北斗卫星导航系统的星座性能分析

本文分析了星座结构为5颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和27颗MEO卫星的北斗卫星导航系统所能够提供的星座性能指标。初步分析表明北斗卫星导航系统能向全球用户提供理想的卫星可见数、PDOP值和定位精度,这些指标与GPS系统相一致。对于中国大陆区域内的用户来讲,由于有5颗GEO卫星和3颗IGSO卫星的增强作用,COMPASS系统所提供的性能指标明显优于GPS系统。     

基本星座下北斗卫星导航系统服务性能分析

系统服务性能是卫星导航系统的关键技术指标。在分析可见性、几何精度因子等系统服务性能指标的基础上,采用图形显示技术和计算机仿真技术,设计实现了导航系统服务性能分析软件。重点针对现阶段基本星座下3颗地球同步轨道卫星（GEO）,3颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）的北斗卫星导航系统服务性能进行了仿真分析,对比了北斗卫星导航系统（COMPASS）与GPS兼容后在中国地区测量精度的变化。     

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。     

GEO/IGSO/MEO卫星对北斗伪距差分定位精度的作用分析

分析了GEO/IGSO/MEO 3种卫星在BDS伪距差分定位中对精度的影响,先只添加4颗GEO卫星参与定位,再在4颗GEO卫星均参加定位的条件下,逐次增加一颗高度角最大的IGSO卫星参与定位,最后在4颗GEO卫星和3颗IGSO卫星均参加定位的条件下,逐次增加一颗高度角最大的MEO卫星参与定位。分析3次实验HDOP、VDOP值和定位精度的变化。实验表明,在北斗卫星星座(5GEO+6IGSO+3MEO)条件下,只有GEO卫星参与定位时精度较差,当加入IGSO卫星和MEO卫星时能显著改善空间结构并提高定位精度。     

北斗卫星导航系统单星授时精度分析

为研究北斗卫星导航系统单星授时精度，本文基于GPS单星授时原理，结合北斗卫星多种类型星座特点，编写了BDS单星授时软件。利用iGMAS站数据进行了试验，在对原始数据进行监测并将异常信息剔除后，将授时结果与中国测绘科学研究院北斗分析中心（CGS）钟差文件进行比对，分析了BDS不同轨道卫星（GEO/IGSO/MEO）下的BDS单星授时精度。结果表明，GEO卫星的授时精度为27.39 ns，IGSO卫星的授时精度为18.37 ns，MEO卫星的授时精度为18.62 ns。     

北斗混合星座分层约束下的精密定轨方法

针对北斗导航卫星系统首创的GEO+IGSO+MEO混合星座设计,本文研究了根据不同星座,采取不同约束条件和数据处理策略的北斗卫星精密定轨方法,提出了一种针对北斗系统混合星座的分层约束精密定轨方案。该方案首先将北斗卫星分为非GEO(IGSO/MEO)和GEO两部分进行解算,利用GPS解算的公共参数对北斗IGSO/MEO精密定轨形成有效约束,然后固定GPS和北斗IGSO/MEO解算结果,最后单独对北斗GEO卫星进行强约束下的轨道解算。利用实测数据进行了精密定轨试验,试验结果表明:采用本文提出的方法,北斗GEO卫星和非GEO卫星三维重叠弧段轨道精度分别为0.688 m和0.042 m,比传统方法分别提高了54.2%和72.4%。另外,采用激光测距检核和测站坐标静态精密单点定位的方法对轨道精度进行了验证,激光检核精度提高了44.3%,测站坐标在水平和高程方向上精度分别平均提升了21.5%和20.7%。     

GEO/IGSO/MEO对北斗SPP精度的影响

北斗卫星导航系统混合星座增强了北斗的抗遮挡能力,每种星座卫星对定位精度的影响是目前研究的重点。本文基于北京地区的连续跟踪站BFGY站和ZGDZ站2018年第96天实测数据,采用反向分析法首次分析了GEO/IGSO/MEO对北斗卫星可见数、PDOP值和北斗SPP精度的影响程度,发现每种星座卫星都对北斗卫星可见数有很大的影响,对PDOP值的影响最大达到21;GEO卫星对SPP精度的影响大于IGSO卫星大于MEO卫星。     

北斗系统B1频点定位性能评估

目前,北斗二号卫星导航系统已经完成5颗GEO,5颗IGSO和4颗MEO卫星组网,初步具备了向区域用户提供定位、导航、授时、短报文通信等服务的能力。为了科学分析北斗二号卫星导航系统覆盖区域内民用B1I单频伪距的定位性能,本文仿真分析了当前星座条件下的DOP值分布情况。在此基础上,选取北京、乌鲁木齐、哈尔滨、三亚和成都5个试验地区,完成了北斗二号卫星导航系统大范围定位性能实测试验评估。统计结果表明,北斗二号卫星导航系统能够提供连续服务,性能稳定。在国内的大部分区域,按照95%进行统计,可见卫星数大于6颗,PDOP值小于4,单频水平定位精度优于8 m,高程定位精度优于10 m,三维定位精度优于15 m。在"水平定位精度≤20 m和高程定位精度≤20 m"的指标要求下,单频定位精度的可用性达到99%以上,连续性达到90%以上。     

GNSS技术在GEO、IGSO航天器中的导航精度与适用性分析

现阶段高轨道航天器导航主要依靠地基测控系统,为了研究全球卫星导航系统(GNSS)技术用于高轨道航天器导航的可行性,对GNSS技术在地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星航天器中的导航精度及适用性展开了分析研究. 采用2021年11月9日的两行轨道数据(TLE)仿真GNSS星座,以不同星下点的GEO卫星和不同倾角的IGSO卫星作为目标星展开导航仿真试验. 实验结果表明:为了满足GNSS解算所需的卫星数量,须通过接收旁瓣信号来增加可见卫星数目. 对GEO目标星而言,当接收机灵敏度高于?169 dB时,导航精度可达30 m;利用GPS对7个不同的GEO或IGSO轨道目标星进行导航实验表明,GPS对目标星导航的位置误差约为35 m;北斗三号(BDS-3)、GPS、GLONASS、Galileo的导航位置误差均值分别为28.03 m、21.16 m、37.15 m、25.09 m,具有良好的内符合精度,其中GPS精度最高,GLONASS精度最低,但大部分时段也在45 m内.      

一种区域卫星导航系统导航策略

根据区域卫星导航系统星座结构的特点,针对GEO星、IGSO星存在的轨道机动问题,以及星座建设阶段存在可用导航卫星少于4颗的情况,给出了一种综合利用接收机自主完好性故障检测排除算法、三星定位方法、病态数据处理方法的解决策略,可以提高区域卫星导航系统在一般导航应用中的有效性和连续性。实际算例结果表明了所提方法的可行性。     

利用广播星历确定BDS卫星飞行区域

针对北斗卫星导航系统(BDS)采用异构星座,其GEO、IGSO卫星飞行区域并非全球覆盖,传统监测站覆盖性能分析方法不宜直接应用以及导航卫星在轨运行时受到多种摄动影响,其实际运行区域与设计区域有别等问题,提出采用实测数据界定BDS导航卫星飞行区域的方法,并以BDS试验评估系统国内跟踪站网及GPS/BDS测试评估系统跟踪站网为例,分析了监测网的覆盖性能。实验证明本文提出的方法可较为合理、能够较准确地描述BDS地面跟踪站网的监测覆盖性能。     

GEO与IGSO卫星轨道数值积分可行性分析

我国正在组建的北斗卫星导航系统采用了一定数量的GEO和IGSO卫星,为了验证对MEO(如GPS)卫星适用的轨道数值积分方法对GEO和IGSO卫星是否同样适用,本文在二体意义下分别对GEO和IGSO卫星进行了轨道数值积分,先使用变步长的RKF7(8)阶积分法积分10步后,再使用定步长的10阶Adams预测-校正系统进行积分48小时,然后与其理论值进行了分析比较,结果表明原来适用于MEO卫星的轨道积分方法仍然适用于GEO/IGSO卫星。     

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。     

基于预报钟差的轨道快速恢复

我国北斗卫星导航系统由GEO/IGSO/MEO混合星座构成,基本每7~10 d就会有一颗GEO卫星或IGSO卫星进行轨控操作。从卫星轨控开始,卫星存在5~6 h的不健康时期。造成机动卫星长期不健康的关键因素之一在于卫星和测站钟差数据的积累周期较长。本文提出了一种基于预报钟差的轨道快速恢复算法,通过结合星钟和站钟预报压缩机动卫星定轨观测数据积累的时间,从而缩短卫星恢复所需时间。6组机动试验结果表明:采用预报钟差策略在快速恢复初期的前几个小时对轨道预报的贡献尤为显著,对第1组定轨URE预报贡献最大可达84.82%。从3~8 h期间6组定轨平均情况来看,采用优化策略的预报URE,C01平均降低了26.06%,C04平均降低了31.58%,C03降低了9.95%。经测试该方法至少能将卫星不可用时间压缩1 h,对北斗系统建设具有重要工程应用价值。     

GEO广播星历参数设计的无奇点根数法

北斗导航星座的GEO广播星历格式与MEO和IGSO的格式一致,但是GEO星历参数拟合和用户GEO卫星位置计算均需要引进人为设置的5°倾角旋转。从第二类无奇点根数出发,对标准广播星历的轨道及其摄动表征进行改造,提出一套专用于GEO卫星的16参数星历表示法,并推导了相应的用户卫星位置计算公式。拟合试验表明,在非地影期间,2h和3h星历拟合的用户距离误差(URE)的均方根分别优于0.05m和0.1m。     

星蚀期北斗卫星轨道性能分析——SLR检核结果

星蚀期北斗卫星的轨道性能是北斗卫星导航系统性能分析的重要部分。了解北斗卫星导航系统星历中星蚀期轨道的精度,不仅可为系统服务性能评估提供支持,还有助于了解星蚀期精密定轨中相关模型可能存在的问题,进而为精密定轨函数模型改进提供参考。本文基于2014年1月至2015年7月的卫星激光测距资料,重点分析了星蚀期对北斗不同类型卫星轨道的影响,同时也对北斗广播星历和精密星历中整体轨道径向精度进行检核。结果表明:星蚀期内(尤其是偏航机动期间),IGSO/MEO卫星的广播星历和精密星历轨道均存在明显的精度下降;广播星历轨道径向误差达1.5~2.0m,精密星历轨道径向误差超过10.0cm。但仅从轨道径向残差序列中难以发现星蚀期对GEO卫星轨道是否有显著影响。非星蚀期间,IGSO/MEO卫星和GEO卫星的广播星历轨道径向精度分别优于0.5 m和0.9 m。IGSO/MEO卫星的精密星历轨道径向精度优于10.0cm,GEO卫星的轨道径向精度约50.0cm,且存在40.0cm左右的系统性偏差。     

用户视角的当前GNSS星座性能比较分析

导航星座性能直接决定着系统性能指标的实现,不同的星座构型和轨道参数决定了不同的星座性能.为系统评估北斗三号全球卫星导航系统(BDS3)建成开通后四大全球系统星座、BDS3与其他系统组合星座的当前实际性能,利用2020-08-01—2020-08-10的星历数据计算了各星座的全球可见卫星数、星座PDOP(位置精度因子)可用性和全球空间覆盖率,比较分析了各星座在不同用户高度截止角下的性能,探讨了各星座PDOP值在全球的分布规律.结果表明,在5°、15°、30°和45°高度截止角下,北斗系统(BDS)星座性能最优,在30°E～180°E,90°S～90°N区域,单系统中BDS的PDOP值远小于其他系统,用户高度截止角较高时,BDS3+GPS组合能在保证高可用性的条件下提供更高的全球空间覆盖率.所得结论对不同类型的用户使用北斗系统以及将BDS3与其他系统组合使用具有重要的参考价值.     

北斗三号在极区导航定位性能的研究

针对GPS导航系统在极区范围内导航定位困难的问题,提出了一种采用创新型星座设计的北斗三号(BDS-3)系统对极区进行导航定位的新方法.采用轨道模拟的方式对BDS-3卫星模型解算,通过计算极区卫星可见性、高度角以及精度因子等主要导航性能指标,对极区内定位性能指标的单点统计以及均值分布统计情况与GPS导航系统进行对比.随着截止高度角的增大,极区东半球部分BDS-3的可观测到的卫星数量比GPS更多;所有极区东半球以及部分极区西半球区域的各类DOP值明显低于GPS.因此,创新型星座设计的BDS-3在高对流层延迟下比GPS更有定位优势,为极区导航定位提供了新的选择.     

北斗/GPS组合定位方法

随着北斗卫星导航系统的逐渐完善,有关北斗系统定位的研究越来越深入,为了对比分析北斗系统和全球定位导航系统(GPS)定位的差异性,充分利用北斗地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)高轨道卫星的特殊性,本文提出一种新的组合选星方法,选取卫星数较少且Position Dilution of Precision(PDOP)最小的北斗/GPS组合,分别对比分析北斗系统、GPS系统及其组合系统在楼顶开放环境和楼间恶劣环境下的定位效果。实验结果表明:北斗比GPS有更加稳定的定位效果,依据本文组合选星方法,利用少量卫星即可获得较好的定位精度。     

中海达HGO软件在GPS/BDS/GLONASS静态解算的应用分析

一、引 言 2012年10月20日我国成功发射了第16颗北斗卫星,至此,我国北斗导航工程区域组网顺利完成.同时,2012年12月27日,北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)空间信号接口控制文件正式版正式公布,北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务.BDS空间段包括5颗GEO卫星和5颗IGSO卫星,在亚太地区可以在全时段或者绝大多数时段里观测到这些卫星,从而实现了BDS对亚太地区的区域增强,如图1所示.