星蚀期北斗卫星轨道性能分析——SLR检核结果

星蚀期北斗卫星的轨道性能是北斗卫星导航系统性能分析的重要部分。了解北斗卫星导航系统星历中星蚀期轨道的精度,不仅可为系统服务性能评估提供支持,还有助于了解星蚀期精密定轨中相关模型可能存在的问题,进而为精密定轨函数模型改进提供参考。本文基于2014年1月至2015年7月的卫星激光测距资料,重点分析了星蚀期对北斗不同类型卫星轨道的影响,同时也对北斗广播星历和精密星历中整体轨道径向精度进行检核。结果表明:星蚀期内(尤其是偏航机动期间),IGSO/MEO卫星的广播星历和精密星历轨道均存在明显的精度下降;广播星历轨道径向误差达1.5~2.0m,精密星历轨道径向误差超过10.0cm。但仅从轨道径向残差序列中难以发现星蚀期对GEO卫星轨道是否有显著影响。非星蚀期间,IGSO/MEO卫星和GEO卫星的广播星历轨道径向精度分别优于0.5 m和0.9 m。IGSO/MEO卫星的精密星历轨道径向精度优于10.0cm,GEO卫星的轨道径向精度约50.0cm,且存在40.0cm左右的系统性偏差。     

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。     

北斗三号全球卫星导航系统的广播星历精度评估

为了及时评估北斗三号全球卫星导航系统（BDS-3）广播星历的精度,本文基于2018年3月10—22日和2019年7月2—14日的BDS-2、BDS-3广播星历,以及武汉大学发布的精密星历数据,从北斗卫星的星历误差、轨道误差和空间信号测距精度（SISRE）3个方面进行了全面比较与分析。结果表明：BDS-3的广播星历星历误差的RMSE基本优于1.5 m,BDS-2的GEO、IGSO和MEO卫星的广播卫星星历误差的RMSE分别为3.0、3.0、2.0 m;BDS-3的轨道误差RMSE基本优于1.0 m,其中径向R方向的精度高于切向T和法线N方向,分别为0.1、1.0、0.5 m,BDS-2在R、T、N 3个方向上的精度分别为1、3、3 m;BDS-3广播星历SISRE的RMSE基本优于0.25 m,BDS-2的GEO、IGSO和MEO卫星的SISRE分别优于0.5、2.0、0.5 m。本文的结果整体上反映出BDS-3信号稳定且精度逐渐提升。     

北斗卫星导航系统的空间信号精度评估

针对卫星导航定位系统空间信号精度能否满足用户需求的问题,该文基于IGS MGEX发布的2016年连续100d的实测数据以及GBM分析中心的精密卫星轨道及钟差产品对北斗卫星广播星历误差、轨道精度以及空间信号距离误差进行统计分析。结果表明:北斗系统的IGSO和MEO卫星广播星历的均方根优于3m,GEO卫星广播星历误差RMSE优于5m;IGSO和MEO卫星广播星历轨道精度优于GEO卫星,且轨道误差在径向R精度最好;空间信号距离误差中,GEO卫星的SISRE均值优于1.5m,IGSO卫星的SISRE均值优于1.0m,MEO卫星的SISRE均值优于0.5m。由此反映出北斗空间信号稳定且精度逐渐提升。     

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0.134 m,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%.      

北斗广播星历精度评估

广播星历的误差能够直接影响卫星定位的精度,对北斗的广播星历精度进行分析可以为GPS与北斗组合定位观测值定权提供依据。通过与精密星历进行比较,结果表明: 北斗轨道误差优于5 m,钟差均方根误差优于13 ns,以空间信号测距误差（SISRE）为指标,北斗广播星历整体精度优于4.5 m。通过与GPS进行对比,结果表明北斗广播星历精度略低于GPS。     

北斗精密定轨及广播星历轨道精度评估

目前各类用户对基于北斗卫星导航定位服务需求在不断扩大,由于广播星历实时、易获取,北斗广播星历精度是实时导航定位用户关心的问题,也是检验系统是否达成设计指标的关键因素。文中基于国家基准站和MGEX站计算北斗精密轨道,重复弧段精度优于利用国际站计算结果。将计算的北斗精密轨道作为参考,更加准确地评估分析北斗广播星历轨道误差的精度。分析结果显示,北斗广播星历轨道径向精度优于法向和切向精度,且法向误差具有较为明显的周期性。各类卫星中,GEO卫星精度稍差,而IGSO和MEO卫星与GPS在同一量级。随着北斗卫星系统逐步组网完善,地面监测站分布趋于合理,北斗系统整体性能将会不断提高。     

BDS-2与BDS-3卫星空间信号精度评估

针对BDS-3现有卫星空间信号精度评估问题,该文以BDS-2和BDS-3卫星为研究对象,介绍了BDS卫星空间信号精度评估的方法,基于MGEX发布的2019-05-01—2019-05-31日连续31d的广播星历与WUM分析中心的精密星历产品对33颗BDS卫星的轨道误差、卫星钟差、用户测距误差(URE)和空间信号测距误差(SISRE)进行精度评估。研究结果表明:BDS-2中,IGSO与MEO的轨道精度优于GEO,径向精度优于切向和法向;星载钟差均值优于12.1ns;URE和SISRE均值分别优于1.0和1.2m;BDS-3MEO卫星轨道径向、切向、法向均值分别优于0.2、0.8、0.4m,径向和法向比BDS-2 MEO分别提高45.8%与21.1%;BDS-3卫星星载钟差均值优于7.7ns,比BDS-2提高36.2%;BDS-3的URE和SISRE均值分别优于0.6和0.5m,比BDS-2分别提高42.9%和47.4%。     

利用SLR数据进行北斗卫星广播星历精度分析

卫星激光测距（satellite laser ranging,SLR）作为一种完全独立于微波测量的测距方法,为GNSS（global navigation satellite system）广播星历精度评估提供了独立的外部检核手段。基于2013年4月~2014年7月的北斗卫星SLR数据,对北斗卫星导航系统正式提供服务后的广播星历精度进行了评估,推导了北斗地球静止轨道卫星激光残差近似表达式,分析了不同姿态模式下北斗倾斜地球同步轨道卫星、中圆地球轨道卫星激光残差特性。检核结果表明了参与国际激光联测的北斗卫星C01星广播星历精度为0.97 m、C08星为0.43 m、C10星为0.41 m、C11星为0.41 m。     

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。     

SDP4模型用于北斗导航卫星轨道预报的精度分析

为了实现对北斗导航卫星的监测与跟踪,需要对其轨道进行预报。利用双行星历(TLE)采用SDP4模型对北斗导航系统的3类卫星(GEO、IGSO、MEO)进行轨道预报,并对比了Trimble公司的接收机历书星历和HPOP高精度轨道外推模型预报出的星历,采用GFZ公布的北斗精密星历对其预报精度进行了评估。分析表明,SDP4模型计算速度快,可以实现对于北斗导航卫星的轨道预报,满足跟踪和监测的精度要求,具有实用价值;该模型对于MEO卫星轨道预报效果最好,IGSO卫星次之,GEO卫星最差;3日以内的短期轨道预报可以采用历书星历或者HPOP外推模型预报的星历,但是3日以上轨道预报利用SDP4模型更好;对不同预报时间下的预报轨道可以使用的领域提出了建议。     

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。     

北斗三号B2b信号改正广播星历精度评估及PPP应用

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3) B2b信号是由3颗地球同步轨道(GEO)卫星播发改正信号组成，可为用户提供公开、免费的高精度服务，对北斗卫星导航系统(BDS)在国土测绘、海洋测绘以及桥梁建筑物健康监测等领域的高精度应用具有重要意义. BDS-3 B2b信号的精度评估是实现其高精度应用的重要环节.首先利用BDS-3 B2b信号改正广播星历产品，并获得改正后的精密轨道和钟差产品.然后，以武汉大学国际GNSS服务(IGS)分析中心提供的事后精密产品(WUM)为参考，评估了由B2b信号改正后的精密轨道和钟差产品的精度.结果表明:改正后北斗卫星轨道的径向(R)、切向(A)、法向(C)误差的均方根(RMS)分别为6.26 cm、24.21 cm、21.79 cm，钟差差值的标准差(STD)均值为0.33 ns.最后，利用改正后的精密轨道和钟差产品进行精密单点定位(PPP)验证，结果表明:PPP定位东(E)、北(N)、天顶(U)方向精度分别为0.06 m、0.05 m、0.13 m.说明广播星历通过B2b改正后的精密轨道和钟差产品与IGS事后精密产品精度相当，可满足单站实时高精度定位与导航的...     

北斗三号系统开通前后广播星历精度对比分析

北斗三号卫星导航系统(BDS-3)开通已一年有余,通过研究2019-08—2021-08共2 a的北斗卫星导航系统(BDS)广播星历数据,采用事后精密星历对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)和BDS-3卫星的轨道、钟差和空间信号测距误差(SISRE)进行分析. 结果表明:BDS-3系统开通后,卫星轨道精度比BDS-2提升明显,径向(R)误差均方根(RMS)值从0.87 m左右提升至优于0.23 m,精度提升约74%,3D误差RMS值从1.63 m以内提升到优于0.75 m,精度提升约54%;氢原子钟和铷原子钟精度相当,BDS-3钟差误差RMS值精度提升与BDS-2提升基本相同,精度提升约1 ns;SISRE精度比对中,BDS-2 SISRE的RMS值从0.9 m提升到0.7 m,BDS-3从0.8 m提升到0.5 m. 综合比较,BDS-3系统性能提升较大.      

BDS广播星历组间位置偏差分析

通过分析星历组间位置偏差的时序变化评估BDS区域卫星导航系统的广播星历性能。文中详细分析了不同广播星历龄期(IODE)和不同的轨道类型(GEO、IGSO和MEO)之间星历组间偏差的差异,结果显示:广播星历组间位置偏差对用户的平均影响约为0.23m;各卫星径向方向偏差最小;对于GEO和IGSO卫星,地影期间会带来较大的组间位置偏差;IODE更新规律的不同会引起组间偏差的差异。     

GEO广播星历参数设计的无奇点根数法

北斗导航星座的GEO广播星历格式与MEO和IGSO的格式一致,但是GEO星历参数拟合和用户GEO卫星位置计算均需要引进人为设置的5°倾角旋转。从第二类无奇点根数出发,对标准广播星历的轨道及其摄动表征进行改造,提出一套专用于GEO卫星的16参数星历表示法,并推导了相应的用户卫星位置计算公式。拟合试验表明,在非地影期间,2h和3h星历拟合的用户距离误差(URE)的均方根分别优于0.05m和0.1m。     

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。     

BDS卫星空间信号异常探测及性能评估方法研究

正全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的空间信号异常会对用户的导航定位性能产生影响。异常信号的探测和性能评估对广播星历播发的空间信号(signal-in-space,SIS)的连续性、可用性和完好性等显得尤为重要。北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS),除与其他导航系统类似,不可避免地存在未被监测的空间信号异常外,由于星座构型的特殊性,地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)     

基于滑动式傅里叶级数的BDS精密星历内插分析

精密星历的内插是全球卫星导航系统（GNSS）高精度定位数据处理的重要工作之一，其内插的精度也直接影响着定位精度.本文综合滑动式插值理论与傅里叶级数算法，通过采用不同阶数的傅里叶级数和9阶切比雪夫多项式拟合内插北斗卫星导航系统（BDS）中的地球同步轨道（GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、中圆轨道（MEO）卫星精密星历，来分析傅里叶级数插值在BDS精密星历内插中的插值效果.实验表明，不同阶数，傅里叶级数内插效果不同.其中，采用3阶傅里叶级数GEO卫星与IGSO卫星精密星历内插精度最高，达到毫米级精度，MEO卫星在采用4阶傅里叶级数时内插精度最高，达到厘米级精度.对比两种不同内插算法，9阶切比雪夫拟合更适用于GEO卫星与IGSO卫星，而MEO卫星使用傅里叶级数插值精度更高.      

一种地球静止轨道卫星的快速恢复定轨方法

地球静止轨道(GEO)卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导航服务需求提出新的更高要求,如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速恢复能力,是提升导航系统服务精度的关键因素。针对该问题,提出基于9参数星历拟合的GEO卫星短弧运动学定轨方法,详细推导定轨的数学模型与偏导模型,针对GEO卫星星历参数拟合中的奇异问题,提出相应的解决方法和措施。利用COMPASS GEO卫星实测自发自收数据进行短弧定轨试验与分析,结果表明:①10 min短弧运动学定轨的位置精度优于19 m,速度精度为4 mm/s,速度精度明显优于MEO卫星;②预报5 min的位置精度为17.760 m,预报10 min的位置精度为18.168 m;③解决GEO卫星频繁轨控所带来的轨道快速恢复问题,满足短弧跟踪条件下RDSS的服务需求。