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。     

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。     

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。     

Bernese ECOM光压模型在BDS卫星精密定轨中的应用

Bernese ECOM光压模型是目前GNSS导航卫星精密定轨中应用最多的经验型光压模型[1],但是其应用到北斗导航卫星（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）精密定轨中,不一定9个参数全部解算定轨效果最佳。收集了MGEX一年的BDS精密星历,采用几何轨道平滑的方式反演出ECOM模型的9个光压参数,研究参数周年变化规律发现Bc、Bs参数与Yc、Ys相关性较强,Bc、Bs存在明显的周年特性而且量级较Yc、Ys大。通过ECOM回归模型整体显著性检验,确定出Bc、Bs的显著性水平明显高于Yc、Ys。最后通过MGEX监测站的实测数据定轨,轨道和钟差精度评估结果表明,只解算D0、Y0、B0、Bc、Bs 5个参数BDS定轨精度最高,建议BDS定轨中使用5参数ECOM光压模型。     

IGSO姿态控制模式切换期间定轨策略研究

我国卫星导航系统IGSO卫星采用动态偏航与零偏航两种姿态控制模式,在太阳矢量与轨道面夹角较小时,采用零偏航。卫星姿态控制模式的切换造成了卫星所受光压力的变化。当处理包含动偏/零偏切换点的数据弧段时,由于卫星精密轨道确定策略及光压模型的不适应,无法用一组光压参数拟合两种状态,造成定轨精度下降。本文提出了利用分段线性模型描述太阳光压的定轨策略,可将定轨重叠弧段URE精度提高75%。解算的光压参数能够反映出两种状态的差异,是解决姿态转换期间轨道确定的有效方法。     

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。     

不同姿态控制模式下的北斗卫星定轨策略研究

北斗卫星的姿态控制分为动态偏置、零偏置和连续动偏3种,不同类型卫星、不同姿态控制模式、不同时段下定轨精度不一致,影响了北斗系统的连续性。详细研究了北斗不同类型卫星在不同姿态控制模式下的最优定轨策略,并基于实测数据进行试验,结果表明,BeiDou-2 IGSO（inclined geosynchronous orbit）/MEO（medium earth orbit）卫星采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM（extended CODE model）5参数模型相结合的方法定轨精度最优,零偏期间,用户等效距离误差值为2.08 m,全球激光评估轨道视向精度约为1 m;BeiDou-3 IGSO/MEO卫星采用常规多星定轨和ECOM 5参数模型相结合的方法定轨精度最优;连续动偏期间,用户等效距离误差值为1.22 m,全球激光评估轨道视向精度为0.23 m,与动偏期间精度一致;GEO（geostationary earth orbit）卫星在春秋分附近时段采用基于星地钟差约束下多星定轨方法和ECOM 9参数模型相结合的方法定轨精度最优,用户等效距离误差值为0.72 m。     

北斗IGSO和MEO卫星零偏状态下超快速轨道光压模型

采用2015年全年北斗IGSO和MEO卫星零偏的数据,比较了不同光压模型对零偏时期轨道预报的影响。共有4种光压模型参与了比较,分别是ECOM 5参数模型、ECOM 5参数加切向常量经验加速度模型、ECOM 9参数模型和修改过的Adjustable Box-Wing模型。结果显示,ECOM 9参数模型和修改过的Adjustable Box-Wing模型要明显优于ECOM 5和ECOM 5参数加切向常量经验加速度模型。其中修改过的Adjustable Box-Wing模型略优于ECOM 9参数模型。相比于动偏时期的轨道预报,零偏时期需要提高的主要是切向和径向方向上的精度。     

BERNESE光压模型参数的统计分析

BERNESE Extended CODE Orbit Model(ECOM)光压模型是GPS精密定轨中广泛采用的一种光压模型,本文首先介绍了该光压模型构造,并分析了该模型对三种不同类型GPS卫星的适用性。为定性了解ECOM光压模型中各参数对精密定轨的影响,采用附加参数统计检验方法对九个模型参数定性进行了评价。本文结果说明,采用ECOM模型时,实际估计八个参数较为合理。     

姿态模式切换期间QZSS卫星轨道及其钟差产品特性分析

导航卫星姿态控制模式切换对精密定轨解算得到的轨道和钟差均有较大影响。本文首先从理论上分析了卫星偏航姿态及其对精密定轨的影响,然后分别以卫星激光测距检核和钟差多项式拟合的方法对IGS MGEX分析中心的QZSS卫星轨道和钟差产品精度进行评价,最后以谱分析方法和改进阿伦方差揭示了卫星钟差的周期特性。基于2014年全年的QZSS卫星轨道和钟差产品的研究表明,一年内有两次长约20 d的地影季,太阳角呈现半年周期的波动;QZSS卫星在低太阳角时有零偏保护,其卫星轨道和钟差精度都与太阳角有显著相关性;卫星钟差具有与轨道周期相近的周期项,且周期项振幅与太阳角的大小也具有相关性,表明现有的定轨策略存在不足。考虑到QZSS与目前北斗星座中IGSO和MEO卫星姿态控制模式的相似性,该结论对于研究我国BDS姿态切换期间的精密定轨有一定参考价值。     

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。     

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.     

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。     

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精密定轨形成有效约束,然后固定GPS和北斗IGSO/MEO解算结果,最后单独对北斗GEO卫星进行强约束下的轨道解算。利用实测数据进行了精密定轨试验,试验结果表明:采用本文提出的方法,北斗GEO卫星和非GEO卫星三维重叠弧段轨道精度分别为0.688 m和0.042 m,比传统方法分别提高了54.2%和72.4%。另外,采用激光测距检核和测站坐标静态精密单点定位的方法对轨道精度进行了验证,激光检核精度提高了44.3%,测站坐标在水平和高程方向上精度分别平均提升了21.5%和20.7%。     

卫星激光反射器质心改正的概率模型

卫星激光测距通过测量激光脉冲在地面观测站和卫星之间的往返时间来计算卫星到测站的距离。激光反射器位置到卫星质心的距离即质心改正(CoM)需要精确标定,以提高卫星测距精度。卫星激光反射器的质心改正误差主要由角反射器分布效应引起,质心改正与激光束的入射角、角反射器排列结构和地面测距站位置有关。卫星角反射器对光子的反射概率与反射器的有效雷达截面积成正比,本文对角反射器的有效雷达截面面积进行拟合,建立以入射角为随机变量的概率模型,计算了球形LAGEOS-1/2的质心改正值,基于长期观测数据使用不同质心改正值进行了精密定轨,分析了其加权残差变化。同时,对BeiDou-M3的角反射器为平面阵列的情况进行了讨论,计算了质心改正值,用一个月的数据进行精密定轨。试验结果表明,基于概率理论的模型在精密轨道中与国际激光测距服务(ILRS)公布的结果相当,说明概率模型适用于球型卫星或非球型卫星。