北斗系统时差定位报告选星方法研究

北斗卫星导航系统提供的无线电测定服务解决了"何人、何时、何处"的相关问题,实现了定位报告和态势共享,是北斗系统与其他全球卫星导航系统竞争的一个优势。利用北斗系统的无线电导航服务,可以使无线电测定服务摆脱对高程库的依赖,提高定位精度。研究了北斗系统时差定位报告的原理及形成时差的中圆地球轨道卫星的选星方法。模拟分析了北斗系统时差定位报告位置精度衰减因子随用户及北斗系统中圆地球轨道卫星位置变化的情况,得出如下结论:位置精度衰减因子主要受中圆地球轨道卫星纬度影响,中圆地球轨道卫星位于70°~80°N时,位置精度衰减因子最小;北斗系统时差定位报告选星时,在符合观测条件下,应选择纬度较大的中圆地球轨道卫星。为实现快速选星,推导了粗略估计卫星纬度的方法,仅利用5个卫星轨道参数实现快速计算卫星的粗略纬度。     

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统(BDS-3)已经于2018年年底建成基本系统,并计划于2020年建成完整系统,而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道(MEO)卫星,评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度,利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测,进行了联合卫星轨道测定试验,并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较,分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明:北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9cm,测距精度约为4.4cm;仅采用区域测站定轨,重叠弧段三维位置误差RMS为66.7cm,加入星间链路后可降低至15.4cm,提高了76.9%,24h轨道预报位置精度也由114.1cm提升至20.3cm,提升了83.2%,激光检核径向精度为8.4cm左右,明显优于北斗二号卫星轨道精度。     

北斗卫星轨道预报精度分析及改进

针对北斗GEO、IGSO、MEO的3种卫星类型和动态偏航、零偏航两种姿态控制模式,进行了以ECOM光压模型为基础的轨道预报精度分析。确定了北斗3类卫星的短期、中期、长期预报光压参数选择策略。采用光压参数修正法,通过对北斗卫星光压参数长期变化规律建模,有效提升了地影段轨道长期预报精度。研究结果可同时服务于北斗卫星轨道确定及历书参数生成。     

北斗全球导航卫星的运动学解算方法研究

在GNSS中,获取各个可见卫星的位置和速度是卫星导航接收机实现定位、测速和定时的必要条件。介绍北斗全球导航卫星的星历数据参数,依据卫星星历参数,给出了卫星空间位置、运行速度和加速度的数学表达式;研究基于轨道插值的卫星状态估计方法,利用分段三次埃尔米特插值计算卫星位置与速度;采用Matlab软件编制星历参数法与插值法的解算软件,并通过实验仿真验证了两种方法的可行性。结果表明,插值法得到的卫星位置误差可满足导航定位需求,在处理数据量大的情况下,插值法提高了计算效率。     

低轨卫星增强北斗三号导航星座性能分析

针对低轨卫星星座有待合理化设计的问题,深入研究了低轨卫星星座增强北斗三号系统定位性能。分析轨道高度、轨道倾角、星座构型对星座覆盖性能的影响,仿真北斗三号、GPS和3种不同类型的低轨星座,研究各低轨星座与北斗三号、GPS的组合系统在所选7个测站以及全球范围内的可见卫星数和PDOP值分布。结果表明低轨卫星对北斗三号的增强效果主要与低轨卫星数目有关,且不同轨道倾角的组合低轨星座有利于均衡系统在全球范围内的可见卫星数与PDOP值分布。低轨卫星有望通过改善卫星观测几何构型提高北斗三号系统的定位性能,且增强效果与低轨星座构型密切相关。     

椭球参数对北斗与GPS广播星历计算互操作性的影响

多卫星系统之间的兼容与互操作能够减轻用户计算的负担,降低接收机生产厂商的成本,而目前的四大卫星导航系统(GPS、GLONASS、Galileo和北斗)在系统互操作方面仍然存在一些问题。本文分析了北斗与GPS椭球参数不同对广播星历计算互操作的影响,列出了北斗与GPS在广播星历计算时采用的地心引力常数和地球自转角速度;对于采用广播星历计算导航卫星位置,分别从理论和实际数据两方面计算分析了地心引力常数及地球自转角速度微小差异对北斗和GPS的影响。理论和计算表明,北斗与GPS间的地心引力常数差异可以造成卫星位置几米误差,而两者的地球自转角速度差异可以造成卫星位置十几米甚至是几十米的误差。     

北斗卫星ECOM光压模型参数选择策略分析

以ECOM经验光压模型为基础,利用北斗卫星3年的精密星历进行轨道拟合,获得了ECOM光压参数的变化规律,给出了北斗3类卫星的ECOM光压参数选择策略。从北斗卫星姿态控制模式出发,通过卫星星体受照分析,指出在北斗卫星地影期零偏航状态下,由于太阳对卫星帆板的不正照,导致与动态偏航姿态相比,光压摄动力存在与轨道周期相关的分量,需要在ECOM 5参数的基础上增加D向周期分量进行吸收。通过MGEX全球网数据定轨试验,本文提出的方法可使零偏段定轨重叠段位置精度提高50%~80%。     

北斗系统简约历书的初步设计分析

简要介绍了全球定位系统的简约历书参数,分析了简约历书与中等精度历书参数的不同之处。基于此初步设计出了我国北斗系统的简约历书参数,给出了相应的轨道长半轴参考值和常量参数取值。导出了卫星位置对简约历书参数的偏导数,分析了常量参数的变化对简约历书参数拟合精度的影响。计算结果表明:(1)轨道长半轴的较小偏差不会影响简约历书参数的精度;(2)升交点赤经变化率的较小波动对简约历书参数的精度影响不大;(3)轨道面倾角的微小变化将会引起较大的简约历书参数拟合误差;(4)北斗系统的简约历书参数精度与全球定位系统简约历书参数基本相当,这也说明了所设计的北斗系统简约历书参数是合理的。     

北斗三号空间信号测距误差评估与对比分析

北斗三号作为我国自主建设的全球卫星导航系统,其本身性能水平以及与其他卫星导航系统的性能对比情况,对后续推广应用具有重要影响。为此,本文以空间信号测距误差（signal-in-space range error,SISRE）作为系统关键性能指标,以GFZ提供的多系统精密轨道钟差作为标准,给出了卫星轨道、卫星钟差、SISRE的比对评估方法,并以2020年1—3月共3个月的实测数据,验证了北斗三号相对北斗二号的精度改进情况,并重点分析了北斗三号与GPS、Galileo、GLONASS之间的性能对比关系。结果表明：无论是卫星轨道还是卫星钟差,北斗三号的精度水平相对北斗二号都有了明显提高;北斗三号卫星轨道在R、T、N方向精度分别达到0.07、0.30、0.26 m,在4个全球系统中处于最优水平;卫星钟差精度达到1.83 ns,基本与GPS系统持平,优于GLONASS,但还略差于Galileo;在空间信号测距误差方面,如果仅考虑轨道误差,北斗三号SISRE（orb）平均达到0.08 m,紧随其后,Galileo达到0.26 m,GPS达到0.57 m,GLONASS达到0.98 m。如果综合考虑轨道和钟差误差,北斗三号SISRE平均达到0.50 m,稍逊于Galileo的0.38 m,略优于GPS的0.58 m,明显好于GLONASS的2.35 m。     

北斗精密定轨及广播星历轨道精度评估

目前各类用户对基于北斗卫星导航定位服务需求在不断扩大,由于广播星历实时、易获取,北斗广播星历精度是实时导航定位用户关心的问题,也是检验系统是否达成设计指标的关键因素。文中基于国家基准站和MGEX站计算北斗精密轨道,重复弧段精度优于利用国际站计算结果。将计算的北斗精密轨道作为参考,更加准确地评估分析北斗广播星历轨道误差的精度。分析结果显示,北斗广播星历轨道径向精度优于法向和切向精度,且法向误差具有较为明显的周期性。各类卫星中,GEO卫星精度稍差,而IGSO和MEO卫星与GPS在同一量级。随着北斗卫星系统逐步组网完善,地面监测站分布趋于合理,北斗系统整体性能将会不断提高。     

基于BDS广播星历的卫星轨道拟合精度分析

在实时定位导航中,为了提高利用BDS广播星历计算卫星位置的效率,提出将卫星轨道拟合为一个多项式.首先利用切比雪夫多项式拟合法,将拟合时段固定为1 h,拟合间隔固定为5 min,每30 s选取一个检验点,利用不同的拟合阶数,分别对GEO、IGSO、MEO三类不同类型的北斗卫星轨道进行拟合分析;然后将拟合阶数固定为9,利用2～6 min的拟合时间间隔,将三类卫星作为整体进行轨道拟合分析.算例表明,只要选取合适的拟合阶数,三类不同类型的北斗卫星轨道拟合精度都较高,拟合误差最大值在厘米级,误差均值在毫米级,满足精度要求;固定9阶拟合多项式时,2～6 min时间间隔的拟合精度都可以满足精度需求.切比雪夫多项式拟合法适用于BDS广播星历的卫星轨道拟合.      

基于STK软件的北斗导航卫星轨道模拟

北斗卫星导航系统应用日趋广泛,文中以北斗卫星导航系统为主要研究对象,利用STK模拟完整的北斗卫星导航系统空间星座,实现基于STK的北斗系统的星座仿真、卫星轨道仿真,同时完成卫星的可见性分析与卫星覆盖分析,实现北斗卫星导航系统的仿真应用。目前,北斗卫星导航系统正处于建设阶段,文中结论对北斗卫星导航系统的建设与应用有一定的参考意义。     

Beidou satellite maneuver thrust force estimation for precise orbit determination

Beidou satellites, especially geostationary earth orbit (GEO) and inclined geosynchronous orbit (IGSO) satellites, need to be frequently maneuvered to keep them in position due to various perturbations. The satellite ephemerides are not available during such maneuver periods. Precise estimation of thrust forces acting on satellites would provide continuous ephemerides during maneuver periods and could significantly improve orbit accuracy immediately after the maneuver. This would increase satellite usability for both real-time and post-processing applications. Using 1 year of observations from the Multi-GNSS Experiment network (MGEX), we estimate the precise maneuver periods for all Beidou satellites and the thrust forces. On average, GEO and IGSO satellites in the Beidou constellation are maneuvered 12 and 2 times, respectively, each year. For GEO satellites, the maneuvers are mainly in-plane, while out-of-plane maneuvers are observed for IGSO satellites and a small number of GEO satellites. In most cases, the Beidou satellite maneuver periods last 15–25 min, but can be as much as 2 h for the few out-of-plane maneuvers of GEO satellites. The thrust forces acting on Beidou satellites are normally in the order of 0.1–0.7 mm/s². This can cause changes in velocity of GEO/IGSO satellites in the order of several decimeters per second. In the extreme cases of GEO out-of-plane maneuvers, very large cross-track velocity changes are observed, namely 28 m/s, induced by 5.4 mm/s² thrust forces. Also, we demonstrate that by applying the estimated thrust forces in orbit integration, the orbit errors can be estimated at decimeter level in along- and cross-track directions during normal maneuver periods, and 1–2 m in all the orbital directions for the enormous GEO out-of-plane maneuver.     

北斗卫星18参数广播星历拟合中关于调和项的影响分析

根据GPS最新的ICD文档定义的18参数广播星历模型,分别推导在考虑调和项和忽略调和项的情况下各个参数的偏导数公式,且对参数ΔA偏导数的简化进行定量分析,并通过北斗MEO卫星定轨数据对忽略调和项和简化ΔA偏导数后的拟合算法进行测试,结果说明采用忽略调和项的偏导数和经过简化后ΔA偏导数对拟合精度基本没有影响。     

中国第一代导航卫星系统北斗一号无线电波的频谱特征

北斗一号是中国第一代区域性卫星导航和定位系统。本文综合国外对该系统的无线电波的频谱特征作一综合介绍。论述了北斗一号导航和定位系统的构成、工作频率和地面待定点的定位精度,论述了该系统的工作程序和北斗卫星的频谱,以及北斗卫星信号的特征图。     

GPS卫星精密星历的实时确定

建立了一种GPS卫星实时轨道确定的新算法。该算法用法方程叠加方法更新卫星轨道参数,然后根据卫星轨道与卫星轨道参数之间的数值微分关系计算新的卫星轨道,并详细分析了用中国GPS跟踪网数据实时定轨的结果。     

GNSS监测评估中心北斗卫星产品分析

通过统计2016年3月14日至7月24日共135 d的北斗产品卫星轨道、钟差均方根值(RMS)及对流层i GMAS(国际GNSS监测评估系统)值在不同时段的变化状况,分析近几个月各时间点的北斗卫星运行情况,结合卫星误差影响的来源,分析其变化规律及原因。有利于探测异常误差,发现产品运行规律,提高产品结果的稳健性,帮助科研工作者发现并下载高质量数据,确定北斗卫星下一步研究方向。     

GEO卫星条件下的辅助式定位算法性能分析

在卫星导航定位过程中,当辅助式定位算法在信号质量不佳时,利用更多的观测卫星数据进行冗余计算,能够补齐缺失的信号时间并得到定位结果. 由我国自行研制的北斗卫星导航系统(BDS)采用了混合卫星星座,有一类地球同步轨道(GEO)卫星,具有24 h可见、轨道高覆盖面大、信号功率强等优势. 论文分析了在特殊情况下,只能接收到GEO卫星时的辅助式定位算法以及算法的性能差异. 结果表明:在没有高程等先验信息辅助的情况下,直接使用5颗GEO卫星也能获得一定的定位精度保障.      

北斗卫星发射场系统GNSS控制网的优化设计

北斗导航卫星发射场系统GNSS控制网是为北斗卫星发射提供高精度的位置基准、射向基准及轨道测控基准,本文针对发射场系统GNSS控制网建立技术特点,以控制网观测的效率性、可靠性、经济性、精度性为优化设计指标,分别从控制基准优化选取、网形结构设计以及优化精度估算等方面对实施方案进行了优化设计,并通过实际作业验证该优化设计方法的科学性和可操作性。