北斗系统简约历书的初步设计分析

简要介绍了全球定位系统的简约历书参数,分析了简约历书与中等精度历书参数的不同之处。基于此初步设计出了我国北斗系统的简约历书参数,给出了相应的轨道长半轴参考值和常量参数取值。导出了卫星位置对简约历书参数的偏导数,分析了常量参数的变化对简约历书参数拟合精度的影响。计算结果表明:(1)轨道长半轴的较小偏差不会影响简约历书参数的精度;(2)升交点赤经变化率的较小波动对简约历书参数的精度影响不大;(3)轨道面倾角的微小变化将会引起较大的简约历书参数拟合误差;(4)北斗系统的简约历书参数精度与全球定位系统简约历书参数基本相当,这也说明了所设计的北斗系统简约历书参数是合理的。     

一种快速的集中式自主定轨新算法

针对导航星座自主定轨,提出一种提高集中式算法效率的新思路,即充分利用高频、高精度的星间链路测距信息,在短弧内将卫星最优轨道与长期预报轨道的差异用多次曲线描述,得到卫星位置和速度的最佳估值。此方法无需动力学建模和计算状态转移矩阵,因此算法极为简洁。同时,对于自主运行期间缺乏空间基准,提出约束轨道升交点赤经的方法,以减小对地面系统的依赖程度。仿真结果表明,导航星座自主运行60 d,不考虑地球自转参数(EOP)长期预报误差,在无锚固站的情况下,链路数不少于5条时能够达到轨道URE优于1 m,位置3 m,速度毫米级的定轨精度。最后,通过比对验证了新算法比已有EKF分布式自主定轨算法的效率更高。     

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。     

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。     

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。     

一种地球静止轨道卫星的快速恢复定轨方法

地球静止轨道(GEO)卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导航服务需求提出新的更高要求,如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速恢复能力,是提升导航系统服务精度的关键因素。针对该问题,提出基于9参数星历拟合的GEO卫星短弧运动学定轨方法,详细推导定轨的数学模型与偏导模型,针对GEO卫星星历参数拟合中的奇异问题,提出相应的解决方法和措施。利用COMPASS GEO卫星实测自发自收数据进行短弧定轨试验与分析,结果表明:①10 min短弧运动学定轨的位置精度优于19 m,速度精度为4 mm/s,速度精度明显优于MEO卫星;②预报5 min的位置精度为17.760 m,预报10 min的位置精度为18.168 m;③解决GEO卫星频繁轨控所带来的轨道快速恢复问题,满足短弧跟踪条件下RDSS的服务需求。     

低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析

为提升区域地面监测站条件下北斗卫星定轨精度,面向日益丰富的北斗星载数据和即将实现的星间链路技术,提出了联合运用地面监测站数据、低轨卫星星载数据与星间链路数据的北斗卫星精密定轨方法。讨论了低轨卫星星载数据与星间链路数据增强对于导航卫星精密定轨的影响,重点从低轨卫星数量、轨位分布及星间链路等方面进行了仿真分析。结果表明:加入少量低轨卫星与区域监测站联合定轨即可显著提高导航卫星定轨精度约73%,钟差解算精度略有改进但不明显;同等数量且均匀分布的低轨星座,其轨位分布对联合定轨精度影响不大;加入星间链路数据可大幅提升导航卫星定轨精度,且改进效率高于低轨卫星。     

SDP4模型用于北斗导航卫星轨道预报的精度分析

为了实现对北斗导航卫星的监测与跟踪,需要对其轨道进行预报。利用双行星历(TLE)采用SDP4模型对北斗导航系统的3类卫星(GEO、IGSO、MEO)进行轨道预报,并对比了Trimble公司的接收机历书星历和HPOP高精度轨道外推模型预报出的星历,采用GFZ公布的北斗精密星历对其预报精度进行了评估。分析表明,SDP4模型计算速度快,可以实现对于北斗导航卫星的轨道预报,满足跟踪和监测的精度要求,具有实用价值;该模型对于MEO卫星轨道预报效果最好,IGSO卫星次之,GEO卫星最差;3日以内的短期轨道预报可以采用历书星历或者HPOP外推模型预报的星历,但是3日以上轨道预报利用SDP4模型更好;对不同预报时间下的预报轨道可以使用的领域提出了建议。     

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%。     

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。     

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...     

导航卫星历书拟合初值的选取与误差分析

研究了GPS历书拟合算法,针对常用算法拟合精度受初值影响较大,且迭代计算一般不能收敛于最小拟合误差的情况,提出了称为"二步法"的改进历书拟合算法。即首先进行短弧拟合,并将拟合结果作为长弧拟合的初值使用;取计算过程中的最小拟合误差对应值代替最终收敛值作为拟合结果。经多组GPS实际轨道拟合试验,结果表明"二步法"拟合精度一般能提高约50%。     

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%。     

广播星历参数拟合算法研究

导航卫星一般采用近圆轨道,当卫星轨道偏心率或者轨道倾角接近于0时,利用GPS卫星开普勒轨道根数拟合卫星广播星历会出现一些问题。当高轨卫星轨道偏心率接近0时,广播星历拟合精度下降甚至拟合失败,为此本文提出了减少拟合参数个数、固定轨道根数M0或者延长星历参数拟合弧段长度的方法;针对GEO卫星在小倾角情况下,广播星历可能拟合失败的情况,本文提出了改变坐标系参考轨道面,在新的坐标系下拟合广播星历的方法。结果表明,改进后的拟合方法能适用于各种类型的导航卫星轨道,拟合精度在cm级或者mm级。     

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.     

北斗导航定位系统单点定位中的一种定权方法

北斗卫星导航定位系统星座复杂、不同种类卫星高度差异较大,本文将全局性非线性最小二乘算法(Bancroft算法)应用到北斗单点定位中,Bancroft算法主要依据四维空间下的一种Lorentz内积实现,将Bancroft算法中的Lorentz内积方程写成误差方程形式,推导此方程的权,得到一种新的北斗观测值定权公式。为了验证上述定权方法,基于伪距相位差值(CC组合)组合观测值分析了北斗GEO、IGSO和MEO卫星的测距信号质量,基于多路径(MP组合)组合观测值分析了多路径效应对单点定位的影响。结果表明,新算法提高了北斗单点定位精度。     

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 system)高50%以上;BDS广播星历的轨道误差为1.5 m,时钟误差为2.4 ns,SISRE达到了0.79 m,BDS-3的卫星时钟精度已达到GPS相当的水平。然后, 使用GNOS在轨数据测试了BDS的可见卫星数、信号强度、伪距测量精度、定位精度等,重点对BDS-2卫星的码偏移进行了详细的分析。在轨数据分析表明,只使用BDS-2信号时在服务区域内可实现100%的定位,三维定位精度为5.53 m;确认了北斗地球同步轨道、倾斜地球同步轨道、中地球轨道卫星均存在随仰角变化的码偏移,其中北斗地球同步轨道卫星在仰角低于40°时的码偏移是直接测量得到;使用BDS双频测量数据获得了836 km轨道高度以上顶部电离层的全球相对分布,电离层对伪距的相对延时在0.6 m左右。研究对于BDS的天基应用有重要意义,为天基BDS接收机的设计奠定基础。     

GPS新民用导航电文简约历书的算法和性能分析

GPS用户利用导航电文中的历书数据进行卫星可见性的计算和预报。美国2004年12月公布新的GPS接口文件中,规定一种新的民用导航电文格式,提出一种简约的历书数据构成。文中针对简约历书简化了卫星位置算法,在此基础上对使用简约历书计算卫星位置的精度以及对卫星上升、下降时间预报精度进行分析,分析了引起误差的主要原因。     

关于建设北斗星基广域增强系统研究

鉴于GPS系统已经成熟,北斗导航系统建设尚不完善,本文考虑建设北斗卫星对GPS卫星的增强系统。一方面,采用GPS/Compass-Ⅱ组合卫星导航系统,可大大增加某一时刻的可见卫星数,增强导航定位系统的可靠性。另一方面,北斗现已发射第九颗导航卫星,其中包括5颗地球静止轨道卫星,本文重点探讨利用这5颗GEO(Geostationary Orbit,GEO)卫星对GPS系统进行外部增强,即北斗GEO卫星同时播发卫星导航电文和增强信息,提高用户定位精度。