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。     

风云三号C卫星星载GPS/BDS分米级实时定轨模型研究

风云三号C(Fengyun 3C,FY3C)卫星于2013年发射,搭载了全球导航卫星掩星探测仪(GNSS occultation sounder,GNOS),是国际首台兼容GPS和北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)的掩星探测仪,可同时提供GPS和BDS双频观测数据,为研究星载GPS/BDS组合定轨提供了机会。为了实现分米级精度的星载GPS/BDS组合实时定轨,首先推导了基于载波相位观测值的星载GPS/BDS实时定轨数学模型;然后重点分析了GPS与BDS广播星历误差的变化特性,对不同类型轨道的BDS广播星历误差在信号传播路径(location of signal,LOS)方向的投影进行统计,并以此为依据,建立载波相位观测值的伪模糊度待估参数及其随机模型,用来吸收LOS方向的广播星历误差,从而实现分米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件SATODS对FY3C卫星GPS/BDS实测数据模拟在轨实时处理,结果表明,在使用广播星历的条件下,基于星载GPS/BDS载波相位实时定轨,可以达到30 cm的位置精度以及0.3 mm/s的速度精度。加入BDS观测数据后,虽然BDS卫星的广播星历整体精度低于GPS,但是通过合理设置伪模糊度参数的随机模型,实时定轨结果相对于单GPS有了一定的提高,当FY3C卫星经过亚太地区上空时,实时定轨精度可提高10%以上。     

利用SLR数据进行北斗卫星广播星历精度分析

卫星激光测距（satellite laser ranging,SLR）作为一种完全独立于微波测量的测距方法,为GNSS（global navigation satellite system）广播星历精度评估提供了独立的外部检核手段。基于2013年4月~2014年7月的北斗卫星SLR数据,对北斗卫星导航系统正式提供服务后的广播星历精度进行了评估,推导了北斗地球静止轨道卫星激光残差近似表达式,分析了不同姿态模式下北斗倾斜地球同步轨道卫星、中圆地球轨道卫星激光残差特性。检核结果表明了参与国际激光联测的北斗卫星C01星广播星历精度为0.97 m、C08星为0.43 m、C10星为0.41 m、C11星为0.41 m。     

北斗卫星导航系统广播星历精度分析

针对系统地评估我国北斗卫星导航系统广播星历精度与保障实时导航定位服务的需求,对BDS广播星历提供的卫星轨道、钟差以及用户测距误差(URE)的精度性能进行分析,统计了2015年连续4周全部BDS在轨健康卫星的广播星历各项精度指标值。分析结果表明:BDS的MEO和IGSO卫星轨道精度优于GEO卫星结果,且径向精度优于法向和切向精度;BDS搭载的国产星载铷钟卫星钟差序列相对比较稳定,其均方根误差优于4ns;GEO/IGSO卫星的用户距离误差(URE)在6m以内,MEO的URE优于20m。研究结果对北斗系统的建设、后期的发展和用户市场的拓展,都具有重要的参考价值。     

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%。     

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。     

用户视角的当前GNSS星座性能比较分析

导航星座性能直接决定着系统性能指标的实现,不同的星座构型和轨道参数决定了不同的星座性能.为系统评估北斗三号全球卫星导航系统(BDS3)建成开通后四大全球系统星座、BDS3与其他系统组合星座的当前实际性能,利用2020-08-01—2020-08-10的星历数据计算了各星座的全球可见卫星数、星座PDOP(位置精度因子)可用性和全球空间覆盖率,比较分析了各星座在不同用户高度截止角下的性能,探讨了各星座PDOP值在全球的分布规律.结果表明,在5°、15°、30°和45°高度截止角下,北斗系统(BDS)星座性能最优,在30°E～180°E,90°S～90°N区域,单系统中BDS的PDOP值远小于其他系统,用户高度截止角较高时,BDS3+GPS组合能在保证高可用性的条件下提供更高的全球空间覆盖率.所得结论对不同类型的用户使用北斗系统以及将BDS3与其他系统组合使用具有重要的参考价值.     

BDS-3卫星对BDS全球定位性能提升分析

随着北斗卫星导航系统(BDS)建设与组网工作的不断推进,北斗3号（BDS-3）已开始提供全球定位服务,其定位性能是广大用户关注的主要问题之一. 为了评价BDS在全球各地区定位可用性与精度,本文选取了全球范围内可接收北斗2号（BDS-2）与BDS-3卫星播发信号的44个静态观测站,分别使用BDS-2卫星与北斗2/3号（BDS-2/3）卫星的B1I与B3I信号及其无电离层组合观测值进行标准单点定位解算,同时使用广播星历解算BDS在全球范围的可见卫星数与位置精度因子(PDOP)分布情况. 结果表明,相对于BDS-2卫星,BDS-3卫星可以在全球范围内增加2～4颗可见卫星,同时减小了PDOP值和定位结果噪声,将BDS服务范围从亚太地区进一步扩展至全球. 另外,全球参考站双频无电离层组合可实现水平方向1.5 m、高程方向3 m的定位精度,单频定位也可实现水平2.5 m,高程4 m的定位精度. 本文还进行了手持动态实验,结果表明,BDS-2/3动态条件下可实现水平方向约2 m、高程方向约4 m的定位精度. 总的来说,目前BDS可以实现全球水平方向优于2 m,垂直方向优于4 m的伪距单点定位,满足绝大部分全球用户的定位需求.      

BDS-3/BDS-2多频数据的长距离非差网络RTK算法

北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 satellite navigation system,BDS-3)已正式建成并提供服务,网络实时动态定位（real time kinematic,RTK）算法是提高北斗卫星导航系统（BeiDou satellite navigation system,BDS）定位精度的主要手段。提出了一种基于BDS多频多系统观测数据的长距离非差网络RTK算法。首先,通过顾及大气误差参数的多频载波相位整周模糊度解算模型,确定长距离BDS参考站的多频载波相位整周模糊度。然后,利用准确确定的参考站间载波相位整周模糊度,通过线性变化得到各参考站的非差整周模糊度,并计算各参考站的非差观测误差。考虑长距离测站间观测误差空间相关性减弱的特点,根据误差特性的不同分离出参考站网分类的非差误差改正数。最后,采用反距离加权法计算流动站的分类非差误差改正数,流动站通过非差误差改正数进行观测误差的改正和高精度定位。使用长距离连续运行参考站网的多频实测数据进行实验,结果表明：BDS-3的定位精度相对于北斗二号卫星导航系统(BeiDou-2 satellite navigation sys...     

北斗三号全球卫星导航系统空间信号精度评估

针对北斗三号 (BDS-3)正式开通后的空间信号精度情况,选取2020-08-01—2021-07-31共 1 a的混合广播星历数据,以德国波茨坦地学研究中心(GFZ)和武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据中心(WHU)提供的精密星历为参考分别从轨道精度、钟差精度和空间信号测距误差(SISRE)来进行BDS-3的空间信号精度评估. 结果表明:BDS-3的轨道精度在径向(R)、切向(A)、法向(C)三个方向上分别优于0.100 m、0.405 m、0.547 m,钟差精度优于1.926 ns,仅受轨道影响的SISRE (orb)为0.134 m,SISRE为0.612 m. 地球静止轨道(GEO)卫星的SISRE为1.137 m,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和中圆地球轨道(MEO)卫星的SISRE相比GEO卫星分别减少36.3%、51.3%.      

北斗三号全球卫星导航系统的广播星历精度评估

为了及时评估北斗三号全球卫星导航系统（BDS-3）广播星历的精度,本文基于2018年3月10—22日和2019年7月2—14日的BDS-2、BDS-3广播星历,以及武汉大学发布的精密星历数据,从北斗卫星的星历误差、轨道误差和空间信号测距精度（SISRE）3个方面进行了全面比较与分析。结果表明：BDS-3的广播星历星历误差的RMSE基本优于1.5 m,BDS-2的GEO、IGSO和MEO卫星的广播卫星星历误差的RMSE分别为3.0、3.0、2.0 m;BDS-3的轨道误差RMSE基本优于1.0 m,其中径向R方向的精度高于切向T和法线N方向,分别为0.1、1.0、0.5 m,BDS-2在R、T、N 3个方向上的精度分别为1、3、3 m;BDS-3广播星历SISRE的RMSE基本优于0.25 m,BDS-2的GEO、IGSO和MEO卫星的SISRE分别优于0.5、2.0、0.5 m。本文的结果整体上反映出BDS-3信号稳定且精度逐渐提升。     

北斗三号系统开通前后广播星历精度对比分析

北斗三号卫星导航系统(BDS-3)开通已一年有余,通过研究2019-08—2021-08共2 a的北斗卫星导航系统(BDS)广播星历数据,采用事后精密星历对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)和BDS-3卫星的轨道、钟差和空间信号测距误差(SISRE)进行分析. 结果表明:BDS-3系统开通后,卫星轨道精度比BDS-2提升明显,径向(R)误差均方根(RMS)值从0.87 m左右提升至优于0.23 m,精度提升约74%,3D误差RMS值从1.63 m以内提升到优于0.75 m,精度提升约54%;氢原子钟和铷原子钟精度相当,BDS-3钟差误差RMS值精度提升与BDS-2提升基本相同,精度提升约1 ns;SISRE精度比对中,BDS-2 SISRE的RMS值从0.9 m提升到0.7 m,BDS-3从0.8 m提升到0.5 m. 综合比较,BDS-3系统性能提升较大.      

Galileo系统服务中断前后广播星历精度对比分析

2019年7月中旬发生的Galileo服务中断事件,在整个卫星导航发展史上都是较为罕见的重大事故。本文选取Galileo服务中断前后的广播星历,从纵向（利用中断前后29 d的数据）和横向（与其他主要系统进行对比）两个维度,通过卫星位置、速度、钟差、空间信号测距误差4个方面,对中断事件前后广播星历计算精度进行了较为全面的分析。结果表明：从纵向维度来看,服务中断前,Galileo健康卫星数发生剧烈变化,卫星钟差精度普遍发散,卫星位置、速度精度未发生明显异常,服务恢复后各项指标随之恢复正常。从横向维度来看,与GPS相比,Galileo系统目前在卫星位置速度精度、卫星钟差精度方面已表现出优于GPS的性能,在空间信号测距误差（SISRE）方面,Galileo轨道精度具有明显优势,平均SISRE达到0.27 m。GPS与BDS相当,GPS平均SISRE达到0.61 m,BDS的3类卫星MEO、IGSO和GEO分别达到0.76、0.58和0.68 m;QZSS的IGSO和GEO卫星平均SISRE分别达到0.85和0.99 m。GLONASS轨道精度稍差,平均SISRE为1.05 m。     

四大GNSS广播星历精度评估与对比分析

分析了 目前广播星历精度评估中存在的问题,详细论述了广播星历精度评估过程中对精密星历进行天线相位中心改正的取值方法,提出了利用单颗星单日钟差均值作二次差对广播星历钟差的系统性偏差进行改正的方法.选取2019-09-01-2019-11-01 共计62天的多模 GNSS 实验(multi-GNSS experiment,...     

风云3C增强北斗定轨试验结果与分析

首次搭载GPS/BDS双模接收机全球导航卫星掩星探测仪(GNOS)的风云三号C星于2013年9月23日的成功发射,为研究低轨卫星对BDS定轨增强提供了便利。本文首先对低轨卫星GNOS搭载的GPS/BDS双模接收机的观测数据进行统计,并分析了伪距测量精度。然后在全球测站、区域测站两种布局情况下,对无GNOS的BDS单系统定轨、无GNOS的GPS/BDS双系统定轨、有GNOS的BDS单系统定轨增强、有GNOS的GPS/BDS双系统定轨增强4种方案进行北斗轨道及钟差比较分析。结果表明,GNOS对北斗卫星轨道增强在全球测站下,GEO卫星切向精度提升最为显著,提升程度达60%,其次是法向和其他类型卫星切向,部分弧段个别GEO卫星径向精度稍有下降。双系统定轨增强中可视弧段钟差重叠精度RMS值有0.1ns量级改善。7个国内测站区域监测网的定轨试验中对轨道进行了预报,结果表明GNOS对北斗GEO卫星轨道预报精度切向提升达85%,其余方向及卫星有较大改善,平均21.7%。可视弧段钟差重叠精度RMS值有0.5ns量级改善。     

GEO卫星对BDS-3伪距单点定位性能定量提升分析

地球静止轨道（GEO）卫星是北斗卫星导航系统（BDS）星座的主要组成部分,为分析其对北斗三号（BDS-3）定位性能的影响,本文基于MGEX跟踪站实测数据,分析了GEO卫星对BDS-3伪距单点定位精度的影响．经研究发现,GEO卫星能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,能有效提升BDS-3伪距单点定位精度,北斗二号（BDS-2）／BDS-3 GEO卫星使BDS-3伪距单点定位精度的提升量优于任一单系统GEO卫星,GEO卫星对BDS-3伪距单点定位水平向定位精度提升在30％以内,对高程方向定位精度提升在20％以内．