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.     

顾及广播星历误差分离吸收的分米级星载GPS实时定轨新方法

受广播星历轨道误差与卫星钟误差以及伪距观测噪声等因素的制约,传统的星载GPS伪距实时定轨方法位置精度通常只能达到1.0m左右,速度精度为1.0mm/s左右。本文提出了一种新的高精度星载GPS实时定轨方法,该方法基于广播星历误差的缓变特性,同时使用伪距与相位作为观测值,通过在卡尔曼滤波模型中设置相应参数对广播星历误差进行分离吸收,从而实现分米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件SATPODS对不同轨道高度的CHAMP(320km)、GRACE-A(460km)与SAC-C(700km)卫星连续31d的实测数据模拟在轨实时处理,结果表明,新方法可以实现30~40cm的位置精度以及0.3~0.5mm/s的速度精度,相比于传统的伪距实时定轨方法,精度可提高50%以上。     

星载BDS/GPS低轨卫星定轨精度分析

针对低轨卫星搭载BDS/GPS接收机实现定轨将成为定轨领域热点的现状,该文讨论了基于星载BDS/GPS实时定轨和精密定轨需要考虑的数学模型,阐述了实时定轨和精密定轨的模型差异。基于自主研发程序,利用高动态信号仿真器仿真的星载BDS/GPS数据研究了基于星载BDS/GPS实时定轨和精密定轨的可行性及其能达到的精度。试验结果表明,星载BDS/GPS实时定轨位置精度为1.19m,速度精度为2.35mm/s。GPS信号发生中断时即仅采用BDS观测数据进行实时定轨时,三维位置误差达到3.73m;星载BDS/GPS精密定轨位置精度为2.30cm,仅采用BDS观测数据进行精密定轨时,三维位置误差可达到8.26cm。     

星载GPS载波相位相对定轨方法研究

GPS被越来越多地装载在用于遥感、气象和海洋测高等应用的低轨卫星上进行精密定轨 ,低轨卫星星载GPS精密定轨的基本观测量为载波相位观测值 ,针对低轨卫星星载GPS的特点 ,给出了一种适合于星载GPS载波相位相对定轨的模糊度解算方法 ,及模糊度解算准确程度的检验方法。该方法应用于TOPEX/PO SEIDON卫星星载GPS实测数据 ,可得到分米级的定轨精度     

一种顾及IGS-RTS数据接收中断的厘米级星载GPS实时定轨方法

当前,在低轨导航增强、对地观测和科学应用等领域,低轨卫星对轨道参数的精度和实时性提出了更高的要求。利用国际GNSS服务组织实时服务(international global navigation satellite system service real-time service,IGS-RTS)播发的GPS卫星轨道与钟差改正数,针对极区实时改正数接收中断情况下实现厘米级星载GPS实时定轨的关键问题开展研究。首先分析了实时改正数及其短时外推引起的星历综合误差的变化特性;然后以此为依据,在星载GPS实时精密定轨数学模型中构建分段随机游走的伪模糊度参数随机模型,以减小星历综合误差对实时精密定轨的影响,从而实现厘米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时精密定轨软件SATODS,使用GPS广播星历与CLK93实时产品,对为期一周的重力场恢复和气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)C卫星的GPS双频实测数据模拟在轨实时精密定轨处理。实验结果表明,在考虑极区改正数接收中断的情况下,所提实时精密定轨方法可以达到7.04 cm的位置精度以及0.20 mm/s的速度精度,所提方法具有可行性和有效性。     

星载GPS 伪距观测量重建及定轨精度分析

讨论了如何从星上下传的卫星位置数据中重建星载GPS 伪距观测量, 分析了重建伪距数据事后动力学 定轨精度及该方法对提高LEO 卫星位置精度的贡献。GRACE-A 卫星2008 年3 月1 日—14 日实测数据计算结果表明: 重建数据事后动力学定轨能显著提高地面主控站接收到的LEO 卫星实时位置精度; 其中由C/A 码伪距和广播星历 实时单点定位得到的卫星位置精度约为15m, 重建伪距事后动力学定轨得到的卫星位置精度约为2m。     

风云3C增强北斗定轨试验结果与分析

首次搭载GPS/BDS双模接收机全球导航卫星掩星探测仪(GNOS)的风云三号C星于2013年9月23日的成功发射,为研究低轨卫星对BDS定轨增强提供了便利。本文首先对低轨卫星GNOS搭载的GPS/BDS双模接收机的观测数据进行统计,并分析了伪距测量精度。然后在全球测站、区域测站两种布局情况下,对无GNOS的BDS单系统定轨、无GNOS的GPS/BDS双系统定轨、有GNOS的BDS单系统定轨增强、有GNOS的GPS/BDS双系统定轨增强4种方案进行北斗轨道及钟差比较分析。结果表明,GNOS对北斗卫星轨道增强在全球测站下,GEO卫星切向精度提升最为显著,提升程度达60%,其次是法向和其他类型卫星切向,部分弧段个别GEO卫星径向精度稍有下降。双系统定轨增强中可视弧段钟差重叠精度RMS值有0.1ns量级改善。7个国内测站区域监测网的定轨试验中对轨道进行了预报,结果表明GNOS对北斗GEO卫星轨道预报精度切向提升达85%,其余方向及卫星有较大改善,平均21.7%。可视弧段钟差重叠精度RMS值有0.5ns量级改善。     

高精度星载GPS实时定轨卡尔曼滤波模型

在动力学模型补偿算法的基础上,推导了星载GPS实时定轨的卡尔曼滤波模型。以此为理论基础,自主研制了星载GPS实时定轨软件SATODS。使用CHAMP卫星上的星载GPS实测伪距数据以及GPS卫星广播星历来模拟实时定轨数据处理,并将实时定轨结果与JPL精密轨道进行比较分析。结果表明,在滤波收敛后,实时定轨的轨道精度和速度精度的3dRMS分别可达到1.0m和1.2mm/s,受观测数据的GPS卫星数、PDOP值、粗差数据和数据中断等因素的影响较小。     

广播星历下多系统卫星位置、速度计算及精度分析

目前GNSS空间部分主要由GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4系统构成,在利用广播星历进行多星组合导航时,需要根据不同卫星星座广播星历精度信息实现多系统定位信息的组合。现有研究对GPS、GLONASS广播星历精度进行了充分分析,但对由Galileo、BDS广播星历计算卫星位置、速度及其精度的研究相对较少。本文利用精密星历对GNSS广播星历计算的卫星位置、速度精度进行了分析。结果表明,GPS广播星历解算的卫星位置误差小于2 m,GLONASS广播星历解算的卫星位置误差最大在4 m左右,Galileo广播星历解算的卫星位置误差最大在3 m左右,BDS广播星历解算的GEO卫星位置误差最大在40 m左右,IGSO卫星位置误差最大在9 m左右,MEO卫星位置误差最大在5 m左右。GPS、Galileo、BDS速度误差在1 mm/s内,GLONASS速度误差在2 mm/s内。     

星载GPS伪距多路径误差与观测噪声对自主定轨的影响分析

对搭载美国BlackJack接收机的CHAMP/GRACE-A/Jason-2卫星和搭载国产接收机的HY2A/ZY3/TH1卫星的星载GPS数据的伪距多路径误差与观测噪声进行了研究,重点分析了国产接收机伪距多路径误差的变化特性,并研究了多路径误差与观测噪声对星载GPS自主定轨的影响。结果表明:国产接收机的C/A码与P1码伪距观测精度要整体差于美国的BlackJack接收机,而P2码伪距观测精度要整体优于BlackJack接收机;国产接收机P1码伪距受多路径效应影响较大,其多路径误差随高度角减小存在单调递增的变化趋势,其中HY2A、ZY3与TH1卫星的多路径误差最大分别可达3.6 m、1.8 m与0.7 m;这种单调递增变化的多路径误差会导致星载GPS自主定轨位置结果在径向与切向产生系统性偏差。     

海洋二号A与资源三号卫星星载GPS自主轨道确定

系统研究了基于海洋二号A（HY2A）与资源三号（ZY3）卫星国产星载GPS接收机双频数据的自主定轨问题,模拟在轨实时处理的结果表明,HY2A与ZY3卫星伪距自主定轨的位置精度可达1.3 m,速度精度可达1.2 mm/s;而HY2A卫星相位自主定轨位置精度可达38 cm,其中径向精度约10 cm,速度精度可达0.36 mm/s;ZY3卫星相位定轨位置精度可达54 cm,速度精度可达0.54 mm/s。自主定轨的相关成果可以应用于我国后续对地观测计划的实时服务。     

导航卫星自主定轨的算法研究及模拟结果

讨论了利用卫星-卫星间的距离观测值建立导航卫星系统自主定轨的数学方法，并用GPS星座模拟星间观测值，采用滤波算法计算卫星的状态参数。模拟结果表明，在空间测距精度一定的情况下，自主定轨精度能高于GPS广播星历，因而能较精确地维持卫星系统的坐标框架。     

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.      

基于单频星载GPS数据的周跳探测方法

在星载GPS测量中,载波相位观测数据的周跳探测是实现低轨卫星高精度定轨的关键,而传统的周跳探测方法受低轨卫星轨道特性的影响并不能很好地处理星载GPS数据。在总结传统周跳探测方法的基础上研究了一种利用最小二乘及假设检验的周跳探测方法,该方法采用历元间载波相位差分观测值构建观测方程,利用最小二乘求解并建立周跳检测量,根据假设检验探测周跳,适用于采样率较高条件下的单频星载GPS载波相位数据的周跳探测。以实测星载GPS数据周跳探测试验验证了该方法的有效性,试验结果表明,当可观测的GPS卫星数大于5颗时,该方法能够探测出1周左右的周跳,并确定发生周跳的卫星。     

将GPS广播星历算法作为低轨卫星动力学模型的综合定轨方法

根据GPS广播星历算法的预报特性和自适应抗差滤波原理,提出了一种将GPS广播星历算法作为低轨卫星动力学模型的自适应抗差滤波综合定轨方法。计算结果表明,所提出的自适应抗差滤波综合定轨方法不仅充分利用了几何观测信息,而且通过自适应因子合理地控制了不可靠的广播星历预报信息对滤波解的贡献,有效地保证了定轨的精度和可靠性。     

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。     

长距离GPS/BDS双系统网络RTK方法

基于区域参考站网的网络实时动态定位(real-time kinematic,RTK)方法是实现全球定位系统(global positioning system,GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)高精度定位的主要手段。研究了一种长距离GPS/BDS双系统网络RTK方法,首先采用长距离参考站网GPS/BDS多频观测数据确定宽巷整周模糊度,利用引入大气误差参数的参数估计模型解算GPS/BDS双差载波相位整周模糊度;然后按照长距离参考站网观测误差特性的不同,分类处理参考站观测误差,利用误差内插法计算流动站观测误差,以改正流动站GPS/BDS双系统载波相位观测值的观测误差;最后使用流动站多频载波相位整周模糊度解算方法确定GPS/BDS载波相位整周模糊度并解算位置参数。使用长距离连续运行参考站(continuously operating reference stations,CORS)网的实测数据进行实验,结果表明,该方法能够利用长距离GPS/BDS参考站网实现流动站的厘米级定位。     

用单频GPS数据实现低轨卫星动力学法定轨研究

采用星载GPS双频观测数据,低轨卫星定轨的精度可以达到厘米级。采用GRACE A卫星的星载GPS观测数据,分别基于单频数据(C/A和L1)的半合组合观测量和双频数据的消电离层组合观测量,采用动力学低轨卫星定轨方法,解算了7d的GRACE A卫星轨道,解算结果与德国地学中心发布的快速科学轨道进行对比分析,并通过卫星激光测距观测数据进行检核。结果表明,通过半合组合观测量定轨得到的结果,在径向R、切向T、法向N方向的均方根误差平均值分别为7.9cm、20.1cm和5.5cm,三维定轨精度平均为22.8cm,利用卫星激光测距数据进行检核,残差平均值为-1.8cm,均方根误差为8.6cm。证明了采用单频观测数据进行定轨的可行性,并且定轨精度可以达到一般低轨卫星定轨精度的要求。     

GPS天线相位中心校正对低轨卫星精密定轨的影响研究

执行各种低轨卫星任务的官方在公布定轨结果的同时并没有公布星载接收机的天线相位中心校正(PCV)信息,而PCV误差是星载GNSS精密定轨必须考虑的主要误差源之一。以GRACE卫星任务为例研究PCV误差对低轨卫星精密定轨的影响,利用GPS观测数据直接估计与相位误差有关的天线相位偏差(PCO)和PCV参数,然后利用K波段测距系统和卫星激光测距仪数据进行定轨评定。     

LEO星载GPS双向滤波定轨研究

介绍了目前常用的LEO(low Earth orbiter)星载GPS定轨方法,分析了LEO星载GPS双向滤波定轨方法与其他几种主要定轨方法的区别.从卫星运动方程和星载GPS非差定轨观测方程出发,给出了LEO星载GPS双向滤波定轨方法的原理,采用自行研制的定轨软件对两颗GRACE(gravity recovery and climate ex-periment)卫星进行了定轨试验,通过与JPL(Jet Propulsion Laboratory)轨道的对比及KBR(k-band rangingsystem)观测数据的外部检核发现:①双向滤波定轨技术不仅能显著提高单向滤波开始阶段的定轨精度,而且可以从整体上提高卫星的定轨精度;②LEO星载GPS双向滤波定轨方法切实可行,相应的星载GPS定轨软件对GRACE卫星定轨精度在径向、沿轨方向和法向优于5 cm.