北斗卫星轨道预报精度分析及改进

针对北斗GEO、IGSO、MEO的3种卫星类型和动态偏航、零偏航两种姿态控制模式,进行了以ECOM光压模型为基础的轨道预报精度分析。确定了北斗3类卫星的短期、中期、长期预报光压参数选择策略。采用光压参数修正法,通过对北斗卫星光压参数长期变化规律建模,有效提升了地影段轨道长期预报精度。研究结果可同时服务于北斗卫星轨道确定及历书参数生成。     

神经网络在北斗导航卫星轨道预报中的应用

导航卫星的自主定轨是提高卫星导航系统生存能力的一个重要手段,在解决导航星座自主定轨中涉及到高精度的轨道预报,提高轨道预报精度对于自主定轨精度有着重要意义。针对利用动力学模型得到的预报轨道随时间推移精度衰减较快的问题,本文提出了一种改进北斗导航卫星中长期轨道预报精度的新方法。利用神经网络作为建立预报模型的工具,在动力学模型的基础上建立神经网络模型,通过对历史时刻预报误差的学习及训练,掌握其变化规律,再用于补偿和改进当前时刻的预报轨道,以达到提高预报精度的目的。本文制定了导航卫星轨道中长期预报方案,并利用实测数据进行了实验分析,结果表明,采用神经网络模型补偿预报轨道误差时,不同卫星在不同初始时刻下的改进效果是不同的。预报15d导航卫星的轨道精度由318m提高至19m,预报30d轨道精度由1757m 提高至49m。预报15d、 30d轨道改进幅度分别为41％～80％/32％～88％。     

BDS/Galileo卫星轨道预报光压模型对比分析

为了研究轨道预报期间光压模型的影响,该文采用2017年8月1日至2017年11月30日的事后精密轨道产品,研究ECOM 5参数模型、ECOM 9参数模型和可校正Box-wing模型对BDS-IGSO/MEO卫星和Galileo卫星轨道预报的影响。预报轨道通过与事后精密轨道对比以及激光检核得到的残差来评价其精度。对于BDS-IGSO/MEO卫星,ECOM 5参数模型和ECOM 9参数模型结果基本一致,可校正Box-wing模型最差,但是在卫星径向精度上,ECOM 9参数模型要优于ECOM 5参数模型。对于Galileo卫星,ECOM 9参数模型要整体优于ECOM 5参数模型。     

基于转发式的北斗卫星导航系统地球静止轨道卫星精密定轨试验

地球静止轨道卫星(GEO)在北斗卫星导航系统(Compass)的卫星导航中具有特别重要的作用,除了利用导航系统自身的伪距相位以外,利用其他的测轨系统对其进行精密定轨有着重要的意义。利用国家授时中心的转发式测轨网对Compass的GEO卫星进行观测,获取转发式测轨数据,利用该数据对Compass的GEO卫星进行精密定轨分析。分别从观测数据的观测精度,定轨残差以及轨道重叠误差等方面分析GEO卫星的定轨精度。     

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。     

北斗卫星多天轨道合成方法及其精度分析

目前,北斗卫星多天解轨道主要是通过常规的数据累积解算获得,处理效率较低。此外,由于开通运行不久,北斗卫星力学模型尚未完善,限制了多天解轨道精度的进一步提高。针对以上问题,本文提出了附加伪随机脉冲的北斗卫星多天轨道合成方法,利用法方程叠加实现北斗卫星多天轨道合成,可有效提高轨道解算效率。同时,利用伪随机脉冲对力学模型的补偿作用,进一步提高了多天轨道合成的精度水平。实测数据分析表明:在多天轨道合成中,单天边界附加伪随机脉冲对北斗卫星轨道精度有明显改进作用。其中,3类卫星切向、法向轨道精度的改善程度大于径向,GEO和IGSO卫星轨道精度的提高幅度大于MEO卫星。一定范围内,随着定轨弧段的增长,北斗卫星定轨精度能够得到不同程度的改善,且主要表现在轨道切向。     

基于动力学轨道拟合的LEO卫星轨道预报精度分析

轨道预报是地球探测卫星顺利执行科学任务的一个重要环节。为了实现对低轨卫星长弧段、高精度的轨道预报,文中运用动力学轨道拟合的方法进行轨道预报。选用GRACE A卫星、HY 2A卫星和JASON 2卫星为例进行预报处理,分析了卫星的轨道高度和拟合弧长对轨道预报结果的影响。结果表明,GRACE A卫星预报4 h和8 h轨道的3D RMS分别优于3 m和10 m,HY 2A卫星和JASON 2预报4 h轨道的3D RMS分别优于2 dm和1 dm,24 h轨道预报结果3D RMS分别优于2.5 m和2 m.      

北斗卫星ECOM光压模型参数选择策略分析

以ECOM经验光压模型为基础,利用北斗卫星3年的精密星历进行轨道拟合,获得了ECOM光压参数的变化规律,给出了北斗3类卫星的ECOM光压参数选择策略。从北斗卫星姿态控制模式出发,通过卫星星体受照分析,指出在北斗卫星地影期零偏航状态下,由于太阳对卫星帆板的不正照,导致与动态偏航姿态相比,光压摄动力存在与轨道周期相关的分量,需要在ECOM 5参数的基础上增加D向周期分量进行吸收。通过MGEX全球网数据定轨试验,本文提出的方法可使零偏段定轨重叠段位置精度提高50%~80%。     

北斗卫星精密轨道与钟差精度分析

针对北斗卫星导航系统的卫星姿态模型、天线相位中心改正及卫星定轨数据处理策略未统一的现状,该文对比分析了武汉大学和德国地学研究中心提供的北斗事后精密轨道和钟差产品的差异及精度,结合实测数据,通过分析精密单点定位的定位精度来比较两中心精密轨道和钟差的差异。实验结果表明:北斗卫星的精密轨道精度与轨道类型有关,地球静止轨道(GEO)卫星的轨道精度为米级,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道精度为分米级,中地球轨道(MEO)卫星切向、法向和径向的精度分别为10.81、5.41和3.37cm;GEO卫星钟差精度优于0.38ns,IGSO卫星钟差优于0.25ns,MEO卫星钟差优于0.15ns;两家分析中心产品的北斗静态精密单点定位的平面精度相当;北斗静态精密单点定位的RMS统计值平面精度优于3cm,三维精度优于7cm。     

不同经验太阳光压模型对于北斗卫星定轨的适用性分析

当前的北斗卫星导航系统尚缺乏合适的太阳光压模型,由GPS的ECOM模型衍生而来的多种经验光压模型常被用于北斗定轨中。从观测值残差、轨道内、外符精度以及外推精度等方面比较分析了目前常用的4种经验光压模型对于北斗卫星定轨的适用性。结果表明,不同(类型)卫星适用不同的经验光压模型,但总体来看,9参数模型的适用性最差,而5参数和7参数模型的适用性相对较好。     

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统(BDS-3)已经于2018年年底建成基本系统,并计划于2020年建成完整系统,而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道(MEO)卫星,评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度,利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测,进行了联合卫星轨道测定试验,并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较,分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明:北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9cm,测距精度约为4.4cm;仅采用区域测站定轨,重叠弧段三维位置误差RMS为66.7cm,加入星间链路后可降低至15.4cm,提高了76.9%,24h轨道预报位置精度也由114.1cm提升至20.3cm,提升了83.2%,激光检核径向精度为8.4cm左右,明显优于北斗二号卫星轨道精度。     

GPS精密星历的外推精度分析

列出了轨道拟合和轨道外推所用的摄动力模型,讨论了轨道拟合和轨道积分的过程。利用轨道拟合的方法拟合出高精度的初始轨道参数,在此基础上外推7天的轨道,将结果与IGS提供的最终星历比较,得出GPS轨道的外推精度:每颗卫星都是切向误差最显著,径向和法向的误差不明显;星蚀卫星的轨道外推精度明显低于一般卫星;问题卫星的轨道外推误差特别大。     

BDS轨道完备性监测设计与实现

针对北斗卫星导航系统(BDS)完备性研究较少的现状,该文提出了一种导航星历中轨道观测数据的完备性监测新方法。采用轨道积分方法分析了北斗卫星的轨道残差均方根值;通过概率统计的方法,分别计算所有北斗卫星的轨道残差极限误差值(告警限差),剔除误差超限甚至粗差卫星,实现事后轨道完备性监测。另外通过比较分析剔除监测标记出的误差卫星之前和之后对测站精密单点定位的影响,验证完备性的风险性。最后通过实测数据对该算法进行了验证和分析。实验结果表明:该算法可以实现卫星轨道的监测示警,标记误差卫星,达到轨道完备性监测效果。     

一种利用方差分量估计的BDS卫星定轨算法

针对采用Helmert方差分量估计的方法来调节BDS不同类型卫星之间的权比时,出现的区域站MEO卫星观测值数量少、卡尔曼滤波开始阶段不稳定等问题,提出了一种待滤波稳定后再进行Helmert方差分量估计的改进算法。该算法可以根据卫星类型以及它们的数目,自适应地采取不同的策略。基于BDS观测数据的实验结果表明,采用改进的Helmert方差分量估计方法进行BDS卫星卡尔曼滤波定轨,提高了BDS卫星轨道平均径向精度。     

地球静止轨道卫星数目对BDS单点定位的影响

针对相同条件下地球静止轨道卫星星历引入的测距误差约为中地球轨道卫星2倍的问题,该文分析了北斗导航系统中地球静止轨道卫星数目对定位的影响。采用实测数据在观测时段内可见的倾斜地球同步轨道、中地球轨道卫星的基础上,逐次增加一颗高度角最大的地球静止轨道卫星参与定位;对比分析了不同数目地球静止轨道卫星参与定位时位置精度因子值的变化,以及在北、东、高方向分量误差及总误差的内外符合精度。数据分析表明,按高度角逐次增加1~4颗地球静止轨道卫星时,系统的位置精度因子值有不同程度的改善,定位精度与增加一颗高度角最大的地球静止轨道卫星时基本相当;对高度角最小的地球静止轨道卫星降权处理,定位精度比未降权时提高。     

不同卫星天线参数对BDS定轨定位精度的影响

论证了BDS精密单点定位时卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品保持一致的必要性。基于4组不同卫星天线参数BDS精密定轨RTN3方向内符合精度,GEO卫星均在9.3、18.6、11.5cm左右,IGSO卫星均在1.7、4.2、2.7cm左右,MEO卫星均在2.1、5.1、4.8cm左右,在R方向的差异小于5mm,在TN方向的差异最大为2.4cm;定轨结果与GFZ的事后精密产品比较,RTN3方向外符合精度差异较明显,排除GEO卫星因定轨策略与GFZ差异较大的因素,IGSO和MEO外符合精度ESA和WHU相近,RTN3方向均在10cm以内,各分量上优于IGS和EST 1~10cm,其中TN方向差异最显著。在保持BDS PPP使用的卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品一致的前提下,4组卫星天线参数定位精度相近,其中静态定位最后一个历元水平和高程方向坐标偏差均在5cm以内,动态定位收敛后坐标偏差RMS水平方向在10cm以内、高程方向在15cm以内;使用ESA和WHU天线参数动态定位平均收敛时间在46min左右,IGS和EST天线参数动态定位平均收敛时间在56min左右,略差于基于GFZ事后产品的收敛时间,其平均收敛时间在34min左右。     

BDS不同轨道卫星精密单点定位性能分析

为了分析北斗不同轨道卫星对定位结果的影响,从而更好地利用我国自主研发的北斗卫星导航系统。该文采用亚太地区7个MGEX测站12d观测数据,进行静态、后处理动态和模拟实时动态3种模式的精密单点定位实验。实验结果表明,在北斗3类轨道卫星等权的情况下,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星对定位结果贡献最大;北斗两类轨道卫星组合中,IGSO+MEO组合定位精度最高,其静态精密单点定位(PPP)在E、N、U方向的RMS分别为0.62、0.39、3.71cm,后处理动态和模拟实时动态PPP的RMS为分米级;北斗各类轨道卫星与GPS组合定位中,GPS+IGSO+MEO组合定位结果收敛速度最快,收敛时间为26.30min。     

Reducing influence of gravity model error in precise orbit determination of low Earth orbit satellites

Based on the orbit integration and orbit fitting method, the influence of the characters of the gravity model, with different precisions, on the movement of low Earth orbit satellites was studied. The way and the effect of absorbing the influence of gravity model error on CHAMP and GRACE satellite orbits, using linear and periodical empirical acceleration models and the so-called “pseudo-stochastic pulses” model, were also analyzed.