供。GFZ作为分析中心之一,提供GBM多系统快速产品。本文基于2015—2021年GBM提供的精密轨道产品,阐述了数据处理策略,分析了轨道的精度,介绍了非差模糊度固定的原理和对精密定轨的影响。结果表明:GBM快速产品中的GPS轨道精度与IGS后处理精密轨道相比的精度约为11~13 mm,轨道6 h预报精度约为6 cm;GLONASS预报精度约为12 cm,Galileo在该时期的精度均值为10 cm,但是在2016年底以后精度提升到5 cm左右;北斗系统的中轨卫星(medium earth orbit,MEO)在2020年以后预报精度约为10 cm;北斗的静止轨道卫星(geostationary earth orbit,GEO)卫星和QZSS卫星的预报精度在米级;卫星激光测距检核表明,Galileo、GLONASS、BDS-3 MEO卫星轨道精度分别为23、41、47 mm;此外,采用150 d观测值的试验结果表明,采用非差模糊度固定能显著改善MEO卫星轨道精度,对GPS、GLONASS、Galileo、BDS-2和BDS-3的MEO卫星的6 h时预报精度改善率分别为9%~15%、15%~18%、11%~13%、6%~17%和14%~25%。     

GNSS数据处理时空参数的相关性

卫星轨道、钟差以及测站坐标等是全球导航卫星系统定位（global navigation satellite system,GNSS）的核心参数,构成了卫星导航系统数据处理的时空基准。通过比较国际GNSS服务（International GNSS Service,IGS）不同数据分析中心提供的GNSS精密时空产品发现,各分析中心的轨道、钟差存在明显差异,并且轨道、钟差的相对偏差存在很强的相关性。针对该问题,讨论了GNSS卫星轨道、钟差的相关性问题,分析了轨道、钟差相对偏差的周期特性,并提取了周期项模型参数;建立改正模型,提高了不同分析中心产品的一致性;对时空基准周期性误差的原因进行了分析,并以参数降相关为出发点,对GNSS时空基准精度提升的方法提出了建议。     

实时精密单点定位的远海实时GPS潮汐观测

针对IGS实时数据流产品,该文开展了实时精密单点定位技术在远海实时GPS验潮中的应用研究。对RTS改正的实时精密卫星轨道和钟差进行了精度验证和分析,给出了实时精密单点定位的数据处理策略以及实时GPS验潮的基本流程;组织和实施了渤海湾船载GPS验潮试验,以压力式验潮仪数据为参考,对远距离实时GPS潮汐测量结果进行了精度分析。结果表明:以IGS最终卫星轨道和钟差产品为参考,实时数据流产品实时精密卫星轨道在X、Y、Z方向的精度均优于3cm,卫星钟差的精度优于0.15ns;采用傅里叶低通滤波方法,消除波浪对潮汐观测的影响,进一步提取潮位信息。在忽略船体姿态改正的情况下,实时精密单点定位验潮相对于压力式验潮仪结果的最大偏差优于20cm,RMS达到7.5cm。     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system, GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system, Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明:5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播星历轨道、钟差精度大幅度变好,切向轨道、法向轨道与钟差精度已赶超GPS;BDS的广播星历轨道精度离散度较大,钟差精度出现不稳定现象;QZSS的广播星历轨道与钟差精度的稳定性与离散度相对最差。以2018年1 a的广播星历与精密星历为例分析了各个系统当前的广播星历精度,结果表明,当前GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS的考虑轨道误差与钟差误差贡献的空间信号测距误差（signal-in-space ranging error,SISRE）分别为0.806 m、2.704 m、0.320 m、1.457 m、1.645 m,表明Galileo广播星历整体精度最高,GPS次之,其次分别是BDS、QZSS和GLONASS。只考虑轨道误差贡献的SISRE分别为0.167 m、0.541 m、0.229 m、0.804 m、0.675 m,表明GPS广播星历轨道精度最高,其次分别是Galileo、GLONASS、QZSS和BDS。GPS卫星广播星历中新型号卫星的钟差精度总体要优于旧型号卫星。     

远海实时GPS潮汐的实时精密单点定位观测

针对传统事后精密单点定位技术的时间延迟问题,该文基于IGS RTS实时数据流产品,开展了实时精密单点定位技术在远海实时GPS验潮中的应用研究.对RTS改正的实时精密卫星轨道和钟差进行了精度验证和分析,给出了RT-PPP的数据处理策略以及实时GPS验潮的基本流程;组织和实施了渤海湾船载GPS验潮试验,以压力式验潮仪数据为参考,对远距离实时GPS潮汐测量结果进行了精度分析.结果表明:①以IGS最终卫星轨道和钟差产品为参考,RTS实时精密卫星轨道在X、y、Z方向的精度(RMS)均优于3 cm,卫星钟差的精度优于0.15 ns;②采用傅里叶低通滤波方法,消除波浪对潮汐观测的影响,进一步提取潮位信息.在忽略船体姿态改正的情况下,实时精密单点定位验潮相对于压力式验潮仪结果的最大偏差优于20 cm,RMS达到7.5 cm.     

基于高频观测值的不同GNSS卫星钟稳定性分析

在GNSS高精度数据处理中,卫星钟差往往是决定结果精度的核心因素之一。采用20 Hz的双频观测数据对GNSS星载原子钟0.05~100 s平滑时间下的短期稳定性进行分析,通过星间单差的方法消除接收机钟差,采用无电离层组合及夜间观测避免电离层高阶项短期变化的影响,同时采用经验模型和映射函数来进行对流层延迟改正。通过Lag 1自相关函数分析了影响GNSS卫星钟稳定性的主要噪声类型,并使用阿伦方差计算分析GPS、GLONASS及BDS各自系统内不同卫星组合之间的钟差。结果表明,GPS、GLONASS及BDS系统钟差稳定性0.05秒稳均可达到10-10量级,秒稳可达10-11量级。可以认定,GPS、GLONASS及BDS在短期内的稳定性量级相当,从而验证了基于星间单差的BDS掩星数据处理方案的可行性。     

Improved antenna phase center models for GLONASS

Thanks to the increasing number of active GLONASS satellites and the increasing number of multi-GNSS tracking stations in the network of the International GNSS Service (IGS), the quality of the GLONASS orbits has become significantly better over the last few years. By the end of 2008, the orbit RMS error had reached a level of 3–4 cm. Nevertheless, the strategy to process GLONASS observations still has deficiencies: one simplification, as applied within the IGS today, is the use of phase center models for receiver antennas for the GLONASS observations, which were derived from GPS measurements only, by ignoring the different frequency range. Geo++ GmbH calibrates GNSS receiver antennas using a robot in the field. This procedure yields now separate corrections for the receiver antenna phase centers for each navigation satellite system, provided its constellation is sufficiently populated. With a limited set of GLONASS calibrations, it is possible to assess the impact of GNSS-specific receiver antenna corrections that are ignored within the IGS so far. The antenna phase center model for the GLONASS satellites was derived in early 2006, when the multi-GNSS tracking network of the IGS was much sparser than it is today. Furthermore, many satellites of the constellation at that time have in the meantime been replaced by the latest generation of GLONASS-M satellites. For that reason, this paper also provides an update and extension of the presently used correction tables for the GLONASS satellite antenna phase centers for the current constellation of GLONASS satellites. The updated GLONASS antenna phase center model helps to improve the orbit quality.     

Homogeneous reprocessing of GPS,GLONASS and SLR observations

The International GNSS Service (IGS) provides operational products for the GPS and GLONASS constellation. Homogeneously processed time series of parameters from the IGS are only available for GPS. Reprocessed GLONASS series are provided only by individual Analysis Centers (i. e. CODE and ESA), making it difficult to fully include the GLONASS system into a rigorous GNSS analysis. In view of the increasing number of active GLONASS satellites and a steadily growing number of GPS+GLONASS-tracking stations available over the past few years, Technische Universität Dresden, Technische Universität München, Universität Bern and Eidgenössische Technische Hochschule Zürich performed a combined reprocessing of GPS and GLONASS observations. Also, SLR observations to GPS and GLONASS are included in this reprocessing effort. Here, we show only SLR results from a GNSS orbit validation. In total, 18 years of data (1994–2011) have been processed from altogether 340 GNSS and 70 SLR stations. The use of GLONASS observations in addition to GPS has no impact on the estimated linear terrestrial reference frame parameters. However, daily station positions show an RMS reduction of 0.3 mm on average for the height component when additional GLONASS observations can be used for the time series determination. Analyzing satellite orbit overlaps, the rigorous combination of GPS and GLONASS neither improves nor degrades the GPS orbit precision. For GLONASS, however, the quality of the microwave-derived GLONASS orbits improves due to the combination. These findings are confirmed using independent SLR observations for a GNSS orbit validation. In comparison to previous studies, mean SLR biases for satellites GPS-35 and GPS-36 could be reduced in magnitude from \(-35\) and \(-38\)  mm to \(-12\) and \(-13\)  mm, respectively. Our results show that remaining SLR biases depend on the satellite type and the use of coated or uncoated retro-reflectors. For Earth rotation parameters, the increasing number of GLONASS satellites and tracking stations over the past few years leads to differences between GPS-only and GPS+GLONASS combined solutions which are most pronounced in the pole rate estimates with maximum 0.2 mas/day in magnitude. At the same time, the difference between GLONASS-only and combined solutions decreases. Derived GNSS orbits are used to estimate combined GPS+GLONASS satellite clocks, with first results presented in this paper. Phase observation residuals from a precise point positioning are at the level of 2 mm and particularly reveal poorly modeled yaw maneuver periods.     

多模全球导航卫星系统融合精密定轨

基于武汉大学自主研制的卫星导航系统综合处理软件(PANDA),利用全球实测的GPS/GLONASS、GPS/Gali-leo试验卫星(GIOVE)多模接收机数据进行GPS、GLONASS、GIOVE卫星的融合精密定轨理论与方法研究。通过与IGS提供的GPS与GLONASS卫星精密轨道比较、轨道重叠弧段互差以及SLR观测数据检核等多种方法对融合计算的精密轨道精度进行了评定。     

GNSS星载原子钟性能评估

星载原子钟作为导航卫星上维持时间尺度的关键载荷,其性能会对用户进行导航、定位与授时的精度带来影响。介绍了原子钟评估常用的三个指标（频率准确度、飘移率和稳定度）的定义及计算方法,利用事后卫星精密钟差数据,开展了全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）星载原子钟性能评估,分析了GNSS星载原子钟特性。结果表明,GPS（global position system）BLOCKIIF星载铷钟与Galileo星载氢钟综合性能最优;北斗系统中地球轨道卫星与倾斜同步轨道卫星星载原子钟天稳定度达到2~4×10-14量级,与BLOCK IIR卫星精度相当;频率准确度达到1~4×10-11量级;频率漂移率达到10-14量级。     

An investigation of GNSS atomic clock behavior at short time intervals

A technique for obtaining clock measurements from individual GNSS satellites at short time intervals is presented. The methodology developed in this study allows for accurate satellite clock stability analysis without an ultra-stable clock at the ground receiver. Variations in the carrier phase caused by the satellite clock are isolated using a combination of common GNSS carrier-phase processing techniques. Furthermore, the white phase variations caused by the thermal noise of the collection and processing equipment are statistically modeled and removed, allowing for analysis of clock performance at subsecond intervals. Allan deviation analyses of signals collected from GPS and GLONASS satellites reveal distinct intervals of clock noise for timescales less than 100 s. The clock data collected from GPS Block IIA, IIR, IIR-M, and GLONASS satellites reveal similar stability performance at time periods greater than 20 s. The GLONASS clock stability in the 0.6–10 s range, however, is significantly worse than GPS. Applications that rely on ultra-stable clock behavior from the GLONASS satellites at these timescales may therefore require high-rate corrections to estimate and remove oscillator-based errors in the carrier phase.     

姿态模式切换期间QZSS卫星轨道及其钟差产品特性分析

导航卫星姿态控制模式切换对精密定轨解算得到的轨道和钟差均有较大影响。本文首先从理论上分析了卫星偏航姿态及其对精密定轨的影响,然后分别以卫星激光测距检核和钟差多项式拟合的方法对IGS MGEX分析中心的QZSS卫星轨道和钟差产品精度进行评价,最后以谱分析方法和改进阿伦方差揭示了卫星钟差的周期特性。基于2014年全年的QZSS卫星轨道和钟差产品的研究表明,一年内有两次长约20 d的地影季,太阳角呈现半年周期的波动;QZSS卫星在低太阳角时有零偏保护,其卫星轨道和钟差精度都与太阳角有显著相关性;卫星钟差具有与轨道周期相近的周期项,且周期项振幅与太阳角的大小也具有相关性,表明现有的定轨策略存在不足。考虑到QZSS与目前北斗星座中IGSO和MEO卫星姿态控制模式的相似性,该结论对于研究我国BDS姿态切换期间的精密定轨有一定参考价值。     

GNSS技术在GEO、IGSO航天器中的导航精度与适用性分析

现阶段高轨道航天器导航主要依靠地基测控系统,为了研究全球卫星导航系统(GNSS)技术用于高轨道航天器导航的可行性,对GNSS技术在地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星航天器中的导航精度及适用性展开了分析研究. 采用2021年11月9日的两行轨道数据(TLE)仿真GNSS星座,以不同星下点的GEO卫星和不同倾角的IGSO卫星作为目标星展开导航仿真试验. 实验结果表明:为了满足GNSS解算所需的卫星数量,须通过接收旁瓣信号来增加可见卫星数目. 对GEO目标星而言,当接收机灵敏度高于?169 dB时,导航精度可达30 m;利用GPS对7个不同的GEO或IGSO轨道目标星进行导航实验表明,GPS对目标星导航的位置误差约为35 m;北斗三号(BDS-3)、GPS、GLONASS、Galileo的导航位置误差均值分别为28.03 m、21.16 m、37.15 m、25.09 m,具有良好的内符合精度,其中GPS精度最高,GLONASS精度最低,但大部分时段也在45 m内.