星间单程伪距联合监测站数据确定北斗三号卫星轨道和钟差

提出利用原始单程星间伪距数据联合地面监测站载波相位和伪距数据同时确定北斗卫星轨道和钟差的方法。该方法引入时间窗概念,用多项式表示卫星钟差,从而能够直接对非同时观测的原始单程伪距数据进行平差处理。收集中国境内的6个iGMAS监测站和星间测距数据对北斗三号卫星进行轨道和钟差确定试验。结果表明,轨道重叠段互差在R、T和N方向的RMS分别为0.078、0.321和0.375 m,钟差重叠段互差的RMS和STD分别达到0.589和0.519 ns。相比于仅用国内监测站数据的结果,轨道和钟差的改进幅度分别超过80%和60%。星间链路单程伪距残差的平均RMS为0.083 m,星间链路信号发射和接收设备时延偏差估值的平均稳定度分别为0.53和0.72 ns。     

北斗三号卫星星地星间联合精密定轨初步结果

截至2018年底中国已有19颗北斗三号卫星成功发射入轨,北斗三号卫星上都搭载了高精度星间链路载荷并成功实现了星间双向测距。介绍了北斗三号卫星星间链路观测模型,并利用L波段星地和Ka波段星间链路观测数据对8颗北斗三号卫星进行了星地星间联合精密定轨实验,L波段数据来自全球连续监测评估系统分布于中国境内的6个跟踪站。实验结果表明:星间链路观测值定轨残差RMS值优于6 cm,设备时延在±0.15 ns以内变化。在地面跟踪站限制在境内的情况下,增加星间链路能显著提高定轨精度。通过重叠弧段比较,联合定轨得到的卫星轨道在三维位置上的误差约为12 cm,径向误差约为3 cm,与仅国内6个站星地定轨相比提高85%。     

北斗三号与北斗二号基本导航电文参数比较

针对北斗二号系统和北斗三号系统导航电文播发现状,该文从导航电文结构、导航电文内容和播发方式等方面对二者间的差异进行了比对分析,着重比较分析了卫星星历参数、卫星钟差钟差、数据有效性标识、设备群延迟参数、设备延迟参数、电离层改正、完好性等导航电文参数,并结合导航电文实际应用,给出了广播星历拟合精度、卫星钟差拟合精度、系统定位精度评估结果。结果表明:北斗卫星广播星历拟合残差为厘米级,18参数广播星历拟合精度略优于16参数的拟合精度;加入星间链路钟差后,MEO卫星的钟差测定精度虽与仅星地观测的钟差精度基本相当,但明显提高了卫星钟差预报精度;北斗二号与北斗三号联合定位精度较仅北斗二号卫星定位精度有所提升。     

北斗三号基本系统空间信号性能分析

北斗三号基本系统于2018-12-27正式开通运行。本文采用北斗三号实测数据对基本系统星座覆盖性、广播轨道以及广播钟差、SISRE等重点空间信号性能指标进行了评估。指出北斗三号采用了星间链路测量体制,有效弥补了地面监测站布设范围受限的不足。空间信号精度显著优于北斗二号,甚至优于GPS系统。北斗三号基本系统将有效提升"一带一路"地区乃至全球的服务性能。     

联合星地与星间Ka伪距的北斗三号卫星一体化定轨和时间同步

北斗三号卫星之间及卫星与锚固站之间在Ka频段的伪距测量为其提供了一种不依赖于地面监测站的独立定轨和时间同步能力。本文针对星间链路分时测量的特点,采用分段一次多项式对卫星钟差进行建模,直接利用原始的星地和星间单程Ka伪距实现一体化定轨和时间同步并同时解算锚固站设备硬件时延。利用北斗三号8颗卫星和2个锚固站的实测Ka伪距数据进行验证,结果表明:在利用导航电文的预报钟速信息进行修正的情况下,星间Ka伪距残差RMS为0.052 m;R方向卫星轨道确定和预报精度(RMS)分别为0.016、0.033 m;卫星钟差估计和预报精度(95%)分别为0.038、0.992 ns;解算得到的锚固站收发设备时延之和的稳定性优于0.5 ns。试验还展示了该方法的适应能力:在没有预报钟速信息的极端情况下,虽然星间Ka伪距残差RMS增大了242%,但R方向轨道确定和预报精度仍分别达到0.021、0.041 m,钟差估计和预报精度分别达到0.040、1.092 ns。     

国外卫星导航系统星间链路发展研究

利用星间链路提升卫星导航系统性能已成为全球卫星导航系统的重要发展趋势之一。以GPS为代表的国外卫星导航系统都在积极发展星间链路。我国北斗卫星导航系统也将在新一代全球导航卫星上搭载星间链路,目前已开展在轨试验。通过国内外文献查阅和跟踪研究,系统梳理比较了GPS,GLONASS和Galileo三大全球系统已投入使用和正在论证的星间链路技术方案。在此基础上归纳了星间链路的发展特点与趋势:1)星间链路的设计不再局限于实现自主导航,更倾向于通过星地联合实现增强提升导航性能;2)星间链路的发展当前以高频段射频星间链路为主,激光星间链路是未来的发展方向;3)星间链路测距通信将主要采用时分多址体制。相关研究成果对我国北斗卫星导航系统星间链路的发展具有借鉴意义。     

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2.9 cm，测距精度约为4.4 cm；仅采用区域测站定轨，重叠弧段三维位置误差RMS为66.7 cm，加入星间链路后可降低至15.4 cm，提高了76.9%，24 h轨道预报位置精度也由114.1 cm提升至20.3 cm，提升了83.2%，激光检核径向精度为8.4 cm左右，明显优于北斗二号卫星轨道精度。     

顾及周期项误差和起点偏差修正的北斗卫星钟差预报

根据北斗卫星导航系统星载原子钟自身的物理特性,采用武汉大学IGS数据中心发布的2016年1月1日至2016年11月1日共306天的事后钟差产品进行谱分析。分析结果表明:北斗卫星导航系统的3类卫星钟都存在一定的周期特性;其中GEO和IGSO卫星钟的主周期相对较为明显;GEO卫星钟的主周期依次为12、24、8和6h;IGSO的主周期为24、12、8和6h;而MEO的3个主周期为12.9、6.4和24h。依据各类原子钟的周期特性,同时对各天之间钟差的起始点偏差进行修正,并利用修正模型对北斗卫星钟差进行预报和精度分析。试验结果表明,改进的预报模型能显著提升北斗卫星的钟差预报精度,北斗卫星钟差24h、12h、6h的平均预报精度分别能达到6.55ns、3.17ns和1.76ns。     

多星定轨条件下北斗卫星钟差的周期性变化

基于地面监测网的多星精密定轨可以同时解算出北斗卫星轨道和卫星钟差。由于轨道和钟差的耦合影响,卫星钟差时序难免会出现周期性波动。此外,受限于目前并不完善的北斗全球监测网络分布、系统导航文件缺失以及定轨后处理软件的设置问题,3类卫星的钟差均存在大量数据间断问题。本文利用适用于间断数据的谱分析方法,对多星定轨条件下的北斗卫星钟差数据进行了周期项提取,并利用周期项改进后的钟差预报模型评估了24h以内的预报精度。基于近一年的数据分析表明,北斗GEO卫星钟差3个主周期依次为12、24和8h,IGSO卫星钟差的3个主周期依次为24、12和8h,而MEO卫星钟差的3个主周期依次为12.91、6.44和24h。与改进前相比,周期项改进后的钟差预报模型将北斗卫星钟差在24h以内的预报精度提高了20%~40%。     

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。     

利用不同时间同步体制钟差评估北斗三号星载原子钟性能

全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）星载原子钟性能的优劣直接影响GNSS观测信号质量、测距精度、钟差预报与卫星自主导航能力,从而间接影响整个导航系统的服务性能。结合北斗三号系统独特的星间链路（inter-satellite link, ISL）和星地时间双向比对（two-way time transfer,TWTT）体制以及常用的精密轨道与钟差确定（orbit determination and time synchronization,ODTS）体制所估计的精密钟差数据,分析评估了北斗三号在轨原子钟服务性能。结果表明,3种钟差确定体制评估的频率准确度和漂移率结果基本一致,所有卫星频率准确度在（-4~2）×10-11范围以内,氢钟频率准确度优于铷钟,ISL钟差评估的频率漂移率精度略优于ODTS。在评估原子钟稳定度方面,3种钟差确定体制各有优势,短期稳定度方面,ODTS钟差评估优于ISL钟差,基于ODTS评估的3 000 s稳定度可达3×10-14,且氢钟的短期稳定性优于铷钟;中长期稳定度方面,当平滑时间大于1×104 s时,采用ISL体制的钟差评价中长期稳定度更接近于北斗三号星载原子钟的实际情况;对于7 d以上的长期稳定度评估,基于TWTT的广播钟差评估结果接近于ISL,可用于快速评估。     

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...     

Initial results of centralized autonomous orbit determination of the new-generation BDS satellites with inter-satellite link measurements

Autonomous orbit determination is the ability of navigation satellites to estimate the orbit parameters on-board using inter-satellite link (ISL) measurements. This study mainly focuses on data processing of the ISL measurements as a new measurement type and its application on the centralized autonomous orbit determination of the new-generation Beidou navigation satellite system satellites for the first time. The ISL measurements are dual one-way measurements that follow a time division multiple access (TDMA) structure. The ranging error of the ISL measurements is less than 0.25 ns. This paper proposes a derivation approach to the satellite clock offsets and the geometric distances from TDMA dual one-way measurements without a loss of accuracy. The derived clock offsets are used for time synchronization, and the derived geometry distances are used for autonomous orbit determination. The clock offsets from the ISL measurements are consistent with the L-band two-way satellite, and time–frequency transfer clock measurements and the detrended residuals vary within 0.5 ns. The centralized autonomous orbit determination is conducted in a batch mode on a ground-capable server for the feasibility study. Constant hardware delays are present in the geometric distances and become the largest source of error in the autonomous orbit determination. Therefore, the hardware delays are estimated simultaneously with the satellite orbits. To avoid uncertainties in the constellation orientation, a ground anchor station that “observes” the satellites with on-board ISL payloads is introduced into the orbit determination. The root-mean-square values of orbit determination residuals are within 10.0 cm, and the standard deviation of the estimated ISL hardware delays is within 0.2 ns. The accuracy of the autonomous orbits is evaluated by analysis of overlap comparison and the satellite laser ranging (SLR) residuals and is compared with the accuracy of the L-band orbits. The results indicate that the radial overlap differences between the autonomous orbits are less than 15.0 cm for the inclined geosynchronous orbit (IGSO) satellites and less than 10.0 cm for the MEO satellites. The SLR residuals are approximately 15.0 cm for the IGSO satellites and approximately 10.0 cm for the MEO satellites, representing an improvement over the L-band orbits.     

GPS/BDS三频信号频间时钟偏差估计与定位验证

在三频GNSS应用中,受精密产品频率基准不一致的影响,会引入系统性偏差,即频间时钟偏差（IFCB）。本文首先通过对IFGF组合观测值进行历元差分,利用全球分布的80个MGEX观测站及中国区域内100个连续运行参考站,在2021年年积日（DOY）153—160 d的实测数据,进行了IFCB的估计并分析了其时变特性;然后将IFCB的估计结果运用到非差非组合PPP中。结果表明：GPS BLOCK Ⅱ-F的IFCB较大,幅值可达14 cm,GPS BLOCK Ⅲ与BDS的IFCB则较小,一般不超过5 cm。在定位验证中,经过IFCB改正后,GPS/BDS-2/BDS-3-IGSO在第3频点L5、B2I、B2a的相位残差分别减小了59.54%、26.31%、10.98%。其中,动态定位的GPS、BDS-2/BDS-3-IGSO、GPS/BDS-2/BDS-3-IGSO 3种方案的点位精度分别提升了56.55%、29.16%、20.72%,改善效果显著。     

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务。本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面,对北斗三号系统组网前后(2020年5月1日至2020年7月20日)BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究,并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。研究表明,BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。上述时段内,以国际GNSS服务(IGS)发布的最终GIM产品为参考,BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%;以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考,BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%;当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时,在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。     

北斗三频数据的两个无电离层组合轨道钟差估计及其应用

本文针对全球连续监测评估系统（iGMAS）和国际多系统GNSS试验计划（MGEX）两个观测网接收到不同频率北斗卫星数据的情况,提出了一种北斗卫星（BDS）3个频率（B1I、B2I、B3I）的两种无电离层组合（B1/B3和B1/B2）数据精密定轨（POD）和钟差估计（CE）方法。该方法可以统一处理上述两个观测网收到的北斗二代（BDS-2）,北斗三代试验系统（BDS-3e）和北斗三代全球系统（BDS-3g）3个频率的观测数据,并在一次程序运行中对所有北斗卫星进行联合处理,可有效提高一次运行的数据使用率,从而提高参数估计精度。采集了多天iGMAS、MGEX的GPS和BDS数据进行试验。结果表明,对BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨时,采用三频两组合方法后由于增强了观测几何,BDS轨道重叠RMS为15.9 cm,比传统双频法定轨精度提高11.3%。新方法引入了与卫星端3个频率相关的码偏差,该量多天估计结果稳定,证明了模型和方法可靠。将新方法用于BDS-3g+BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨,6颗BDS-3g的MEO卫星轨道重叠RMS为14.5 cm,钟差重叠RMS为0.43 ns,与BDS-3e的15.1 cm和0.49 ns相当。开展了北斗卫星精密单点定位（PPP）试验,结果显示增加了BDS-3g的6颗MEO的精密轨道和钟差后,测站定位精度水平为39.6 mm,天顶为37.8 mm,比仅用BDS-2和BDS-3e卫星定位精度提高了11.1%。