BDS/GPS联合定轨的贡献分析

北斗卫星导航系统（BeiDou satellite navigation system,BDS）目前暂未具有全球导航定位能力,卫星轨道的全程跟踪与测站的几何结构还不完善,影响了卫星轨道的测定精度。针对上述问题,根据动力学定轨的原理与方法,推导了多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）联合定轨对参数求解精度的解析贡献量,并利用实测数据分析了BDS/GPS联合定轨对轨道和钟差求解精度的统计贡献量。结果表明,联合定轨对系统间公共参数求解精度的贡献显著,除地球静止轨道（geostationary orbit,GEO）卫星外,其余轨道和钟差求解精度均有显著提高。BDS/GPS联合定轨对BDS卫星轨道、卫星钟差均方根误差（root mean square,RMS）以及接收机钟差RMS的统计贡献量分别为36.21%、26.88%和20.88%,其中对可视卫星数较少的区域接收机钟差求解精度的贡献尤为显著,贡献量为45.95%。     

GBM快速轨道产品及非差模糊度固定对其精度的改进

GNSS是实时定位导航最重要的方法,精密卫星轨道钟差产品是GNSS高精度服务的前提。国际GNSS服务中心(IGS)及其分析中心长期致力于GNSS数据处理的研究及高精度轨道和钟差产品的提供。GFZ作为分析中心之一,提供GBM多系统快速产品。本文基于2015—2021年GBM提供的精密轨道产品,阐述了数据处理策略,分析了轨道的精度,介绍了非差模糊度固定的原理和对精密定轨的影响。结果表明:GBM快速产品中的GPS轨道精度与IGS后处理精密轨道相比的精度约为11~13 mm,轨道6 h预报精度约为6 cm;GLONASS预报精度约为12 cm,Galileo在该时期的精度均值为10 cm,但是在2016年底以后精度提升到5 cm左右;北斗系统的中轨卫星(medium earth orbit,MEO)在2020年以后预报精度约为10 cm;北斗的静止轨道卫星(geostationary earth orbit,GEO)卫星和QZSS卫星的预报精度在米级;卫星激光测距检核表明,Galileo、GLONASS、BDS-3 MEO卫星轨道精度分别为23、41、47 mm;此外,采用150 d观测值的试验结果表明,采用非差模糊度固定能显著改善MEO卫星轨道精度,对GPS、GLONASS、Galileo、BDS-2和BDS-3的MEO卫星的6 h时预报精度改善率分别为9%~15%、15%~18%、11%~13%、6%~17%和14%~25%。     

BDS-3/GNSS非组合精密单点定位

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）全球组网工作全面建成,标志着BDS-3迈入全球定位、导航和授时服务的新时代。为了全面比较BDS-3系统与其余全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）性能,重点分析不同分析中心BDS-3精密轨道和钟差产品的一致性、BDS-3/GNSS卫星可用性、BDS-3/GNSS单系统及多系统融合PPP定位性能。结果表明,基于5个分析中心的精密轨道和钟差产品,BDS-3静态PPP三维均方根误差约为2.31~4.00 cm,其单系统收敛时间明显慢于其余GNSS系统,GPS系统的加入对BDS-3/GNSS双系统融合PPP改善效果最为明显,且四系统融合能够有效地缩短收敛时间,并提高动态PPP定位精度。随着BDS-3系统的发展以及轨道和钟差产品的进一步完善,BDS-3同样具备其余GNSS系统提供优质导航定位服务的潜力。     

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%。     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system, GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system, Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明:5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播星历轨道、钟差精度大幅度变好,切向轨道、法向轨道与钟差精度已赶超GPS;BDS的广播星历轨道精度离散度较大,钟差精度出现不稳定现象;QZSS的广播星历轨道与钟差精度的稳定性与离散度相对最差。以2018年1 a的广播星历与精密星历为例分析了各个系统当前的广播星历精度,结果表明,当前GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS的考虑轨道误差与钟差误差贡献的空间信号测距误差（signal-in-space ranging error,SISRE）分别为0.806 m、2.704 m、0.320 m、1.457 m、1.645 m,表明Galileo广播星历整体精度最高,GPS次之,其次分别是BDS、QZSS和GLONASS。只考虑轨道误差贡献的SISRE分别为0.167 m、0.541 m、0.229 m、0.804 m、0.675 m,表明GPS广播星历轨道精度最高,其次分别是Galileo、GLONASS、QZSS和BDS。GPS卫星广播星历中新型号卫星的钟差精度总体要优于旧型号卫星。     

一种基于多频模糊度快速解算方法的BDS/GPS中长基线RTK定位模型

随着全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）进入多系统时代,空中导航卫星的可见卫星数不断增加,中国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）已开始面向用户提供三频导航信号,这都有利于改善单历元实时动态定位（real-time kinematic,RTK）的精度和可靠性。中长基线单历元RTK通常采用电离层无关组合算法,但是该方法将观测噪声进行了放大,模糊度固定成功率随着基线长度的增加而明显降低。提出一种BDS/GPS（global positioning system）中长基线单历元多频RTK定位算法,先以较高成功率快速固定BDS的两个超宽巷模糊度,继而通过简单变换得到BDS宽巷模糊度,然后将其辅助提高GPS宽巷模糊度固定成功率,最后采用将电离层延迟误差参数化的策略以提高BDS/GPS窄巷模糊度固定成功率。结合实测数据进行验证分析,结果表明本文算法是可行的。     

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。     

多GNSS融合的北斗卫星精密定轨

提供高精度的精密轨道产品对北斗系统的推广应用具有重要意义。给出了一种基于模糊度固定的北斗卫星多系统融合非差精密定轨方法,重点推导论述了模糊度固定的实现方法,并结合实测数据,对其精密定轨效果进行了分析,初步分析结果表明：利用本文方法,北斗GEO、IGSO、MEO卫星三维定轨精度分别达到1.263m、0.214m、0.134m,三类卫星径向定轨精度平均优于10cm,IGSO和MEO已经基本优于5cm;模糊度固定以后,北斗卫星三维定轨精度平均提高了21.8%,轨道切向精度改善最为明显,其中又以GEO卫星改进最大。     

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...     

北斗卫星导航系统双差动力法精密定轨及其精度分析

针对GEO卫星切向轨道分量与双差模糊度强相关的问题,对经典双差动力法进行了改进,提出联合使用载波相位和相位平滑伪距实现北斗系统精密定轨,并从理论上分析了以上处理策略的可行性及对模糊度固定的影响,然后结合北斗系统精密定轨特点,推导给出了利用QIF方法实现北斗卫星双差模糊度固定的基本原理,实测数据分析表明:联合载波相位和相位平滑伪距,既可降低相关性,又可兼顾精度,定轨效果优于经典双差动力法;利用QIF方法能够取得一定的模糊度固定效果,但受观测条件限制,北斗卫星双差模糊度固定成功率整体不高,双差模糊度固定之后对轨道的改进作用有限。     

多GNSS融合精密轨道确定与精度分析

采用MGEX和IGS跟踪网数据,基于PANDA软件实现了同一时空基准框架下的GPS/GLONASS/BDS/Galileo四系统融合精密定轨,采用单天解边界不符值评定轨道精度。对2014年7月至12月6个多月的GNSS融合精密定轨精度、各单系统独立定轨精度进行比较,结果表明:GPS轨道精度与单系统定轨精度基本相当;GLONASS和BDS轨道精度均优于各单系统定轨精度,尤其是BDS卫星,其GEO、IGSO、MEO卫星平均三维轨道精度分别提高了24%、42%、63%;在多GNSS融合精密定轨中,Galileo卫星径向、法向、切向平均精度分别为9.53、8.20、20.17 cm。动态PPP验证结果表明:相比于单系统解算,多系统组合解可以显著加快收敛速度,同时提高了定位精度。     

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.     

三频非组合模型的GPS/BDS/Galileo精密定轨

四大GNSS导航卫星系统发播三频及以上观测数据成为必然趋势.本文基于IGS钟差基准研究了三频非组合(UC)精密定轨模型及其模糊度固定方法.将载波相位硬件延迟分成时变和时不变参数,并进行参数重组,得到三频非组合定轨观测模型;类似精密定位中的超宽巷、宽巷、窄巷的分步模糊度固定策略,使用双差法推导了三频非组合模糊度固定方法.以发射三频信号的GPS IIF、BDS-2、Galil eo卫星为例,进行1/2频点消电离层组合(IF)定轨、1/3频点IF定轨、1/2频点UC定轨和三频UC定轨共4种方案进行试验,使用外部轨道产品、天边界连接点、卫星激光测距3个手段对定轨结果进行验证,评定第三频点对轨道、钟差及其他参数的贡献.结果表明第3频点观测量对精密定轨贡献很小(不到5％);同时发现GPS三频定轨较L1/L2双频定轨可将定轨产品精度提升10％ 左右,原因可能是L5较L2频点具有更高的码片率和信号功率.     

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.     

基于北斗星间链路的卫星自主导航可行性分析

北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3)在BDS-2基础上,设计实现了高速宽带星间链路网络,以期实现导航和通信的一体化建设,并为卫星自主定轨(autonomous orbit determina-tion,AOD)技术的实现积累宝贵的实测数据.首先,利...     

固定模糊度的精密单点定位几何定轨方法及结果分析

传统的基于PPP(precise point positioning)模式的定轨方法采用浮点解,导致其定轨精度及可靠性较双差固定解稍差。为了进一步提高PPP模式事后定轨的精度和可靠性,利用2012年1月2～7日全球IGS跟踪站数据计算出当天所有卫星的宽巷和窄巷FCB产品,实现了GRACE卫星固定PPP整数模糊度的精密定轨。并将定轨结果分别与GFZ事后精密轨道、K波段测距结果进行比较,分析其内外符合精度。实验结果表明:与GFZ提供的事后精密轨道相比,GRACE-A卫星单天轨道固定解的精度为R方向2～3cm,T方向大部分优于2cm,N方向优于2cm,较之浮点解的定轨结果3个方向分别改善了约19%、30%、50%;GRACE-B卫星3个方向精度分别为2～3cm、2cm左右、1～2cm,较之浮点解各方向也有同等程度的改善。与K波段测距结果相比,浮点解的KBR残差STD均值为22.6mm,固定解为16.4mm,比浮点解提高了约28%。可见,PPP模糊度固定解明显改善了低轨卫星的定轨精度,能提供更可靠的轨道服务。     

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。     

模糊度固定的北斗卫星多系统融合精密轨道确定

利用全球分布的IGS和MGEX站多模观测数据,研究了北斗卫星多系统融合双差动力学精密定轨方法,提出了适应北斗系统的双差模糊度固定策略。结合实测数据,对比了单系统与多系统融合、模糊度固定解与浮点解的定轨效果。结果表明：相比单系统定轨,多系统融合定轨能有效改进IGSO和MEO卫星轨道精度,但对于GEO卫星,多系统融合定轨并无优势;利用改进的模糊度固定策略对IGSO和MEO卫星双差模糊度进行固定,有效提高了长基线模糊度固定率,整体固定成功率由40%提高到60%以上;模糊度固定对定轨精度改进作用明显,IGSO和MEO卫星三维定轨精度分别提高了48%和36%,达到0.048 m和0.066 m。     

基本导航模式下BDS-3卫星地影期间的定轨精度分析

2015年以来陆续发射入轨的北斗全球卫星导航系统(简称北斗三号系统,BeiDou global navigation satellite system,BDS-3)卫星,其姿态控制增加了连续动态偏置模式,为研究BDS-3卫星在地影期间的定轨精度提供了条件。首先利用ECOM (empirical CODE(Center for Orbit Determination in Europe) orbit model)系列模型评估了BDS-3卫星的光压摄动建模精度和定轨精度,同时以轨道重叠弧段精度、用户等效距离误差(user equivalent range error,UERE)、卫星激光测距(satellite laser ranging, SLR)残差和定位精度为指标,对基本导航模式下BDS-3卫星的定轨精度进行了评估。然后基于北斗60余天的实测数据进行了实验,结果表明,BDS-3卫星克服了区域系统卫星在姿态控制模式转换期间定轨精度下降的问题,其定轨精度与动态偏置期间定轨和预报精度相当,仅下降2～3 cm,定位精度下降1 cm,这与目前北斗的定轨精度和定位精度相比,可以忽略。进一步的分析表明,采用ECOM 5参数光压模型,连续动偏期间的轨道重叠弧段精度为0.26 m,预报2 h的UERE均方根降低至1.22 m,SLR残差的均方根小于0.31 m,大大提升了北斗系统的可用性。     

基于全球导航卫星系统的高轨卫星定轨理论研究及仿真实现

由于地基定轨系统的局限性,提出基于全球导航卫星系统(GNSS)的高轨卫星定轨方法,并设计实现了高轨卫星天基定轨仿真软件。结合高轨卫星天基定轨的特点和GNSS的建设现状,研究卫星可见性算法和星间观测模型,综合轨道积分和Kalman滤波方法的优点,提出确定高轨卫星轨道的积分滤波方法。仿真结果表明基于GNSS完成天基定轨增加了卫星的观测量,提高了定轨精度。最后在理论研究的基础上,自主开发了集STK、Matlab和Visual C++为一体的高轨卫星天基定轨仿真平台。为北斗系统应用于高轨卫星天基定轨提供了理论上的参考依据和模拟工具。