IGSO姿态控制模式切换期间定轨策略研究

我国卫星导航系统IGSO卫星采用动态偏航与零偏航两种姿态控制模式,在太阳矢量与轨道面夹角较小时,采用零偏航。卫星姿态控制模式的切换造成了卫星所受光压力的变化。当处理包含动偏/零偏切换点的数据弧段时,由于卫星精密轨道确定策略及光压模型的不适应,无法用一组光压参数拟合两种状态,造成定轨精度下降。本文提出了利用分段线性模型描述太阳光压的定轨策略,可将定轨重叠弧段URE精度提高75%。解算的光压参数能够反映出两种状态的差异,是解决姿态转换期间轨道确定的有效方法。     

北斗系统精密卫星钟差精度评价

针对目前北斗卫星导航系统尚未形成统一的事后轨道和钟差产品的现状,该文提出了一种较为全面的北斗卫星导航系统精密卫星钟差精度评价方法,从钟差拟合残差标准差和天跳变等方面对北斗系统事后精密卫星钟差的精度进行了评价。使用相同方法对2013年全年、2014年上半年的北斗系统精密卫星钟差产品进行了评价,以此来分析定轨策略调整对卫星钟差的影响。结果表明,武汉大学分析中心解算的北斗系统精密卫星钟差产品的精度为分米级,大部分卫星的钟差精度优于0.2m,且定轨策略调整后倾斜地球同步轨道/中地球轨道卫星钟差产品的精度有小幅度提升;定轨策略调整前卫星钟差天跳变在0.2~0.5m间,但是调整后钟差天跳变显著增大,变化范围为2~3m,建议在实际应用中对其加以慎重处理。     

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.     

多星定轨条件下北斗卫星钟差的周期性变化

基于地面监测网的多星精密定轨可以同时解算出北斗卫星轨道和卫星钟差。由于轨道和钟差的耦合影响,卫星钟差时序难免会出现周期性波动。此外,受限于目前并不完善的北斗全球监测网络分布、系统导航文件缺失以及定轨后处理软件的设置问题,3类卫星的钟差均存在大量数据间断问题。本文利用适用于间断数据的谱分析方法,对多星定轨条件下的北斗卫星钟差数据进行了周期项提取,并利用周期项改进后的钟差预报模型评估了24h以内的预报精度。基于近一年的数据分析表明,北斗GEO卫星钟差3个主周期依次为12、24和8h,IGSO卫星钟差的3个主周期依次为24、12和8h,而MEO卫星钟差的3个主周期依次为12.91、6.44和24h。与改进前相比,周期项改进后的钟差预报模型将北斗卫星钟差在24h以内的预报精度提高了20%~40%。     

GRACE卫星非差运动学精密定轨分析

介绍了非差运动学精密定轨的基本原理,比较分析了精密星历和钟差以及导航星座空间几何构形对GRACE卫星非差运动学定轨的影响。数值分析表明,不同IGS精密轨道对应的GRACE卫星运动学轨道精度相当,而30s间隔和5s间隔钟差对应的径向定轨精度分别为3.8cm和3.4cm,说明高采样率的精密钟差有助于提高非差运动学精密定轨的精度。     

GPS卫星轨道及钟差对GRACE卫星定轨精度影响

针对GPS卫星精密轨道和钟差插值对GRACE卫星定轨精度影响进行了分析,分别使用IGS(International GNSS Service)30 s间隔钟差、CODE(the Center for Orbit Determination in Europe)30和5 s间隔钟差以及15 min精密星历进行GRACE卫星定轨实验。结果表明:GPS轨道插值精度可以达到cm级,将15 min GPS轨道插值为30 s间隔利用9阶拉格朗日插值定轨结果精度最高,继续增加阶数定轨精度不会增加;利用CODE钟差计算GRACE非差运动学轨道,码伪距结果精度较IGS产品提高6%,载波相位运动学定轨结果和约化动力学定轨结果精度都提高10%左右;5 s间隔卫星钟数据对定轨结果改进并不明显。采用CODE间隔为30 s钟差进行GRACE运动学定轨的计算精度能满足cm级轨道的应用需求。     

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。     

QZSS MICHIBIKI卫星实时轨道和钟差数据的精度评估

以日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)提供的精密星历为参考,对QZSS MICHIBIKI卫星发布的实时轨道和钟差数据进行了评估。数值结果表明,QZSS MICHIBIKI卫星的实时轨道精度优于11 cm,实时钟差优于0.56 ns;GPS卫星的实时轨道精度优于5 cm,实时钟差优于0.4 ns。通过比较得知,QZSS MICHIBIKI卫星的实时轨道和钟差精度明显低于GPS卫星。     

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%。     

GRACE卫星非差精密定轨精度分析

随着星载GPS接收机性能和精密轨道、钟差产品精度的提高,星载GPS观测技术已成为确定CHAMP、GRACE和GOCE等低轨卫星精密轨道的重要手段。文章以GRACE卫星为例,分别利用非差弱动力法和非差运动学方法精密确定其轨道,并将结果和美国喷气动力实验室(JPL)事后精密轨道对比。结果表明:GRACE卫星非差弱动力法和非差运动学定轨精度均可达到厘米级;在使用相同的星历、钟差等产品时,弱动力法定轨精度略微优于运动学方法。此外,本文采用超快预报精密星历实时确定GRACE卫星轨道时精度也优于10cm。     

CODE’s five-system orbit and clock solution—the challenges of multi-GNSS data analysis

This article describes the processing strategy and the validation results of CODE’s MGEX (COM) orbit and satellite clock solution, including the satellite systems GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, and QZSS. The validation with orbit misclosures and SLR residuals shows that the orbits of the new systems Galileo, BeiDou, and QZSS are affected by modelling deficiencies with impact on the orbit scale (e.g., antenna calibration, Earth albedo, and transmitter antenna thrust). Another weakness is the attitude and solar radiation pressure (SRP) modelling of satellites moving in the orbit normal mode—which is not yet correctly considered in the COM solution. Due to these issues, we consider the current state COM solution as preliminary. We, however, use the long-time series of COM products for identifying the challenges and for the assessment of model-improvements. The latter is demonstrated on the example of the solar radiation pressure (SRP) model, which has been replaced by a more generalized model. The SLR validation shows that the new SRP model significantly improves the orbit determination of Galileo and QZSS satellites at times when the satellite’s attitude is maintained by yaw-steering. The impact of this orbit improvement is also visible in the estimated satellite clocks—demonstrating the potential use of the new generation satellite clocks for orbit validation. Finally, we point out further challenges and open issues affecting multi-GNSS data processing that deserves dedicated studies.     

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%。     

GPS/BDS卫星姿态异常对PPP相位缠绕的影响及其改正模型

在精密单点定位中,相位缠绕是一项不可忽略的误差。相位缠绕的计算严格依赖于卫星姿态的确立,不同的卫星类型产生不同的异常。本文给出了卫星在正常情况下的姿态模型和在异常情况下的姿态改正模型。使用真实数据测试以验证本文所提出模型的正确性。观察滤波收敛后出现异常情况的卫星观测值的残差,结果表明:在异常时期残差最大可能超过20 cm,然而使用本文的改正模型,残差可降低到5 cm以下。使用不同分析中心的精密轨道和钟差产品,效果存在微小差异。II/IIA卫星通过地影区域的时间最长可达1 h,此期间卫星姿态完全受航向角偏差(II/IIA为+0.5°)控制,出了地影区域后30 min,姿态难以模型化,因此这30 min的观测数据不建议采用。     

卫星激光反射器质心改正的概率模型

卫星激光测距通过测量激光脉冲在地面观测站和卫星之间的往返时间来计算卫星到测站的距离。激光反射器位置到卫星质心的距离即质心改正(CoM)需要精确标定,以提高卫星测距精度。卫星激光反射器的质心改正误差主要由角反射器分布效应引起,质心改正与激光束的入射角、角反射器排列结构和地面测距站位置有关。卫星角反射器对光子的反射概率与反射器的有效雷达截面积成正比,本文对角反射器的有效雷达截面面积进行拟合,建立以入射角为随机变量的概率模型,计算了球形LAGEOS-1/2的质心改正值,基于长期观测数据使用不同质心改正值进行了精密定轨,分析了其加权残差变化。同时,对BeiDou-M3的角反射器为平面阵列的情况进行了讨论,计算了质心改正值,用一个月的数据进行精密定轨。试验结果表明,基于概率理论的模型在精密轨道中与国际激光测距服务(ILRS)公布的结果相当,说明概率模型适用于球型卫星或非球型卫星。     

Yaw attitude modeling for BeiDou I06 and BeiDou-3 satellites

The estimated yaw angles of the BeiDou I06 satellite demonstrated that the satellite experienced midnight- or noon-turn maneuvers when the sun elevation angle above the orbital plane (β angle) was in the range of [??3°, +?3°] and the orbital angle was in the range of approximately [??6°, 6°] or [174°, 186°]. The behavior of yaw attitude maneuvers in the vicinity of the midnight and noon points was identical. An alternative yaw attitude model similar to that used for the Galileo Full-Operation-Capacity (FOC) satellites was developed on the basis of the estimated BeiDou I06 yaw angles with an accuracy of approximately 3.4° to reproduce the yaw attitude behaviors. However, a discrepancy in the form of a reversal in yaw direction during the midnight-turn maneuver was observed for BeiDou I06 when the β angle was extremely small (<?0.1°). The derived yaw attitude model was proved to model the yaw attitude of the BeiDou-3 experimental satellites, and reduces the observation residuals in the vicinity of the midnight and noon points to normal levels, and facilitates continuous satellite clock estimation during eclipse periods. Compared to the yaw attitude model developed by the European Space Operations Centre (ESOC), a similar performance has been achieved with maximum yaw differences up to 9.2° when the β angle is close to 0°. The average agreement between the models is about 1°. However, the ESOC model was developed based on a patented eclipsing model, the developed model in this study is open access.     

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。     

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%。