北斗高精度长弧历书模型设计

历书参数可同时用于辅助常规导航和自主导航的信号捕获。延长历书参数的有效期不但可以使地面接收机启动时充分利用历书数据,对于基于星间链路观测的自主导航,历书参数的有效期还决定了地面注入历书的频度和占用的星上存储资源。通过对北斗3类导航卫星主要摄动力及其对轨道根数的长期项和长周期项的影响分析,设计了以6个轨道根数和5个摄动参数为播发参数的历书拟合模型。以一个自主运行周期90 d为时间尺度,对北斗在轨卫星进行了长弧段历书拟合试验,并同时分析了卫星位置和速度的拟合精度。结果表明新的历书拟合模型提高了历书拟合的精度,尤其对于地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星,拟合精度提高显著。对于GEO和IGSO卫星,位置拟合误差大约从200 km降低至十几千米甚至几千米,速度拟合误差大约从15 m/s降低至0.6 m/s,新方法拟合精度提高了约20~30倍;对于中圆地球轨道卫星,无论采用哪种历书模型,位置拟合误差都在5 km左右,速度拟合误差都在0.6 m/s左右,新方法拟合精度提高约15%。针对星间链路卫星10 km位置误差上限的使用需求,对比了新老历书模型的拟合弧长,常规模型最大拟合弧长约为14 d,而新历书模型的最大拟合弧长可延长至45 d,新历书模型延长了历书使用期限,优化了北斗历书模型设计。     

北斗新一代试验星观测数据质量分析

5颗北斗新一代试验星搭载了包括B1C、B2a和B2b的诸多新体制民用信号,并且为了与北斗区域系统平稳过渡而搭载了B1I和B3I两个旧体制信号。采集了来自国内的6个监测站7 d的试验星观测数据,针对信号载噪比和码伪距多路径偏差分析了新一代试验星观测数据质量。结果表明,新一代试验星信号的各项指标整体较北斗区域系统卫星更好。前者载噪比较高,虽然仍发现了部分测站数据微小的多路径波动,但通过实时相位平滑伪距的方法可以很好地消除之;新一代试验星上B3I与B1I频点的载噪比最大,B2a和B2b次之,B1C的载噪比最小,且不同测站的观测结果存在明显差异;新一代试验星各频点的MP基本相同,但B2a、B2b和B3I频点MP的RMS明显小于B1I和B1C频点的结果。     

基于北斗星间链路闭环残差检测的星间钟差平差改正

利用“闭环检测”思想检测和修正系统测量累积误差,是工程科学中的常用和有效手段。本文指出了北斗三号系统全球星间链路中所存在的有利闭环条件,并提出一种利用其进行闭合残差检测与分析的方法。在此基础上,构建了闭合残差整网平差模型,实现了对北斗三号卫星星间相对钟差的误差修正。基于在轨实测数据的计算表明,北斗三号系统全球星间链路中确实存在着明显的常数性或周期性非零闭合残差。通过对星间链路闭环残差的平差修正,基本消除了卫星星间钟差不闭合的现象,减少星间钟差随机噪声30%~50%,有效提高了星间相对钟差测定的精度,有利于提升北斗系统服务能力。     

参考经验模态分解-独立分量分析及其在GPS多路径误差处理中的应用

多路径误差在绝大部分应用中,其测站间相关性很弱,不能通过差分观测得到有效削弱,成为高精度GPS动态变形监测中的主要误差源。针对GPS多路径误差的特点,结合具有良好多尺度分解能力的经验模式分解方法(EMD)和具有良好盲分离能力的独立分量分析(ICA)方法,提出带参考信号的EMD-ICA方法来削弱多路径效应的影响。应用实例的结果证明了该方法的有效性。     

基于星间链路体制的北斗卫星时间同步可行性分析

BD-3试验星上搭载了Ka频段星间链路（ISL）设备，可进行Ka波段对地观测。推导了星间链路时分观测体制双向时间同步的数学模型；以ISL星地观测数据为样本分析ISL体制时间同步的可行性，并与L波段观测结果比对。结果表明，ISL体制钟速拟合参数与L波段结果一致性较好，7 d和3 d弧段拟合精度在1 ns以内，1 d和1 h弧段拟合精度均在0.2 ns以内，较L波段拟合精度有所提高,其中1 d为最优拟合时长；利用7 d的实测星地钟差进行向后1 d的钟差预报，结果显示，ISL星地钟差1 d预报误差为2 ns，较L波段预报精度略有提高；最后采用星地星间联合钟差观测，2 d内观测残差为0.52 ns，验证了ISL钟差观测的可行性。     

综合无奇点根数和坐标旋转的广播星历拟合及其性能评估

将无奇点根数和坐标旋转方法综合运用到地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星的18参数星历拟合，解决GEO卫星的小偏心率奇点和小倾角奇点问题。基于5颗北斗在轨GEO卫星1 a的轨道数据，分析全年星历拟合精度和稳定性，对卫星进出地影的拟合精度进行定量分析，针对Δn参数超限问题，比较绕X轴旋转5°和55°的Δn参数变化范围。结果表明，2~4 h的拟合弧长5颗GEO卫星的星历拟合精度最大为3 cm，迭代次数最多为5次；拟合弧长越长，拟合精度越低，迭代次数更少；当拟合弧段包含进出地影轨道时，拟合精度降低；旋转55°比旋转5°Δn参数的变化范围减少一个数量级，Δn参数全年无超限现象。     

地球定向参数预报误差及其对北斗三号卫星定轨精度的影响

地球定向参数(Earth orientation parameters, EOP)是地球参考系到地心天球参考系之间转换的桥梁,是卫星精密定轨过程中不可缺少的重要参数。以国际地球自转服务(International Earth Rotation Service, IERS)和中国科学院上海天文台(Shanghai Astronomical Observatory,SHAO)提供的EOP参数为例,分析了北斗三号仅区域网观测模式和星地星间联合观测模式下的定轨精度与EOP预报误差间的关系。研究表明,对于IERS提供的产品,其预报误差对仅区域站定轨模式的定轨精度影响较小,但是其10 d内的预报误差对星地星间联合定轨模式定轨精度的影响可达到分米级。对于SHAO提供的产品,两种定轨模式的定轨精度均随着EOP预报天数的增大而逐渐衰减。除此之外,不同产品的星地星间联合定轨模式下定轨精度均小于仅区域网监测下的定轨模式下的定轨精度,表明星间链路的加入可以降低卫星定轨对EOP预报误差的依赖。该研究对区域观测条件下的卫星精密定轨工程实现具有重要意义。     

顾及不同LEO卫星数量及轨道误差的GPS/LEO联合PPP

为解决现有单系统GPS PPP收敛速度较慢的问题,选取不同卫星数量构成的LEO星座系统,根据观测值仿真原理得到待估点来自低轨卫星的伪距观测值和相位观测值;选取CPVG、WUH2、KOUG、IISC、FUCN测站,利用GPS及仿真附加轨道误差的LEO星座观测数据进行静态精密单点定位,以分析LEO星座的增强效果。结果表明： 1）在原有GPS系统中加入LEO星座后,3种组合场景下平均可见卫星数量分别增加9.7、19.4、31.3颗,PDOP值分别减少0.7、0.9、1.1; 2）收敛时间快速缩短,由单系统GPS卫星的17.1 min分别降至4.7 min、2.1 min、1.5 min,收敛时间分别缩短67.3%、84.4%、89.5%; 3）E方向上的RMS值分别提升34.4%、59.4%、72.9%,N方向上分别提升37.4%、60.3%、67.3%,U方向上分别提升55.9%、71.7%、79.6%。LEO星座对GPS PPP的性能提升巨大,对于指导LEO星座增强GPS系统设计及拓展精密单点定位的应用场景具有一定价值。     

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.     

LEO星座增强GNSS的精密单点定位初步分析

本文选取GPS系统和Iridium系统，采用数学仿真技术初步分析了LEO星座对GNSS在精密单点定位中的增强作用。在仿真了BJFS站GPS和Iridium观测数据的基础上进行Iridium增强GPS的伪动态下精密单点定位实验，结果表明：与GPS单系统相比，GPS＋Iridium双系统的可视卫星数平均增加1.5颗，GDOP值和PDOP值降低0.25左右；Iridium增强GPS后PPP滤波矩阵的条件数快速减小，提升了PPP滤波矩阵的稳定性，提高了天顶U方向的定位精度，从而提高了三维的定位精度，PPP收敛时间缩短了30%以上；采用单差MW法固定PPP模糊度，分别以Ratio=1.5、3、5作为模糊度固定成功的指标，并与模糊度仿真值对比，PPP模糊度首次固定成功所需的时间缩短40%以上。