北斗IGSO/MEO卫星姿态控制及光压差异分析

为规避GPS等国外卫星导航系统动态偏航姿态控制模式中的地影机动以及正午和午夜机动,北斗IGSO/MEO卫星采用了动态偏航和零偏航两种姿态控制模式。针对姿态控制模式引起的卫星本体、帆板受照及光压力的变化对定轨、定位解算造成的影响,该文通过对卫星姿态及受照的分析,查找由于姿态变化所造成的卫星光压摄动力变化的转换点,指出引起动偏、零偏下卫星光压摄动力差异的主要因素是零偏下入射太阳光线与太阳帆板不垂直,存在小角度夹角;两种姿态控制模式下光压摄动力的差异量级在10-8 m/s2。该研究成果可以为北斗卫星轨道确定提供技术支持。     

北斗卫星轨道预报精度分析及改进

针对北斗GEO、IGSO、MEO的3种卫星类型和动态偏航、零偏航两种姿态控制模式,进行了以ECOM光压模型为基础的轨道预报精度分析。确定了北斗3类卫星的短期、中期、长期预报光压参数选择策略。采用光压参数修正法,通过对北斗卫星光压参数长期变化规律建模,有效提升了地影段轨道长期预报精度。研究结果可同时服务于北斗卫星轨道确定及历书参数生成。     

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。     

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。     

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。     

姿态模式切换期间QZSS卫星轨道及其钟差产品特性分析

导航卫星姿态控制模式切换对精密定轨解算得到的轨道和钟差均有较大影响。本文首先从理论上分析了卫星偏航姿态及其对精密定轨的影响,然后分别以卫星激光测距检核和钟差多项式拟合的方法对IGS MGEX分析中心的QZSS卫星轨道和钟差产品精度进行评价,最后以谱分析方法和改进阿伦方差揭示了卫星钟差的周期特性。基于2014年全年的QZSS卫星轨道和钟差产品的研究表明,一年内有两次长约20 d的地影季,太阳角呈现半年周期的波动;QZSS卫星在低太阳角时有零偏保护,其卫星轨道和钟差精度都与太阳角有显著相关性;卫星钟差具有与轨道周期相近的周期项,且周期项振幅与太阳角的大小也具有相关性,表明现有的定轨策略存在不足。考虑到QZSS与目前北斗星座中IGSO和MEO卫星姿态控制模式的相似性,该结论对于研究我国BDS姿态切换期间的精密定轨有一定参考价值。     

北斗卫星姿态偏航控制模式预报

针对精密定轨中需要精确获取不同姿态控制模式起止时间的问题,研究了北斗导航卫星不同姿态控制模式的预报方法。首先介绍了姿态控制模式的定义以及国内外导航卫星采用的姿控模式;然后利用矢量分析法研究分析了动偏、零偏与连续动偏控制及其预报方法,并编写了一套姿控模式预报程序;最后利用北斗卫星的实测数据进行了试验分析。结果表明:北斗姿态控制模式预报精度优于1 min;连续动偏机动持续约40 min,对卫星的有效观测弧段影响小于1 h。     

北斗卫星太阳光压解析模型建立及应用

光压模型是导航卫星高精度定轨、定位的基础。目前关于北斗卫星光压摄动模型的研究并不少见,但基于卫星物理参数的综合解析模型建立与应用公开可见的论述并不多见。不同于其他保守和非保守摄动力,光压辐射与卫星本身参数状态密切相关,具有明显的个体差异性。本文基于光压辐射的物理机理、北斗卫星物理参数、姿态控制模式等,建立光压摄动综合解析模型,以精密星历和激光测距数据为基准,验证了综合解析模型能够获得分米级的精密定轨精度。在此基础上,根据卫星角动量守恒和在轨遥测参数变化,分析了综合解析模型和在轨实际干扰力的差值,提出了在综合解析模型基础上增加常数经验修正项Da、Ya的方法,以北斗C08、C10星为例,分别可获得0.078、0.084 m的SLR检核精度,相比于利用CODE经验改进模型,精度分别提高0.021、0.045 m。     

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。     

资源三号02星厘米级定轨精度分析

针对低轨卫星精密定轨时周跳探测、定轨方法和精度分析方法的关键问题,该文采用TurboEdit方法探测周跳。采用简化动力学方法确定资源三号02星轨道,并通过重叠弧段和独立轨道对比两种方法进行检核。结果显示,TurboEdit方法能够很好地提高观测数据质量,进而提高轨道精度;通过检核,资源三号02星定轨精度达到厘米级。     

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IGSO和MEO卫星零偏状态下超快速轨道光压模型

采用2015年全年北斗IGSO和MEO卫星零偏的数据,比较了不同光压模型对零偏时期轨道预报的影响。共有4种光压模型参与了比较,分别是ECOM 5参数模型、ECOM 5参数加切向常量经验加速度模型、ECOM 9参数模型和修改过的Adjustable Box-Wing模型。结果显示,ECOM 9参数模型和修改过的Adjustable Box-Wing模型要明显优于ECOM 5和ECOM 5参数加切向常量经验加速度模型。其中修改过的Adjustable Box-Wing模型略优于ECOM 9参数模型。相比于动偏时期的轨道预报,零偏时期需要提高的主要是切向和径向方向上的精度。     

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。     

监测站时间同步条件下的单星定轨

基于伪距及载波相位观测量的COMPASS-M1卫星精密定轨中轨道误差与钟差分离问题是制约卫星定轨精度提高的主要因素之一。本文首先介绍了基于监测站时间同步条件下精密定轨原理,然后通过对卫星钟差建模,采用动力学方法利用国内五站实测数据对COMPASS-M1卫星进行了轨道确定,并利用轨道重叠弧段法及实测激光数据对定轨精度作了检核。结果表明,基于目前监测站时间同步技术,利用相位平滑伪距定轨能达到10m以内精度。     

星地跟踪网的导航卫星精密轨道确定及预报

针对区域跟踪网不能覆盖导航卫星全弧段从而导致卫星定轨精度低的问题,简述了导航卫星和低轨卫星联合定轨模型,然后利用星地跟踪网观测数据同时确定了低轨卫星和导航卫星精密轨道,并根据实验结果详细分析了低轨卫星在联合定轨中所起到的作用。计算结果表明,引入低轨卫星之后,全球网和区域网定轨精度分别平均提高了20.0%和44.3%,区域网6h和24h的轨道预报精度分别优于10cm、13cm,利用星地跟踪网观测数据联合定轨方案是一种提高定轨精度并削弱对地面站依赖性的有效方法。     

两种机动力建模方法的适用性分析

分析了脉冲经验力和分段线性经验力两种机动力模型在GEO卫星机动期间定轨和机动后轨道预报中的适用性,同时比较了两种机动力建模方法与短弧动力学方法之间在轨道预报方面的优劣。实验结果表明,在机动定轨中,脉冲经验力模型比分段线性模型更优越。两种机动力建模方法东西机动期间单天弧段轨道拟合精度可优于5m,但线性模型轨道预报精度比脉冲经验力模型和短弧动力学方法差。C波段观测量能够改善机动期间定轨精度。     

BeiDou-3试验卫星精密定轨及钟差精度分析

BeiDou-3试验卫星在北斗全球组网阶段起着重要的测试验证作用,精密轨道和钟差精度是衡量新卫星服务性能的重要标志。本文介绍了BeiDou-3试验卫星(C31、C32、C33和C34)可用的两种卫星天线相位中心改正参数;对比分析了不同天线相位中心改正策略对于精密定轨和卫星钟差确定的影响;定量分析了i GMAS跟踪站对试验卫星跟踪弧段的覆盖率差异。实验结果表明:卫星厂商提供的卫星天线相位中心参数精度更高,建议在精密数据处理中采用。采用卫星厂商天线相位中心改正参数的BeiDou-3试验卫星精密定轨1D RMS精度分别为38、30、49和70 cm,精密钟差精度除C34结果较差外其余均优于0.6 ns;4颗试验卫星跟踪弧段覆盖率分别为32%、42%、79%和80%。综合来看,C32卫星相对其余3颗卫星结果呈现出更好的性能。     

北斗卫星定轨中的常用光压模型比较

利用北斗精密星历作为伪观测值拟合了伯尔尼(BERN)光压模型和球光压模型的光压参数,并利用所求参数分别进行了轨道外推。通过分析轨道拟合和外推精度得到如下结论:在1 d的弧段上,BERN模型对于3类卫星GEO,IGSO和MEO的拟合精度相当且精度优于10 cm;球模型对于GEO和IGSO的轨道拟合精度相当且精度优于50 cm,明显低于其对MEO的拟合精度;对于GEO和MEO以及IGSO卫星6号星,利用BERN模型得到的外推轨道比利用球模型得到的外推轨道精度高;但对于8号,9号及10号IGSO卫星而言,利用球模型得到的外推轨道比利用BERN模型得到的外推轨道精度高。