星地SLR和星间链路的BDS-3卫星精密定轨EI北大核心CSCD

目前,BDS-3卫星上已全部搭载星间链路设备,可利用星间双向测量数据分离卫星相对钟差和相对几何距离解耦卫星轨道和钟差,再把星间距离作为观测量结合地面测量数据进行星地星间联合定轨。人卫激光测距(SLR)技术不受载波相位模糊度、钟差等因素的影响,数据处理过程相对于GNSS技术的数据处理更简单,可以作为一种独立于GNSS观测技术的测量手段。所有BDS卫星上已搭载激光角反射器,因此本文利用2020年1月北斗星间链路数据及少量SLR数据对11颗BDS-3卫星(MEO/IGSO/GEO)进行联合精密定轨试验。分析结果表明,基于SLR和星间链路的3类轨道类型的BDS-3卫星定轨精度相当,轨道精度径向为4.2 cm,三维精度为30.2 cm;卫星轨道预报12 h和24 h MEO卫星三维精度约40.0 cm,IGSO三维精度优于60.0 cm;GEO卫星三维精度约1.0 m。在精密定轨的同时解算地球自转参数(ERP),由于激光数据量少,极移精度约3.0 mas,日长变化精度为0.35 ms。利用少量SLR观测数据和星间链路测量数据联合可以实现导航卫星的高精度定轨,如果能够对BDS卫星加强激光观测,有助于提升轨道精度,为BDS自主可控空间基准参数解算提供参考。     

自主卫星导航的空间基准维持

基于星间测距的自主定轨必然存在星座的整体旋转和漂移,即存在星座空间基准的衰减问题,因此,卫星星座的空间基准维持是自主定轨的主要目标,也是自主定轨的核心问题之一。重点讨论卫星自主定轨中的空间基准维持方法,系统分析星地观测、星间/星地组合观测和星间观测3种观测模式下的卫星轨道参数估计方法,及其对应的空间基准维持方式;提出卫星自主定轨强基准和弱基准概念。强基准是指在星地观测或星间/星地组合观测条件下,强化地面高精度基准站坐标的定轨方式,此时卫星星座基准与地面跟踪站基准一致;弱基准是指在仅有星间链路观测条件下,采用卫星轨道信息先验弱约束的定轨方式,即弱基准是以先验轨道所对应的卫星星座的几何重心建立的。强基准充分利用了星间、星地观测网中的各类信息,计算结果可靠且精度稳定,而弱基准虽然缺少地面观测信息,但先验卫星轨道同样是基于地面跟踪网精密定轨得到的,对卫星空间基准的维持同样可靠,且定轨计算更为简单。采用北斗试验星实测数据,分别开展无基准、弱基准和强基准支持下的自主定轨试验,试验结果表明,弱基准中仅对卫星轨道倾角和升交点赤经进行先验弱约束即可抵偿卫星星座的旋转和漂移,但定轨精度略低于强基准支持下的定轨精度。在无地面跟踪系统支持的特定环境下,建议采用弱基准方法,实现真正意义上的自主定轨。     

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%。     

转发式测距数据支持的GEO导航卫星精密定轨

地球静止轨道GEO卫星定轨是精密定轨领域的难点.依托我国区域范围地面跟踪网实际,提出了转发式测距数据支持下的GEO导航卫星精密定轨方案.从定轨精度、设备时延和伪距站对GEO轨道精度影响等方面进行了深入分析.试验结果证明:1 ns的时延误差引进的GEO轨道径向和位置误差分别为0.121 m和3.505 m.在多个转发式测距跟踪站约束的条件下伪距对定轨精度贡献非常有限,但通过星地钟差的估计可以实现时间同步,同步精度优于1 ns.这为时间同步提供了一种新的方法.当转发式测距跟踪站有限时伪距对GEO定轨的贡献非常明显,1CC(转发式跟踪站)+7L(伪距站)联合定轨条件下的轨道精度优于5 m.从而解决了GEO卫星精密定轨问题,同时实现了星地和站间时间同步以及卫星轨道与钟差参数的自洽.     

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。     

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。     

基于自发自收测距的GEO卫星精密定轨

对于基于伪距测量模式的GEO卫星定轨,需要星地时间同步和站问时间同步的支持,因此卫星钟差和接收机钟差的精度直接制约了GEO卫星的定轨精度.自发自收式测距的观测数据并不含有卫星钟差和接收机钟差信患,定轨解算中避免了钟差精度带来的影响,可以实现GEO卫星的精密定轨.此处采用GEO卫星的自发自收武测距数据进行精密定轨试验,分析和讨论了基于自发自收式测距的GEO卫星精密定轨策略,提出了卫星轨控后轨道快速恢复的定轨策略.试验结果表明:轨道的内符R方向精度为1.615 m,位置精度为11.642m,定轨残差为0.279m;轨道恢复1 h后的定轨位置精度优于60m,恢复6 h后的定轨位置精度优于15m,定轨残差在0.15 m左右.     

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。     

综合星间和地面测距数据的导航卫星联合定轨

简要地论述了基于星间测距数据和地面跟踪数据的导航卫星联合定轨中的观测模型、定轨软件及数据模拟方法等,在此基础上,基于自编的联合定轨软件进行了不同方案的模拟计算。结果表明,采用星地联合定轨模式,不仅可以获得很好的定轨精度,而且可大量减少地面跟踪站的布设数目以及降低对地面站的几何分布要求;地面跟踪站数量的增加及其地理分布的改善对提高联合定轨精度作用有限。     

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。     

基于全球导航卫星系统的高轨卫星定轨理论研究及仿真实现

由于地基定轨系统的局限性,提出基于全球导航卫星系统(GNSS)的高轨卫星定轨方法,并设计实现了高轨卫星天基定轨仿真软件。结合高轨卫星天基定轨的特点和GNSS的建设现状,研究卫星可见性算法和星间观测模型,综合轨道积分和Kalman滤波方法的优点,提出确定高轨卫星轨道的积分滤波方法。仿真结果表明基于GNSS完成天基定轨增加了卫星的观测量,提高了定轨精度。最后在理论研究的基础上,自主开发了集STK、Matlab和Visual C++为一体的高轨卫星天基定轨仿真平台。为北斗系统应用于高轨卫星天基定轨提供了理论上的参考依据和模拟工具。     

GPS卫星精密星历的实时确定

建立了一种GPS卫星实时轨道确定的新算法。该算法用法方程叠加方法更新卫星轨道参数,然后根据卫星轨道与卫星轨道参数之间的数值微分关系计算新的卫星轨道,并详细分析了用中国GPS跟踪网数据实时定轨的结果。     

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。     

基于星地/星间联合观测的时间比对方法

星间观测实现了移动卫星的连续跟踪,是提升卫星钟时间比对精度的重要手段。研究了基于星地/星间联合观测时间比对技术;推导了星地/星间时间同步比对模型;给出了星间钟差到星地钟差的一致性归算方法。理论上加入星间观测移动卫星钟差预报精度能大幅提升,但异质观测设备导致钟差观测序列不连续,影响了卫星钟预报精度。研究了小幅钟差跳变的探测与补偿技术,提出了基于传统粗差探测与相邻历元组差相结合的钟差跳变探测方法,有效消除了异质观测设备带来的钟差不一致性,提升了卫星钟预报精度。最后利用实测与仿真数据验证了所提出的理论和方法的正确性和有效性。     

GEO导航卫星定轨观测模型

根据GEO导航卫星的轨道特性,给出了严密的伪距观测和载波相位观测数学模型;讨论了其轨道和星钟差的解算条件,以及多星组差定轨的可行性。结果表明:在利用伪距时,如果测站钟差已知,需要4个以上站的数据才能进行定轨和星钟解算;如果站钟、星钟钟差已知,需要3个以上站的数据才能确定轨道。在利用站间组差伪距时,须有4个以上测站的钟差信息才能进行轨道和星钟解算;利用GEO卫星与MEO(IGSO)卫星组差定轨时,需要GEO卫星钟差已知且有3组星间组差数据。利用GEO卫星载波相位观测资料,不能单独解算轨道。     

导航卫星自主定轨的算法研究及模拟结果

讨论了利用卫星-卫星间的距离观测值建立导航卫星系统自主定轨的数学方法，并用GPS星座模拟星间观测值，采用滤波算法计算卫星的状态参数。模拟结果表明，在空间测距精度一定的情况下，自主定轨精度能高于GPS广播星历，因而能较精确地维持卫星系统的坐标框架。     

VLBI在探月卫星定位中的应用分析

中国实施的"嫦娥"探月工程中,探月卫星的定轨测控系统由我国现有的S频段航天测控网(USB)和甚长基线干涉测量(VLBI)系统组成。系统中,VLBI技术主要为绕月卫星定轨提供卫星的角位置。本文分析了在探月项目中,VLBI单点定位的必要性。探讨了VLBI技术用于探月卫星单点定位的基本原理及其实现方法。通过算例对模拟数据进行处理,检验了方法的正确性。对结果进行分析,得出一些结论。     

BD卫星星间链路定轨结果及分析

我国新一代北斗导航系统试验卫星搭载了高精度星间链路载荷并已经得到了实测数据。本文给出了星间链路数据预处理方法,并介绍了星间链路数据独立定轨和星间Ka测量与L波段数据联合定轨的方法和初步结果。利用3颗试验卫星和1个地面Ka站在轨试验,结果表明:独立采用星间链路定轨,其结果 R方向误差小于0.5m;星间链路数据与L波段数据联合定轨,其对L波段定轨结果有显著改善,轨道R方向误差小于0.3m;星间测量设备时延标校精度优于0.1m。     

重力卫星星载GPS简化动力学精密定轨

利用GRACE和SWARM重力卫星星载GPS观测数据,基于简化动力学方法进行精密定轨,通过相位观测值残差分析、重叠轨道对比和科学轨道对比进行轨道精度检核。GRACE和SWARM卫星相位观测值残差RMS值稳定在6 mm左右,重叠轨道对比差值RMS在径向、切向和法向均优于1.24 cm;通过与GFZ和ESA提供的GRACE卫星与SWARM卫星精密轨道对比,GRACE卫星简化动力学轨道在R,T,N方向的轨道精度分别达到1.3 cm、2.1 cm和1.3 cm;SWARM卫星简化动力学轨道在径向、切向和法向的轨道精度分别达到0.8 cm、1.3 cm和1.6 cm。实验表明,基于简化动力学方法,GRACE和SWARM卫星定轨精度均到达厘米级。