BDS/GPS非差“一步法”融合定轨数据质量及精度分析

目前BDS/GPS融合定轨方法主要为"两步法"融合定轨。但在解算过程中,两个系统之间存在系统偏差会使BDS定轨精度下降。为降低融合定轨中系统偏差对轨道精度的影响,采用B1/B3和L1/L2频点组合的非差"一步法"融合定轨的方法,把BDS和GPS卫星置于同一参考框架下进行定轨,并对B1/B3频点的数据进行质量分析。结果分析证明,B1/B3频点数据质量优于B1/B2频点数据质量;"一步法"非差融合定轨获取的BDS轨道精度也优于"两步法"融合定轨获取的BDS轨道精度。其中BDS-MEOIGSO卫星定轨精度优于100 mm;BDS-GEO卫星定轨精度优于1 000 mm。     

用单频GPS数据实现低轨卫星动力学法定轨研究

采用星载GPS双频观测数据,低轨卫星定轨的精度可以达到厘米级。采用GRACE A卫星的星载GPS观测数据,分别基于单频数据(C/A和L1)的半合组合观测量和双频数据的消电离层组合观测量,采用动力学低轨卫星定轨方法,解算了7d的GRACE A卫星轨道,解算结果与德国地学中心发布的快速科学轨道进行对比分析,并通过卫星激光测距观测数据进行检核。结果表明,通过半合组合观测量定轨得到的结果,在径向R、切向T、法向N方向的均方根误差平均值分别为7.9cm、20.1cm和5.5cm,三维定轨精度平均为22.8cm,利用卫星激光测距数据进行检核,残差平均值为-1.8cm,均方根误差为8.6cm。证明了采用单频观测数据进行定轨的可行性,并且定轨精度可以达到一般低轨卫星定轨精度的要求。     

综合星间和地面测距数据的导航卫星联合定轨

简要地论述了基于星间测距数据和地面跟踪数据的导航卫星联合定轨中的观测模型、定轨软件及数据模拟方法等,在此基础上,基于自编的联合定轨软件进行了不同方案的模拟计算。结果表明,采用星地联合定轨模式,不仅可以获得很好的定轨精度,而且可大量减少地面跟踪站的布设数目以及降低对地面站的几何分布要求;地面跟踪站数量的增加及其地理分布的改善对提高联合定轨精度作用有限。     

BDS-3多频非差非组合精密定轨精度分析

针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)五频点观测数据和非差非组合精密定轨理论，介绍了非差非组合观测模型和参数估计方法，提出了利用K均值聚类算法(K-means)进行测站选取的策略，分析并讨论了非差非组合方法的优势.通过K-means和人工经验选取两种测站选取方案，分别使用BDS-3五频，B1C+B2a、B1I+B3I三种频率选择方式，利用30个观测站，对BDS-3中轨道地球卫星(MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)进行精密定轨处理.结果表明：当接收B1C+B2a频点观测数据测站不足时，非差非组合方法可以通过利用五频观测数据增加观测数据数量、优化测站布局，提高定轨精度，与B1C+B2a频率组合相比，五频定轨结果切向(A)、法向(C)、径向(R)和三维(3D)方向均方根(RMS)月均值分别提升0.003 m、0.004 m、0.003 m和0.007m;K-means算法选取的测站与人工经验选取相比，分布更加合理，定轨精度更高，三种频率选择方案MEO卫星3D RMS月均值精度分别提升0.009 m、0.017 m和0.009 m.     

地面测控站分布对北斗卫星精密定轨的影响

北斗卫星精确定轨是北斗卫星导航系统应用与服务的核心技术,而地面测控站的分布是影响其精度的主要原因之一。针对北斗卫星地面跟踪站的现状,该文基于几何法定轨的基本原理,将卫星定轨的观测方程线性化,根据位置精度衰减因子值的构成,分析了测站分布与卫星定轨精度之间的关系。通过3种实验方案,对比不同测站分布和测站数量对北斗卫星定轨精度和计算效率的影响。实验结果表明:仅利用现有iGMAS站和BETS站的观测数据,很难获取高精度的北斗定轨结果;增加国际MGEX的北斗数据后,定轨精度有明显提高,尤其体现在GEO卫星切线方向;利用40个全球均匀分布的北斗站与利用70个站的定轨精度相当,但前者的解算效率较后者可提高近1倍。     

模糊度固定与弧段长度对区域站定轨的影响分析

我国北斗卫星导航系统难以实现境外全球布站,采用区域站观测值是实现高精度定轨的主要手段。本文分析了整网模糊度固定、有效定轨弧段选择对提高区域定轨精度的作用。采用陆态网GPS观测数据进行区域精密定轨仿真验证,首先论证了不同测站分布下,整网模糊度固定对区域定轨精度的效果,结果表明:相同测站条件下,固定解定轨精度比浮点解精度提高30%以上;仅采用国内7个站的固定解三维定轨精度即达到20cm左右,优于27站的浮点解精度。另外,从星座的构型与地面站分布的可视范围方面,分析了不同观测时长对定轨精度影响,实测数据论证表明:当中国区域站观测时间大于48h,总能获取不小于24h的区域有效定轨弧段,并且各卫星最佳的24h观测弧段三维定轨精度均可达到0.3m左右。     

GRACE卫星GPS数据系统误差分布及其对精密定轨的影响

分析了GRACE卫星在掩星天线关闭和开启状态下GPS观测数据中系统误差的分布情况。结果表明,在掩星天线开启时,观测数据中存在着由于"信号串扰"引起的系统误差,其在消电离层组合P3上的数值最大可达6 m,而对载波相位的影响相对较小。进一步采用降权方法分析了P3观测值对精密定轨的影响。当P3组合观测值标准差大于等于4.0 m时,定轨精度达到最优,在X、Y和Z轴的定轨精度分别为3.9 cm、4.0 cm和3.3 cm。     

基于双频观测值的星载GPS低轨卫星定轨中模糊度求解方案研究

详细探讨基于星载GPS双频观测值的相对定轨中模糊度解算方案、数学模型等问题,并用CHAMP低轨卫星的实测数据对模糊度解算方案进行验证.结果表明,采用Bootstrapping方法先全部或部分解算Melboune-Wubbena(MW)组合的宽巷模糊度,进而求解窄巷模糊度的方法,可以有效提高定轨精度.     

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。     

经验加速度补偿对HY-2A卫星精密定轨的影响

针对HY-2A卫星定轨中存在系统误差的问题,该文提出了加入经验加速度补偿系统误差。为了获得HY-2A卫星的高精度轨道,采用星载DORIS距离变率数据探索了经验加速度对定轨精度的影响。探讨了1d、3d和7d作为经验加速度周期的定轨精度差异,分析了3d作为经验加速度周期时在径向、法向和切向3个方向设置经验加速度对定轨精度的不同影响。研究结果表明:HY-2A卫星在径向和切向不存在系统误差,而在法向存在系统误差,因而在法向设置经验加速度进行力学模型补偿能够取得较好的定轨结果;3d作为经验加速度的补偿周期较为合适,不仅能够减少解算参数个数,缩短计算时间,而且径向定轨精度可达到1.00cm,满足HY-2A卫星精密定轨需求。     

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...     

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。     

利用零相位Kaiser窗滤波器改善MEX多普勒数据定轨精度

精密轨道确定在深空探测中至关重要,而定轨数据中的白噪声会影响定轨性能。基于零相位分析,比较了FRR（forward-filter reverse-filter reverse-output）、RRF（reverse-filter reverse-filter forward-output）和Matlab中的filtfilt这3种滤波器的优劣,设计了一种零相位Kaiser窗低通滤波器。利用火星快车号（Mars Express,MEX）的仿真数据和实测数据验证了零相位Kaiser窗低通滤波器的性能,结果发现滤除白噪声后MEX数据的定轨精度有了显著改善。双程测速数据残差均方根（root mean square,RMS）减小为原来的1/3左右,达到了0.031 mm/s;轨道位置和速度与欧空局（European Space Agency,ESA）精密轨道的差异明显变小。该滤波算法作为定轨前的数据预处理可以提高定轨精度,从而为中国火星探测器的轨道数据处理提供一定的参考。     

Swarm系列卫星非差运动学厘米级精密定轨

采用2015年5月24日—30日的Swarm星载GPS双频观测数据,基于Melbourne-Wübbena(MW)和消电离层线性组合,在精密单点定位技术的基础上,采用批处理最小二乘估计法对不同轨道高度的Swarm系列卫星进行非差运动学精密定轨。利用星载GPS相位观测值残差、与欧空局发布的简化动力学轨道对比,以及SLR检核3种方法对Swarm系列卫星非差运动学定轨结果进行精度评估。结果表明:①Swarm系列卫星星载GPS相位观测值残差RMS为6~7 mm;②与欧空局发布的简化动力学轨道进行求差,径向、切向及法向轨道差值RMS为2~4 cm;③与欧空局发布的运动学轨道进行求差,径向、切向及法向轨道差值RMS为1~2 cm;④SLR检核结果表明Swarm-A/B/C卫星轨道精度为3~4 cm。因此,采用非差运动学定轨方法与本文提供的定轨策略进行Swarm系列卫星精密定轨是切实可行的,定轨精度为厘米级。     

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。     

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...     

重力场模型对Swarm卫星精密定轨的影响分析

采用星载GPS观测数据与简化动力学定轨方法,在方程中引入伪随机脉冲参数,从而实现对Swarm卫星的精密定轨.详细分析了不同阶次的GOCO06s地球重力场模型对Swarm卫星简化动力学定轨精度的影响,对比了PGM2000a、EIGEN-2、EGM2008以及GECO重力场模型展开到100阶次时Swarm卫星解算的轨道精度...     

(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.     

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。     

Rapid orbit determination of LEO satellites using IGS clock and ephemeris products

Different types of GPS clock and orbit data provided by the International GPS Service (IGS) have been used to assess the accuracy of rapid orbit determination for satellites in low Earth orbit (LEO) using spaceborne GPS measurements. To avoid the need for reference measurements from ground-based reference receivers, the analysis is based on an undifferenced processing of GPS code and carrier-phase measurements. Special attention is therefore given to the quality of GPS clock data that directly affects the resulting orbit determination accuracy. Interpolation of clock data from the available 15 min grid points is identified as a limiting factor in the use of IGS ultra-rapid ephemerides. Despite this restriction, a 10-cm orbit determination accuracy can be obtained with these products data as demonstrated for the GRACE-B spacecraft during selected data arcs between 2002 and 2004. This performance may be compared with a 5-cm orbit determination accuracy achievable with IGS rapid and final products using 5 min clock samples. For improved accuracy, high-rate (30 s) clock solutions are recommended that are presently only available from individual IGS centers. Likewise, a reduced latency and more frequent updates of IGS ultra-rapid ephemerides are desirable to meet the requirements of upcoming satellite missions for near real-time and precise orbit determination.