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.     

星载GPS相位观测值非差运动学定轨探讨

在几何法、动力学法和减缩动力学法定轨基础上，探讨了星载GPS相位观测值非差运动学定轨方法及其实现程序。该方法无需复杂的力学模型和地面资料，只需LEO(Low Earth Orbit)卫星上的GPS数据和IGS的GPS精密星历产品，它计算简单、方便，能快速、高精度地确定轨道，同时，还能确定一些动力学参数，但没有轨道预报功能；针对法方程系数矩阵比较庞大，提出了矩阵分块、上三角化的参数解算方法，并用CHAMP卫星资料分析了上述方法的定轨精度。     

抗差估计在星载GPS卫星非差运动学定轨中的应用

针对星载GPS卫星非差运动学定轨的特点,提出将抗差估计应用于星载GPS卫星运动学定轨,一方面尽量保留来自每颗GPS卫星的观测值,保持较强的卫星几何强度,避免轨道求解出现奇异;另一方面,采用等价权思想,有效地降低质量较差的观测值对定轨结果的影响,保证定轨精度．还采用CHAMP卫星的实测GPS数据验证了新方案的可行性和有效性．     

用非差分方法确定单颗导航卫星的轨道

在导航系统中有时需要对单颗导航卫星进行定轨.此时由于无法组成常用的同历元单差或双差以消除卫星钟差或接收机钟差,有必要发展新的定轨策略和精度分析.该文以GPS为例,讨论在不依赖于星站间时间同步的情况下,对单颗导航卫星进行精密定轨.首先分析了GPS卫星钟差以及GPS接收机钟差的特性,发现在一定间隔内钟差主要表现为线性变化,而在去除这一线性项后,非线性钟差在3 m以内.利用GPS的伪距对单颗卫星定轨,在将钟差的主要部分作为测距的偏差和偏差变化率后,伪距测量量等价于常见的测距测量量.在利用等价的测距测量量定轨时可同时解算出偏差和偏差变化率参数.为验证该方案的可行性及其定轨精度,利用实测GPS观测数据进行了试验.结果表明,此种定轨方案定轨的径向精度优于4 m.考虑到GPS接收机的频率信号是由普通的晶振产生的,如果地面接收机采用原子钟提供的频率标准,其钟差的非线性部分将更小.模拟计算表明,采用本方案可以期望得到更高的定轨精度.     

区域网GPS卫星独立定轨的研究

根据我国广域差分GPS系统对GPS卫星定轨的要求,通过对国内GPS跟踪网实测数据的处理,分析和讨论了区域网定轨的数据处理方法和可能达到的定轨精度。为了提高所定轨道的稳定性和先进实时预报的精度,通过对所定轨道的误差分析提出在轨道沿迹方向引入经验加速度计算方案。计算结果表明,采用此方法后GPS卫星的定轨精度有了显提高。既论证了利用我国区域GPS网和广播星历进行独立定轨的可行性,也阐述了提高轨道预报精度的方法。     

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.     

灰色模型修正及其在实时GPS卫星钟差预报中的应用研究

在GPS实时精密单点定位中,卫星钟差的实时可靠预报是实现GPS实时高精度单点定位的关键之一.星载GPS原子钟频率高,非常敏感,极易受到外界及其本身因素的影响,从而很难掌握其复杂细致的变化规律,这些属性符合灰色系统理论的特点.因此,考虑将钟差的变化过程看作一个灰色系统.在探讨二次多项式和灰色模型卫星钟差预报局限性基础上,提出了利用改进的灰色模型实时预报GPS卫星钟差的研究,最后利用3个不同时段的GPS卫星钟差资料进行不同采样间隔钟差预报精度分析、灰色模型指数系数与预报精度的关系、与二次多项式预报精度比较分析,总结不同卫星钟差类型与模型指数系数的一般关系,并与IGS最终钟差星历产品比较,验证本文提出的改进预报模型的可行性和有效性.为实时GPS动态精密单点定位提供较高精度的卫星钟差产品.     

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。     

HY2D卫星星载GPS数据精密定轨研究

采用HY2D卫星2021年6月1日―14日和6月19日―27日星载GNSS主、备份接收机数据,基于简化动力学定轨算法,研究了星载GPS精密定轨技术,分析了主、备份接收机性能及其定轨精度。利用主、备份星载GPS数据定轨,得到相位拟合残差RMS的平均值,分别为0.69 cm和0.82 cm。当轨道重叠4 h时,主份接收机径向差异为0.2 cm,三维位置差异为0.6 cm;备份接收机径向差异为0.3 cm,三维位置差异为1.7 cm,备份接收机结果差异稍大。用法国CNES提供的精密轨道检验主、备份接收机数据的定轨精度,发现主、备份接收机定轨结果与法国产品的径向差异平均值分别为0.8 cm和1.2 cm。用站星间高度角大于20°的全球SLR核心测站观测数据检验主、备份接收机定轨精度,其测距方向残差RMS分别为1.51 cm和2.44 cm。研究结果表明,HY2D卫星搭载的主、备份星载双频GNSS接收机都可以满足卫星径向厘米级精度的定轨需求。     

GIM在LEO卫星单频GPS定轨中的应用

电离层延迟误差是单频GPS(Global Positioning System)数据最主要的误差源,为提高基于单频GPS数据的LEO(Low Earth Orbiting)卫星定轨精度,必须消除/减弱GPS观测数据中电离层延迟影响.研究了全球电离层模型GIM(Global IonosphericMaps)在基于单频GPS伪距数据的低轨卫星运动学和动力学定轨中的应用,并通过估算电离层尺度因子的方法消除C/A码伪距观测量中电离层延迟影响.由于LEO卫星星载GPS信号受电离层延迟影响与卫星轨道高度相关,选取了轨道高度在300～800 km的CHAMP(CHAllenging Mini-satellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery AndClimate Experiment)、TerraSAR-X及SAC-C等LEO卫星C/A码伪距观测量作为试算数据.CHAMP等卫星实测数据计算结果表明:以JPL(Jet Propulsion Laboratory)发布的GIM模型作为背景模型,通过电离层比例因子法能很好地消除C/A码伪距观测量中电离层延迟影响,提高LEO卫星运动学和动力学定轨精度,其中,CHAMP卫星轨道最低,受电离层延迟影响最严重,定轨精度提高最显著,分别为55.6%和47.6%;SAC-C卫星轨道高度最高,受电离层延迟影响最小,相应的定轨精度提高幅度也最低,分别为47.8%和38.2%.     

Kinematic Precise Orbit Determination for LEO Satellites Using Space-borne Dual-frequency GPS Measurements

As a special approach to orbit determination for satellites with spaceborne GPS receivers, the kinematic Precise Orbit Determination (POD) is independent of any mechanical model (e.g., the Earth gravity ?eld, atmospheric drag, solar radiation pressure, etc.), and thus especially suitable for the orbit determination of Low Earth Orbiting (LEO)satellites perturbed strongly bythe atmosphere. In this paper, based on the space-borne dual-frequency GPS data, we study the kinematic POD, discuss the pre-processing of the data, and construct an algorithm of zero-difference kinematic POD. Using the observational data from GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) satellites covering the whole month of February 2008, we verify the effectiveness and reliability of this algorithm. The results show that the kinematic POD may attain an accuracy of about 5 cm (with respect to satellite laser ranging data), which is at the same level as the dynamic and reduced-dynamic PODs     

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．     

基于不同轨道高度iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究

基于通信卫星的导航系统可以利用比地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit,GEO）高约200 km的倾斜高圆轨道（inclined Highly Circular Orbit,iHCO）通信卫星组成导航星座.结合两种轨道高度的倾斜高圆轨道通信卫星,仿真分析了利用倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统（Chinese Area Positioning System,CAPS）的导航性能,并讨论了利用倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统实现中国区域覆盖的最佳星座布局.     

The Application of GIM in Precise Orbit Determination for LEO Satellites with Single-Frequency GPS Measurements

With the precise GPS ephemeris and clock error available, the iono- spheric delay is left as the dominant error source in the single-frequency GPS data. Thus, the removal of ionospheric effects is a ma jor prerequisite for an improved orbit reconstruction of LEO satellites based on the single-frequency GPS data. In this paper, the use of Global Ionospheric Maps (GIM) in kine- matic and dynamic orbit determinations for LEO satellites with single-frequency GPS pseudorange measurements is discussed first, and then, estimating the iono- spheric scale factor to remove the ionospheric effects from the C/A-code pseu- dorange measurements for both kinematic and dynamic orbit determinations is addressed. As it is known that the ionospheric delay of space-borne GPS sig- nals is strongly dependent on the orbit altitudes of LEO satellites, we select the real C/A-code pseudorange measurement data of the CHAMP, GRACE, TerraSAR-X and SAC-C satellites with altitudes between 300 km and 800 km as sample data in this paper. It is demonstrated that the approach to eliminating ionospheric effects in C/A-code pseudorange measurements by estimating the ionospheric scale factor is highly effective. Employing this approach, the accu- racy of both kinematic and dynamic orbits can be improved notably. Among those five LEO satellites, CHAMP with the lowest orbit altitude has the most remarkable improvements in orbit accuracy, which are 55.6% and 47.6% for kine- matic and dynamic orbits, respectively. SAC-C with the highest orbit altitude has the least improvements in orbit accuracy accordingly, which are 47.8% and 38.2%, respectively.     

GPS卫星的激光测距和应用研究

简述了SLR和GPS跟踪技术的发展概况。详细介绍了近几年来对GPS－35、36卫星的激光测距进展和应用研究的情况。给出了残差分析的初步结果,并指出了目前GPS卫星的稀少的激光测距资料对卫星精密定轨和站坐标的解算是有价值的。同时,也简单地评述了GPS卫星的微波和激光跟踪技术各自的优势和弱点．建议联合利用GPS-35、36卫星的SLR和GPS观测资料来开展有关的应用研究。最后,对今后的应用研究工作提出了建议．     

GPS定位中的误差分析

介绍了GPS的空间部分、地面控制部分和用户部分的发展状况及其作用。并对GPS定位的基本原理做了阐述。GPS定位误差由几何精度因子和站星距离的测量误差决定,站星距离的测量误差由3大类误差因素决定,它们是与GPS卫星有关的误差、与GPS卫星信号传播有关的误差、与GPS信号接收设备有关的误差。对上述重要误差进行了系统全面的分析,并提出了具体的误差修正模型及各种减小或消除误差的方法。     

面向单脉冲信号分类的集成特征选择与评价

受大量射频干扰信号影响,快速从海量观测数据中准确识别出单脉冲信号已成为天文数据处理的一项重要任务,而设计和提取有效数据特征,是利用机器学习进行单脉冲信号高效识别的决定因素.针对如何选择最优特征,进而提升单脉冲信号的分类精度这一关键问题,设计了面向单脉冲信号分类的集成特征选择方法.方法首先混合单脉冲信号的参数特征、统计特征和抽象特征,然后分别利用5种单一特征选择方法选出各自的最优特征集,最后利用贪心策略对5种单一方法获取的最优特征集进行集成筛选,获取最优集成特征集.实验表明,最优特征集合既包含统计特征也包含抽象特征.在相同特征数量下,利用集成特征选择比单一特征选择能获得更高的模型精度,可使F1值最高提升1.8%.在海量数据背景下,集成特征选择对减少特征数量、提升分类性能和加快数据处理速度具有重要作用.     

GPS掩星折射率剖面一维变分同化

近年来,GPS／LEO(全球定位系统／低地球轨道)卫星无线电掩星技术给出了地球大气探测的新途径．从LEO卫星观测到的掩星数据可以反演的地球大气的气压、水汽、温度等剖面;它们对气象和大气科学研究,是具有潜在价值的数据资源．掩星数据资料的同化技术可以有效地改进这些气象参数的剖面,从而改进目前的数值天气预报模式．在当前采用的一维变分同化反演技术中,可以用掩星观测资料的大气折射率或弯曲角剖面进行同化,来反演大气水汽和温度剖面以及海平面压强．作为独立自主开发的GPD／LEO掩星技术系统的一部分,以欧洲中尺度天气预报分析(ECMWF)资料为背景场,CHAMP 掩星观测得到的折射率剖面为观测值,采用Levenberg—Marquardt方法实行GPS掩星资料一维变分同化．在讨论中,用掩星观测点附近相应的探空气球资料来检验CHAMP掩星资料变分同化的结果．     

区域导航卫星精密定轨研究

区域卫星导航系统采用混合星座设计,GEO(地球同步轨道)卫星是系统的重要组成部分,其精密定轨技术也是导航系统的关键技术之一。GEO卫星的高轨特性致使地面跟踪基线长度有限,定轨几何条件不佳;其静地特性致使卫星轨道与钟差存在强相关特性,对于基于伪距的GEO卫星定轨模式,需要星地与站间时间同步技术的支持。因此,如何利用区域卫星导航系统的多种测量技术实现多模式、多层次的导航卫星精密定轨,是一项值得深入研究的课题。