星地监测网下的北斗导航卫星轨道确定

提出层间链路的星间链路方式,即以轨道高度区分的不同类型卫星间链路,在MEO卫星上安装星载接收机即可接收GEO、IGSO卫星观测数据。根据中国卫星导航系统星座构型,从卫星跟踪时间、三维位置精度因子PDOP、定轨均方差等评价指标,分别进行地面跟踪站区域和全球非均匀分布情况下的星地链路、星地链路联合层间链路、星地链路联合星间双向测距等多种场景的定轨仿真。结果显示,基于中国区域的7个地面跟踪站1 d观测值,联合波束角为41.25°的层间星间链路,GEO、IGSO和MEO定轨均方差值由6.1 m、1.3 m和5.9 m减小到1.0 m、0.8 m和2.0 m;联合卫星波束角为45°的卫星双向测距(残余系统误差为振幅30 cm的周期项),星座整体定轨精度优于20 cm。     

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题，该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计，利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下：北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内，地球静止轨道(GEO)精度在0.2～0.9 ns水平；BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^-14水平；GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明，MEO比IGSO卫星钟差精度高，稳定性强；BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定，这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响，相位与频率的波动较大；BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足，可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。     

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。     

GBM快速轨道产品及非差模糊度固定对其精度的改进

GNSS是实时定位导航最重要的方法,精密卫星轨道钟差产品是GNSS高精度服务的前提。国际GNSS服务中心(IGS)及其分析中心长期致力于GNSS数据处理的研究及高精度轨道和钟差产品的提供。GFZ作为分析中心之一,提供GBM多系统快速产品。本文基于2015—2021年GBM提供的精密轨道产品,阐述了数据处理策略,分析了轨道的精度,介绍了非差模糊度固定的原理和对精密定轨的影响。结果表明:GBM快速产品中的GPS轨道精度与IGS后处理精密轨道相比的精度约为11~13 mm,轨道6 h预报精度约为6 cm;GLONASS预报精度约为12 cm,Galileo在该时期的精度均值为10 cm,但是在2016年底以后精度提升到5 cm左右;北斗系统的中轨卫星(medium earth orbit,MEO)在2020年以后预报精度约为10 cm;北斗的静止轨道卫星(geostationary earth orbit,GEO)卫星和QZSS卫星的预报精度在米级;卫星激光测距检核表明,Galileo、GLONASS、BDS-3 MEO卫星轨道精度分别为23、41、47 mm;此外,采用150 d观测值的试验结果表明,采用非差模糊度固定能显著改善MEO卫星轨道精度,对GPS、GLONASS、Galileo、BDS-2和BDS-3的MEO卫星的6 h时预报精度改善率分别为9%~15%、15%~18%、11%~13%、6%~17%和14%~25%。     

北斗GEO/IGSO/MEO卫星定轨地面站构型影响分析及其优化

GNSS卫星定轨精度主要取决于卫星动力学模型精度和GNSS几何观测信息。由于北斗GEO/IGSO卫星静地、高轨特性,以及力学模型不精确等原因,地面几何观测信息对轨道改进至关重要。本文讨论了北斗GEO/IGSO/MEO卫星定轨地面站分布影响及优化改进方法。在简化动力学定轨模型基础上,探讨多历元几何观测信息累积对轨道的改进;研究了北斗导航卫星定轨理想几何构型条件,得到影响定轨精度的几何因子,包括测站数量、覆盖范围、分布密度;利用离散概率密度方法研究地面站构型,分析了3类卫星轨道改进机理和优化方法。通过算例,讨论了增加5个中国区域基准站改善离散概率密度指标,优化全球北斗卫星定轨构型,发现GEO和IGSO卫星精度改善最为明显,MEO卫星改善最小;其中GEO卫星提高了10%,IGSO卫星提高了16%,MEO卫星提高了4%。     

两种预报轨道的BDS实时钟差估计与分析

基于iGMAS与武汉大学提供超快速轨道产品,以Geoscience Australia机构开源的GNSS处理软件ACS为平台,进行了BDS实时钟差估计实验,并对生成的产品进行了分析.实验结果表明,使用全球具有实时数据流的监测站,在以武汉大学最终钟差产品为参考钟差进行评估的情况下,基于武汉大学小时轨道估计的BDS实时钟差精度为0.25/0.67 ns(MEO/IGSO),而使用iGMAS超快速产品估计的钟差的精度为0.37/2.51 ns(MEO/IGSO),MEO卫星优于IGSO卫星,BDS-2与BDS-3均无明显分群差异.两类实时钟差产品的差异主要来自于轨道切换时产生的跳变.     

多GNSS融合精密轨道确定与精度分析

采用MGEX和IGS跟踪网数据,基于PANDA软件实现了同一时空基准框架下的GPS/GLONASS/BDS/Galileo四系统融合精密定轨,采用单天解边界不符值评定轨道精度。对2014年7月至12月6个多月的GNSS融合精密定轨精度、各单系统独立定轨精度进行比较,结果表明:GPS轨道精度与单系统定轨精度基本相当;GLONASS和BDS轨道精度均优于各单系统定轨精度,尤其是BDS卫星,其GEO、IGSO、MEO卫星平均三维轨道精度分别提高了24%、42%、63%;在多GNSS融合精密定轨中,Galileo卫星径向、法向、切向平均精度分别为9.53、8.20、20.17 cm。动态PPP验证结果表明:相比于单系统解算,多系统组合解可以显著加快收敛速度,同时提高了定位精度。     

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%。     

北斗卫星精密轨道与钟差精度分析

针对北斗卫星导航系统的卫星姿态模型、天线相位中心改正及卫星定轨数据处理策略未统一的现状,该文对比分析了武汉大学和德国地学研究中心提供的北斗事后精密轨道和钟差产品的差异及精度,结合实测数据,通过分析精密单点定位的定位精度来比较两中心精密轨道和钟差的差异。实验结果表明:北斗卫星的精密轨道精度与轨道类型有关,地球静止轨道(GEO)卫星的轨道精度为米级,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道精度为分米级,中地球轨道(MEO)卫星切向、法向和径向的精度分别为10.81、5.41和3.37cm;GEO卫星钟差精度优于0.38ns,IGSO卫星钟差优于0.25ns,MEO卫星钟差优于0.15ns;两家分析中心产品的北斗静态精密单点定位的平面精度相当;北斗静态精密单点定位的RMS统计值平面精度优于3cm,三维精度优于7cm。     

HY2A卫星的GPS/DORIS/SLR数据精密定轨

采用HY2A卫星2013年2月的实测数据,研究了GPS、星载多谱勒无线电定轨定位系统(DORIS)及卫星激光测距(SLR)三种观测数据的单独和联合定轨问题。通过与法国CNES的精密轨道数据比较发现:分别采用GPS、DORIS和SLR数据进行单独定轨,GPS数据确定轨道的径向平均精度为1.3cm,三维位置约为6.2cm;DORIS定轨的径向平均精度为1.6cm,比GPS结果略差;SLR确定轨道的径向平均精度为2.3cm。用GPS、DORIS和SLR三种数据联合定轨,确定轨道的径向平均精度为1.2cm,三维位置约为6.5cm。与星载GPS定轨结果比较,三种观测数据的联合定轨在提高卫星轨道确定精度上不明显,但联合定轨有利于保持计算轨道精度相对稳定。用站星间高度角大于60°的SLR数据检验GPS/DORIS联合确定的轨道,两者在测距方向的均方差为2.5cm,可见基于HY2A的观测数据可以实现cm级的定轨需求。     

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。     

基于非差观测量的BDS+GPS近实时钟差估计

卫星钟差的难预测性是影响实时高精度定位的重要因素之一。为快速获得高精度位置或对流层等信息，在非差观测模型的基础上，本文提出了一种延迟量约1 h的近实时钟差估计策略，该策略主要包含超快速轨道解算和钟差估计两部分。经验证，预报部分第2~5 h的GPS轨道三维平均精度为3.85 cm，BDS GEO和IGSO+MEO轨道三维平均精度分别为81.4和21.74 cm。基于超快速轨道可获得近实时钟差精度GPS为0.054 ns，BDS为0.12 ns。最后通过BDS+GPS静态PPP试验验证了轨道和钟差的可用性。     

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。     

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.     

BDS广域增强系统性能初步评估

仿造GPS超快速轨道的解算模式,轨道服务器生成3 h间隔的BDS的超快速轨道作为实时精密轨道。钟差服务器接收实时观测数据,并固定实时精密轨道和参考站精密坐标实时解算精密轨道和钟差改正数,然后利用NTRIP播发给用户,用户利用这些改正数还原精密轨道和钟差进行实时PPP动态定位。以GBM的事后精密轨道和钟差作参考,GEO卫星实时轨道SISRE(orb)在0. 3～0. 9 m,IGSO/MEO卫星实时轨道SISRE(orb)在0. 08～0. 19 m; GEO实时精密钟差二次差STD在0. 6～1. 1 ns,IGSO/MEO实时精密钟差二次差STD在0. 2～0. 6 ns; GEO卫星SISRE在20 cm左右,IGSO/MEO卫星SISRE在4～11 cm。用户利用精密轨道和钟差改正数进行动态PPP定位,排除由于BDS星座不完善和GEO卫星相对地球静止的因素,单BDS能够收敛的测试组平均收敛时间在62. 5 min,收敛后NEU 3方向的RMS分别是7. 53、13. 84和15. 93 cm。     

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。     

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。     

GNSS卫星精密定轨综述:现状、挑战与机遇

GNSS卫星精密轨道是高精度GNSS应用的基础与前提,GNSS卫星精密定轨技术也一直都是卫星导航领域的研究重点与热点。本文首先介绍了GNSS星座与跟踪数据概况,梳理了精密定轨函数模型、动力学模型及随机模型构建过程中的关键问题,归纳了低轨星载观测和星间链路观测等多源数据增强GNSS精密定轨的研究进展;然后,从应用的角度总结了当前GNSS精密轨道产品的基本状态,并进行了精度评估;最后,讨论了GNSS精密定轨在大网快速解算、多层次观测数据融合、太阳光压模型精化及高精度实时定轨等方面所面临的挑战,并展望了低轨星座、光钟、激光链路等新技术给GNSS精密定轨带来的机遇。     

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。     

模糊度固定的北斗卫星多系统融合精密轨道确定

利用全球分布的IGS和MGEX站多模观测数据,研究了北斗卫星多系统融合双差动力学精密定轨方法,提出了适应北斗系统的双差模糊度固定策略。结合实测数据,对比了单系统与多系统融合、模糊度固定解与浮点解的定轨效果。结果表明：相比单系统定轨,多系统融合定轨能有效改进IGSO和MEO卫星轨道精度,但对于GEO卫星,多系统融合定轨并无优势;利用改进的模糊度固定策略对IGSO和MEO卫星双差模糊度进行固定,有效提高了长基线模糊度固定率,整体固定成功率由40%提高到60%以上;模糊度固定对定轨精度改进作用明显,IGSO和MEO卫星三维定轨精度分别提高了48%和36%,达到0.048 m和0.066 m。