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。     

转发式测距数据支持的GEO导航卫星精密定轨

地球静止轨道GEO卫星定轨是精密定轨领域的难点.依托我国区域范围地面跟踪网实际,提出了转发式测距数据支持下的GEO导航卫星精密定轨方案.从定轨精度、设备时延和伪距站对GEO轨道精度影响等方面进行了深入分析.试验结果证明:1 ns的时延误差引进的GEO轨道径向和位置误差分别为0.121 m和3.505 m.在多个转发式测距跟踪站约束的条件下伪距对定轨精度贡献非常有限,但通过星地钟差的估计可以实现时间同步,同步精度优于1 ns.这为时间同步提供了一种新的方法.当转发式测距跟踪站有限时伪距对GEO定轨的贡献非常明显,1CC(转发式跟踪站)+7L(伪距站)联合定轨条件下的轨道精度优于5 m.从而解决了GEO卫星精密定轨问题,同时实现了星地和站间时间同步以及卫星轨道与钟差参数的自洽.     

星地监测网下的北斗导航卫星轨道确定

提出层间链路的星间链路方式,即以轨道高度区分的不同类型卫星间链路,在MEO卫星上安装星载接收机即可接收GEO、IGSO卫星观测数据。根据中国卫星导航系统星座构型,从卫星跟踪时间、三维位置精度因子PDOP、定轨均方差等评价指标,分别进行地面跟踪站区域和全球非均匀分布情况下的星地链路、星地链路联合层间链路、星地链路联合星间双向测距等多种场景的定轨仿真。结果显示,基于中国区域的7个地面跟踪站1 d观测值,联合波束角为41.25°的层间星间链路,GEO、IGSO和MEO定轨均方差值由6.1 m、1.3 m和5.9 m减小到1.0 m、0.8 m和2.0 m;联合卫星波束角为45°的卫星双向测距(残余系统误差为振幅30 cm的周期项),星座整体定轨精度优于20 cm。     

地面测控站分布对北斗卫星精密定轨的影响

北斗卫星精确定轨是北斗卫星导航系统应用与服务的核心技术,而地面测控站的分布是影响其精度的主要原因之一。针对北斗卫星地面跟踪站的现状,该文基于几何法定轨的基本原理,将卫星定轨的观测方程线性化,根据位置精度衰减因子值的构成,分析了测站分布与卫星定轨精度之间的关系。通过3种实验方案,对比不同测站分布和测站数量对北斗卫星定轨精度和计算效率的影响。实验结果表明:仅利用现有iGMAS站和BETS站的观测数据,很难获取高精度的北斗定轨结果;增加国际MGEX的北斗数据后,定轨精度有明显提高,尤其体现在GEO卫星切线方向;利用40个全球均匀分布的北斗站与利用70个站的定轨精度相当,但前者的解算效率较后者可提高近1倍。     

基于多种软件的iGMAS跟踪站坐标精密解算与精度评估

iGMAS能为全球用户免费提供GNSS卫星状态、信号质量、导航电文以及系统的服务性能等监测评估信息,精密的iGMAS跟踪站坐标则是实现卫星精密定轨、电离层建模和大气反演等的基础。本文基于Bernese、GNSSer和RTKLIB软件,实现了国内两个iGMAS跟踪站的坐标精密解算,进行了内符合和外符合精度评估,分析了单独使用BDS观测数据解算的iGMAS跟踪站坐标精度要低于GPS的主要原因。计算结果表明,基于GPS观测数据的Bernese软件获得的iGMAS跟踪站坐标精度最高且仅在毫米级,GNSSer软件解算出的GPS和BDS坐标误差在厘米级,RTKLIB软件解算精度误差达到米级。     

一种基于观测方程GDOP值的优化选站模型

针对GNSS（global navigation satellite system）数据分析中心对快速、超快速轨道产品精度及时效性的要求以及全球跟踪站分布不均匀性的现状,本文提出一种基于观测方程GDOP（geometric dilution of precision）值的优化选站SSS（selected step by step）模型。从理论上推导出精密定轨最小地面跟踪站数与地面最优跟踪站数的计算方法,分别通过s°×s°和k°×k°带全球网格划分,筛选最小跟踪站全球分布,以定轨观测方程GDOP值最小为准则,逐步累加筛选定轨全球跟踪站最优分布。连续6 d的数据分析结果表明,本文提出的优化选站模型,在相同数据处理能力条件下,定轨精度可达整体处理的90%,处理时间缩短50%以上;与一般策略对比表明,SSS模型计算出的轨道精度相当,时间节约20%左右;此模型所选跟踪站为最优或次优,提高了分析中心数据处理效率。     

北斗三号卫星星地星间联合精密定轨初步结果

截至2018年底中国已有19颗北斗三号卫星成功发射入轨,北斗三号卫星上都搭载了高精度星间链路载荷并成功实现了星间双向测距。介绍了北斗三号卫星星间链路观测模型,并利用L波段星地和Ka波段星间链路观测数据对8颗北斗三号卫星进行了星地星间联合精密定轨实验,L波段数据来自全球连续监测评估系统分布于中国境内的6个跟踪站。实验结果表明:星间链路观测值定轨残差RMS值优于6 cm,设备时延在±0.15 ns以内变化。在地面跟踪站限制在境内的情况下,增加星间链路能显著提高定轨精度。通过重叠弧段比较,联合定轨得到的卫星轨道在三维位置上的误差约为12 cm,径向误差约为3 cm,与仅国内6个站星地定轨相比提高85%。     

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。     

联合地面和星载数据精密确定GPS卫星轨道

给出了联合定轨的数学模型,从6个试验的结果说明低轨卫星的星载GPS观测值对GPS卫星精密定轨的贡献。单天解的结果表明,相对于仅使用43个地面跟踪站的定轨结果,增加3颗低轨卫星的观测数据可以使GPS卫星的轨道准确度平均提高40%,即使仅用21个地面站和3颗低轨卫星也可以使GPS卫星的轨道与IGS最终轨道之差的RMS在5cm左右。     

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。     

自主卫星导航的空间基准维持

基于星间测距的自主定轨必然存在星座的整体旋转和漂移,即存在星座空间基准的衰减问题,因此,卫星星座的空间基准维持是自主定轨的主要目标,也是自主定轨的核心问题之一。重点讨论卫星自主定轨中的空间基准维持方法,系统分析星地观测、星间/星地组合观测和星间观测3种观测模式下的卫星轨道参数估计方法,及其对应的空间基准维持方式;提出卫星自主定轨强基准和弱基准概念。强基准是指在星地观测或星间/星地组合观测条件下,强化地面高精度基准站坐标的定轨方式,此时卫星星座基准与地面跟踪站基准一致;弱基准是指在仅有星间链路观测条件下,采用卫星轨道信息先验弱约束的定轨方式,即弱基准是以先验轨道所对应的卫星星座的几何重心建立的。强基准充分利用了星间、星地观测网中的各类信息,计算结果可靠且精度稳定,而弱基准虽然缺少地面观测信息,但先验卫星轨道同样是基于地面跟踪网精密定轨得到的,对卫星空间基准的维持同样可靠,且定轨计算更为简单。采用北斗试验星实测数据,分别开展无基准、弱基准和强基准支持下的自主定轨试验,试验结果表明,弱基准中仅对卫星轨道倾角和升交点赤经进行先验弱约束即可抵偿卫星星座的旋转和漂移,但定轨精度略低于强基准支持下的定轨精度。在无地面跟踪系统支持的特定环境下,建议采用弱基准方法,实现真正意义上的自主定轨。     

HY-2卫星星载DORIS和SLR的cm级综合精密定轨仿真研究

为了实现cm级HY-2卫星精密定轨,提出了基于DORIS和SLR的HY-2卫星综合定轨方法。模拟了DORIS信标站与SLR跟踪站的观测数据,确定了定轨方法和流程,探讨了分别赋予不同观测精度时各定轨精度,并分别分析了不同的信标站分布以及两种观测技术综合精密定轨中权对定轨精度的影响。实验表明,观测精度的高低直接影响着单一技术的定轨精度;优化信标站的分布,可明显提高定轨精度并节约计算时间;多种技术综合定轨时,合理分配各观测量的权可使定轨精度达到最佳;分别赋予DORIS和SLR观测量0.3mm/s和10mm的权,则使HY-2卫星定轨精度达到cm级。     

小型化LEO星座与BDS-3全星座联合定轨仿真

受限于区域监测站及地球静止轨道(geosynchronous earth orbit, GEO)卫星的静地特性,北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)定轨精度较差,加入低轨卫星(low earth orbit,LEO)星载数据可显著提升定轨精度。使用一种由24颗LEO卫星组成的小型低轨卫星星座,在BDS-3全星座情况下,仿真分析了导航卫星与低轨卫星联合定轨对北斗卫星轨道的提升程度。分别进行仅地面测站定轨、地面测站与LEO联合定轨试验,包含全球均匀、亚太区域、亚海分布3类测站布局。结果表明:(1)仅地面测站定轨时,GEO卫星轨道三维精度在分米量级,加入LEO观测数据后,定轨精度在厘米量级,提升程度达80%以上;(2)区域地面测站时,导航卫星轨道三维精度在分米量级,加入LEO卫星后,所有类型导航卫星定轨精度均提升至数个厘米,提升效果显著;(3)全球均匀测站时,LEO的加入仍然可提升倾斜地球同步轨道/中高轨道卫星定轨精度,提升效果在毫米至厘米量级。     

小行星光学定轨软件研制和数据处理分析

结合中国航天局2019-04-19拟定的第1个小行星探测任务规划,针对任务目标之一的主带彗星133P/ElstPizarro(7968)自主研制了小行星光学定轨软件。使用1979-07-24—2019-10-28发布的133P/Elst-Pizarro地面光学观测数据进行精密定轨,与国际知名小行星光学定轨软件OrbFit进行对比分析。对比发现,解算结果残差分布一致,两软件生成的残差均方根的差值小于0.01″,定轨的内符合精度相互吻合。该结果初步表明,自主研制的小行星光学定轨程序可靠。在此基础上,对133P/Elst-Pizarro开展光学数据仿真定轨分析,研究地面光学数据的定轨精度。结果表明,模拟中国云南站和智利站每月一次联测,在只考虑观测噪声影响的情况下,添加接近目前实际观测水平的高斯白噪声,使用20 a光学观测资料定轨,小行星光学定轨精度在50 km量级。同时验证,增加观测数据或降低观测噪声均可有效提高小行星光学定轨精度。     

RADIOASTRON卫星的跟踪定轨情况分析

介绍RADIOASTRON卫星的最新资料数据,如卫星的轨道参数、科学目标等,根据这些资料,进行模拟仿真试验,分析跟踪站对卫星的跟踪覆盖情况.RADIOASTRON卫星利用跟踪站获得的多普勒测速数据进行精密定轨,根据多普勒定轨原理,初步分析卫星的定轨情况.     

HY2A卫星的GPS/DORIS/SLR数据精密定轨

采用HY2A卫星2013年2月的实测数据,研究了GPS、星载多谱勒无线电定轨定位系统(DORIS)及卫星激光测距(SLR)三种观测数据的单独和联合定轨问题。通过与法国CNES的精密轨道数据比较发现:分别采用GPS、DORIS和SLR数据进行单独定轨,GPS数据确定轨道的径向平均精度为1.3cm,三维位置约为6.2cm;DORIS定轨的径向平均精度为1.6cm,比GPS结果略差;SLR确定轨道的径向平均精度为2.3cm。用GPS、DORIS和SLR三种数据联合定轨,确定轨道的径向平均精度为1.2cm,三维位置约为6.5cm。与星载GPS定轨结果比较,三种观测数据的联合定轨在提高卫星轨道确定精度上不明显,但联合定轨有利于保持计算轨道精度相对稳定。用站星间高度角大于60°的SLR数据检验GPS/DORIS联合确定的轨道,两者在测距方向的均方差为2.5cm,可见基于HY2A的观测数据可以实现cm级的定轨需求。     

BD卫星星间链路定轨结果及分析

我国新一代北斗导航系统试验卫星搭载了高精度星间链路载荷并已经得到了实测数据。本文给出了星间链路数据预处理方法,并介绍了星间链路数据独立定轨和星间Ka测量与L波段数据联合定轨的方法和初步结果。利用3颗试验卫星和1个地面Ka站在轨试验,结果表明:独立采用星间链路定轨,其结果 R方向误差小于0.5m;星间链路数据与L波段数据联合定轨,其对L波段定轨结果有显著改善,轨道R方向误差小于0.3m;星间测量设备时延标校精度优于0.1m。     

区域监测站与低轨卫星数据联合测定MEO卫星轨道

我国北斗二代系统(BDS)地面运控监测站数量较少且为区域分布,短期内难以实现全球建站,因此对全球运行的中圆地球轨道卫星(MEO)难以形成连续多重覆盖观测,导致BDS的MEO实时轨道精度偏低。基于上述问题,本文考虑到低轨卫星星载GNSS数据可以有效弥补区域监测站在空间覆盖及几何结构上的不足,设计了一种将星载GNSS接收机作为高动态天基监测站,联合地面区域监测站数据对卫星导航系统的MEO卫星轨道进行实时解算预报的方法。算例结果显示:7个区域监测站联合1至3个天基监测站,其定轨精度可分别提升约21%、34%和55%,这也表明,地面区域监测站联合天基低轨卫星数据可有效提高MEO卫星的轨道精度。建议我国BDS在区域测站分布阶段可采用联合低轨卫星数据方法提高北斗MEO卫星实时轨道精度。     

GPS实时精密星历确定

本文基于美国Gamit软件研究的基础上，对于GPS实时精密轨道确定的方法进行了细致的研究，提出了在中国区域范围内有实用价值的区域定轨方法与方案。本文从GPS轨道的各种摄动力影响入手，对实时GPS轨道确定方法进行了阐述，同时讨论了在国家测绘局目前GPS跟踪站网的构架下，利用跟踪站网的多天数据并且引入随机参数进行GPS实时轨道确定的实例。     

基于SLR的北斗卫星精密轨道确定

卫星轨道的精密确定是利用GNSS进行高精度导航和定位的前提。我国北斗二代卫星导航系统正处于建设阶段,在精密定轨方面还存在着尚未完全组网、观测数据较少、跟踪站局限于国内等不足。北斗卫星在对地一侧都安装了激光后向反射器,可以实施卫星激光测距。本文研究了利用SLR观测数据进行北斗卫星精密定轨的算法,并通过编程进行了实验。实验结果表明,利用SLR进行定轨的精度可以达到米级。