导航卫星精密定轨与时间同步技术进展

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)通过播发卫星钟差和精密轨道信息实现时间和空间基准信息向导航用户的传递.随着高精度原子钟等导航卫星载荷、星间链路等天基/地基监测手段以及数据处理方法等技术的不断更新,卫星轨道和钟差产品的精度和实时性也逐步提升. 2018年12月,北斗三号卫星导航系统正式开通,为"一带一路"国家提供实时高精度、高可靠的基本导航定位服务.综述了北斗导航系统从北斗二号区域系统到北斗三号全球系统精密定轨与时间同步处理面临的困难和挑战,针对上述问题,阐述了北斗运行控制系统的解决途径和实现指标.与GPS等其他GNSS系统进行比较,分析了不同导航系统技术特点.最后展望了精密定轨与时间同步技术未来的发展路线图,为更高精度的GNSS导航定位授时服务提供参考.     

北斗卫星地球辐射压摄动建模研究

在对卫星所受的非保守摄动力研究中,对太阳辐射压摄动建模的研究发展迅速,而对地球辐射压摄动的研究相对缺乏,特别是其对中高轨卫星轨道影响的研究。在高精度人造卫星轨道确定中,地球辐射压摄动对于具有大面质比的导航卫星的影响越来越不可忽略。针对中国北斗导航卫星,基于地球辐射压的原理和影响机制,探讨了地球辐射压摄动建模的方法。针对北斗导航系统特点,利用地球表层的反照率和红外发射率的分布格网数据,建立了精确的地球辐射压模型,并利用全球MGEX站观测数据和中国区域监测站数据,进行了对北斗卫星引入地球辐射压模型的验证试验,分析了其定轨精度,检验了模型的正确性和可靠性。试验表明,对北斗卫星来说,在加入地球辐射压模型ERPM2(Earth radiation pressure model 2)后,轨道精度比不加入地球辐射压模型提高约4 mm;加入ERPM1模型则相应提高约2 mm。对部分卫星,加入地球辐射压模型后,其轨道精度修正量可达5～10 mm。通过卫星激光测距(satellite laser ranging,SLR)检核发现,加入ERPM2模型后,北斗中轨道地球卫星正常姿态时的轨道径向精度提高3.1 cm,GPS 036卫星轨道径向精度改善0.8～1.4 cm。因此,地球辐射压摄动模型在北斗导航卫星高精度轨道确定研究中具有一定的意义。     

姿态卡尔曼滤波对FAST馈源舱 BDS/SINS组合导航位姿精度的提高

500 m球面射电望远镜(The Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)馈源舱位置和姿态测量精度直接影响望远镜接收机的对准精度.为了提高馈源舱位姿精度,提出姿态卡尔曼滤波算法,采用北斗导航系统的多天线技术解算馈源舱姿态,将它与捷联惯导解算的馈源舱姿态对比,两者的差值作为姿态卡尔曼滤波的量测量.为了降低北斗导航系统解算姿态的复杂度,采用了罗德里格矩阵解算方法.以望远镜跟踪观测模式时,北斗导航系统和捷联惯导解算的实际导航结果作为测试数据,测试结果表明采用姿态卡尔曼滤波的组合导航结果精度优于传统卡尔曼滤波的组合导航结果,尤其在航向角和yf轴的位置精度上.     

北斗卫星导航系统服务精度评估

精度是北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)服务指标体系的重要内容.给出了北斗卫星导航系统精度指标的含义及精度指标的评估方法,利用实测数据分析了北斗系统实际实现的精度指标,并将其与GPS系统实际实现的精度指标作比较分析.DOP(几何精度因子)值由卫星导航系统空间星座分布决定,是影响用户定位授时精度的重要因素,比较了北斗与GPS在中国区域DOP值分布的差异.GPS系统PDOP(定位几何精度因子)分布均匀,随用户经度和纬度变化不大,在1.0–2.0之间.而受混合星座影响,北斗系统PDOP分布随着测站经度和纬度变化较大,变化范围为1.5–5.0;且随测站纬度增加而变大,由中心经度(东经118?)向两侧不断变大.对于影响用户等效距离误差的空间信号精度进行了比较分析.利用IGS(国际GNSS服务组织)提供的事后精密轨道、激光跟踪数据和北斗双向时频传递测量的卫星钟差评估了北斗基本导航电文的精度.结果表明:北斗IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星和MEO(中轨道)卫星轨道径向误差约为0.5 m,大于GPS卫星轨道小于0.2 m的径向误差.北斗GEO(地球同步轨道)卫星激光残差约为65 cm,IGSO卫星和MEO卫星激光残差约为50 cm.受卫星钟差数据龄期影响,MEO卫星钟差参数误差明显大于IGSO卫星和GEO卫星,约为0.80 m.最后,采用MGEX(多GNSS系统试验项目)多模接收机进行了定位试验,分析了北斗系统和GPS在定位精度上的差异.结果表明:受星座构型影响,北斗卫星导航系统定位精度与GPS系统定位精度相比有所差异,但满足水平定位精度优于10 m、高程定位精度优于10 m的设计要求,双系统组合定位精度好于单一系统定位精度.     

北斗导航星座现状仿真分析与定量评估

北斗卫星导航系统是我国的重要基础设施建设项目之一。随着北斗三号系统建设进入收尾阶段,对当前北斗卫星导航系统的阶段性导航性能状况,许多导航用户依然十分关注。针对截至2019年5月已经在轨运行的北斗导航星座,利用卫星工具包软件(Satellite Tool Kits, STK)开展了北斗导航星座现状仿真分析与定量计算。选取国内有地理位置代表性的测站作为考察对象,给出了这些区域的北斗导航性能的仿真结果,同时以700 km高度的低地球轨道太阳同步卫星所在区域为考察对象,给出了高动态移动用户情况下北斗导航性能的仿真结果。仿真结果表明:在中国境内,当前北斗系统已经可以提供优于10 m的定位服务,具备为国家安全活动保障提供高精度的位置信息服务能力,当前北斗导航系统可以满足空间科学先导专项飞行器对导航位置的精度需求,仿真结果可供北斗导航系统开展全面测试提供数据参考。     

北斗系统测站钟差短期预报模型比较及其在单星定轨中的应用

北斗卫星导航系统(BDS)地面跟踪站都配置有高精度的氢原子钟,并基于精密定轨数据处理与主站的时间基准进行同步.在卫星轨道机动以及机动恢复期间,通常采用几何法定轨以及单星定轨确定卫星的轨道.而在这两种定轨模式中,需要提供精确的测站钟差作为输入.为提高定轨的实时性,需要对测站钟差进行预报处理.分析了2次多项式模型、附加周期项模型、灰色模型3种模型对北斗地面跟踪站钟差短期拟合和预报的性能,并将钟差预报结果应用于单星定轨,同时还分析了不同预报钟差用于定轨的精度.试验发现,以上3种模型对6个测站钟差的平均拟合精度分别为0.14 ns、0.05 ns、0.27 ns,预报1 h的平均精度分别为1.17 ns、0.88 ns、1.28 ns,预报2 h的平均精度分别为2.72 ns、2.09 ns、2.53 ns.采用3种模型对测站钟差进行预报并用于单星定轨,采用附加周期项的钟差预报模型轨道3维误差最小,不同模型轨道径向精度差异在3 cm以内.以上结果表明,附加周期项的站钟拟合及预报模型在北斗系统机动期间的轨道恢复数据处理具有最好的效果.     

北斗卫星导航系统SISURE初步评估

北斗导航系统自2018年12月27日提供全球服务以来,其服务性能受到了极大关注.以上海天文台iGMAS (International GNSS MonitoringAssessment System)分析中心发布的精密轨道、钟差产品作为基准,评估了2019年年积日3–12 d的北斗二号、北斗三号以及GPS广播星历的轨道、钟差和空间信号用户测距误差(Signal in Space User Ranging Error, SISURE,简称为URE),并且对北斗卫星导航系统结果进行了详细的分析.结果表明:在评估时间段内,北斗三号广播星历轨道精度、URE均明显优于北斗二号,且部分结果优于GPS.北斗三号广播星历轨道径向精度最高,优于0.2 m.北斗三号全部卫星URE均值优于0.4 m, URE RMS (root mean square)优于0.5 m.北斗二号每颗卫星URE均值、95%URE (置信度为95%的URE)、URE RMS小于2 m,北斗三号每颗卫星URE均值、95%URE、URE RMS小于1 m,均达到了系统公开承诺的服务性能标准.     

基于iGMAS的北斗三号组网星数据初步分析

北斗卫星导航系统目前已经完成北斗卫星导航试验验证系统和北斗区域卫星导航系统,正在建设北斗全球卫星导航系统,简称北斗三号系统.截至2018年11月,北斗三号系统已经发射19颗组网星.为了了解新发射组网星的信号、数据质量和目前能达到的定轨精度,基于2018年5月18日至28日22个国际GNSS (Global Navigation Satellite System)监测评估系统(iGMAS)跟踪站的数据,从观测噪声和伪距多路径两方面分析比较了最早发射的8颗北斗三号组网星新旧信号的数据质量,分别用旧信号B1I、B3I和新信号B1C、B2a对北斗三号组网星和GPS进行联合定轨实验.实验结果表明,新信号B2a的数据质量与旧信号相当, B1C的数据质量略差于老信号;比较3 d解重叠弧段(48 h)轨道和钟差结果,新旧信号的结果相当, B1I/B3I和B1C/B2a定轨的3维位置精度(3D-RMS)都在35 cm左右,钟差结果基本在0.5 ns以内.     

空间信号精度的算法设计与实验分析

导航系统的完好性关系到用户的安全问题,空间信号精度(SISA)是反映卫星导航系统完好性的重要指标之一。针对导航电文中的广播星历和钟差参数信息处理问题,设计了SISA参数计算方法;利用GPS和BDS系统中的实际数据,分析了不同轨道类型卫星SISA参数对空间信号误差的包络特性,并将导航电文中URA参数与SISA参数进行比较,验证了SISA参数计算方法。实验结果表明,SISA能够准确反映广播星历的空间信号精度,并能够对空间信号误差基本实现平均98%的包络能力;目前北斗广播星历中的URA参数不能够精确反映空间信号的精度,不同卫星的空间信号精度相差较大,SISA能够准确反映和包络北斗空间信号误差。     

导航卫星姿态和光压模型研究进展

不同导航系统中卫星的形状、材料、轨道设计和姿态控制模式等都不相同,在进行多系统数据联合处理时,要获得高精度的卫星轨道,需要区别对待不同类型卫星的姿态模型和光压模型。作为导航卫星所受量级最大的非保守力,国内外许多研究是围绕光压模型的建立与精化等方面来开展,以便建立最合适的模型,从而获取更高的定轨精度。目前的研究表明,新的Galileo以及北斗卫星采用与之前不同的姿态控制模式,适用的光压模型也不同。总结了目前比较通用的导航卫星姿态模型,尤其是官方最新公布的北斗卫星的姿态模型,详细介绍了卫星光压模型研究进展和近几年来新发射卫星光压模型以及其先验模型的构建方法,并分析了各个模型的优缺点和适应性。通过对目前导航卫星姿态以及光压模型的分析,提出在更高精度的定轨任务中有待改进的问题,为导航卫星尤其是新发射导航卫星精密定轨中的光压和姿态模型的选择和建立提供参考。     

遗传算法优化的BP神经网络卫星钟差预报

针对BP (Back Propagation)神经网络模型预测卫星钟差中权值和阈值的最优化问题, 提出了基于遗传算法优化的BP神经网络卫星钟差短期预报模型, 给出了遗传算法优化BP神经网络的基本思想、具体方法和实施步骤. 为验证该优化模型的有效性和可行性, 利用北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)卫星钟差数据进行钟差预报精度分析, 并将其与灰色模型(GM(1,1))和BP神经网络模型预报的结果比较分析. 结果表明: 该模型在短期钟差预报中具有较好的精度, 优于GM(1,1)模型和BP神经网络模型.     

北斗/GPS双频静态伪距单点定位结果对比分析

北斗卫星导航系统于2012年12月对亚太地区正式投入运行。为了对相关性能参数进行全面的分析比较,利用2014年4月在北京采集的观测时间56 h历元间隔10 s的原始双频数据,分别得到北斗与全球定位系统的静态伪距单点定位结果。北斗的可见卫星数多于全球定位系统,但是由于星座布局尚未完善,北斗的位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)均值为2.49,略大于全球定位系统的位置精度因子均值2.12。北斗的单位权中误差均值为2.28 m,全球定位系统为2.50 m,说明北斗的测距精度优于全球定位系统。北斗粗差出现的频次为0.57%,全球定位系统为1.02%,北斗的可用性优于全球定位系统。剔除粗差值后,北斗在水平、高程的内符合精度(3.24 m,4.40 m)优于全球定位系统(3.90 m,5.57 m),但与标准坐标的差值(8.50 m,3.73 m,-0.80 m)不如全球定位系统(4.50 m,2.25 m,0.56 m),即稳定性优于全球定位系统,但准确性不如全球定位系统。可以预计,随着北斗星座系统的完善,定位性能会进一步提高。     

北斗三号试验卫星的钟差评估及预报

目前,在轨的5颗新一代北斗卫星(北斗三号)可同时向用户播发北斗二号信号与新的卫星信号,而且北斗三号搭载了高精度的铷钟或被动氢钟.因北斗三号的星钟作为卫星导航、定位和授时服务的主要载荷组成部分,为分析北斗三号卫星钟的时频性能,采用北斗数据处理与分析中心估计的卫星钟差产品评估北斗三号卫星钟的频率稳定度、漂移率和准确度.同时,考虑到北斗三号卫星钟精度较差且存在频繁的相位跳变以及数据中断等问题,筛选出了一种最优的钟差预报模型,即对频率数据进行建模并采用抗差估计的方法进行参数估计.实验结果显示北斗三号钟差预报精度相对传统预报模型提升1.6%–61.9%.     

北斗星地双向时频传递与广广播钟差精度分析

与其他卫星导航系统不同,北斗卫星导航系统采用星地双向时间比对技术,直接测量卫星钟相对于地面保持的系统时间的钟差,并用于广播电文钟差参数的建模。讨论了电离层延迟误差、卫星相位中心误差等不同误差源对不同类型卫星双向时间同步卫星钟差精度的影响。实测数据分析结果表明,星地双向卫星钟差内符合精度(RMS)优于0.15 ns。利用双向卫星钟差序列,对广播星历钟差参数预报精度进行了分析,统计结果显示广播电文钟差参数预报1 h,精度在2 ns以内,移动卫星刚入境时,钟差参数预报6 h误差可达10 ns。     

中国“北斗”卫星救灾通信显身手

自从汶川地震发生以来,我国自主研制的“北斗”试验卫星导航系统,成功为灾区一线和指挥部建立了实时通道,为决策、搜救、医疗等工作发挥了关键作用。     

脉冲星在空间飞行器定位中的应用

利用脉冲星钟模型能高精度地预报脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间。基于脉冲星时、空参考架可实现各类空间飞行器的自主导航。讨论了脉冲星钟的模型和脉冲星导航系统的框架结构,描述了脉冲星导航的基本原理和算法。指出脉冲星导航系统对脉冲星脉冲到达探测器时刻的测量精度,是决定空间飞行器位置解算精度的关键因素。脉冲星导航观测采用的原子钟如果足够稳定,则空间飞行器位置的解算方法可以简化。在脉冲星导航系统计时观测精度达到或优于几十微秒量级时,脉冲星视差、相对论效应的影响是不可忽略的。对脉冲星导航系统开发设计中的关键技术和进一步研究的主要问题进行了初步分析和讨论。     

“北斗”区域卫星导航系统建成

2012年10月25日,我国成功发射了第16颗“北斗”导航卫星,至此,我国“北斗”区域导航卫星星座建成。经过1～2月的在轨调试,“北斗”卫星导航系统将于2013年初向亚太大部分地区提供正式服务。     

北斗卫星精密星历插值精度研究

选用非滑动式拉格朗日(Lagrange)插值法和滑动式Lagrange插值法对北斗卫星导航系统(Beidou Satellite Navigation Syetem, BDS)精密星历进行插值,通过大量实验对北斗卫星导航系统卫星的插值精度与两种方法及插值阶次的关系进行研究。实验结果表明:(1)分别采用非滑动式和滑动式Lagrange插值时,中地球轨道卫星(Medium Earth Orbit, MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit, IGSO)的插值误差随阶次增加近似呈"U"形和"L"形分布,地球同步静止轨道卫星(Geostationary Earth Orbit, GEO)的插值误差随阶次的增加逐渐增大,并趋向于近似平稳;(2)当插值阶次较低时,两种方法的插值误差均呈现一定的规律性,但地球同步静止轨道卫星插值误差的规律性弱于中地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星;(3)各卫星采用两种方法的最优插值阶次相差均在1以内,且最佳插值阶次下,滑动式Lagrange插值精度较非滑动式可提高11.96%～44.01%,地球同步静止轨道卫星插值精度优于中地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星。     

非滑动式与滑动式拉格朗日插值法在BDS精密星历内插中的比较分析

在高精度卫星定位数据处理中,对精密星历内插处理是一项基础工作。利用拉格朗日多项式插值法,从三方面对北斗导航系统精密星历进行了内插精度分析,分别是非滑动式拉格朗日插值法在不同插值阶数下的插值精度,滑动式拉格朗日插值法在不同插值阶数下的插值精度,以及非滑动式和滑动式拉格朗日插值法在同一插值阶数下的插值精度。算例结果表明,如果将插值阶数作为横坐标,且向右为正,插值精度为纵坐标,向上为正,那么非滑动式拉格朗日插值法的插值精度与插值阶数呈现一个开口向下的抛物线关系;滑动式拉格朗日插值法的插值阶数高于7后,插值精度处于稳定且高的状态,插值误差最大值为1. 1 mm左右,均方差在0. 4 mm左右;在同一插值阶数下,滑动式拉格朗日插值法的精度高于非滑动式拉格朗日插值法的精度。     

卫星双模授时设备的关键技术实现

通过分析全球定位系统授时的缺点和北斗卫星导航系统授时的可行性,提出了卫星双模授时结合多时钟源的授时设备的设计方法,对授时设备中涉及的完好性监测算法和守时算法进行了研究,并给出详细的分析过程。