低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析

为提升区域地面监测站条件下北斗卫星定轨精度,面向日益丰富的北斗星载数据和即将实现的星间链路技术,提出了联合运用地面监测站数据、低轨卫星星载数据与星间链路数据的北斗卫星精密定轨方法。讨论了低轨卫星星载数据与星间链路数据增强对于导航卫星精密定轨的影响,重点从低轨卫星数量、轨位分布及星间链路等方面进行了仿真分析。结果表明:加入少量低轨卫星与区域监测站联合定轨即可显著提高导航卫星定轨精度约73%,钟差解算精度略有改进但不明显;同等数量且均匀分布的低轨星座,其轨位分布对联合定轨精度影响不大;加入星间链路数据可大幅提升导航卫星定轨精度,且改进效率高于低轨卫星。     

星地SLR和星间链路的BDS-3卫星精密定轨EI北大核心CSCD

目前,BDS-3卫星上已全部搭载星间链路设备,可利用星间双向测量数据分离卫星相对钟差和相对几何距离解耦卫星轨道和钟差,再把星间距离作为观测量结合地面测量数据进行星地星间联合定轨。人卫激光测距(SLR)技术不受载波相位模糊度、钟差等因素的影响,数据处理过程相对于GNSS技术的数据处理更简单,可以作为一种独立于GNSS观测技术的测量手段。所有BDS卫星上已搭载激光角反射器,因此本文利用2020年1月北斗星间链路数据及少量SLR数据对11颗BDS-3卫星(MEO/IGSO/GEO)进行联合精密定轨试验。分析结果表明,基于SLR和星间链路的3类轨道类型的BDS-3卫星定轨精度相当,轨道精度径向为4.2 cm,三维精度为30.2 cm;卫星轨道预报12 h和24 h MEO卫星三维精度约40.0 cm,IGSO三维精度优于60.0 cm;GEO卫星三维精度约1.0 m。在精密定轨的同时解算地球自转参数(ERP),由于激光数据量少,极移精度约3.0 mas,日长变化精度为0.35 ms。利用少量SLR观测数据和星间链路测量数据联合可以实现导航卫星的高精度定轨,如果能够对BDS卫星加强激光观测,有助于提升轨道精度,为BDS自主可控空间基准参数解算提供参考。     

星地跟踪网的导航卫星精密轨道确定及预报

针对区域跟踪网不能覆盖导航卫星全弧段从而导致卫星定轨精度低的问题,简述了导航卫星和低轨卫星联合定轨模型,然后利用星地跟踪网观测数据同时确定了低轨卫星和导航卫星精密轨道,并根据实验结果详细分析了低轨卫星在联合定轨中所起到的作用。计算结果表明,引入低轨卫星之后,全球网和区域网定轨精度分别平均提高了20.0%和44.3%,区域网6h和24h的轨道预报精度分别优于10cm、13cm,利用星地跟踪网观测数据联合定轨方案是一种提高定轨精度并削弱对地面站依赖性的有效方法。     

低轨卫星星载GNSS精密定轨的精度检核方法

基于星载GNSS的低轨卫星精密定轨是目前大地测量领域的研究热点,也是解决我国对地观测卫星精密轨道确定最有效的手段。讨论了目前低轨卫星星载GNSS精密定轨的精度评价方法,并通过对GRACE卫星的实测和仿真数据的处理和分析,讨论了这些方法在不同观测条件下的有效性与局限性。     

利用GNSS星间链路对中高轨航天器测定轨的可行性研究

目前中高轨航天器精密轨道确定普遍采用地面跟踪测量体制,面临跟踪弧段不够、跟踪精度不高、无载体自主定位能力的问题。GNSS星间链路网络的建立为中高轨航天器定轨提供了新思路。介绍了基于GNSS星间链路的中高轨航天器定轨新方法,设计仿真模型分析了其可见性、定位精度、链路预算,并进行了自主定轨模拟计算。结果表明:以GNSS星间链路实现中高轨航天器测定轨,可见星数目多、定位精度好、链路余量高,对中高轨航天器在径向的定轨精度可以达到6m以内,切向和法向在2m以内。本文测定轨方案可行,为GNSS在新领域的应用提供了思路。     

Swarm卫星星载GPS精密定轨方法及精度分析

Swarm星座是ESA的首个用于测量来自地球核心、地幔、地壳、海洋、电离层等区域磁场信息的对地观测卫星星座。而高精度的轨道信息正是其有效利用卫星载荷完成上述任务的前提条件。目前国内关于Swarm卫星精密定轨的研究较少,为此建立并推导了Swarm卫星精密定轨的动力学模型、观测模型以及它们之间的数学关系,详细给出了Swarm卫星精密定轨模型与实现过程。针对Swarm卫星精密定轨中姿态数据的处理问题提出了相应的解决方案。利用Swarm卫星星载GPS实测数据,采用约化动力学定轨方法进行Swarm卫星精密定轨实验。通过轨道衔接点位置差异、与外部精密轨道比较以及SLR验证等精度评定方法分析表明:基于星载GPS的Swarm卫星约化动力学定轨各方向的精度都优于3 cm。     

基于SLR的北斗卫星精密轨道确定

卫星轨道的精密确定是利用GNSS进行高精度导航和定位的前提。我国北斗二代卫星导航系统正处于建设阶段,在精密定轨方面还存在着尚未完全组网、观测数据较少、跟踪站局限于国内等不足。北斗卫星在对地一侧都安装了激光后向反射器,可以实施卫星激光测距。本文研究了利用SLR观测数据进行北斗卫星精密定轨的算法,并通过编程进行了实验。实验结果表明,利用SLR进行定轨的精度可以达到米级。     

重力卫星的星载GPS精密定轨

利用CHAMP和GRACE卫星的实测数据,研究了重力卫星的精密定轨问题,并针对几何法精密定轨方法给出了一种有效的星载数据编辑策略;在PANDA软件的基础上,处理了101 d的实测数据;通过与不同机构卫星轨道的比较、激光测距观测值检验以及重力场模型恢复等外部检核的方式,分析了卫星轨道的精度.结果显示,本文的简化动力学轨道的精度为2～3 cm;几何学轨道的定轨精度为3～4 cm,适用于重力场模型的解算.     

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     

低轨卫星精密定轨的轨道精度评估方法研究

厘米级精密卫星轨道是完成低轨卫星承担的科研、商业等任务的必须前提,其中事后轨道精度评定是低轨卫星精密定轨任务中重要一环。依据观测条件和卫星搭载设备等情况,选择合适的精度评定方法有利于客观准确的评估定轨结果。本文以GRACE卫星为例,讨论了内外精度评估方法,得到有益结论,为我国开展后续国产卫星精密定轨任务具有借鉴意义。      

低轨导航增强GNSS发展综述

低轨星座具有地面接收信号强度高、几何图形变化快的优势,能够与中高轨GNSS星座形成互补,对增强GNSS的精度、完好性、连续性和可用性具有显著优势,已成为当前卫星导航领域的关注热点。本文首先简要介绍了现有的GNSS增强系统;总结了国内外低轨导航增强星座发展现状;针对低轨导航增强,对比分析了高中低轨导航星座的优缺点;重点讨论了低轨导航增强在联合定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等方面带来的机遇;分析指出了低轨导航增强的空间段、地面段和用户段所面临的挑战。     

小型化LEO星座与BDS-3全星座联合定轨仿真

受限于区域监测站及地球静止轨道(geosynchronous earth orbit,GEO)卫星的静地特性,北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)定轨精度较差,加入低轨卫星(low earth orbit,LEO)星载数据可显著提升定轨精度.使用一种由24颗L...     

联合GNSS/LEO卫星观测数据的区域电离层建模与精度评估

高精度的电离层模型对于提高导航卫星系统的定位精度具有重要意义。低轨卫星的快速发展为建立高精度的电离层模型提供了新的契机。基于仿真数据模拟获得2017年1月1日—30日LEO(low earth orbit)和GNSS(global navigation satellite system)卫星观测数据,星座类型包括60、96、192和288颗卫星,以非洲区域为例,利用该数据研究GNSS和LEO卫星穿刺点的覆盖情况和联合建模精度。结果表明:加入LEO卫星后,穿刺点分布改善明显,能够大幅度提高穿刺点密度;单颗低轨卫星穿刺点的范围比GNSS卫星大,LEO卫星的高度角和方位角变化明显;随着低轨卫星数量的增加,融合建模的精度也随之提高;在12:00时东经30°不同纬度范围内,单GNSS建模和GNSS+288 LEO建模差值最大为-1.6 TECU(total electron content unit);随着建模时长的增加,融合建模结果和单GNSS结果差值逐渐变小。     

Phase center modeling for LEO GPS receiver antennas and its impact on precise orbit determination

Most satellites in a low-Earth orbit (LEO) with demanding requirements on precise orbit determination (POD) are equipped with on-board receivers to collect the observations from Global Navigation Satellite systems (GNSS), such as the Global Positioning System (GPS). Limiting factors for LEO POD are nowadays mainly encountered with the modeling of the carrier phase observations, where a precise knowledge of the phase center location of the GNSS antennas is a prerequisite for high-precision orbit analyses. Since 5 November 2006 (GPS week 1400), absolute instead of relative values for the phase center location of GNSS receiver and transmitter antennas are adopted in the processing standards of the International GNSS Service (IGS). The absolute phase center modeling is based on robot calibrations for a number of terrestrial receiver antennas, whereas compatible antenna models were subsequently derived for the remaining terrestrial receiver antennas by conversion (from relative corrections), and for the GNSS transmitter antennas by estimation. However, consistent receiver antenna models for space missions such as GRACE and TerraSAR-X, which are equipped with non-geodetic receiver antennas, are only available since a short time from robot calibrations. We use GPS data of the aforementioned LEOs of the year 2007 together with the absolute antenna modeling to assess the presently achieved accuracy from state-of-the-art reduced-dynamic LEO POD strategies for absolute and relative navigation. Near-field multipath and cross-talk with active GPS occultation antennas turn out to be important and significant sources for systematic carrier phase measurement errors that are encountered in the actual spacecraft environments. We assess different methodologies for the in-flight determination of empirical phase pattern corrections for LEO receiver antennas and discuss their impact on POD. By means of independent K-band measurements, we show that zero-difference GRACE orbits can be significantly improved from about 10 to 6 mm K-band standard deviation when taking empirical phase corrections into account, and assess the impact of the corrections on precise baseline estimates and further applications such as gravity field recovery from kinematic LEO positions.     

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.      

Improving BeiDou precise orbit determination using observations of onboard MEO satellite receivers

In recent years, the precise orbit determination (POD) of the regional Chinese BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been a hot spot because of its special constellation consisting of five geostationary earth orbit (GEO) satellites and five inclined geosynchronous satellite orbit (IGSO) satellites besides four medium earth orbit (MEO) satellites since the end of 2012. GEO and IGSO satellites play an important role in regional BDS applications. However, this brings a great challenge to the POD, especially for the GEO satellites due to their geostationary orbiting. Though a number of studies have been carried out to improve the POD performance of GEO satellites, the result is still much worse than that of IGSO and MEO, particularly in the along-track direction. The major reason is that the geostationary characteristic of a GEO satellite results in a bad geometry with respect to the ground tracking network. In order to improve the tracking geometry of the GEO satellites, a possible strategy is to mount global navigation satellite system (GNSS) receivers on MEO satellites to collect the signals from GEO/IGSO GNSS satellites so as that these observations can be used to improve GEO/IGSO POD. We extended our POD software package to simulate all the related observations and to assimilate the MEO-onboard GNSS observations in orbit determination. Based on GPS and BDS constellations, simulated studies are undertaken for various tracking scenarios. The impact of the onboard GNSS observations is investigated carefully and presented in detail. The results show that MEO-onboard observations can significantly improve the orbit precision of GEO satellites from metres to decimetres, especially in the along-track direction. The POD results of IGSO satellites also benefit from the MEO-onboard data and the precision can be improved by more than 50% in 3D direction.     

星间单差模糊度固定的低轨卫星精密定轨精度分析

高精度、高可靠性的卫星轨道是实现低轨卫星精密应用的重要前提,而模糊度固定技术是提高卫星定轨精度的关键途径。研究了基于整数钟的星间单差模糊度固定原理和方法,并利用2019年4月—5月的两颗GRACE-FO（gravity recovery and climate experiment follow on）卫星数据（GRACE-C/D）系统评估了固定解对低轨卫星简化动力学和运动学定轨的精度提升效果。结果表明,两颗卫星简化动力学和运动学定轨的宽巷模糊度固定率均达到99%,而窄巷模糊度固定率在95%左右。对于简化动力学定轨,GRACE-C/D固定解轨道的重叠轨道的3D均方根误差（root mean square error, RMSE）分别从7.1 mm和7.4 mm减小到了4.2 mm和3.6 mm;卫星激光测距（satellite laser ranging, SLR）残差标准差（standard deviation, STD）分别从15.9 mm和14.4 mm降低到了10.8 mm和11.0 mm,精度提升了32%和24%;K波段测距残差RMSE从8.0 mm减小到2.9 mm,进一步表明固定解还能有效提升低轨卫星间相对位置精度。对于运动学定轨,与精密科学轨道产品互差3D RMSE,浮点解分别为37.5 mm和36.4 mm,固定解分别为27.7 mm和25.5 mm,精度提升约28%,SLR残差STD也减小了约20%。     

海量IGS数据实时线程池并发获取

随着全球卫星导航系统（GNSS）的迅猛发展,国际GNSS服务组织（IGS）发布了各类海量高精度服务数据。目前,IGS数据在GNSS基线解算、精密单点定位、卫星精密定轨、地壳形变监测、地球电离层和地球动力学研究等领域得到了广泛应用。传统的IGS服务数据下载过程烦琐而耗时,且易出错。如何快速且正确获取IGS数据是当前用户迫切关心的问题。本文基于FTP文件传输协议,设计了实时线程池并发和断点续传算法,并对海量IGS数据进行一站式分类下载测试,通过对试验结果进行分析比较,最终得出海量数据最优的获取方法。     

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。