中高轨卫星广播星历精度分析

GPS广播星历参数具有物理意义明确、参数少、精度高等优点,可以考虑将它应用于其他卫星导航系统。但是GPS系统的卫星构成比较单一,而其他卫星导航系统可能包含中地球轨道 (MEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和地球静止轨道(GEO)等多种不同类型的中高轨卫星。分析了采用GPS广播星历参数时,MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度,特别讨论了轨道倾角接近于0的GEO卫星的广播星历拟合精度,并给出了相应的改进措施。计算表明,对于 MEO卫星,2 h的广播星历拟合精度(三维位置)可达厘米级;对于IGSO卫星和轨道倾角较大的GEO卫星,4 h的广播星历拟合精度约为0．1 m,径向位置误差在厘米量级;而对于轨道倾角接近于0的GEO卫星,若不采取特殊措施,由于轨道倾角和升交点经度统计相关,其广播星历拟合精度很差,为此提出了一种坐标转换方法。采用此方法后的广播星历拟合精度可达0．1 m,径向位置误差为厘米量级。     

北斗卫星精密星历插值精度研究

选用非滑动式拉格朗日(Lagrange)插值法和滑动式Lagrange插值法对北斗卫星导航系统(Beidou Satellite Navigation Syetem, BDS)精密星历进行插值,通过大量实验对北斗卫星导航系统卫星的插值精度与两种方法及插值阶次的关系进行研究。实验结果表明:(1)分别采用非滑动式和滑动式Lagrange插值时,中地球轨道卫星(Medium Earth Orbit, MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit, IGSO)的插值误差随阶次增加近似呈"U"形和"L"形分布,地球同步静止轨道卫星(Geostationary Earth Orbit, GEO)的插值误差随阶次的增加逐渐增大,并趋向于近似平稳;(2)当插值阶次较低时,两种方法的插值误差均呈现一定的规律性,但地球同步静止轨道卫星插值误差的规律性弱于中地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星;(3)各卫星采用两种方法的最优插值阶次相差均在1以内,且最佳插值阶次下,滑动式Lagrange插值精度较非滑动式可提高11.96%～44.01%,地球同步静止轨道卫星插值精度优于中地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星。     

太阳光压模型中面质比误差对IGSO卫星轨道预报的影响分析

太阳光压是影响高轨卫星轨道精密确定的主要因子之一,这种摄动的有效模制将进一步改进卫星轨道的预报精度.主要对太阳光压模型中面质比误差对地球倾斜同步轨道卫星轨道预报的影响进行了分析.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星位置预报影响仿真结果显示:一天内前16h,x、z分量的预报误差幅度相对较小,y分量误差相对较大;一天内最后8h,x、y、z各分量误差发散明显,但z分量的误差发散程度较大.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星速度预报影响仿真结果显示,一天内,x、y、z各分量的预报误差幅度不超过1 mm/s.     

一种适用于导航卫星自主运行的高精精度光压模型

针对导航卫星自主运行低功耗、高精度的需求,在综合考虑卫星本身物理性质和光压产生机理的基础上,提出一种适用于卫星自主运行时在轨计算的光压模型。利用精密星历反解太阳光压模型参数的方法,分析三种典型光压模型的参数特性及其精度。通过对轨道拟合和轨道预报的精度分析比较,在传统球模型的基础上,提出一种3参数的改进球模型。以GPS卫星为例的仿真结果表明,改进球模型以3个待估参数达到Bern模型(9参数)短期轨道预报精度的80%,其长期轨道预报精度也呈现出较好的特性,模型性能满足卫星自主运行的需求。     

利用IGS星历预报GPS卫星轨道

在动力学轨道拟合以及轨道积分的基础上,提出了基于IGS精密星历的GPS卫星轨道预报方法。该方法首先利用已知的IGS精密星历作为虚拟观测值,采用动力学方法拟合出GPS卫星的初始轨道和动力学参数,然后再通过积分来预报GPS卫星的轨道。主要讨论了基于不同弧段的IGS星历时,该方法对GPS卫星轨道的拟合和预报情况。研究结果显示:对于6 d弧段以内的IGS精密星历,其拟合轨道与IGS精密星历差值的三维RMS值均优于4 cm,随着拟合弧段的增加,拟合残差变大;当利用2～6 d弧段的IGS星历来预报GPS轨道时,大部分卫星第1天、第7天和第30天的三维预报精度可优于0.1 m、3 m和100 m。其中,2d弧段的IGS星历对GPS卫星第1天和第7天的预报结果最好,5 d弧段的IGS星历对GPS卫星第30天的预报结果最好。     

空间信号精度的算法设计与实验分析

导航系统的完好性关系到用户的安全问题,空间信号精度(SISA)是反映卫星导航系统完好性的重要指标之一。针对导航电文中的广播星历和钟差参数信息处理问题,设计了SISA参数计算方法;利用GPS和BDS系统中的实际数据,分析了不同轨道类型卫星SISA参数对空间信号误差的包络特性,并将导航电文中URA参数与SISA参数进行比较,验证了SISA参数计算方法。实验结果表明,SISA能够准确反映广播星历的空间信号精度,并能够对空间信号误差基本实现平均98%的包络能力;目前北斗广播星历中的URA参数不能够精确反映空间信号的精度,不同卫星的空间信号精度相差较大,SISA能够准确反映和包络北斗空间信号误差。     

北斗卫星导航系统服务精度评估

精度是北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)服务指标体系的重要内容.给出了北斗卫星导航系统精度指标的含义及精度指标的评估方法,利用实测数据分析了北斗系统实际实现的精度指标,并将其与GPS系统实际实现的精度指标作比较分析.DOP(几何精度因子)值由卫星导航系统空间星座分布决定,是影响用户定位授时精度的重要因素,比较了北斗与GPS在中国区域DOP值分布的差异.GPS系统PDOP(定位几何精度因子)分布均匀,随用户经度和纬度变化不大,在1.0–2.0之间.而受混合星座影响,北斗系统PDOP分布随着测站经度和纬度变化较大,变化范围为1.5–5.0;且随测站纬度增加而变大,由中心经度(东经118?)向两侧不断变大.对于影响用户等效距离误差的空间信号精度进行了比较分析.利用IGS(国际GNSS服务组织)提供的事后精密轨道、激光跟踪数据和北斗双向时频传递测量的卫星钟差评估了北斗基本导航电文的精度.结果表明:北斗IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星和MEO(中轨道)卫星轨道径向误差约为0.5 m,大于GPS卫星轨道小于0.2 m的径向误差.北斗GEO(地球同步轨道)卫星激光残差约为65 cm,IGSO卫星和MEO卫星激光残差约为50 cm.受卫星钟差数据龄期影响,MEO卫星钟差参数误差明显大于IGSO卫星和GEO卫星,约为0.80 m.最后,采用MGEX(多GNSS系统试验项目)多模接收机进行了定位试验,分析了北斗系统和GPS在定位精度上的差异.结果表明:受星座构型影响,北斗卫星导航系统定位精度与GPS系统定位精度相比有所差异,但满足水平定位精度优于10 m、高程定位精度优于10 m的设计要求,双系统组合定位精度好于单一系统定位精度.     

北斗三号卫星精密定轨中的光压模型研究

对于在轨运行的BDS (BeiDou Navigation Satellite System)卫星, 太阳光压是作用在卫星上主要的非引力摄动. 受多种因素的影响, 太阳光压摄动力难以精确建模, 是BDS卫星精密定轨和轨道预报过程中重要的误差来源. 由于ECOMC (Empirical CODE Orbit Model 1 and 2 Combined)模型兼顾了ECOM1 (Empirical CODE Orbit Model 1)和ECOM2 (Empirical CODE Orbit Model 2)模型的特点, 在模型中引入了较多的待估参数, 使得参数之间存在强相关性. 针对ECOMC模型的这一缺陷, 文中收集了2019年1月至2022年4月武汉大学分析中心提供的BDS-3卫星精密星历, 采用动力学轨道拟合方法得到了ECOMC模型的13个光压参数. 通过对该模型的光压参数进行时间序列分析, 分别给出了BDS-3 IGSO (Inclined Geosynchronous Orbit)和MEO (Medium Earth Orbit)卫星光压模型的参数选择策略. 并利用轨道拟合和轨道预报试验, 验证了光压模型参数选择策略的合理性. 结果表明, 采用改进型ECOMC模型进行BDS-3 IGSO和MEO卫星轨道拟合的效果最佳, 同时, 也能够提升BDS-3 IGSO和MEO卫星中长期轨道预报的精度.     

基于星间链路的BDS导航系统实时星历和钟差分离修正

BDS导航系统授权服务通过提供实时广域差分改正,满足高精度导航用户的导航需求。研究独立时间同步支持下的BDS卫星导航系统的广域差分修正模型与方法,比较了星历和星钟误差的一维(即ICD文件中的等效钟差)和四维差分等两种模式的修正性能,利用DOP值分析了星历改正的误差传播规律。分析表明,一维差分模式的修正精度随轨道误差增加而降低,不适用于在轨卫星故障及GEO卫星轨道机动后轨道快速恢复等情况,并且会降低广域差分系统的可用性;而仅在星地观测条件下,广域差分的三维星历和钟差分离的四维差分模式稳定性较差,区域监测网分布严重限制了星历和钟差误差的分离精度。随着BDS全球系统发展,为满足星座自主导航的需求,系统将提供星间链路观测。通过建立仿真平台,对星间链路支持下的星历和星钟误差分离方法进行研究与分析,结果得出,增加星间链路观测,可以有效地分离星历和星钟误差,将星历误差传播放大因子降低约50%;与一维差分模型相比,将监测站布站稀疏区域内的用户差分改正精度提高约60%。     

GPS数据处理策略对成果精度的影响及可靠性分析

高精度全球定位系统(Global Positioning System,GPS)数据处理的成果精度往往受海潮模型、卫星轨道约束模式、星历产品等数据类型及处理策略的制约。在考虑上述影响因素的前提下进行相关实验,并基于误差理论提出一种增加基线解算次数组合平差的方法,以提高基线解算精度。实验结果表明,数据处理中置入海潮模型较未采用前精度更高,FES2004模型的内外符合精度整体最优,近海区NAO99b外符合精度占优,其它海潮模型基本相当;松弛轨道模式内符合精度较固定轨道模式内符合精度高,但外符合精度较轨道固定模式稍差。不同的精密轨道产品对最终解算结果影响较小,增加基线解算次数组合平差的方法对数据处理成果精度的提高具有明显效果,且在几种精密星历下均表现出良好的收敛性。     

北斗星地双向时频传递与广广播钟差精度分析

与其他卫星导航系统不同,北斗卫星导航系统采用星地双向时间比对技术,直接测量卫星钟相对于地面保持的系统时间的钟差,并用于广播电文钟差参数的建模。讨论了电离层延迟误差、卫星相位中心误差等不同误差源对不同类型卫星双向时间同步卫星钟差精度的影响。实测数据分析结果表明,星地双向卫星钟差内符合精度(RMS)优于0.15 ns。利用双向卫星钟差序列,对广播星历钟差参数预报精度进行了分析,统计结果显示广播电文钟差参数预报1 h,精度在2 ns以内,移动卫星刚入境时,钟差参数预报6 h误差可达10 ns。     

附有高程约束的卫星导航系统精度因子分析方法

高程约束定位方法是一种可以改善定位精度的方法,相对于最小二乘定位方法引入了地球椭圆约束方程。约束方程的引入改变了定位解算过程,使得来源于最小二乘定位方法的精度因子计算公式不再适用于新的方法。针对这一问题,从精度因子定义出发,结合高程约束定位方法原理,提出一种新的计算高程约束定位精度因子的方法。利用某一监测站的地球同步轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星数据,进行了两组精度因子值分析试验和一组定位试验,试验结果表明提出的高程约束定位方法精度因子的计算方法是正确的,高程约束定位方法的定位精度也远高于最小二乘方法。     

北斗卫星地球辐射压摄动建模研究

在对卫星所受的非保守摄动力研究中,对太阳辐射压摄动建模的研究发展迅速,而对地球辐射压摄动的研究相对缺乏,特别是其对中高轨卫星轨道影响的研究。在高精度人造卫星轨道确定中,地球辐射压摄动对于具有大面质比的导航卫星的影响越来越不可忽略。针对中国北斗导航卫星,基于地球辐射压的原理和影响机制,探讨了地球辐射压摄动建模的方法。针对北斗导航系统特点,利用地球表层的反照率和红外发射率的分布格网数据,建立了精确的地球辐射压模型,并利用全球MGEX站观测数据和中国区域监测站数据,进行了对北斗卫星引入地球辐射压模型的验证试验,分析了其定轨精度,检验了模型的正确性和可靠性。试验表明,对北斗卫星来说,在加入地球辐射压模型ERPM2(Earth radiation pressure model 2)后,轨道精度比不加入地球辐射压模型提高约4 mm;加入ERPM1模型则相应提高约2 mm。对部分卫星,加入地球辐射压模型后,其轨道精度修正量可达5～10 mm。通过卫星激光测距(satellite laser ranging,SLR)检核发现,加入ERPM2模型后,北斗中轨道地球卫星正常姿态时的轨道径向精度提高3.1 cm,GPS 036卫星轨道径向精度改善0.8～1.4 cm。因此,地球辐射压摄动模型在北斗导航卫星高精度轨道确定研究中具有一定的意义。     

GPS定轨中的太阳辐射压模型

对于GPS这样的高轨卫星轨道的确定,最大的误差源为太阳辐射压摄动．近年来IGS各个数据处理中心提供的GPS星历精度越来越高,其中很重要的一个因素就是太阳辐射压摄动模型的不断完善．详细阐述了目前主要的7种太阳辐射压摄动模型后,给出了各种光压摄动模型的计算模型,并利用不同的摄动模型积分卫星轨道,得到不同模型在GPS卫星轨道积分中的精度．结果表明,Bern大学提供的3种模型对太阳辐射压的模拟较为准确,相对于其他4种模型,由其得到的GPS轨道精度有将近一个量级的提高．     

GPS星历对LEO星载GPS精密定轨精度的影响

目前,越来越多的低轨卫星上都搭载了用于精密定轨的星载GPs接收机,星载GPS已成为低轨卫星精密定轨的主要手段之一.星载GPS精密定轨精度依赖于GPS星历及钟差精度.基于SHORDE-Ⅲ非差动力学定轨功能,以2005年8月1日至8月7日一周的GRACE卫星实测数据为例,采用事后精密轨道(igs)、快速轨道(igr)和超快速轨道(igu)三种GPS星历在同等条件下定轨,估计GPS星历精度对低轨卫星定轨精度的影响,实际计算结果表明igs和igr两类GPS星历定轨精度相当,约为9.5 cm,igu星历定轨精度略低于igs和igr星历,约为10.5cm:高频GPS卫星钟差数据对定轨精度会产生1-6cm影响.     

基于GEO卫星分段测距资料的定轨研究

为了满足工程需求,充分利用观测资料信息,快速提供较好的卫星位置预报精度是必要的。在精密定轨的基础上,结合某GEO(地球同步轨道)卫星连续3天的测距观测资料,研究了使用GEO卫星的不同弧长的观测资料进行定轨和轨道预报的精度。结果表明,每天间隔11小时选取该段观测开始30分钟后的5分钟资料进行定轨,可以得到一个为期2天、精度好于15 m的预报轨道。     

卫星轨道确定模型误差的深度加权核估计方法

卫星动力学模型误差是客观存在的事实,动力学模型误差传递到轨道确定算法中构成部分形式未知的模型误差,并且与测量系统自身的系统误差和随机误差耦合在一起形成定轨模型误差,严重影响轨道确定精度.详细推导了存在动力学模型误差的轨道改进方程,对模型中能准确描述的部分建立了参数化模型,对不能准确描述的误差部分,建立了非参数模型.构建了部分线性轨道改进模型,利用二阶段估计法和核函数估计法对模型误差进行拟合估计,并在轨道改进中予以补偿.根据数据深度理论,建立了非参数模型误差的深度加权核估计方法,提高了模型误差估计的抗差性.最后结合天基空间目标监视系统进行了轨道确定仿真实验.实验结果表明,模型误差是影响轨道确定精度的重要因素,核函数估计法可以有效估计定轨中的模型误差,窗宽是提高模型估计精度的重要变量,通过深度加权处理可以明显提高核函数估计的抗差性,提高轨道确定精度.     

北斗系统测站钟差短期预报模型比较及其在单星定轨中的应用

北斗卫星导航系统(BDS)地面跟踪站都配置有高精度的氢原子钟,并基于精密定轨数据处理与主站的时间基准进行同步.在卫星轨道机动以及机动恢复期间,通常采用几何法定轨以及单星定轨确定卫星的轨道.而在这两种定轨模式中,需要提供精确的测站钟差作为输入.为提高定轨的实时性,需要对测站钟差进行预报处理.分析了2次多项式模型、附加周期项模型、灰色模型3种模型对北斗地面跟踪站钟差短期拟合和预报的性能,并将钟差预报结果应用于单星定轨,同时还分析了不同预报钟差用于定轨的精度.试验发现,以上3种模型对6个测站钟差的平均拟合精度分别为0.14 ns、0.05 ns、0.27 ns,预报1 h的平均精度分别为1.17 ns、0.88 ns、1.28 ns,预报2 h的平均精度分别为2.72 ns、2.09 ns、2.53 ns.采用3种模型对测站钟差进行预报并用于单星定轨,采用附加周期项的钟差预报模型轨道3维误差最小,不同模型轨道径向精度差异在3 cm以内.以上结果表明,附加周期项的站钟拟合及预报模型在北斗系统机动期间的轨道恢复数据处理具有最好的效果.     

卫星星座时间同步中星间链路的设计和性能分析

在卫星星座内的时间同步中,为满足时间同步信号的传输要求,需要对星间链路进行分析和设计。对星间链路各参数之间的关系进行了分析,并对低地球轨道(LEO)卫星和中地球轨道(MEO)卫星的星间链路参数和性能分别进行了计算和分析。另外,还对受天线指向误差影响的LEO卫星和MEO卫星的星间链路性能进行了分析。在分析计算的基础上完成了符合要求的星间链路的参数设计。     

SGP4/SDP4模型精度分析

本文基于最新发布的SGP4/SDP4(Simplified General Perturbation Version 4/Simplified Deep-space Perturbation Version 4)模型设计了一套定轨方案,从空间目标库中挑选出不同类型和轨道参数的1120个目标进行计算,定量给出了SGP4/SDP4模型处理不同类型空间目标的定轨预报精度.结果表明:近地目标定轨精度为百米量级;半同步和同步轨道定轨精度平均为0.7和1.9km.椭圆轨道目标的定轨精度与偏心率有关,除少数e>0.8的椭圆轨道目标,绝大多数椭圆轨道目标定轨误差均小于10km.用SGP4/SDP4模型对近地目标预报3天,半同步轨道预报30天,同步轨道预报15天,椭圆轨道预报1天,预报误差一般不超过40km.