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。     

GPS天线相位中心校正对低轨卫星精密定轨的影响研究

执行各种低轨卫星任务的官方在公布定轨结果的同时并没有公布星载接收机的天线相位中心校正(PCV)信息,而PCV误差是星载GNSS精密定轨必须考虑的主要误差源之一。以GRACE卫星任务为例研究PCV误差对低轨卫星精密定轨的影响,利用GPS观测数据直接估计与相位误差有关的天线相位偏差(PCO)和PCV参数,然后利用K波段测距系统和卫星激光测距仪数据进行定轨评定。     

低轨卫星精密定轨的轨道精度评估方法研究

厘米级精密卫星轨道是完成低轨卫星承担的科研、商业等任务的必须前提,其中事后轨道精度评定是低轨卫星精密定轨任务中重要一环。依据观测条件和卫星搭载设备等情况,选择合适的精度评定方法有利于客观准确的评估定轨结果。本文以GRACE卫星为例,讨论了内外精度评估方法,得到有益结论,为我国开展后续国产卫星精密定轨任务具有借鉴意义。      

无准确初轨信息时星载GPS低轨卫星定轨方法研究

本文提出了适用于星载GPS低轨卫星定轨的一种精密自主定轨方法。该方法利用星载GPS观测资料直接解算GPS方程求得卫星初轨,避免了早期使用短弧资料定初轨时法方程的病态性的影响,为精密定轨提供了较准确的近似值,并以此展开观测方程进行精密定轨,保证了迭代过程的收敛,减少了迭代次数,节约了时间,适用于低轨卫星的自主定轨和实时定轨。     

GNSS观测噪声对低轨卫星轨道确定的影响分析

低轨卫星不仅是实现全球通信的重要手段,也是对地观测研究的重要平台.利用全球卫星导航系统(GNSS)确定高精度的轨道是实现低轨卫星各项功能的重要基础.为了研究GNSS观测噪声对低轨卫星定轨精度的影响,该文通过模拟包含不同量级观测噪声的GNSS观测值,分析了 GNSS观测噪声对运动学定轨和动力学定轨结果的影响.实验结果表明,在伪距噪声量级优于0.6 m、载波相位噪声量级优于2 mm时,运动学定轨与动力学定轨结果相当,且都在毫米级;在伪距噪声量级为6m、载波相位噪声量级为厘米级时,运动学定轨结果达到厘米级,而动力学定轨结果仍然为毫米级,体现出了相对于运动学定轨的优越性;载波噪声相对伪距噪声对定轨结果的影响更大.     

星载GPS载波相位相对定轨方法研究

GPS被越来越多地装载在用于遥感、气象和海洋测高等应用的低轨卫星上进行精密定轨 ,低轨卫星星载GPS精密定轨的基本观测量为载波相位观测值 ,针对低轨卫星星载GPS的特点 ,给出了一种适合于星载GPS载波相位相对定轨的模糊度解算方法 ,及模糊度解算准确程度的检验方法。该方法应用于TOPEX/PO SEIDON卫星星载GPS实测数据 ,可得到分米级的定轨精度     

基于全球导航卫星系统的高轨卫星定轨理论研究及仿真实现

由于地基定轨系统的局限性,提出基于全球导航卫星系统(GNSS)的高轨卫星定轨方法,并设计实现了高轨卫星天基定轨仿真软件。结合高轨卫星天基定轨的特点和GNSS的建设现状,研究卫星可见性算法和星间观测模型,综合轨道积分和Kalman滤波方法的优点,提出确定高轨卫星轨道的积分滤波方法。仿真结果表明基于GNSS完成天基定轨增加了卫星的观测量,提高了定轨精度。最后在理论研究的基础上,自主开发了集STK、Matlab和Visual C++为一体的高轨卫星天基定轨仿真平台。为北斗系统应用于高轨卫星天基定轨提供了理论上的参考依据和模拟工具。     

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%。     

Galileo三频非组合精密定轨模型及精度评估

不断丰富的多频信号为GNSS精密数据处理带来了新的机遇与挑战。本文首先推导了适用于多频非组合（UC）观测值的GNSS卫星精密定轨模型,并给出了多频UC模糊度的双差约束策略。在此基础上,本文基于全球分布的150个MGEX测站的观测数据,对UC模型和无电离层组合（IF）模型分别使用E1/E5a、E1/E5b和E1/E5a/E5b观测值进行了Galileo卫星精密定轨。采用与外部精密产品对比、轨道边界不连续性比较和卫星激光测距（SLR）检核等方法评估了不同策略的定轨精度。结果表明：双频情况下,本文提出的UC模型与目前常用的IF模型定轨精度基本一致,两者定轨结果的1DRMS差异在1 mm以内,钟差STD差异在0.01 ns以内,SLR残差差异在2 mm以内。使用E1/E5a/E5b观测值后,UC模型和IF模型的浮点解精度相较于使用E1/E5b观测值的结果有1~2 mm的改善。     

基于星载GPS双频P码的低轨卫星综合定轨方法研究

由于重力场精化、大气探测、海洋测高等科学研究的需要,低轨卫星得到了迅速发展。精密轨道确定是低轨卫星科学任务顺利完成的前提。本文系统分析了基于星载GPS接收机双频P码非差观测值的低轨卫星定轨方法的原理及数学模型,并用CHAMP卫星的实测观测值对各种定轨方法进行了验算,以分析研究各种不同定轨方法的定轨精度。结果表明简化的动力学定轨精度较高,定轨精度在2dm左右;动力学定轨结果最差,在几m左右;而几何法及简化几何法定轨精度相当,约1m左右,定轨精度介于动力学及简化动力学定轨精度之间。     

基于星载GPS的低轨卫星简化动力学定轨研究

利用GRACE卫星2015年1月1日至7日的星载GPS观测数据,基于卫星简化动力学定轨方法和事后批处理定轨模式,利用24小时弧段进行精密定轨。采用多种手段进行评价定轨精度,通过分析,观测值定轨残差稳定在7mm,与德国地学中心(GFZ)发布的事后精密轨道在径向、切向、法向的RMS值分别是3cm,2cm,3cm,利用SLR检核轨道精度优于4cm。结果表明,使用简化动力学定轨可实现低轨卫星的cm级高精度定轨。     

低轨导航增强GNSS发展综述

低轨星座具有地面接收信号强度高、几何图形变化快的优势,能够与中高轨GNSS星座形成互补,对增强GNSS的精度、完好性、连续性和可用性具有显著优势,已成为当前卫星导航领域的关注热点。本文首先简要介绍了现有的GNSS增强系统;总结了国内外低轨导航增强星座发展现状;针对低轨导航增强,对比分析了高中低轨导航星座的优缺点;重点讨论了低轨导航增强在联合定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等方面带来的机遇;分析指出了低轨导航增强的空间段、地面段和用户段所面临的挑战。     

低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析

为提升区域地面监测站条件下北斗卫星定轨精度,面向日益丰富的北斗星载数据和即将实现的星间链路技术,提出了联合运用地面监测站数据、低轨卫星星载数据与星间链路数据的北斗卫星精密定轨方法。讨论了低轨卫星星载数据与星间链路数据增强对于导航卫星精密定轨的影响,重点从低轨卫星数量、轨位分布及星间链路等方面进行了仿真分析。结果表明:加入少量低轨卫星与区域监测站联合定轨即可显著提高导航卫星定轨精度约73%,钟差解算精度略有改进但不明显;同等数量且均匀分布的低轨星座,其轨位分布对联合定轨精度影响不大;加入星间链路数据可大幅提升导航卫星定轨精度,且改进效率高于低轨卫星。     

Swarm卫星星载GPS精密定轨方法及精度分析

Swarm星座是ESA的首个用于测量来自地球核心、地幔、地壳、海洋、电离层等区域磁场信息的对地观测卫星星座。而高精度的轨道信息正是其有效利用卫星载荷完成上述任务的前提条件。目前国内关于Swarm卫星精密定轨的研究较少,为此建立并推导了Swarm卫星精密定轨的动力学模型、观测模型以及它们之间的数学关系,详细给出了Swarm卫星精密定轨模型与实现过程。针对Swarm卫星精密定轨中姿态数据的处理问题提出了相应的解决方案。利用Swarm卫星星载GPS实测数据,采用约化动力学定轨方法进行Swarm卫星精密定轨实验。通过轨道衔接点位置差异、与外部精密轨道比较以及SLR验证等精度评定方法分析表明:基于星载GPS的Swarm卫星约化动力学定轨各方向的精度都优于3 cm。     

星载BDS/GPS低轨卫星定轨精度分析

针对低轨卫星搭载BDS/GPS接收机实现定轨将成为定轨领域热点的现状,该文讨论了基于星载BDS/GPS实时定轨和精密定轨需要考虑的数学模型,阐述了实时定轨和精密定轨的模型差异。基于自主研发程序,利用高动态信号仿真器仿真的星载BDS/GPS数据研究了基于星载BDS/GPS实时定轨和精密定轨的可行性及其能达到的精度。试验结果表明,星载BDS/GPS实时定轨位置精度为1.19m,速度精度为2.35mm/s。GPS信号发生中断时即仅采用BDS观测数据进行实时定轨时,三维位置误差达到3.73m;星载BDS/GPS精密定轨位置精度为2.30cm,仅采用BDS观测数据进行精密定轨时,三维位置误差可达到8.26cm。     

Swarm卫星精密定轨与加速度法恢复地球重力场

CHAMP卫星和GOCE卫星分别于2010年和2013年坠落,GRACE卫星仍然超预期运行,随时会坠落,而后续重力卫星计划GRACE Follow-On预计2018年发射,在此期间,Swarm作为唯一的低轨重力观测卫星,将填补重力卫星观测的空白。本文对Swarm卫星精密定轨与加速度法恢复地球重力场进行了研究,实现了Swarm卫星运动学厘米级精密定轨和简化动力学厘米级精密定轨,并基于加速度法恢复了Swarm地球重力场模型。     

GNSS卫星精密定轨全球地面基准站网随机优化算法

为确保GNSS精密定轨精度和可靠性,需要顾及站点稳定性和观测质量等信息,在全球范围内均匀选取一定数目的地面基准站。在探讨测站数量和分布对导航卫星精密定轨影响的基础上,针对GNSS定轨地面跟踪站在全球分布不均匀的现状,综合考虑站点几何分布、站点稳定性和观测质量信息,提出基于格网控制概率下的全球测站随机优选方法。该方法综合利用格网方法和随机优化方法,通过全球测站分配一定的概率,进而随机抽样和筛选得到全球均匀分布的测站构型。实验结果显示,该方法在全球范围内选取30个测站时,GPS精密定轨的精度能达到2.15 cm,60个测站时,定轨精度优于1.26 cm;90个测站时,定轨精度可提高到1 cm以内。     

方差分量估计在卫星定轨中的应用

为解决卫星精密定轨过程中的观测资料加权问题，本文在卫星精密定轨过程中引入方差分量估计。文章采用Lageos2卫星1996年1月至2000年12月的全球SLR实测数据进行了卫星精密定轨计算，计算结果表明这种加权方法能较好地平衡观测资料对定轨结果的贡献，卫星轨道精度可以得到明显的提高。     

精密卫星钟差加密方法及其对星载GPS低轨卫星定轨精度影响

系统分析、比较了几种精密卫星钟差加密方法，研究了利用全球分布的IGS永久跟踪站的GPS观测数据估计高采样率卫星钟差参数的原理与方法，并将各种卫星钟差加密方法得到的结果与IGS数据分析中心估计的卫星钟差结果相比较。最后将不同加密方法得出的精密卫星钟差结果用于基于星载GPS双频非差观测值的CHAMP低轨卫星的定轨，并将不同方法得到的定轨精度进行比较。结果表明，利用地面跟踪站的GPS观测数据，可高精度、高密度地估计GPS卫星钟差，估计精度可达0．1～0．5ns。经地面GPS跟踪站数据估计的GPS卫星钟差，应用于基于PPP方法的低轨卫星定轨，其定轨精度在10cm以内。     

基于星载GPS的CHAMP卫星精密简动力定轨

定轨是地球探测卫星任务顺利执行的关键。星载GPS技术提供了大量、连续的高低卫星跟踪观测,为低轨卫星精密定轨提供了技术支撑。为了确定CHAMP卫星的轨道,并分析定轨精度,利用CHAMP卫星星载GPS数据,运用零差简动力法进行精密定轨,给出了精密定轨流程。利用实际数据进行了精密定轨实验,结果与德国地学研究中心（GFZ）公布的CHAMP卫星快速轨道（RSO）进行了对比,结果显示：求解轨道可以达到厘米量级。