不同经验太阳光压模型对于北斗卫星定轨的适用性分析

当前的北斗卫星导航系统尚缺乏合适的太阳光压模型,由GPS的ECOM模型衍生而来的多种经验光压模型常被用于北斗定轨中。从观测值残差、轨道内、外符精度以及外推精度等方面比较分析了目前常用的4种经验光压模型对于北斗卫星定轨的适用性。结果表明,不同(类型)卫星适用不同的经验光压模型,但总体来看,9参数模型的适用性最差,而5参数和7参数模型的适用性相对较好。     

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%。     

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。     

北斗三号MEO卫星非保守力建模

非保守力模型精度不高是制约BDS-3卫星定轨精度的主要因素之一。本文针对BDS-3 MEO卫星构建了地球辐射、天线辐射和箱体-两翼（BW）太阳光压模型,对典型的经验光压模型（ECOM1和ECOM2）进行补偿得到多个非保守力模型,收集全球观测网的数据进行定轨试验,通过轨道重叠互差和激光测距残差分析比较不同轨道模型的优劣。试验结果表明,经验光压模型是影响轨道精度的主要因素,在名义偏航模式下,ECOM2具有更好的表现,但ECOM1对卫星的姿态模式更不敏感。地球辐射和天线辐射会引起北斗卫星轨道径向约3 cm的系统性偏差,对二者建模后,几乎可以完全消除卫星C29和C30的激光残差系统偏差,但卫星C20和C21的系统偏差反而增大。此外,增加box-wing模型对于提高轨道精度也是有益的。     

新太阳光压模型在GNSS定轨中的应用

太阳光压摄动是影响卫星定轨中重要的误差源,在GNSS导航卫星精密定轨过程中使用最为广泛的光压模型为ECOM模型。为了探究几种ECOM模型及其适用性,该文以超快速星历为起算轨道,分析对比经典ECOM-1模型与最新13参数ECOMC模型对GPS/BDS卫星轨道的影响。结果显示:相较于ECOM-1模型,ECOMC模型在GPS定轨中精度有所提升,特别体现在径向精度提升,单天与三天弧段在径向的解算精度分别提升了12.73%和24.74%;在BDS定轨中,采用ECOMC模型,部分GEO卫星在径向方向单天精度有12.38%的提升,而对于IGSO与MEO卫星二者精度差异不大;分析可得,由于星体结构不对称引起卫星在沿太阳-卫星方向作用的偶数阶短周期谐波扰动,引入卫星-太阳方向偶数阶项的参数估计可提升卫星径向精度。     

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。     

星载加速度计增强北斗自主定轨性能

卫星自主定轨是提高全球卫星导航系统(GNSS)可靠性、稳健性、完整性和生存能力的重要保证。新一代的北斗卫星已可以进行星间链路测距,从而达到提高卫星全球跟踪能力以及实现整个卫星导航系统的自主定轨。然而由于卫星运行会受到多种摄动力的影响,如果不能对这些摄动力进行精密的改正,在没有地面或其他天体提供绝对约束的条件下,导航系统会随着自主定轨时间的延长出现星座整体旋转。卫星所受摄动力分为保守力和非保守力两部分:对于保守力,如地球非球形摄动、潮汐摄动、太阳月球和其他三体引力,现在已有的力学模型可以很精确地进行改正;而非保守力(如太阳光压摄动),则难以用精确的模型进行改正,因此成为影响卫星定轨精度的主要因素。星载加速度计可以高精度地测量非保守力,并已成功应用于重力卫星(CHAMP、GRACE、GOCE)的重力场反演与大气研究中。本文研究主要探讨采用星上加速度计提高北斗卫星自主定轨精度和延长自主定轨时长的可行性。利用模拟的卫星轨道和星间链路数据,以及现有的星载加速度计误差模型,对北斗卫星系统分别使用星间链路数据和星间链路与加速度计组合数据,进行自主定轨与精度评定。计算结果表明,使用星间链路与星载加速度计数据进行自主定轨,较单纯使用星间链路数据精度具有明显改进。在模拟的星间测距观测数据具有0.33m随机噪声以及分米级系统误差,自主定轨两个月的情况下,联合使用加速度计数据的自主定轨IGSO和MEO卫星精度为分米级,而仅使用星间链路数据的定轨精度约为3~6m,比使用加速度计精度低一个量级。     

Bernese ECOM光压模型在BDS卫星精密定轨中的应用

Bernese ECOM光压模型是目前GNSS导航卫星精密定轨中应用最多的经验型光压模型[1],但是其应用到北斗导航卫星（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）精密定轨中,不一定9个参数全部解算定轨效果最佳。收集了MGEX一年的BDS精密星历,采用几何轨道平滑的方式反演出ECOM模型的9个光压参数,研究参数周年变化规律发现Bc、Bs参数与Yc、Ys相关性较强,Bc、Bs存在明显的周年特性而且量级较Yc、Ys大。通过ECOM回归模型整体显著性检验,确定出Bc、Bs的显著性水平明显高于Yc、Ys。最后通过MGEX监测站的实测数据定轨,轨道和钟差精度评估结果表明,只解算D0、Y0、B0、Bc、Bs 5个参数BDS定轨精度最高,建议BDS定轨中使用5参数ECOM光压模型。     

北斗混合星座分层约束下的精密定轨方法

针对北斗导航卫星系统首创的GEO+IGSO+MEO混合星座设计,本文研究了根据不同星座,采取不同约束条件和数据处理策略的北斗卫星精密定轨方法,提出了一种针对北斗系统混合星座的分层约束精密定轨方案。该方案首先将北斗卫星分为非GEO(IGSO/MEO)和GEO两部分进行解算,利用GPS解算的公共参数对北斗IGSO/MEO精密定轨形成有效约束,然后固定GPS和北斗IGSO/MEO解算结果,最后单独对北斗GEO卫星进行强约束下的轨道解算。利用实测数据进行了精密定轨试验,试验结果表明:采用本文提出的方法,北斗GEO卫星和非GEO卫星三维重叠弧段轨道精度分别为0.688 m和0.042 m,比传统方法分别提高了54.2%和72.4%。另外,采用激光测距检核和测站坐标静态精密单点定位的方法对轨道精度进行了验证,激光检核精度提高了44.3%,测站坐标在水平和高程方向上精度分别平均提升了21.5%和20.7%。     

一种北斗卫星精密定轨方法

利用BDS/GPS双模观测数据,研究了高精度北斗卫星精密定轨的实现方法,使用PANDA软件,结合"北斗卫星观测实验网"的实测数据,进行了精密定轨实验,结果表明:北斗卫星径向定轨精度能够达到优于10 cm的水平;其中,GEO三维定轨精度能够优于5 m,但沿迹方向存在系统偏差,IGSO/MEO三维定轨精度优于0.5 m。     

北斗卫星导航系统混合星座的光压摄动建模和精度分析

卫星帆板及本体受照情况变化复杂,导致卫星光压摄动力的变化难以准确模制,既是动力学定轨的最大误差源,也是定轨预报精度降低的主要原因。针对此问题,采用北斗地面系统的区域监测网数据,详细比较了3种主要的经验模型（T20模型、ECOM5参数模型、ECOM9参数模型）对不同卫星的适用性情况。结果显示,在春秋分前后,地球同步轨道（geosynchronous earth orbit,GEO）卫星使用ECOM9参数模型最好,其解算的卫星钟差与星地双向钟差的互差标准差优于2 ns;对于倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO）卫星和中地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星,无论是在动偏期间还是姿态模式转换期间,T20模型表现出更好的适用性。不同于此前国内外学者的相关研究,试验表明,对BDS混合星座的不同类型卫星、同一卫星的不同时段,应采用不同的经验太阳光压模型,以获得更高的定轨和预报精度。     

星蚀期北斗卫星轨道性能分析——SLR检核结果

星蚀期北斗卫星的轨道性能是北斗卫星导航系统性能分析的重要部分。了解北斗卫星导航系统星历中星蚀期轨道的精度,不仅可为系统服务性能评估提供支持,还有助于了解星蚀期精密定轨中相关模型可能存在的问题,进而为精密定轨函数模型改进提供参考。本文基于2014年1月至2015年7月的卫星激光测距资料,重点分析了星蚀期对北斗不同类型卫星轨道的影响,同时也对北斗广播星历和精密星历中整体轨道径向精度进行检核。结果表明:星蚀期内(尤其是偏航机动期间),IGSO/MEO卫星的广播星历和精密星历轨道均存在明显的精度下降;广播星历轨道径向误差达1.5~2.0m,精密星历轨道径向误差超过10.0cm。但仅从轨道径向残差序列中难以发现星蚀期对GEO卫星轨道是否有显著影响。非星蚀期间,IGSO/MEO卫星和GEO卫星的广播星历轨道径向精度分别优于0.5 m和0.9 m。IGSO/MEO卫星的精密星历轨道径向精度优于10.0cm,GEO卫星的轨道径向精度约50.0cm,且存在40.0cm左右的系统性偏差。     

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%。     

风云三号D星天基BDS实时定位性能分析

随着北斗三号卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system-3, BDS-3)开始向全球提供导航服务,独立使用BDS为在轨运行的卫星提供全球覆盖、全时段的定位服务成为可能。结合风云三号D星(FengYun-3D, FY-3D)全球卫星导航系统掩星探测仪(global navigation satellite system occultation sounder, GNOS)的真实在轨数据对天基BDS的定位性能进行了详细的分析。首先,使用BDS真实广播星历计算了在不同轨道高度下的可见卫星数和定位精度因子（position dilution of precision, PDOP）,并结合精密星历分析了广播星历的轨道误差、时钟误差及空间信号测距误差(signal-in-space range error, SISRE)。仿真结果表明,在95%的置信水平下,从地面到2 000 km的轨道高度,BDS在全球范围内最小可见卫星数为6,最大PDOP小于5,星座可用性已经达到100%,全球平均可见卫星数BDS比GPS(global positioning syste...     

不同姿态控制模式下的北斗卫星定轨策略研究

北斗卫星的姿态控制分为动态偏置、零偏置和连续动偏3种，不同类型卫星、不同姿态控制模式、不同时段下定轨精度不一致，影响了北斗系统的连续性。详细研究了北斗不同类型卫星在不同姿态控制模式下的最优定轨策略，并基于实测数据进行试验，结果表明，BeiDou-2 IGSO（inclined geosynchronous orbit）/MEO（medium earth orbit）卫星采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM（extended CODE model）5参数模型相结合的方法定轨精度最优，零偏期间，用户等效距离误差值为2.08 m，全球激光评估轨道视向精度约为1 m；BeiDou-3 IGSO/MEO卫星采用常规多星定轨和ECOM 5参数模型相结合的方法定轨精度最优；连续动偏期间，用户等效距离误差值为1.22 m，全球激光评估轨道视向精度为0.23 m，与动偏期间精度一致；GEO（geostationary earth orbit）卫星在春秋分附近时段采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM 9参数模型相结合的方法定轨精度最优，用户等效距离误差值为0.72 m。     

GNSS卫星精密定轨综述:现状、挑战与机遇

GNSS卫星精密轨道是高精度GNSS应用的基础与前提,GNSS卫星精密定轨技术也一直都是卫星导航领域的研究重点与热点。本文首先介绍了GNSS星座与跟踪数据概况,梳理了精密定轨函数模型、动力学模型及随机模型构建过程中的关键问题,归纳了低轨星载观测和星间链路观测等多源数据增强GNSS精密定轨的研究进展;然后,从应用的角度总结了当前GNSS精密轨道产品的基本状态,并进行了精度评估;最后,讨论了GNSS精密定轨在大网快速解算、多层次观测数据融合、太阳光压模型精化及高精度实时定轨等方面所面临的挑战,并展望了低轨星座、光钟、激光链路等新技术给GNSS精密定轨带来的机遇。     

An evaluation of solar radiation pressure strategies for the GPS constellation

The subtle effects of different Global Positioning System (GPS) satellite force models are becoming apparent now that mature processing strategies are reaching new levels of accuracy and precision. For this paper, we tested several approaches to solar radiation pressure (SRP) modeling that are commonly used by International GNSS Service (IGS) analysis centers. These include the GPS Solar Pressure Model (GSPM; Bar-Sever and Kuang in The Interplanetary Network Progress Report 42-160, 2005) and variants of the so-called DYB model (Springer et al. in Adv Space Res 23:673–676, 1999). Our results show that currently observed differences between GPS orbit solutions from the various IGS analysis centers are in large part explained by differences between their respective approaches to modeling SRP. DYB-based strategies typically generate orbit solutions that have the smallest differences with respect to the IGS final combined solution, largely because the DYB approach is most commonly used by the contributing analysis centers. However, various internal and external metrics, including ambiguity resolution statistics and satellite laser ranging observations, support continued use of the GSPM-based approach for precise orbit determination of the GPS constellation, at least when using the GIPSY-OASIS software.     

实时估计不同类型北斗卫星观测值的随机模型

为分析北斗卫星观测值随机特性,估计了地球静止轨道、倾斜地球同步卫星轨道、中地球轨道卫星载波相位观测值的方差分量。发现不同接收机和不同类型卫星观测值方差分量的大小和时变特性具有明显差异。为构建更切实际的方差结构随机模型,提出利用迭代最小二乘和最小范数二次无偏估计相结合的方法,实时估计不同类型北斗卫星观测值方差分量。为评估实时估计随机模型的性能,对243 m、645 m、10 137 m三条不同长度基线进行精密相对定位测试,结果表明:实时估计随机模型能有效改善北斗卫星精密单历元动态相对定位性能,尤其当站间距离较长时改善更显著。10 137m基线测试结果表明,1h数据单历元解在北、东、高方向,平均定位精度分别提高了41.3%、54.5%、51.6%,稳定性分别提高了38.4%、17.7%、39.7%。     

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%。