星载GPS低轨卫星定轨理论研究

GPS为低轨卫星定轨提供了一种全新的精密定轨方法-几何法定轨(Geometric Orbit Determination).     

利用GPS观测资料确定接收机差分码偏差的算法

仪器偏差是利用GPS观测资料确定总电子含量（Total Electron Content,TEC）的主要误差源之一,接收机P1和P2的仪器偏差称为差分码偏差。探讨了利用GPS资料计算接收机差分码偏差的算法,并进行了软件实现。实际观测数据的结果初步验证了算法的正确性。     

基于双频P码的星载GPS低轨卫星相对定轨研究

系统讨论基于双频伪距差分技术的星载GPS低轨卫星相对定轨理论、方法和其中的几个关键问题.重点分析相对定轨中函数模型及随机模型的选取及其对定轨结果的影响,并用CHAMP实测数据对以上问题加以分析.     

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。     

多频多模接收机差分码偏差的精密估计与特性分析

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）探测大气电离层需要精确处理由接收机差分码偏差（differential cade bias,DCB）引起的系统误差。准确掌握接收机DCB的多时间尺度精细变化等特性是联合美国GPS、中国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）和欧盟Galileo等多GNSS技术监测电离层所面临的主要科学问题之一。为此,提出了基于零基线精密估计站间单差接收机DCB的方法,并对站间单差接收机DCB的日加权平均值进行了分析。基于4台多模接收机采集于2013年的双频观测值,揭示了站间单差接收机DCB的变化可能受3种因素的影响,即接收机内置软件的版本升级（实验中引起了约3 ns的显著增加）、拆卸个别接收机所导致的观测条件改变（实验中引起了约1.3 ns的显著减少）和估计方法的误差（引起了与导航系统卫星几何结构重复性相一致的周期性变化）等。     

一种北斗卫星差分码偏差估计方法

卫星码偏差会降低卫星测量精度,因此本文就北斗卫星差分码偏差估计进行了研究和验证。首先将电离层作为一个单层,采用球谐函数来参数化电离层TEC值,然后利用最小二乘估算了北斗卫星的码偏差,根据北斗系统2014年4月1-29日间的实测数据计算了14颗北斗卫星的码偏差,最后将计算结果与IGS发布的码偏差参考值进行了对比分析。结果显示误差值在0~2 ns之间,符合度极高,从而验证了该估计方法的有效性。     

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。     

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0.1~0.5 ns。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10 cm以内。     

精密单点定位估计GPS卫星的P1-C1码偏差及稳定性分析

给出了利用精密单点定位（PPP）技术估计GPS卫星P1-C1码偏差的数学模型,并以BRUS、GODE、SHAO和NIST四个跟踪站2010年10月份一个月的观测数据为例,采用PPP方法计算了所有GPS卫星的P1-C1码偏差,并与欧洲定轨中心提供的P1-C1码偏差进行了比较,结果表明：四个站估计的P1-C1码偏差精度均可达到几个厘米。一个月的计算结果表明：卫星的P1-C1码偏差在一个月内变化平缓。     

GPS双频观测值差分码偏差估计及精度分析

接收机仪器偏差中的码偏差是影响电离层中电子总含量求解精度的重要因素,若忽略仪器的码偏差对电离层的影响,将会给电子含量的求解带来9～30 TECU偏差,因此对接收机码偏差的精确求解至关重要.本文基于6个欧洲站6天的GPS双频观测数据,在最小二乘的基础下,联合4阶球谐函数模型估算接收机中的差分码偏差,将求解的结果与CODE分析中心电离层产品所给出的结果进行对比分析,并对接收机差分码偏差估算的结果进行精度的评定,结果表明:文中估算方法所得的结果与CODE分析中心中电离层产品给出的结果基本一致,且估算的精度较高,因此,该方法对差分码偏差的提取具有一定的有效性.      

基于BDS/GPS观测的北斗硬件延迟解算

研究了联合BDS/GPS观测数据基于球冠谐函数的中国区域电离层建模,并精确估计了北斗卫星和接收机DCB。联合解算得到的GPS卫星DCB相对CODE精度优于0.2 ns,GPS接收机DCB相对CODE精度优于1 ns;联合解算得到的中国区域上空VTEC相对CODE事后产品的精度可达2~3 TECU。     

基于球谐函数模型的GPS差分码延迟估计

电离层延迟是GNSS观测值中最大的误差源,因此如何利用GNSS观测值确定高精度电离层模型逐渐成为实时导航、定位及大气相关研究的重要内容。在通常采用组合观测值建立模型的方法中,精确估计电离层总电子含量（TEC）的重要误差之一是差分码硬件延迟（DCBs）。为了实时得到P1、P2、C2相互间硬件差分码延迟偏差,本文采用IGS跟踪站的观测数据并利用载波平滑后的差分伪距建立观测方程,对卫星和接收机硬件差分码延迟偏差进行实时解算。经比较模型解算DCB值与IGS最大差异不超过0.8 ns,C1、P1码延迟偏差72%差异值小于0.3 ns,P1、P2的74%差异值小于0.3 ns。     

Estimation and analysis of GPS satellite DCB based on LEO observations

The Global Positioning System (GPS) satellite differential code bias (DCB) should be precisely calibrated when obtaining ionospheric slant total electron content (TEC). So far, it is ground-based GPS observations that have been used to estimate GPS satellite DCB. With the increased Low Earth Orbit (LEO) missions in the near future, the real-time satellite DCB estimation is a crucial factor in real-time LEO GPS data applications. One alternative way is estimating GPS DCB based on the LEO observations themselves, instead of using ground observations. We propose an approach to estimate the satellite DCB based on Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC) and Challenging Minisatellite Payload (CHAMP) GPS observations during the years 2002–2012. The results have been validated through comparisons with those issued by Center for Orbit Determination in Europe (CODE). The evaluations indicate that: The approach can estimate satellite DCB in a reasonable way; the DCB estimated based on CHAMP observations is much better than those on COSMIC observations; the accuracy and precision of DCB show a possible dependency on the ionospheric ionization level. This method is significance for the real-time processing of LEO-based GNSS TEC data from the perspective of real-time applications.     

Estimation of Clock Stability Using GPS

The recent development of low-cost, high-precision oscillators has allowed many applications in various fields to become financially feasible. The stability of an oscillator is ultimatively what determines its usefulness for a certain application, and is therefore desirable to quantify. Current methods of evaluating stability require a direct comparison of the oscillator under test (OUT) with amore stable reference oscillator, the cost of which often offsets the initial benefit of a low-cost device. However, a relatively inexpensive Global Positioning System (GPS) receiver is capable of exploiting the highly stable GPS time scale, thus obviating the need for an expensive reference oscillator. By allowing the OUT to drive a GPS receiver, and processing the data with precise GPS orbits and clock corrections to eliminate the effects of selective availability (SA), the time series of computed clock offsets provides a measure of the oscillator's stability relative to GPS time. The use of GPS for assessing clock stability in the time domain is evaluated herein via the computation of Allan variance values. Performance of one rubidium and three ovenized crystal oscillator are investigated. Results show the method is limited to time intervals less than about two seconds or longer than about 300 seconds, where the effects of measurement noise and residual SA is less pronounced. ? 2000 John Wiley & Sons, Inc.     

GPS观测量先验方差-协方差矩阵实时估计

GPS观测量的先验方差－协方差矩阵的可靠性直接关系到GPS定位结果和可靠性，关系到模糊度初始化时间、模糊度搜索的可靠性及成功率。本文提出了一种GPS观测量的先验方差－协方差矩阵的实时估计方法。其特点是直接利用伪距和载波相位观测值，来实时估计先验方差－协方差矩阵，而且可广泛应用于各种测量型接收机的各种测量模式。该方法应用于模糊度解算中，并与其他方法进行比较，以检验其效果。     

GPS三频非差观测值探测与修复周跳

目的 针对三频几何无关相位组合无法修复三个频点周跳的问题,提出了一种GPS三频非差观测值探测并修复周跳的方法。按照适当的原则组合三频伪距/载波观测值,形成多个有效的几何无关检测量,并推导其各自发生周跳的阈值条件,系统地分析和验证新方法探测大周跳、小周跳和特殊组合周跳的性能;对大周跳取整修复观测值后,采用空间搜索的方法修复小周跳;最后用 GPS数据进行算法测试与分析。实验表明,本文算法能够简单实时地探测并修复所有频率上可能发生的周跳组合。     

星载GPS伪距多路径误差与观测噪声对自主定轨的影响分析

对搭载美国BlackJack接收机的CHAMP/GRACE-A/Jason-2卫星和搭载国产接收机的HY2A/ZY3/TH1卫星的星载GPS数据的伪距多路径误差与观测噪声进行了研究,重点分析了国产接收机伪距多路径误差的变化特性,并研究了多路径误差与观测噪声对星载GPS自主定轨的影响。结果表明:国产接收机的C/A码与P1码伪距观测精度要整体差于美国的BlackJack接收机,而P2码伪距观测精度要整体优于BlackJack接收机;国产接收机P1码伪距受多路径效应影响较大,其多路径误差随高度角减小存在单调递增的变化趋势,其中HY2A、ZY3与TH1卫星的多路径误差最大分别可达3.6 m、1.8 m与0.7 m;这种单调递增变化的多路径误差会导致星载GPS自主定轨位置结果在径向与切向产生系统性偏差。