利用星载GPS观测数据确定海洋2A卫星cm级精密轨道

海洋二号B星（Haiyang-2 B,HY2B）是中国海洋动力环境监测的首颗组网卫星,主要用于探测海面高度、海面风场、重力场等多种海洋动力环境参数,高精度卫星轨道是完成上述任务的前提与关键。选取HY2B卫星2021年1月的星载GPS观测数据,从数据完整性与多路径效应两个方面分析了观测质量,采用简化动力学定轨方法进行了精密定轨研究。结果显示,相比海洋二号A星（Haiyang-2 A,HY2A）,搭载同一型号接收机的HY2B卫星伪距多路径误差有所下降;基于国产星载双频GPS接收机可以实现HY2B卫星径向2 cm、三维优于3 cm的定轨精度;同时,验证了相位中心变化（phase center variation,PCV）模型对精密定轨的改进作用。目前的星载GPS数据与定轨方法可以满足高精度海洋测高任务的需求。

     

利用星载GPS观测数据确定海洋2A卫星cm级精密轨道

系统研究了基于国产星载双频GPS接收机的海洋2A(HY2A)卫星精密定轨问题,并对星载双频GPS接收机天线相位中心进行了校正.结果显示,HY2A卫星径向定轨精度可达1～2 cm,天线相位中心标定精度为mm级.相关成果可应用于我国后续所有搭载双频GPS接收机的对地观测卫星计划.     

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。     

风云三号C卫星星载GPS/BDS分米级实时定轨模型研究

风云三号C(Fengyun 3C,FY3C)卫星于2013年发射,搭载了全球导航卫星掩星探测仪(GNSS occultation sounder,GNOS),是国际首台兼容GPS和北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)的掩星探测仪,可同时提供GPS和BDS双频观测数据,为研究星载GPS/BDS组合定轨提供了机会。为了实现分米级精度的星载GPS/BDS组合实时定轨,首先推导了基于载波相位观测值的星载GPS/BDS实时定轨数学模型;然后重点分析了GPS与BDS广播星历误差的变化特性,对不同类型轨道的BDS广播星历误差在信号传播路径(location of signal,LOS)方向的投影进行统计,并以此为依据,建立载波相位观测值的伪模糊度待估参数及其随机模型,用来吸收LOS方向的广播星历误差,从而实现分米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件SATODS对FY3C卫星GPS/BDS实测数据模拟在轨实时处理,结果表明,在使用广播星历的条件下,基于星载GPS/BDS载波相位实时定轨,可以达到30 cm的位置精度以及0.3 mm/s的速度精度。加入BDS观测数据后,虽然BDS卫星的广播星历整体精度低于GPS,但是通过合理设置伪模糊度参数的随机模型,实时定轨结果相对于单GPS有了一定的提高,当FY3C卫星经过亚太地区上空时,实时定轨精度可提高10%以上。     

顾及广播星历误差分离吸收的分米级星载gps实时定轨新方法

受广播星历轨道误差与卫星钟误差以及伪距观测噪声等因素的制约,传统的星载 gps伪距实时定轨方法位置精度通常只能达到1.0m 左右,速度精度为1.0mm/s左右。本文提出了一种新的高精度星载 gps实时定轨方法,该方法基于广播星历误差的缓变特性,同时使用伪距与相位作为观测值,通过在卡尔曼滤波模型中设置相应参数对广播星历误差进行分离吸收,从而实现分米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件satpods对不同轨道高度 的 champ（ 320km）、 grace－a（ 460km） 与 sac－c（ 700km） 卫 星 连 续31d的实测数据模拟在轨实时处理,结果表明,新方法可以实现30～40cm 的 位 置 精 度 以 及0.3～0.5mm/s的速度精度,相比于传统的伪距实时定轨方法,精度可提高50％以上。     

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。     

伪随机脉冲先验值对低轨卫星简化动力学定轨精度的影响

低轨卫星简化动力学定轨中引入伪随机脉冲可有效提高定轨精度,但伪随机脉冲先验值（时间间隔、先验标准差）会影响伪随机脉冲估值大小,进而影响定轨精度。基于GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星轨道分析伪随机脉冲先验值对单天解简化动力学定轨精度的影响,实验表明,时间间隔从240 min减至6 min,先验标准差从1×10-4mm/s增至1×10-1mm/s,伪随机脉冲总的估值大小由1×10-2mm/s增至1×101mm/s,定轨精度从几十cm提高到2 cm;当先验标准差大于1×10-1mm/s,继续增加先验标准差,伪随机脉冲估值不变,定轨精度不再提高。因此,对于单天解轨道,时间间隔减小至6 min,先验标准差增至1×10-1mm/s,伪随机脉冲估值增大,定轨精度提高;继续增大先验标准差,伪随机脉冲估值不变,定轨精度不再提高。利用不同高度的Swarm卫星验证了该结论的有效性。     

星载BDS/GPS低轨卫星定轨精度分析

针对低轨卫星搭载BDS/GPS接收机实现定轨将成为定轨领域热点的现状,该文讨论了基于星载BDS/GPS实时定轨和精密定轨需要考虑的数学模型,阐述了实时定轨和精密定轨的模型差异。基于自主研发程序,利用高动态信号仿真器仿真的星载BDS/GPS数据研究了基于星载BDS/GPS实时定轨和精密定轨的可行性及其能达到的精度。试验结果表明,星载BDS/GPS实时定轨位置精度为1.19m,速度精度为2.35mm/s。GPS信号发生中断时即仅采用BDS观测数据进行实时定轨时,三维位置误差达到3.73m;星载BDS/GPS精密定轨位置精度为2.30cm,仅采用BDS观测数据进行精密定轨时,三维位置误差可达到8.26cm。     

一种适用于星载GPS自主定轨的地球引力近似计算改进方法

提出了一种适用于星载GPS自主定轨的改进的地球引力近似函数方法（improved gravity acceleration approximation function,IGAAF）。对IGAAF方法的性能进行评估,结果表明:IGAAF方法的计算耗时小于45×45阶球谐模型;拟合系数容量仅为200~320 kB;引力加速度的截断误差（3D RMS）处于1×102~1×103 nm/s2量级,小于每颗低轨卫星自主定轨所需的最优阶次球谐模型（GOCE:105×105,CHAMP:85×85,GRACE-A:65×65,ZY3/TerraSAR-X:55×55）;将IGAAF方法应用于星载GPS自主定轨试验,相比于球谐模型,不会降低自主定轨精度。IGAAF方法在保证定轨精度的同时兼顾计算效率与系数容量的平衡,在星载GPS自主定轨的工程化应用中具有较强的实用价值。     

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。     

Precise orbit determination for the FORMOSAT-3/COSMIC satellite mission using GPS

The joint Taiwan–US mission FORMOSAT-3/ COSMIC (COSMIC) was launched on April 17, 2006. Each of the six satellites is equipped with two POD antennas. The orbits of the six satellites are determined from GPS data using zero-difference carrier-phase measurements by the reduced dynamic and kinematic methods. The effects of satellite center of mass (COM) variation, satellite attitude, GPS antenna phase center variation (PCV), and cable delay difference on the COSMIC orbit determination are studied. Nominal attitudes estimated from satellite state vectors deliver a better orbit accuracy when compared to observed attitude. Numerical tests show that the COSMIC COM must be precisely calibrated in order not to corrupt orbit determination. Based on the analyses of the 5 and 6-h orbit overlaps of two 30-h arcs, orbit accuracies from the reduced dynamic and kinematic solutions are nearly identical and are at the 2–3 cm level. The mean RMS difference between the orbits from this paper and those from UCAR (near real-time) and WHU (post-processed) is about 10 cm, which is largely due to different uses of GPS ephemerides, high-rate GPS clocks and force models. The kinematic orbits of COSMIC are expected to be used for recovery of temporal variations in the gravity field.     

(Near-)real-time orbit determination for GNSS radio occultation processing

The processing of GPS radio occultation measurements for use in numerical weather predictions requires a precise orbit determination (POD) of the host satellite in near-real-time. Making use of data from the GRAS instrument on Metop-A, the performance of different GPS ephemeris products and processing concepts for near-real-time and real-time POD is compared. While previous analyses have focused on the achievable along-track velocity accuracy, this study contributes a systematic comparison of the resulting estimated bending angles. This enables a more rigorous trade-off of different orbit determination methodologies in relation to the end-user needs for atmospheric science products. It is demonstrated that near-real-time GPS orbit and clock products have reached a sufficient quality to determine the Metop-A along-track velocity with an accuracy of better than 0.05 mm/s that was formerly only accessible in post-processing. The resulting bending angles are shown to exhibit standard deviation and bias differences of less than 0.3 % compared with post-processed products up to altitudes of at least 40 km, which is notably better than 1 % accuracy typically assumed for numerical weather predictions in this height regime. Complementary to the analysis of ground-based processing schemes, the potential of autonomous on-board orbit determination is investigated for the first time. Using actual GRAS flight data, it is shown that a 0.5 m 3D rms position accuracy and a 0.2 mm/s along-track velocity accuracy can in fact be obtained in real-time with the currently available GPS broadcast ephemeris quality. Bending angles derived from the simulated real-time processing exhibit a minor performance degradation above tangent point heights of 40 km but negligible differences with respect to ground-based products below this altitude. Onboard orbit determination and, if desired, bending angle computation, can thus enable a further simplification of the ground segment in future radio occultation missions and contribute to reduced product latencies for radio occultation data assimilation in numerical weather predictions.     

顾及广播星历误差分离吸收的分米级星载GPS实时定轨新方法

当前,在低轨导航增强、对地观测和科学应用等领域,低轨卫星对轨道参数的精度和实时性提出了更高的要求。利用国际GNSS服务组织实时服务（international global navigation satellite system service real-time service,IGS-RTS）播发的GPS卫星轨道与钟差改正数,针对极区实时改正数接收中断情况下实现厘米级星载GPS实时定轨的关键问题开展研究。首先分析了实时改正数及其短时外推引起的星历综合误差的变化特性;然后以此为依据,在星载GPS实时精密定轨数学模型中构建分段随机游走的伪模糊度参数随机模型,以减小星历综合误差对实时精密定轨的影响,从而实现厘米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时精密定轨软件SATODS,使用GPS广播星历与CLK93实时产品,对为期一周的重力场恢复和气候实验（gravity recovery and climate experiment,GRACE）C卫星的GPS双频实测数据模拟在轨实时精密定轨处理。实验结果表明,在考虑极区改正数接收中断的情况下,所提实时精密定轨方法可以达到7.04 cm的位置精度以及0.20 mm/s的速度精度,所提方法具有可行性和有效性。     

SWARM卫星简化动力学厘米级精密定轨

联合星载GPS双频观测值与简化的动力学模型,在卫星运动方程中引入适当的伪随机脉冲参数,对SWARM卫星进行精密定轨。采用星载GPS相位观测值残差、重叠轨道以及与外部轨道对比等3种方法对SWARM卫星简化动力学定轨结果进行检核。结果表明:SWARM星载GPS相位观测值残差RMS为7~10mm;径向、切向以及法向6h重叠轨道差值RMS均在1cm左右,3个方向均无明显的系统误差。通过与欧空局(ESA)发布的精密轨道进行对比分析,径向轨道差值RMS为2~5cm,切向轨道差值RMS为2~5cm,法向轨道差值RMS为2~4cm,3D轨道差值RMS为4~7cm;SWARM-B定轨精度优于SWARM-A与SWARM-C。因此,采用简化动力学法与本文提供的定轨策略进行SWARM卫星精密定轨是切实可行的,定轨结果良好且稳定,定轨精度达到厘米级。     

均方根信息滤波和平滑及其在低轨卫星星载GPS精密定轨中的应用

从均方根信息滤波和平滑的基本原理出发,结合卫星定轨的实际特征,导出了其在精密定轨软件中实现的详细公式;针对均方根滤波的特点,提出了快速高效地探测和修复GPS观测数据中周跳的新方法。利用实测星载GPS数据验证了基于均方根滤波的质量控制算法的可靠性,得到了有益的结果。     

Quality assessment of FORMOSAT-3/COSMIC and GRACE GPS observables: analysis of multipath, ionospheric delay and phase residual in orbit determination

The precise orbit determination antennas of F3/C and GRACE-A satellites are from the same manufacturer, but are installed in different configurations. The current orbit accuracy of F3/C is 3 cm at arcs with good GPS data, compared to 1 cm of GRACE, which has a larger ratio of usable GPS data. This paper compares the qualities of GPS observables from F3/C and GRACE. Using selected satellites and time spans, the following average values for the satellite F3/C and satellite A of GRACE are obtained: multipath effect on the pseudorange P1, 0.78 and 0.38 m; multipath effect on the pseudorange P2, 1.03 and 0.69 m; occurrence frequency of cycle slip, 1/29 and 1/84; standard error of unit weight, 4 and 1 cm; dynamic–kinematic orbit difference, 10 and 2 cm. For gravity determination using F3/C GPS data, a careful selection of GPS data is critical. With six satellites in orbit, F3/C’s large amount of GPS data will make up the deficiency in data quality.