工程化广播星历参数拟合算法与接口设计

对导航卫星广播星历参数拟合算法和接口设计问题进行了研究。通过条件数、参数相关性分析,指出小倾角问题是造成GPS开普勒轨道根数广播星历拟合算法不能适用于GEO卫星的最主要原因;通过分析定轨理论和拟合实例证明,GEO卫星星历参数Crc、Crs超限的主要原因是由于其轨道特性决定的;针对GEO卫星星历参数拟合法方程严重病态的问题,提出了动态加权的带参数约束条件平差算法。该方法能有效稳定星历拟合结果,解决Δn等星历参数超限的问题。     

关于坐标旋转法进行地球静止轨道导航卫星广播星历拟合的探讨

介绍基于坐标选转法的GEO广播星历拟合算法,推导坐标系旋转前后卫星瞬时轨道根数及其摄动的解析关系式,分析选择不同惯性系(不同的X轴指向和不同旋转角)对卫星轨道根数及其摄动的影响,通过仿真GEO轨道的广播星历拟合实验分析不同坐标旋转角度对星历参数拟合结果的影响。分析和试验表明:①采用简化法,经坐标变换后得到的轨道倾角不为常数,而是随着选择的参考历元不同呈周期性变化;②选择不同的惯性参考系会导致轨道倾角摄动以不同的放大倍数放大后被新坐标系的轨道升交点赤经摄动和近地点幅角摄动吸收,放大倍数可达几十倍至上百倍甚至出现奇点;③拟合得到的GEO卫星星历参数Δn和.Ω的取值范围随坐标旋转角的增大而减小。     

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。     

LEO广播星历参数设计的无奇点根数法

针对LEO卫星的广播星历参数设计,在分析低地球轨道(LEO)卫星轨道根数变化特征的基础上,从第二类无奇点根数出发,对标准GPS广播星历的轨道及其摄动表征进行改造,提出一套专用于LEO卫星的23参数星历表示法,并推导了相应的用户卫星位置计算公式。拟合试验表明,20 min星历拟合的用户距离误差(URE)的均方根优于0.05 m。     

低轨导航增强卫星的轨道状态型星历参数设计

导航增强卫星从高轨拓展到低轨,需要设计可靠的低轨道LEO广播星历参数。GLONASS广播星历模型能够利用9个状态参数高精度描述30min内中高轨卫星的摄动运动,但不能直接用于低轨卫星。为了适应LEO的摄动力的短期快变化,设计了基于轨道状态型的21参数广播星历模型。分析了低轨卫星主要摄动力的短期变化规律,选取了二次多项式和基于轨道半周期的三角函数来补偿大气阻力等主要摄动在3个方向上的累计。基于星历拟合试验讨论了拟合参数个数、拟合时段和数据间隔对500~1200km轨道高度的LEO圆轨道的拟合精度影响。试验表明,当拟合时段为20min(约1/5个轨道周期)时,轨道高度大于700km的近圆轨道,拟合用户距离误差(FURE)精度优于0.05m;高度为1000km时,FURE平均精度达到0.03m。     

GNSS星座模拟器关键问题研究

引入轨道力学模型, 采用一种轨道外推的解析方法, 简单有效地实现了卫星轨道根数及卫星位置的推算。根据星历误差来源, 提出并实现了一种基于星历参数拟合的广播星历误差模拟方案。经验证, 该方案可以用于产生径向、切向和法向误差可配置的广播星历, 更灵活、更真实地模拟广播星历误差。     

广义延拓插值法在卫星精密星历中的应用

导航卫星精密星历是卫星导航定位高精度应用的基础,要求有较高的精度。利用广义延拓插值法来拟合全球定位系统导航卫星轨道,插值系数作为精密星历的参数发播,是一种新的广播星历形式。而且具有精度高,计算快捷等特点,另外对于具有其他多种轨道类型共存的导航系统来说也具有一定的参考意义。     

导航电文星历参数对卫星轨道精度的影响

卫星导航定位的关键是获知导航卫星的精确位置,其轨道精度与导航电文中广播星历参数密切相关。分析了由广播星历参数计算的卫星广播轨道与精密星历确定的真实轨道之间的误差,并将其投影到卫星切向、径向和法向进行仿真研究。比较了民用导航电文（CNAV）和旧民用导航电文（NAV）的星历参数的差异,利用精密星历拟和出对应的广播星历参数,研究其星历参数的变化对卫星轨道精度的影响。分析了GPS不同频点播发的导航电文中星历参数在数据帧内的结构。研究结果表明：GPS卫星广播轨道误差一周内在2到4m内变化,而其在切向、径向和法向的投影值呈现周期性余弦变化,其演变周期与GPS轨道周期近似相等,而选取改进后的17个广播轨道参数表示的星历数据于15个星历参数对比,其轨道拟和误差值改善2～3cm.     

GLONASS卫星位置的动力学改进算法

为了减弱由于广播星历拟合引起的误差,本文提出了一种基于动力学轨道改进的GLONASS卫星位置算法。该算法仅采用GLONASS广播星历信息就能够提高GLONASS卫星位置坐标的计算精度。算例表明,该方法能够有效减弱GLONASS卫星广播星历的拟合误差,卫星位置的精度损失从0.5m降到mm级;外推2-3h,精度损失也仅在cm级水平。     

LEO卫星轨道根数型星历参数与接口设计

低轨卫星是导航增强系统发展的新兴力量,具有独特优势。广播星历参数是其实现星基增强的重要指标。中轨GPS星历采用16/18参数模型,若直接用于LEO的星历参数拟合,卫星沿迹方向的位置分量拟合误差大,且对小偏心率近圆轨道有潜在的拟合法矩阵病态问题。基于第一类无奇点根数,通过增加或修改轨道沿迹向和径向摄动参数,设计了适用于近圆低轨卫星的16～19参数的5种星历模型。基于300～1500 km高度LEO的拟合试验表明:提出的16/17/18/18~*/19参数星历,URE最大值分别优于10/6/4/5/2.5 cm。最后,根据拟合参数的变化范围,对5个星历模型进行了接口设计。在数据截断对URE的影响为毫米量级要求下,总比特位分别为329/343/376/379/396,其中16/17参数星历模型比GPS16参数模型减少了29/15个,18/18~*/19参数星历模型比GPS18参数星历模型减少了64/61/41个。     

Design and validation of broadcast ephemeris for low Earth orbit satellites

Low Earth orbit (LEO) constellations have potentialities to augment global navigation satellite systems for better service performance. The prerequisite is to provide the broadcast ephemerides that meet the accuracy requirement for navigation and positioning. In this study, the Kepler ephemeris model is chosen as the basis of LEO broadcast ephemeris design for backward compatibility and simplicity. To eliminate the singularity caused by the smaller eccentricity of LEO satellites compared to MEO satellites, non-singular elements are introduced for curve fitting of parameters and then transformed to Kepler elements to assure the algorithm of ephemeris computation remains unchanged for the user. We analyze the variation characteristics of LEO orbital elements and establish suitable broadcast ephemeris models considering fit accuracy, number of parameters, fit interval, and orbital altitude. The results of the fit accuracy for different fit intervals and orbital altitudes suggest that the optimal parameter selections are \((Crs3,Crc3)\), \((Crs3,Crc3, \, \dot{a},\dot{n})\) and \(\left( {Crs3,Crc3, \, \dot{a},\dot{n}, \, \ddot{i},\ddot{a}} \right)\), i.e., adding two, four or six parameters to the GPS 16-parameter ephemeris. When adding four parameters, the fit accuracy can be improved by about one order of magnitude compared to the GPS 16-parameter ephemeris model, and fit errors of less than 10 cm can be achieved with 20-min fit interval for a 400–1400 km orbital altitude. In addition, the effects of the number of parameters, fit interval, and orbit altitude on fit accuracy are discussed in detail. The validation with four LEO satellites in orbit also confirms the effectiveness of proposed models.     

GPS卫星广播星历轨道误差突变性分析

针对GPS卫星播发的广播星历存在误差突变的问题进行了有关研究。利用切比雪夫多项式,分别以不同的拟合时段计算卫星轨道坐标,然后分别与对应历元的IGS精密星历所提供的GPS卫星的坐标进行比较,发现了某些GPS卫星广播星历轨道误差变化的规律。这对如何削弱广播星历的轨道误差,提高导航与定位精度是十分有益的。     

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。     

准天顶卫星系统广播星历精度评定和拟合精度分析

实时导航定位中需要利用广播星历实时计算卫星位置,日本建设的准天顶卫星系统(QZSS)计算卫星位置时通过不断迭代提高计算精度,导致实时解算效率降低. 为了保证QZSS广播星历坐标计算精度且提高运算效率,提出利用切比雪夫多项式拟合卫星轨道. 首先,使用原有方法计算卫星位置,以精密星历为参考,验证QZSS广播星历的卫星坐标精度为米级;然后,针对卫星三维(3D)坐标使用切比雪夫多项式进行拟合,并讨论影响拟合精度的因素,在拟合时间间隔固定时,最优拟合阶数随节点个数增多而增大;不同时间间隔下,不同轨道类型的最优拟合阶数不相等,同一轨道最优拟合阶数相等,但随时间间隔的增大拟合误差也逐渐增大. 结果表明:使用切比雪夫多项式拟合QZSS广播星历时,针对不同的轨道类型选择合适的拟合时间间隔和拟合阶数,其拟合精度和运算效率均可满足需要.      

GPS卫星坐标的计算

GPS卫星的坐标计算是利用GPS进行定位的关键环节，在利用GPS进行导航和测量时，需要多次计算卫星的坐标，因此快速准确地计算出卫星任意时刻的坐标，对于提高GPS定位精度和速度具有重要的意义。通过实例分析了利用广播星历的轨道参数、拉格朗日多项式插值和切比雪夫多项式拟合这三种方法计算卫星任意时刻的坐标，并进行了精度比较。     

MGEX广播星历轨道和钟差的精度评估

为了对MGEX提供的广播星历产品进行精度评估，本文推导了广播星历计算卫星在地固坐标系下位置的数学模型，归纳了精密星历对广播星历进行评估的基本原理和方法，借助MGEX系统提供广播星历产品，对比分析了MGEX系统提供的GPS卫星广播星历轨道及钟差的误差平均值和RMS值。试验结果表明：除个别卫星轨道误差RMS超过4 m，钟差误差平均值大于8 ns外，MGEX提供的7 d和27 d的广播星历产品的轨道精度都优于3 m，钟差误差小于6.5 ns。本文为使用MGEX广播星历的用户提供了参考依据。     

自主导航星上快速星历拟合算法研究

针对北斗卫星导航系统地面监测站布设范围有限,系统抗打击能力不足等问题,我国已计划实现卫星自主导航。通过地面演示验证发现,星上自主定轨与时间同步软件同星上广播星历拟合软件耗费同等的机时。该文的研究目标为在保证精度的前提下,降低星上自主星历拟合的计算量。通过试验分析表明,采用直接降低星历参数个数的方法,会损失精度,效果不佳。利用自主导航自身特点,以长期预报星历为基础,通过参数固定,可在保证精度的基础上使矩阵求逆运算量降低近6倍。以长期预报星历为初值,可有效降低迭代次数,使计算量下降近5倍。     

GPS卫星定轨研究及STK仿真分析

首先对GPS卫星的轨道定轨的原理进行了简单描述,以卫星的广播星历数据为基础,计算出卫星的16个轨道参数,进而得到该卫星任一时刻的瞬时坐标。以2017年4月7日的GPS07号卫星的广播星历数据为例,计算该GPS卫星当天的轨道坐标,并将结果与当天IGS提供的精密星历所提供的卫星轨道坐标进行比较,计算结果显示广播星历误差可达5 m。最后使用STK软件调用MATLAB软件读取数据进行仿真分析,模拟出卫星的轨道,并计算出卫星的坐标,数值结果可为轨道设计提供技术参考。     

GPS导航电文核心定位参数发展演变分析

文章总结了GPS空间信号接口控制文件的发展历程,对比了现有3种导航电文类型的电文结构及播发方式, 详细分析了星历参数、钟差参数及完好性参数等核心定位参数的发展演变特点和改进效果. 结果表明:GPS新型导航电文采用增加核心定位参数和减小量化单位的方法,提高了广播星历和钟差产品的精度. 增加两个参数后,地面星历拟合位置误差均方根(RMS)平均值由0.137 m减小为0.025 m. 为适应高精度星历拟合模型,距离量化单位也减小至毫米量级. 通过减小卫星钟差参数的量化单位,预报1 h钟差误差RMS由0.097 m减小至0.042 m.