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.     

相位量化误差对导航模拟信号伪距生成精度的影响分析

导航信号模拟源器是接收机性能验证的重要技术手段,目前的研究多关注于高动态场景实现和伪距误差分析,对于静态伪距和恒定多普勒等高精度测量场景中的伪距精度少有分析。本文针对高精度测试场景,分析了相位量化误差的产生原因,推导了由此引起的伪距误差公式并给出了仿真验证。分析和仿真结果表明：相位累加字量化误差影响伪距稳定度。进位相位截断误差引起的相位抖动影响伪距零值测量结果,两种误差均不可忽略。为高精度卫星导航信号模拟器的设计提供了理论依据。     

低轨卫星导航增强星座地基观测仿真系统设计

现阶段整星座低轨卫星观测数据的缺失制约了LEO卫星导航增强研究,针对该问题,本文设计了LEO导航增强星座地基观测仿真系统,构建生成了LEO星座伪距和载波相位观测值的仿真模型;介绍了仿真系统设计流程和架构、仿真地基LEO观测数据;使用RTKLIB进行了标准单点定位（SPP）和精密单点定位（PPP）解算,验证了仿真系统搭建的正确性,以及伪距和载波观测值仿真的正确性。结果表明,相较于只考虑几何距离的地基观测数据,该系统考虑各误差模型后观测数据置信度高,可用于支撑LEO导航增强星座定位研究。     

区域卫星导航系统GEO卫星定轨观测模型

根据GEO导航卫星的轨道特性，给出了数学上严密的卫星伪距观测和载波相位观测模型，讨论了GEO卫星轨道和卫星钟差的解算条件以及单星定轨、多星组差定轨的可行性。     

多普勒平滑伪距在GPS/INS紧耦合导航中的应用

针对GPS/INS紧耦合导航中GPS伪距观测值精度较低的问题,提出了一种多普勒平滑伪距在GPS/INS紧耦合导航的应用算法。首先给出了GPS/INS紧耦合导航详细的动力学模型和观测模型,在载波相位平滑伪距的基础上推导了多普勒平滑伪距的具体算法和方差-协方差计算公式,并引入遗传算法对平滑因子进行最优估计;然后利用实测数据验证了新算法的有效性。结果表明,平滑算法能够有效提高伪距观测值的精度,从而提高组合导航的定位精度,相对于载波相位平滑伪距,多普勒平滑伪距的精度略有提高,而且多普勒平滑伪距不受周跳的影响,算法的效率更高。与此同时,伪距观测值精度的提高使其与伪距率观测值精度相当,增强了滤波系统的稳定性。     

典型低轨卫星星座导航增强性能对比性评估研究

选取国外的Iridium NEXT系统、国内的“鸿雁”星座和“微厘空间”共三个典型低轨星座对北斗卫星导航系统(BDS)从信号落地功率、可见卫星数和精度衰减因子(DOP)等方面进行导航增强分析.结果表明:由于星座结构和卫星数目的不同,低轨星座对导航系统的增强能力存在差异.Iridium NEXT系统和“鸿雁”星座等极轨星...     

监测站时间同步条件下的单星定轨

基于伪距及载波相位观测量的COMPASS-M1卫星精密定轨中轨道误差与钟差分离问题是制约卫星定轨精度提高的主要因素之一。本文首先介绍了基于监测站时间同步条件下精密定轨原理,然后通过对卫星钟差建模,采用动力学方法利用国内五站实测数据对COMPASS-M1卫星进行了轨道确定,并利用轨道重叠弧段法及实测激光数据对定轨精度作了检核。结果表明,基于目前监测站时间同步技术,利用相位平滑伪距定轨能达到10m以内精度。     

利用SLR和GPS双频相位平滑伪距资料测定导航卫星钟差

采用2002年10月的SLR和伪距实测数据计算GPS 35卫星的钟差,为了验证计算结果的精度,将本文计算的卫星钟差与IGS精密钟差进行了比较.结果表明,采用经过载波相位平滑伪距资料,可以明显提高综合利用SLR和伪距资料直接测定导航卫星的精度;综合利用SLR和GPS双频相位平滑伪距资料测定导航卫星钟差精度优于0.3 ns(1σ),测定的导航卫星钟差与实际钟差不存在系统差.     

单站GPS载波平滑伪距精密授时研究

给出了单站GPS载波相位平滑伪距授时的原理和数学模型,详细分析了单站GPS载波相位平滑伪距授时的技术难点和授时精度评定的表征量,并编程对IGS站观测数据进行处理.实验结果表明,单站GPS载波相位平滑伪距精密授时的绝对钟差精度可达到ns级.     

转发式测距数据支持的GEO导航卫星精密定轨

地球静止轨道GEO卫星定轨是精密定轨领域的难点.依托我国区域范围地面跟踪网实际,提出了转发式测距数据支持下的GEO导航卫星精密定轨方案.从定轨精度、设备时延和伪距站对GEO轨道精度影响等方面进行了深入分析.试验结果证明:1 ns的时延误差引进的GEO轨道径向和位置误差分别为0.121 m和3.505 m.在多个转发式测距跟踪站约束的条件下伪距对定轨精度贡献非常有限,但通过星地钟差的估计可以实现时间同步,同步精度优于1 ns.这为时间同步提供了一种新的方法.当转发式测距跟踪站有限时伪距对GEO定轨的贡献非常明显,1CC(转发式跟踪站)+7L(伪距站)联合定轨条件下的轨道精度优于5 m.从而解决了GEO卫星精密定轨问题,同时实现了星地和站间时间同步以及卫星轨道与钟差参数的自洽.     

低轨卫星导航增强系统半物理仿真平台设计与验证CSCD

低轨道地球卫星(LEO)具有相对地面几何构型变化快、播发信号链路损耗小等优点.随着低轨卫星载荷研制与发射成本的逐渐降低,低轨卫星导航增强技术成为当前卫星导航领域的研究热点.目前国内外的低轨导航增强技术研究均处于起步阶段,没有成熟的低轨卫星导航星座,缺乏有效的低轨导航增强系统的服务性能验证手段.文中开展对低轨导航卫星轨道外推方法、低轨卫星信号捕获跟踪技术的研究,设计构建低轨导航增强系统半物理仿真平台.在仿真平台的基础上对北斗/低轨增强系统组合应用的高精度快速精密定位方法进行验证,实现了精密单点定位(PPP)的快速收敛且具有较高的内符合精度,对于低轨卫星导航增强系统的建设与应用具有一定的科学与工程价值.     

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.      

低轨导航增强GNSS发展综述

低轨星座具有地面接收信号强度高、几何图形变化快的优势，能够与中高轨GNSS星座形成互补，对增强GNSS的精度、完好性、连续性和可用性具有显著优势，已成为当前卫星导航领域的关注热点。本文首先简要介绍了现有的GNSS增强系统；总结了国内外低轨导航增强星座发展现状；针对低轨导航增强，对比分析了高中低轨导航星座的优缺点；重点讨论了低轨导航增强在联合定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等方面带来的机遇；分析指出了低轨导航增强的空间段、地面段和用户段所面临的挑战。     

Characterization of Compass M-1 signals

An analysis of observations from China’s first medium earth orbit satellite Compass M-1 is presented, with main focus on the first orbit and clock solution for this satellite. The orbit is computed from laser ranging measurements. Based on this orbit solution, the apparent clock offset is estimated using measurements from two GNSS receivers, which allow Compass tracking. The analysis of the clock solutions reveals unexpectedly high dynamics in the pseudorange and carrier-phase observations. Furthermore, carrier-to-noise density ratio, pseudorange noise, and multipath are analyzed and compared to GPS and GIOVE. The results of the clock analysis motivate further research on the signals of the geostationary satellites of the Compass constellation.     

单星模糊度固定的整数相位钟法及在低轨卫星定轨中的应用

单星GPS相位模糊度固定可以显著提升低轨卫星的定轨精度。目前,CNES/CLS、武汉大学和CODE 3家机构都已公开发布用于单星模糊度固定的GPS整数相位钟产品。本文首先利用整数相位钟方法实现单星模糊度固定,并应用于低轨卫星精密定轨中;然后,对比分析了不同机构提供的整数相位钟产品在低轨卫星单星模糊度固定和精密定轨中的应用性能;最后,通过对GRACE-FO编队卫星数据进行处理,发现基于不同机构产品的窄巷模糊度固定成功率都可以达到94%左右。不同机构产品获得的模糊度固定解轨道的SLR(satellite laser ranging)检核残差RMS约为0.9 cm,与模糊度浮点解的定轨结果相比,单星绝对轨道精度提高了约30%。在分别利用CNES/CLS、武汉大学和CODE产品实现单星模糊度固定后,双星相对轨道的KBR(K-band ranging)检核残差RMS分别从5.7、5.4和5.3 mm减小到2.1、2.0和1.5 mm。结果表明,不同整数相位钟产品在GRACE-FO卫星单星模糊度固定和精密定轨中的效果相当。     

北斗全球卫星导航系统试验卫星测距信号质量分析

目前,北斗全球卫星导航系统有5颗试验卫星发射试验信号。试验卫星数据质量分析是北斗全球系统信号体制验证的重要内容。基于单测站北斗试验卫星观测数据,采用伪距相位差组合和伪距多径组合方法,初步分析了试验卫星民用信号以及Bs频点信号伪距测量噪声和多径误差。结果表明,倾斜同步轨道卫星伪距测量精度优于中轨道卫星;在各导航信号中,B2a+b信号伪距测量精度最高,具有最优的抗多径性能;B1C信号伪距测量精度最低,抗多径性能最差;Bs信号伪距测量精度较差,但优于B1C信号,且其伪距多径存在一个与高度角相关的系统误差,在高度角最大时可达0.5 m。     

Precision spacecraft navigation using a low-cost GPS receiver

Within the PROBA-2 microsatellite mission, a miniaturized single-frequency GPS receiver based on commercial-off-the-shelf (COTS) technology is employed for onboard navigation and timing. A rapid electronic fuse protects against destructive single-event latch-ups (SEL) and enables a quasi-continuous receiver operation despite the inherent sensitivity to space radiation. While limited to single-frequency C/A-code tracking with a narrow-band frontend, the receiver is able to provide precision navigation services through processing of raw GPS measurements on ground as well as a built-in real-time navigation system. In both cases, ionospheric path delays are eliminated through a combination of L1 pseudorange and carrier phase measurements, which also offers a factor-of-two noise reduction relative to code-only processing. By comparison with satellite laser ranging (SLR) measurements, a 0.3-m (3D rms) accuracy is demonstrated for the PROBA-2 reduced dynamic orbit determinations using post-processed GPS orbit and clock products. Furthermore, the experimental onboard navigation system is shown to provide real-time position information with a 3D rms accuracy of about 1?m, which notably outperforms the specification of the Standard Positioning Service (SPS). In view of their lower hardware complexity, mass budget and power requirements as well as the reduced interference susceptibility, legacy C/A-code receivers can thus provide an attractive alternative to dual-frequency receivers even for demanding navigation applications in low Earth orbit.     

三种典型低轨增强星座与北斗系统联合应用的RAIM性能分析

接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)是终端用户高可靠导航定位的保障,低轨卫星的发展为完好性监测带来新的机遇,然而不同低轨星座增强下的终端RAIM性能可能会存在显著差异。基于高轨道倾角(80颗)、中轨道倾角(120颗)和混合轨道倾角(168颗)3种典型的低轨星座,系统评估了低轨卫星增强下的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）RAIM可用性及故障检测效果。仿真计算结果表明：对于高纬区域,高轨道倾角增强下的RAIM可用性效果最好,而在中、低纬区域,中轨道倾角星座增强下的RAIM可用性效果最优;在全球范围内,高轨道倾角、中轨道倾角和混合轨道倾角星座增强下非精密进近阶段的RAIM可用性较BDS分别提升30.5%、29.0%和41.0%。由此可知,由不同轨道倾角组成的混合星座可较好地弥补可视卫星在空间覆盖上的缺陷,其全球RAIM可用性增强效果最优,增强下的RAIM可检测到的最小伪距偏差较之前平均减小33.3 m。     

TJS-2 geostationary satellite orbit determination using onboard GPS measurements

This study analyzes the quality of onboard data of tracking signals from GPS satellites on the far side of the earth and determines the orbit of the geostationary satellite using code and carrier phase observations with 30-h and 3-day orbit arc length. According to the analysis results, the onboard receiver can track 6–8 GPS satellites, and the minimum and maximum carrier to noise spectral densities were 24 and 45 dB-Hz, respectively. For a GPS receiver on a high-altitude platform above the navigation constellations, the blocking of the earth and a weak signal strength usually cause a piece-wise GPS signal tracking and an increase in the number of ambiguity parameters. Individual GPS satellites may be continuously tracked for as little as several minutes and as long as 3 h. Moreover, considering the negative sign of elevation angles reflects the fact that GPS satellites are tracked below the receiver in the study. GPS satellites appear mainly in the elevation angle range of ??53° to ??83°, and dilution of precision values could reach ten or one hundred and more. Also, it is observed that when a signal suffers from atmospheric refraction, other GPS signals tracked simultaneously by the receiver experience strong systematic errors in the code observations. Based on single-frequency code and carrier phase measurements, the mean 3D root mean square (RMS) value of the overlap comparisons between 30-h orbit determination arcs is 2.14 m. However, we found that there were also some biases in the carrier phase residuals, which contributed to poor orbit accuracy. To eliminate the effects of the biases, we established a correction sequence for each GPS satellite. After corrections, the mean 3D RMS was reduced to 0.99 m, representing a 53% improvement.