基于星间链路的BDS导航系统实时星历和钟差分离修正

BDS导航系统授权服务通过提供实时广域差分改正,满足高精度导航用户的导航需求。研究独立时间同步支持下的BDS卫星导航系统的广域差分修正模型与方法,比较了星历和星钟误差的一维(即ICD文件中的等效钟差)和四维差分等两种模式的修正性能,利用DOP值分析了星历改正的误差传播规律。分析表明,一维差分模式的修正精度随轨道误差增加而降低,不适用于在轨卫星故障及GEO卫星轨道机动后轨道快速恢复等情况,并且会降低广域差分系统的可用性;而仅在星地观测条件下,广域差分的三维星历和钟差分离的四维差分模式稳定性较差,区域监测网分布严重限制了星历和钟差误差的分离精度。随着BDS全球系统发展,为满足星座自主导航的需求,系统将提供星间链路观测。通过建立仿真平台,对星间链路支持下的星历和星钟误差分离方法进行研究与分析,结果得出,增加星间链路观测,可以有效地分离星历和星钟误差,将星历误差传播放大因子降低约50%;与一维差分模型相比,将监测站布站稀疏区域内的用户差分改正精度提高约60%。     

北斗卫星导航系统服务精度评估

精度是北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)服务指标体系的重要内容.给出了北斗卫星导航系统精度指标的含义及精度指标的评估方法,利用实测数据分析了北斗系统实际实现的精度指标,并将其与GPS系统实际实现的精度指标作比较分析.DOP(几何精度因子)值由卫星导航系统空间星座分布决定,是影响用户定位授时精度的重要因素,比较了北斗与GPS在中国区域DOP值分布的差异.GPS系统PDOP(定位几何精度因子)分布均匀,随用户经度和纬度变化不大,在1.0–2.0之间.而受混合星座影响,北斗系统PDOP分布随着测站经度和纬度变化较大,变化范围为1.5–5.0;且随测站纬度增加而变大,由中心经度(东经118?)向两侧不断变大.对于影响用户等效距离误差的空间信号精度进行了比较分析.利用IGS(国际GNSS服务组织)提供的事后精密轨道、激光跟踪数据和北斗双向时频传递测量的卫星钟差评估了北斗基本导航电文的精度.结果表明:北斗IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星和MEO(中轨道)卫星轨道径向误差约为0.5 m,大于GPS卫星轨道小于0.2 m的径向误差.北斗GEO(地球同步轨道)卫星激光残差约为65 cm,IGSO卫星和MEO卫星激光残差约为50 cm.受卫星钟差数据龄期影响,MEO卫星钟差参数误差明显大于IGSO卫星和GEO卫星,约为0.80 m.最后,采用MGEX(多GNSS系统试验项目)多模接收机进行了定位试验,分析了北斗系统和GPS在定位精度上的差异.结果表明:受星座构型影响,北斗卫星导航系统定位精度与GPS系统定位精度相比有所差异,但满足水平定位精度优于10 m、高程定位精度优于10 m的设计要求,双系统组合定位精度好于单一系统定位精度.     

北斗星地双向时频传递与广广播钟差精度分析

与其他卫星导航系统不同,北斗卫星导航系统采用星地双向时间比对技术,直接测量卫星钟相对于地面保持的系统时间的钟差,并用于广播电文钟差参数的建模。讨论了电离层延迟误差、卫星相位中心误差等不同误差源对不同类型卫星双向时间同步卫星钟差精度的影响。实测数据分析结果表明,星地双向卫星钟差内符合精度(RMS)优于0.15 ns。利用双向卫星钟差序列,对广播星历钟差参数预报精度进行了分析,统计结果显示广播电文钟差参数预报1 h,精度在2 ns以内,移动卫星刚入境时,钟差参数预报6 h误差可达10 ns。     

北斗卫星导航系统SISURE初步评估

北斗导航系统自2018年12月27日提供全球服务以来,其服务性能受到了极大关注.以上海天文台iGMAS (International GNSS MonitoringAssessment System)分析中心发布的精密轨道、钟差产品作为基准,评估了2019年年积日3–12 d的北斗二号、北斗三号以及GPS广播星历的轨道、钟差和空间信号用户测距误差(Signal in Space User Ranging Error, SISURE,简称为URE),并且对北斗卫星导航系统结果进行了详细的分析.结果表明:在评估时间段内,北斗三号广播星历轨道精度、URE均明显优于北斗二号,且部分结果优于GPS.北斗三号广播星历轨道径向精度最高,优于0.2 m.北斗三号全部卫星URE均值优于0.4 m, URE RMS (root mean square)优于0.5 m.北斗二号每颗卫星URE均值、95%URE (置信度为95%的URE)、URE RMS小于2 m,北斗三号每颗卫星URE均值、95%URE、URE RMS小于1 m,均达到了系统公开承诺的服务性能标准.     

BDS-2导航电文的TGD参数精度及其对用户导航定位精度的影响

北斗二号(Bei Dou Navigation Satellite System-2,BDS-2)卫星播发以B3频点为基准的卫星钟差参数,并播发B1和B2频点相对于B3频点的群延迟(time group delay,TGD)参数。以差分码偏差(differential code bias,DCB)参数为基准,计算BDS-2群延迟参数的精度。在计算过程中,发现在2017年年积日202 d以前,各颗卫星TGD1参数精度较差,与DCB1参数互差在2~4 ns之间,TGD2与DCB2的互差约为0.5 ns。在2017年年积日202―203 d处,所有卫星群延迟参数均发生明显跳变,该跳变主要是因参与群延迟解算的北斗系统的接收机不再采用抗多径算法所致。跳变后,群延迟参数与MGEX(Multi-GNSS Experiment)公布的差分码偏差参数的差值小于0.5 ns,与GPS卫星播发的群延迟参数精度接近。进一步利用实测数据计算了群延迟参数改正精度对用户导航定位精度的影响。结果表明,使用跳变前的群延迟参数,单频定位精度为2.078 m,双频定位N方向精度为1.451 m,E方向精度为1.648 m,U方向精度为3.467 m;使用跳变后的群延迟参数,单频定位精度为1.968 m,双频定位N方向精度为1.361 m,E方向精度为0.998 m,U方向精度为2.789 m,在双频定位的N,E,U方向,双频定位精度分别提升6.2%,39.4%,19.5%。     

GPS星历对LEO星载GPS精密定轨精度的影响

目前,越来越多的低轨卫星上都搭载了用于精密定轨的星载GPs接收机,星载GPS已成为低轨卫星精密定轨的主要手段之一.星载GPS精密定轨精度依赖于GPS星历及钟差精度.基于SHORDE-Ⅲ非差动力学定轨功能,以2005年8月1日至8月7日一周的GRACE卫星实测数据为例,采用事后精密轨道(igs)、快速轨道(igr)和超快速轨道(igu)三种GPS星历在同等条件下定轨,估计GPS星历精度对低轨卫星定轨精度的影响,实际计算结果表明igs和igr两类GPS星历定轨精度相当,约为9.5 cm,igu星历定轨精度略低于igs和igr星历,约为10.5cm:高频GPS卫星钟差数据对定轨精度会产生1-6cm影响.     

空间信号精度的算法设计与实验分析

导航系统的完好性关系到用户的安全问题,空间信号精度(SISA)是反映卫星导航系统完好性的重要指标之一。针对导航电文中的广播星历和钟差参数信息处理问题,设计了SISA参数计算方法;利用GPS和BDS系统中的实际数据,分析了不同轨道类型卫星SISA参数对空间信号误差的包络特性,并将导航电文中URA参数与SISA参数进行比较,验证了SISA参数计算方法。实验结果表明,SISA能够准确反映广播星历的空间信号精度,并能够对空间信号误差基本实现平均98%的包络能力;目前北斗广播星历中的URA参数不能够精确反映空间信号的精度,不同卫星的空间信号精度相差较大,SISA能够准确反映和包络北斗空间信号误差。     

电离层延迟改正模型综述

电离层延迟改正模型通常可以分为广播星历用的预报模型、广域差分用的实时模型、后处理模型3类,不同应用要求需要选择不同的模型。主要比较分析了几种常用的电离层延迟改正模型: 用于广域差分中生成格网模型的三角级数模型、多项式模型、低阶球谐函数模型等都可以获得很好的改正效果,且这3种模型基本上是等价的;电离层延迟谐函数展开模型可以用来分析电离层长时间系列的变化特征;国际电离层参考模型IRI的改正精度一般可以达到60％的效果;而GPS 星历采用的Klobuchar模型的参数设置存在一些不足,对此提出了一些改进措施。     

利用Bernese5.0软件实现LEO卫星精密定轨

越来越多的LEO卫星装载了高精度的星载GPS接收机,星载GPS定轨已成为LEO卫星精密定轨的重要手段之一。星载GPS精密定轨精度依赖于GPS星历及钟差精度,采用CODE(Center for Orbit Determination in Europe)官方网站提供的GPS精密星历及钟差数据,基于瑞士伯尼尔大学开发的Bernese 5.0软件,采用非差减缩动力学定轨方法,解算了60天的CHAMP卫星和SAC-C卫星轨道,并将所得轨道与JPL和GFZ事后科学轨道比较,得出的轨道位置三维精度优于20 cm量级,速度三维精度约为0.20 mm/s。     

北斗系统测站钟差短期预报模型比较及其在单星定轨中的应用

北斗卫星导航系统(BDS)地面跟踪站都配置有高精度的氢原子钟,并基于精密定轨数据处理与主站的时间基准进行同步.在卫星轨道机动以及机动恢复期间,通常采用几何法定轨以及单星定轨确定卫星的轨道.而在这两种定轨模式中,需要提供精确的测站钟差作为输入.为提高定轨的实时性,需要对测站钟差进行预报处理.分析了2次多项式模型、附加周期项模型、灰色模型3种模型对北斗地面跟踪站钟差短期拟合和预报的性能,并将钟差预报结果应用于单星定轨,同时还分析了不同预报钟差用于定轨的精度.试验发现,以上3种模型对6个测站钟差的平均拟合精度分别为0.14 ns、0.05 ns、0.27 ns,预报1 h的平均精度分别为1.17 ns、0.88 ns、1.28 ns,预报2 h的平均精度分别为2.72 ns、2.09 ns、2.53 ns.采用3种模型对测站钟差进行预报并用于单星定轨,采用附加周期项的钟差预报模型轨道3维误差最小,不同模型轨道径向精度差异在3 cm以内.以上结果表明,附加周期项的站钟拟合及预报模型在北斗系统机动期间的轨道恢复数据处理具有最好的效果.     

用AR序列改进世界时服务

通过对我国世界时系统中有关台站仪器系统差(人仪差)的谱分析,提出用AR序列拟合和预测系统差,这比我国目前综合时号改正数系统以及BIH(国际时间局)处理台站系统差的方法更为合理。用1977年和1978年我国测时资料进行试算,求得的综合时号改正数的內外精度都有所提高。我们还采用了季节性差分模型的AR序列预测手段,加快了世界时服务的速度和改善了控制发播的精度。     

北斗三号试验卫星的钟差评估及预报

目前,在轨的5颗新一代北斗卫星(北斗三号)可同时向用户播发北斗二号信号与新的卫星信号,而且北斗三号搭载了高精度的铷钟或被动氢钟.因北斗三号的星钟作为卫星导航、定位和授时服务的主要载荷组成部分,为分析北斗三号卫星钟的时频性能,采用北斗数据处理与分析中心估计的卫星钟差产品评估北斗三号卫星钟的频率稳定度、漂移率和准确度.同时,考虑到北斗三号卫星钟精度较差且存在频繁的相位跳变以及数据中断等问题,筛选出了一种最优的钟差预报模型,即对频率数据进行建模并采用抗差估计的方法进行参数估计.实验结果显示北斗三号钟差预报精度相对传统预报模型提升1.6%–61.9%.     

北斗三号实时精密轨道钟差估计及精度效率评定（英文）

作为中国自主研发的全球卫星导航系统,北斗卫星导航系统的建设从一开始就确定了三步走的战略。围绕精度和效率等性能指标,进行了几项试验以确定一个合适的地面跟踪网。结果表明,在已有60个测站的情况下,增加跟踪站的数量并不能继续提高北斗三号轨道和钟差产品的精度。进一步的精度提升应该更依赖于天线相位中心改正缺失和太阳光压模型不完善等模型缺陷问题的解决。     

星基增强系统10参数广播星历拟合分析

为满足多种卫星轨道的应用需求,在星基增强系统新增的L5信号接口中重新设计了一种10参数星历模型。使用2016年北斗卫星系统地球同步轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中地球轨道卫星的精密轨道数据,在内符合精度、拟合成功率以及运算速度等方面,分别评估了10参数星历模型在这些卫星轨道上的拟合效果。试验结果表明,10参数星历模型可以保证10~(-3)cm左右的内符合精度。但地球同步轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星的拟合成功率分别为89.36%和99.17%。尝试去除idot参数以解决拟合失败的问题,结果表明,该处理可以实现100%的拟合成功率,但拟合误差有所上升,且对不同的轨道类型,拟合运算速度有不同程度的提升或下降。     

利用国内VLBI网跟踪大椭圆轨道卫星

2004年7月,昆明VLBI站经过改造,由上海、乌鲁木齐和昆明站组成的中国VLBI网(CVN)采用统一的MARK4格式编制器和CVN硬盘记录系统,对大椭圆轨道卫星“探测1号”的2圈轨道的共同可视弧段进行了跟踪观测．软件相关处理程序已成功地用于检测卫星遥测信号的干涉条纹和数据相关处理．采用基于条纹幅度的加权最小二乘条纹拟合方法,获得了卫星VLBI观测量及其精度估计,完成了卫星VLBI观测量的3基线闭合误差检验．应用河外射电源校准方法和多频点相位校正信号提取方法,进行了台站钟差和仪器延迟等系统误差改正．经系统差改正后的卫星VLBI观测量序列已用于“探测1号”卫星的轨道确定．     

北斗/GPS双频静态伪距单点定位结果对比分析

北斗卫星导航系统于2012年12月对亚太地区正式投入运行。为了对相关性能参数进行全面的分析比较,利用2014年4月在北京采集的观测时间56 h历元间隔10 s的原始双频数据,分别得到北斗与全球定位系统的静态伪距单点定位结果。北斗的可见卫星数多于全球定位系统,但是由于星座布局尚未完善,北斗的位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)均值为2.49,略大于全球定位系统的位置精度因子均值2.12。北斗的单位权中误差均值为2.28 m,全球定位系统为2.50 m,说明北斗的测距精度优于全球定位系统。北斗粗差出现的频次为0.57%,全球定位系统为1.02%,北斗的可用性优于全球定位系统。剔除粗差值后,北斗在水平、高程的内符合精度(3.24 m,4.40 m)优于全球定位系统(3.90 m,5.57 m),但与标准坐标的差值(8.50 m,3.73 m,-0.80 m)不如全球定位系统(4.50 m,2.25 m,0.56 m),即稳定性优于全球定位系统,但准确性不如全球定位系统。可以预计,随着北斗星座系统的完善,定位性能会进一步提高。     

泛函网络在导航卫星钟差中长期预报中的应用

为了更好地反映导航卫星钟差特性以及提高导航卫星钟差中长期预报精度,在对卫星原子钟差预报建模时,除考虑卫星原子钟频移、频漂和频漂率等物理性质外,还考虑了卫星钟差的周期性变化和随机性等特点.在传统多项式预报模型基础上,采用泛函网络对卫星钟差的周期项和随机项部分进行建模,利用GPS导航卫星钟差数据进行预报实验,并与传统的多项式模型、灰色系统模型、差分自回归滑动平均(ARIMA)模型以及Kalman滤波方法的预报结果进行比对,结果表明,基于泛函网络建立的混合预报模型能有效减小导航卫星钟差的中长期预报误差.     

低轨通信卫星多普勒定位性能分析

为了研究低轨通信卫星多普勒定位性能,首先分析了低轨卫星的对地覆盖特性、信号传输特性以及多普勒频移特性,推导了多普勒定位原理和方法,提出了适用于多普勒定位的精度因子.基于已在轨的铱星和全球星系统,解算了全球范围可见卫星数和定位精度因子,并对相应测站进行了定位仿真实验和误差分析.结果表明:对于铱星和全球星系统,随着纬度降低,卫星可见数减小,多普勒几何精度因子变大;多普勒定位结果精度同时受到频率测量精度、卫星位置误差以及卫星速度误差影响,当卫星位置误差小于10 m、卫星速度误差小于0.1 km·s^-1时,对定位结果影响不大,此时频率测量精度成为影响定位精度的决定性因素,且当频率测量精度为0.01 Hz时,定位精度可达1.18 m.     

徐家匯观象台的授时工作

授時包括测時、守時和播時三个主要方面。在時號的发播中包含了预報主钟改正量的差误,工作钟的調節誤差和電路遲滯变化等三种誤差。如果使用石英钟及有關设备,这就可基本解决。各台站在其天文观测基础上订定的時號改正數也包含有偶然差和系统差,比較全面解決的只有蘇聯和国際時間局这两个标准系统。徐家匯觀象台授時工作歷史很久,作了一些工作,但抗戰以來,郎停滯不前,直到人民政府接办,才逐步在原有基礎上開展了改進。幾年来主要是改裝了一具工作钟,裝置光電设备以发播科学式時號,對時号精确度解决了秒距誤差和五分间誤差。工作钟的调节誤差被其本身品質所限,仍未解决,只是在加強值班工作之后,有了一定限度的提高,目前約為±0~s.005,在预报主钟改正量時,也有很大程度的不稳定,約為±0~s.007。所以時号的精确度在±0~s.01左右。要进一步提高质量,满足要求,有待於新設備的增添使用。在時号改正數方面,所存在的相當大的系统差,可採用蘇聯或国際時間局系統的改正數來避免。     

区域网GPS卫星独立定轨的研究

根据我国广域差分GPS系统对GPS卫星定轨的要求,通过对国内GPS跟踪网实测数据的处理,分析和讨论了区域网定轨的数据处理方法和可能达到的定轨精度。为了提高所定轨道的稳定性和先进实时预报的精度,通过对所定轨道的误差分析提出在轨道沿迹方向引入经验加速度计算方案。计算结果表明,采用此方法后GPS卫星的定轨精度有了显提高。既论证了利用我国区域GPS网和广播星历进行独立定轨的可行性,也阐述了提高轨道预报精度的方法。