基本导航模式下BDS-3卫星地影期间的定轨精度分析

2015年以来陆续发射入轨的北斗全球卫星导航系统(简称北斗三号系统,BeiDou global navigation satellite system,BDS-3)卫星,其姿态控制增加了连续动态偏置模式,为研究BDS-3卫星在地影期间的定轨精度提供了条件。首先利用ECOM (empirical CODE(Center for Orbit Determination in Europe) orbit model)系列模型评估了BDS-3卫星的光压摄动建模精度和定轨精度,同时以轨道重叠弧段精度、用户等效距离误差(user equivalent range error,UERE)、卫星激光测距(satellite laser ranging, SLR)残差和定位精度为指标,对基本导航模式下BDS-3卫星的定轨精度进行了评估。然后基于北斗60余天的实测数据进行了实验,结果表明,BDS-3卫星克服了区域系统卫星在姿态控制模式转换期间定轨精度下降的问题,其定轨精度与动态偏置期间定轨和预报精度相当,仅下降2～3 cm,定位精度下降1 cm,这与目前北斗的定轨精度和定位精度相比,可以忽略。进一步的分析表明,采用ECOM 5参数光压模型,连续动偏期间的轨道重叠弧段精度为0.26 m,预报2 h的UERE均方根降低至1.22 m,SLR残差的均方根小于0.31 m,大大提升了北斗系统的可用性。     

北斗卫星导航系统混合星座的光压摄动建模和精度分析

卫星帆板及本体受照情况变化复杂,导致卫星光压摄动力的变化难以准确模制,既是动力学定轨的最大误差源,也是定轨预报精度降低的主要原因。针对此问题,采用北斗地面系统的区域监测网数据,详细比较了3种主要的经验模型（T20模型、ECOM5参数模型、ECOM9参数模型）对不同卫星的适用性情况。结果显示,在春秋分前后,地球同步轨道（geosynchronous earth orbit,GEO）卫星使用ECOM9参数模型最好,其解算的卫星钟差与星地双向钟差的互差标准差优于2 ns;对于倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO）卫星和中地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星,无论是在动偏期间还是姿态模式转换期间,T20模型表现出更好的适用性。不同于此前国内外学者的相关研究,试验表明,对BDS混合星座的不同类型卫星、同一卫星的不同时段,应采用不同的经验太阳光压模型,以获得更高的定轨和预报精度。     

不同光压模型在北斗三号MEO卫星中的定轨分析

针对不同太阳光压模型在北斗三号MEO卫星定轨中适用性不同的问题,借助全球卫星导航系统数据对ECOM1-9模型、ECOM1-5模型、ECOM2模型、ECOMC模型在北斗三号MEO卫星中的适用性进行了分析,并分别采用国际激光测距服务中心提供的卫星激光测距数据、重叠弧段数据进行内外符合精度评估。结果表明,采用ECOMC模型定轨时,不同北斗三号MEO卫星内外符合精度均最佳,外符合精度最佳时,RMSE为3.3 cm,STD为3.0 cm。与ECOM1-9模型、ECOM1-5模型、ECOM2模型相比,ECOMC模型定轨内符合精度在径向分别提升了39.54%、16.84%、12.55%;在切向分别提升了51.33%、27.43%、10.46%;在法向分别提升了48.99%、21.42%、11.22%。     

多GNSS融合的北斗卫星精密定轨

提供高精度的精密轨道产品对北斗系统的推广应用具有重要意义。给出了一种基于模糊度固定的北斗卫星多系统融合非差精密定轨方法,重点推导论述了模糊度固定的实现方法,并结合实测数据,对其精密定轨效果进行了分析,初步分析结果表明：利用本文方法,北斗GEO、IGSO、MEO卫星三维定轨精度分别达到1.263m、0.214m、0.134m,三类卫星径向定轨精度平均优于10cm,IGSO和MEO已经基本优于5cm;模糊度固定以后,北斗卫星三维定轨精度平均提高了21.8%,轨道切向精度改善最为明显,其中又以GEO卫星改进最大。     

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%。     

模糊度固定的北斗卫星多系统融合精密轨道确定

利用全球分布的IGS和MGEX站多模观测数据,研究了北斗卫星多系统融合双差动力学精密定轨方法,提出了适应北斗系统的双差模糊度固定策略。结合实测数据,对比了单系统与多系统融合、模糊度固定解与浮点解的定轨效果。结果表明：相比单系统定轨,多系统融合定轨能有效改进IGSO和MEO卫星轨道精度,但对于GEO卫星,多系统融合定轨并无优势;利用改进的模糊度固定策略对IGSO和MEO卫星双差模糊度进行固定,有效提高了长基线模糊度固定率,整体固定成功率由40%提高到60%以上;模糊度固定对定轨精度改进作用明显,IGSO和MEO卫星三维定轨精度分别提高了48%和36%,达到0.048 m和0.066 m。     

一种北斗卫星精密定轨方法

利用BDS/GPS双模观测数据,研究了高精度北斗卫星精密定轨的实现方法,使用PANDA软件,结合"北斗卫星观测实验网"的实测数据,进行了精密定轨实验,结果表明:北斗卫星径向定轨精度能够达到优于10 cm的水平;其中,GEO三维定轨精度能够优于5 m,但沿迹方向存在系统偏差,IGSO/MEO三维定轨精度优于0.5 m。     

北斗混合星座分层约束下的精密定轨方法

针对北斗导航卫星系统首创的GEO+IGSO+MEO混合星座设计,本文研究了根据不同星座,采取不同约束条件和数据处理策略的北斗卫星精密定轨方法,提出了一种针对北斗系统混合星座的分层约束精密定轨方案.该方案首先将北斗卫星分为非GEO(IGSO/MEO)和GEO两部分进行解算,利用GPS解算的公共参数对北斗IGSO/MEO精...     

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。     

北斗IGSO/MEO卫星姿态控制及光压差异分析

为规避GPS等国外卫星导航系统动态偏航姿态控制模式中的地影机动以及正午和午夜机动,北斗IGSO/MEO卫星采用了动态偏航和零偏航两种姿态控制模式。针对姿态控制模式引起的卫星本体、帆板受照及光压力的变化对定轨、定位解算造成的影响,该文通过对卫星姿态及受照的分析,查找由于姿态变化所造成的卫星光压摄动力变化的转换点,指出引起动偏、零偏下卫星光压摄动力差异的主要因素是零偏下入射太阳光线与太阳帆板不垂直,存在小角度夹角;两种姿态控制模式下光压摄动力的差异量级在10-8 m/s2。该研究成果可以为北斗卫星轨道确定提供技术支持。     

An a priori solar radiation pressure model for the QZSS Michibiki satellite

It has been noted that the satellite laser ranging (SLR) residuals of the Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) Michibiki satellite orbits show very marked dependence on the elevation angle of the Sun above the orbital plane (i.e., the \(\beta \) angle). It is well recognized that the systematic error is caused by mismodeling of the solar radiation pressure (SRP). Although the error can be reduced by the updated ECOM SRP model, the orbit error is still very large when the satellite switches to orbit-normal (ON) orientation. In this study, an a priori SRP model was established for the QZSS Michibiki satellite to enhance the ECOM model. This model is expressed in ECOM’s D, Y, and B axes (DYB) using seven parameters for the yaw-steering (YS) mode, and additional three parameters are used to compensate the remaining modeling deficiencies, particularly the perturbations in the Y axis, based on a redefined DYB for the ON mode. With the proposed a priori model, QZSS Michibiki’s precise orbits over 21 months were determined. SLR validation indicated that the systematic \(\beta \)-angle-dependent error was reduced when the satellite was in the YS mode, and better than an 8-cm root mean square (RMS) was achieved. More importantly, the orbit quality was also improved significantly when the satellite was in the ON mode. Relative to ECOM and adjustable box-wing model, the proposed SRP model showed the best performance in the ON mode, and the RMS of the SLR residuals was better than 15 cm, which was a two times improvement over the ECOM without a priori model used, but was still two times worse than the YS mode.     

北斗三号MEO卫星非保守力建模

非保守力模型精度不高是制约BDS-3卫星定轨精度的主要因素之一。本文针对BDS-3 MEO卫星构建了地球辐射、天线辐射和箱体-两翼（BW）太阳光压模型,对典型的经验光压模型（ECOM1和ECOM2）进行补偿得到多个非保守力模型,收集全球观测网的数据进行定轨试验,通过轨道重叠互差和激光测距残差分析比较不同轨道模型的优劣。试验结果表明,经验光压模型是影响轨道精度的主要因素,在名义偏航模式下,ECOM2具有更好的表现,但ECOM1对卫星的姿态模式更不敏感。地球辐射和天线辐射会引起北斗卫星轨道径向约3 cm的系统性偏差,对二者建模后,几乎可以完全消除卫星C29和C30的激光残差系统偏差,但卫星C20和C21的系统偏差反而增大。此外,增加box-wing模型对于提高轨道精度也是有益的。     

北斗三号卫星经验型太阳光压模型分析与精化

太阳光压摄动作为在轨导航卫星受到的最大的非保守力,是卫星精密定轨的重要误差源。ECOM模型、ECOM2模型,这两种经验型光压模型被广泛应用于导航卫星定轨。然而,ECOM模型和ECOM2模型分别是针对GPS和GLONASS卫星设计的,并不完全适用于我国北斗三号(BDS-3)卫星。针对五参数ECOM模型在BDS-3卫星低太阳高度角时期轨道不连续性增大的问题,本文提出在 D方向引入一阶周期项来吸收未被模型化光压加速度。结果表明,引入一阶余弦周期项 D_c,能将低太阳高度角时期CAST卫星的切向、法向、径向重叠轨道误差分别减小约60%、52%、29%。针对ECOM2模型中 D_2c和 D₀、D_2s和 B_s之间存在的强相关性,本文提出了不估计 D_2c参数的八参数ECOM2模型和不估计 D_2c与 D_2s的七参数ECOM2模型。结果表明,相较九参数ECOM2模型,不估计 D_2c参数的八参数ECOM2模型能够将CAST卫星和SECM卫星径向重叠轨道误差分别减少约18%和27%。在此基础上,继续移除 D_2s后(七参数ECOM2),径向重叠轨道误差可进一步减小5.2%~8.5%。综合考察重叠轨道精度和SLR检核精度,不顾及 D_2c和 D_2s的七参数ECOM2模型表现最佳。CAST卫星和SECM卫星重叠轨道切向、法向、径向精度分别为5.0、3.4、1.4 cm和5.4、3.5、1.5 cm;SLR检核残差标准差分别为3.1~3.2 cm、4.4~4.7 cm。     

单星模糊度固定的整数相位钟法及在低轨卫星定轨中的应用

单星GPS相位模糊度固定可以显著提升低轨卫星的定轨精度.目前,CNES/CLS、武汉大学和CODE 3家机构都已公开发布用于单星模糊度固定的GPS整数相位钟产品.本文首先利用整数相位钟方法实现单星模糊度固定,并应用于低轨卫星精密定轨中;然后,对比分析了不同机构提供的整数相位钟产品在低轨卫星单星模糊度固定和精密定轨中的应...     

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。     

北斗卫星太阳光压解析模型建立及应用

光压模型是导航卫星高精度定轨、定位的基础。目前关于北斗卫星光压摄动模型的研究并不少见,但基于卫星物理参数的综合解析模型建立与应用公开可见的论述并不多见。不同于其他保守和非保守摄动力,光压辐射与卫星本身参数状态密切相关,具有明显的个体差异性。本文基于光压辐射的物理机理、北斗卫星物理参数、姿态控制模式等,建立光压摄动综合解析模型,以精密星历和激光测距数据为基准,验证了综合解析模型能够获得分米级的精密定轨精度。在此基础上,根据卫星角动量守恒和在轨遥测参数变化,分析了综合解析模型和在轨实际干扰力的差值,提出了在综合解析模型基础上增加常数经验修正项Da、Ya的方法,以北斗C08、C10星为例,分别可获得0.078、0.084 m的SLR检核精度,相比于利用CODE经验改进模型,精度分别提高0.021、0.045 m。     

CODE’s five-system orbit and clock solution—the challenges of multi-GNSS data analysis

This article describes the processing strategy and the validation results of CODE’s MGEX (COM) orbit and satellite clock solution, including the satellite systems GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, and QZSS. The validation with orbit misclosures and SLR residuals shows that the orbits of the new systems Galileo, BeiDou, and QZSS are affected by modelling deficiencies with impact on the orbit scale (e.g., antenna calibration, Earth albedo, and transmitter antenna thrust). Another weakness is the attitude and solar radiation pressure (SRP) modelling of satellites moving in the orbit normal mode—which is not yet correctly considered in the COM solution. Due to these issues, we consider the current state COM solution as preliminary. We, however, use the long-time series of COM products for identifying the challenges and for the assessment of model-improvements. The latter is demonstrated on the example of the solar radiation pressure (SRP) model, which has been replaced by a more generalized model. The SLR validation shows that the new SRP model significantly improves the orbit determination of Galileo and QZSS satellites at times when the satellite’s attitude is maintained by yaw-steering. The impact of this orbit improvement is also visible in the estimated satellite clocks—demonstrating the potential use of the new generation satellite clocks for orbit validation. Finally, we point out further challenges and open issues affecting multi-GNSS data processing that deserves dedicated studies.     

星间单差模糊度固定的低轨卫星精密定轨精度分析

高精度、高可靠性的卫星轨道是实现低轨卫星精密应用的重要前提,而模糊度固定技术是提高卫星定轨精度的关键途径。研究了基于整数钟的星间单差模糊度固定原理和方法,并利用2019年4月—5月的两颗GRACE-FO（gravity recovery and climate experiment follow on）卫星数据（GRACE-C/D）系统评估了固定解对低轨卫星简化动力学和运动学定轨的精度提升效果。结果表明,两颗卫星简化动力学和运动学定轨的宽巷模糊度固定率均达到99%,而窄巷模糊度固定率在95%左右。对于简化动力学定轨,GRACE-C/D固定解轨道的重叠轨道的3D均方根误差（root mean square error, RMSE）分别从7.1 mm和7.4 mm减小到了4.2 mm和3.6 mm;卫星激光测距（satellite laser ranging, SLR）残差标准差（standard deviation, STD）分别从15.9 mm和14.4 mm降低到了10.8 mm和11.0 mm,精度提升了32%和24%;K波段测距残差RMSE从8.0 mm减小到2.9 mm,进一步表明固定解还能有效提升低轨卫星间相对位置精度。对于运动学定轨,与精密科学轨道产品互差3D RMSE,浮点解分别为37.5 mm和36.4 mm,固定解分别为27.7 mm和25.5 mm,精度提升约28%,SLR残差STD也减小了约20%。