低低卫-卫跟踪模式中星载KBR系统和GPS接收机指标设计论证

推导了星载KBR系统的星间距离、星间距离变化率以及星载GPS接收机的卫星轨道位置误差分别影响累计大地水准面精度的误差模型,确定了星载KBR系统和星载GPS接收机的精度指标,建立了星间测速和轨道位置误差联合影响累计大地水准面的误差模型。结果表明,星载KBR系统的星间距离精度指标约为0.64×10-6m,星间距离变化率的精度指标约为0.8×10-6m/s,星载GPS接收机的卫星轨道位置精度指标约为2.1cm。在上述精度指标下,联合误差模型恢复120阶地球重力场对应的累计大地水准面精度约为26cm。     

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。     

北斗系统在轨卫星钟性能评估方法及结论

在轨卫星钟性能(频率准确度、稳定度、漂移率以及在轨寿命)评估是卫星导航系统性能指标评估的重要任务之一。文中结合北斗卫星钟在轨性能评估任务,介绍了几种评估北斗在轨卫星钟性能的方法及原理并进行了专题试验。试验结果表明,北斗在轨卫星原子钟性能稳定,频率准确度约为10-11,漂移率为10-13,稳定度为10-14。与国外卫星钟性能相当,能够满足北斗卫星导航系统服务指标要求。     

VLBI在GEO卫星精密定轨中的应用

影响GEO轨道确定精度的原因主要有两方面:一是高轨卫星的几何跟踪条件受到局部测轨网的限制;二是卫星相对于地面的动力学约束信息较弱。利用一个针对GEO卫星的简化动力法定轨的协方差分析模型,研究了联合测距跟踪网和甚长基线干涉测量(VLBI)对定轨精度的改善情况。指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨精度的主要误差源;当附加一条东西向VLBI基线时,仅利用不定期的少量VLBI高精度数据就能够显著改善测距偏差对轨道的影响,从而保证了卫星的整体位置解算精度。     

DORIS实时定轨中的频偏估计方法研究

针对DORIS测站和卫星USO频率偏差引起的测量数据不准确的问题,提出了一种频偏估计方法,消除了测量数据中的最大误差项。在摄动加速度模型仅考虑40×40阶重力场、固体潮和日月三体引力的条件下,利用该方法处理了SPOT-5卫星10d的测量数据。结果表明,实时轨道的径向精度优于30cm,与SPOT-5卫星的实时轨道精度相当;3D精度优于80cm,达到了SPOT-5卫星的设计精度。     

北斗在轨卫星钟中长期钟差特性分析

针对北斗在轨卫星Rb原子钟2013年的实测数据,采用二次多项式拟合得到BDS卫星钟差模型,采用哈达玛总方差公式计算了北斗卫星钟的短期频率稳定度指标,进而分析了北斗在轨卫星钟特性指标的变化规律。通过实例计算,揭示了BDS不同在轨卫星钟的相位、频率、频漂及残差指标的变化规律;计算得出BDS卫星钟万秒频率稳定度维持在10-13量级左右,其中GEO卫星钟的稳定度相对较差,4号和8号卫星在运行期间出现跳变,跳变之后稳定性得到提高,其他在轨卫星钟稳定度变化趋势则相对平稳。     

GLONASS星载原子钟的长期特性分析

俄罗斯全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GLONASS)于2011-10恢复提供全球服务,分析其星载原子钟特性对系统性能评估、完好性监测、卫星钟差确定和预报等具有重要意义。首先基于俄罗斯联邦航天局GLONASS定位、导航、授时信息与分析中心(Information and Analysis Center for Positioning,Navigation and Timing,IAC)提供的2016-01-01—2019-05-11多星定轨解算的GLONASS精密卫星钟差产品,利用包含原子钟相位、频率与频漂参数的二次多项式拟合卫星钟差模型,分析了GLONASS在轨铯钟相位、频率、频漂与星钟模型噪声的长期变化特性;然后采用重叠哈达玛方差计算了铯钟的频率稳定度。结果表明,GLONASS在轨铯钟的相位和频率变化相对平稳;在轨铯钟模型的噪声水平和频漂均值分别为0.7 ns和5.94×10~(-15)/d;GLONASS在轨铯钟千秒频率稳定度保持在10~(-13)量级,频率稳定度随着星钟模型噪声增大而降低;新的卫星钟具有更优良的物理特性和更低的模型噪声。     

VLBI在GEO卫星精密定轨中的应用

影响GEO轨道确定精度的原因主要有两方面:一是高轨卫星的几何跟踪条件受到局部测轨网的限制;二是卫星相对于地面的动力学约束信息较弱.利用一个针对GEO卫星的简化动力法定轨的协方差分析模型,研究了联合测距跟踪网和甚长基线干涉测量(VLBI)对定轨精度的改善情况.指出测距系统的校正误差是常规测距跟踪网定轨精度的主要误差源;当附加一条东西向VLBI基线时,仅利用不定期的少量VLBI高精度数据就能够显著改善测距偏差对轨道的影响,从而保证了卫星的整体位置解算精度.     

GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法

研究了GOCE卫星测量恢复地球重力场模型的理论与方法。论文的主要工作和创新点有： (1) 建立了扰动重力梯度张量各分量没有奇异性的详细计算模型,解决了重力梯度张量Txx分量在两极地区计算的奇异性难题。 (2) 系统研究了卫星重力梯度数据向下延拓的解析法、泊松积分迭代法和卫星重力梯度数据格网化的移动平均法、反距离加权法、普通克里金法,建立了相应的数学模型,导出了相应的计算公式,并采用“直接法”和“移去-恢复法”两种方案对其向下延拓和格网化效果进行了测试。 (3) 分析了能量守恒方程中各项误差对沿轨扰动位计算结果的影响,建立了利用GOCE模拟数据确定地球重力场的最小二乘直接法、调和分析法、最小二乘配置法的实用数学模型,并做了大量的模拟计算。 (4) 建立了利用扰动引力梯度张量各单分量和组合分量确定地球重力场的最小二乘直接法去奇异性计算模型;推导了利用扰动引力梯度张量单分量和组合分量解算地球重力场的调和分析法模型;进一步推导了扰动引力梯度张量各个分量之间的自协方差和互协方差函数及其与引力位系数之间协方差函数的具体计算公式。 (5) 推导了利用不同类型重力测量数据确定地球重力场的联合平差法数学模型,介绍并分析了模型中各类数据最优定权的参数协方差法和方差分量估计法。 (6) 论述了谱组合法的基本原理,给出了多种类型重力测量数据联合处理的谱权及谱组合的通用表达式,基于调和分析方法推导了SST+SGG、SST+SGG＋Δg和SST+SGG＋Δg+N恢复地球重力场模型的谱组合公式及对应谱权的具体形式。 (7) 推导了利用迭代法联合不同类型重力测量数据反演地球重力场模型的基本原理公式,并给出了其具体实现步骤。 (8) 分析并计算了重力卫星轨道高度、卫星星间距离和卫星轨道倾角的设计指标;讨论了双星轨道长半轴的一致性要求、双星姿态俯仰角的控制要求以及双星编队保持机动的时间间隔要求。 (9) 确定了KBR系统的星间距离、星间距离变化率和星间加速度的精度指标;设计了星载GPS系统的卫星轨道位置和速度以及加速度计测量的精度指标;计算了加速度计检验质量质心到卫星质心的调整距离精度指标;分析了恒星敏感器的姿态角测量精度和稳定度;计算了参考重力场模型对于累计大地水准面精度和积分卫星轨道的影响。 (10) 研制了一套利用卫星重力测量数据反演地球重力场模型的软件平台,可对卫星重力测量数据处理及其精度评估提供一些基本方法,并为我国卫星重力测量系统的总体战技指标和主要有效载荷技术指标的量化分析、论证提供理论和技术支持,为我国未来的卫星重力测量系统提供可能的积累和参考。     

新一代重力卫星简化动力学精密定轨实验分析

针对重力卫星轨道低,大气阻力和太阳光压等较为复杂难以模型化的问题,该文基于简化动力学方法,采用GRACE-FO星载GPS双频观测数据,结合CODE提供的精密星历与钟差产品对GRACE-FO卫星进行精密定轨实验与分析.通过与美国喷气动力实验室(JPL)官方提供的事后精密轨道对比、K波段测距系统(KBR)进行星间测距数据检...     

利用GPS精密单点定位进行时间传递精度分析

利用静态精密单点定位技术(PPP),分别采用IGS5min和30s间隔的精密卫星钟差产品进行单站时间传递实验。实验结果表明,无论是利用5min间隔的卫星钟差产品,还是利用30s间隔的卫星钟差产品,静态PPP都可以实现0.1～0.2ns的时间传递以及半天内稳定度达到1×10-15～2×10-15的频率传递。在短期内,相比于5min间隔的卫星钟差产品,利用30s间隔的卫星钟差产品能较明显地提高静态PPP钟差解所体现的频率稳定度,PPP钟差解的精度略有提高;在长期内,使用这两种钟差产品获得的PPP钟差解的精度及其所体现的频率稳定度相当。     

低轨卫星初始状态误差对反演地球重力场的影响

基于动力学法反演地球重力场的基本理论,研究了卫星初始状态向量误差对应用低轨卫星精密轨道数据反演地球重力场的影响。在仅考虑低轨卫星初始状态误差的情况下进行了模拟计算,结果表明:在利用低轨卫星精密轨道数据反演地球重力场时,卫星初始状态向量误差需要重新进行估计;在目前的轨道精度水平下,若不顾及误差方程二次项的影响,反演弧长不宜过长;卫星初始状态速度误差(约1.5mm/s)的影响要大于位置误差(约10 cm)的影响。     

三星编队TDOA定位精度分析

利用低轨微纳卫星编队测定地面无线电发射源位置是全球范围内监视非合作无线电信号源的高效手段。采用星基TDOA测量实现无源定位是其中关键技术。本文分析了影响星基TDOA定位误差的主要因素。针对三星编队监测卫星，给出了基于高程约束的单历元定位方法及多历元距离差定位方法，利用仿真数据对上述定位方法精度进行了试验分析。结果表明，采用等边三角形编队卫星，对海面非合作信号源，TDOA单历元定位精度约为510 m,多历元定位精度可提高到110 m,高低配置三角形编队卫星在星下点轨迹附近定位误差较大。     

低轨卫星增强北斗系统完好性性能分析

针对完好性是北斗建设的重要内容,但增强北斗系统完好性性能未有完整评估的问题,对低轨卫星增强北斗系统完好性性能进行探究.本文通过仿真北斗导航卫星(BDS)和低轨卫星(LEO),利用最小可探测偏差(MDB)、空间信号精度(SISA)和故障检测率3个指标来衡量整个增强系统下的完好性性能.结果表明,MDB平均增强了 16.5％,故障检测率提高了 8％,BDS单颗卫星也满足SISA要求.因此,低轨卫星的加入可以有效提高北斗系统完好性性能.     

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。     

BDS星载原子钟长期性能分析

北斗卫星导航系统(BDS)于2012年底开始提供区域服务,进行BDS星载原子钟的长期性能分析,对于系统性能的评估、卫星钟差的确定与预报等具有重要的作用。本文基于3年的多星定轨联合解算的BDS精密卫星钟数据,利用改进的中位数方法进行数据预处理,分析了卫星钟差数据的特点,使用卫星钟差二次多项式拟合模型分析了卫星钟的相位、频率、频漂及钟差模型噪声的长期变化特性,根据频谱分析的方法分析了卫星钟差的周期特性,采用重叠哈达玛方差计算并讨论了卫星钟的频率稳定性。综合上述方法及其试验结果较为全面地分析和评估了BDS星载原子钟的长期性能,得到结论:在噪声特性和钟漂特性方面,MEO卫星钟的性能最好,其次是IGSO卫星钟,最差的是GEO卫星钟,所有卫星钟噪声水平和频漂的均值分别为0.677ns和1.922×10~(-18);多星定轨条件下的北斗卫星钟差存在显著的周期项,其主周期分别近似为对应卫星轨道周期的1/2倍或1倍;BDS星载原子钟频率稳定度的平均值为1.484×10~(-13)。     

利用KBR数据检核GRACE卫星精密轨道

给出了一种利用KBR数据检核GRACE卫星精密轨道的方法,并使用了2012-11-25—2012-12-01实测的KBR数据对JPL提供的GRACE卫星事后精密轨道进行了检核。检核结果表明,两颗GRACE卫星之间的距离偏差在0.005 m以内。     

卫星双向载波相位时间频率传递及其误差分析

深入解析了基于码伪距测量的卫星双向时间频率传递(TWSTFT)原理,对其误差进行了分析,其精度主要受码速率的限制,难于满足更高精度要求;文章提出了基于载波相位的卫星双向时间频率传递方法,载波频率高,波长短,从理论上分析了以其作为TWSTFT伪距测量的参数可大幅度提高时间传递的精度;并对TWSTFT载波相位测量存在的误差源进行了初步分析,得出影响最大的因素是转发器误差、电离层误差、多径效应误差及星站相对运动引起的误差,参考GPS载波相位测量中误差消除的方法,对误差的消除方法提出建议。     

低轨卫星增强BDS单频伪距单点定位

针对单频定位由于成本优势被广泛运用，却无法同时满足较高精度要求的问题，对低轨卫星增强单频定位精度的效果进行了探究。基于卫星工具包软件仿真北斗卫星导航系统与铱星系统观测数据，并结合误差建模实现高低轨卫星联合定位算法，分析不同纬度观测站的定位结果。结果表明，当可见卫星比例（LEO：总体）从5%上升到18%，定位精度改善比从48%提升到80%左右，呈现一定正相关性；误差标准差在U方向上均有大于50%以上减小，在E、N方向则出现大约10%的浮动，总体有改善的趋势。因此，低轨卫星的加入可以有效提高伪距单点定位精度。     

星载原子干涉技术用于地球重力场测量及其精度评估

重力梯度卫星GOCE通过搭载静电式重力梯度仪,将全球静态重力场恢复至200阶以上。目前GOCE卫星已结束寿命,亟须发展下一代更高分辨率的卫星重力梯度测量来完善200~360阶的全球静态重力场模型。原子干涉型的重力梯度测量在空间微重力环境下可获得较长的干涉时间,因此具有很高的星载测量精度,是下一代卫星重力梯度测量的候选技术之一。本文针对未来更高分辨率全球重力场测量的科学需求,提出了一种适用于空间微重力环境下的原子干涉重力梯度测量方案,其梯度测量噪声可低至0.85mE/Hz1/2。文中对不同类型的卫星重力梯度测量方案进行了重力场反演精度的对比评估,仿真结果表明,相比于现有静电式卫星重力梯度测量,原子干涉型的卫星重力梯度测量有望将重力场的恢复阶数提升至252~290阶,对应的累积大地水准面误差7~8cm,累积重力异常误差3×10-5 m/s2。