一种北斗卫星精密定轨方法

利用BDS/GPS双模观测数据,研究了高精度北斗卫星精密定轨的实现方法,使用PANDA软件,结合"北斗卫星观测实验网"的实测数据,进行了精密定轨实验,结果表明:北斗卫星径向定轨精度能够达到优于10 cm的水平;其中,GEO三维定轨精度能够优于5 m,但沿迹方向存在系统偏差,IGSO/MEO三维定轨精度优于0.5 m。     

BDS混合星座两两组合单点定位研究

为对BDS不同星座定位性能进行分析,本文以多个MGEX跟踪站观测数据作为实验数据,采用RTKLIB软件,分别进行了GEO/IGSO、GEO/MEO、MEO/IGSO 3种组合B1I、B3I频率伪距单点定位和B1I/B3I组合频率精密单点定位实验。实验结果表明,MEO/IGSO组合卫星可用性最优,3种星座组合伪距单点定位精度较优,除个别情况外,水平定位精度优于1 m,高程定位精度优于2 m。GEO/IGSO组合精密单点定位精度略差,GEO/MEO和MEO/IGSO精密单点定位相当,但定位精度都可以达到厘米级,可为今后研究BDS不同星座定位性能研究提供一定参考。     

北斗卫星精密轨道与钟差精度分析

针对北斗卫星导航系统的卫星姿态模型、天线相位中心改正及卫星定轨数据处理策略未统一的现状,该文对比分析了武汉大学和德国地学研究中心提供的北斗事后精密轨道和钟差产品的差异及精度,结合实测数据,通过分析精密单点定位的定位精度来比较两中心精密轨道和钟差的差异。实验结果表明:北斗卫星的精密轨道精度与轨道类型有关,地球静止轨道(GEO)卫星的轨道精度为米级,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道精度为分米级,中地球轨道(MEO)卫星切向、法向和径向的精度分别为10.81、5.41和3.37cm;GEO卫星钟差精度优于0.38ns,IGSO卫星钟差优于0.25ns,MEO卫星钟差优于0.15ns;两家分析中心产品的北斗静态精密单点定位的平面精度相当;北斗静态精密单点定位的RMS统计值平面精度优于3cm,三维精度优于7cm。     

附加基线矢量约束的双站协同精密定位方法

传统精密单点定位(PPP)具有高精度、操作方便等诸多优点,其通常利用Kalman滤波进行未知参数的解算,但是定位性能依赖于准确的动态模型和滤波初值,如果动态模型不准确或者滤波初值设定的不正确会导致滤波性能下降甚至发散.针对该问题,提出了一种附加先验的基线约束信息的双站协同PPP定位方法,算法利用双站所成基线的方向信息和长度信息对Kalman滤波过程中双站位置的估计值进行修正,减小了浮点解的误差协方差矩阵,提高了浮点解的精度.利用实测的全球定位系统(GPS)数据进行PPP实验,实际结果表明,与传统PPP参数估计模型相比,本方法有效改善了定位的精度,缩短了收敛时间.     

引入国家基准站的北斗导航卫星精密定轨

卫星精密轨道的确定是北斗卫星导航系统位置与服务的核心技术之一,而国家基准站是影响卫星轨道精度的一个重要因素。本文基于中国测绘科学研究院国际GNSS监测与评估中心自主开发的软件计算国家基准站和MGEX站对北斗卫星精密定轨的影响。得出结果：加上国家基准站后GEO卫星轨道精度平均能达到2.0 m,比没有国家基准站时提高约14%,在GEO切向方向改善最为明显,大约提高30%。IGSO和MEO卫星也有所提高。加上国家基准站后,三类卫星的轨道重复弧段的径向精度优于5 cm。有了国家基准站数据BDS精密轨道会有明显的改善。国家基准站的建立使我国北斗导航卫星的服务能力有很大提高。     

基于平方根信息滤波的北斗卫星实时定轨方法

连续、稳定、高精度的实时卫星轨道产品是北斗国际化、规模化、智能化应用的重要前提.当前,北斗卫星导航系统(BDS)的实时精密轨道产品多基于“批处理解算+轨道预报”的超快速模式获得,存在连续性较差、稳定性较低、精度不高等问题.为此,本文采用平方根信息滤波(SRIF)方法对北斗卫星精密轨道进行实时逐历元解算.实验结果表明：相比于超快速定轨模式,基于实时滤波方法的轨道产品能够有效避免边界跳变,具有更好的连续性和稳定性;同时,实时滤波定轨方法能够显著提高BDS的轨道精度,其中中轨道地球卫星(MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)的三维轨道误差分别减小了46%和68%,卫星激光测距(SLR)检核精度也普遍优于预报轨道.     

JASON-3卫星星载GPS厘米级精密定轨

针对JASON-3卫星精密定轨方法和轨道精度检核的关键问题,该文利用4d的星载GPS观测数据,基于简化动力学定轨方法实现JASON-3精密定轨,并提出采用内部符合和外部符合两种方法对解算轨道进行检核。通过重叠轨道对比,径向、切向和法向轨道精度均在0.5cm左右;将解算的简化动力学轨道与DORIS国际服务组织(IDS)的多任务精密卫星测高、卫星定轨和定位地面部分提供的SSA精密轨道进行对比,4d的轨道精度在径向、切向和法向分别达1.57～2.18cm、2.22～3.55cm和2.60～2.89cm。实验结果表明,JASON-3测高卫星的简化动力学轨道精度达厘米级,满足该卫星对轨道精度的要求。     

固定模糊度的精密单点定位几何定轨方法及结果分析

传统的基于PPP(precise point positioning)模式的定轨方法采用浮点解,导致其定轨精度及可靠性较双差固定解稍差。为了进一步提高PPP模式事后定轨的精度和可靠性,利用2012年1月2～7日全球IGS跟踪站数据计算出当天所有卫星的宽巷和窄巷FCB产品,实现了GRACE卫星固定PPP整数模糊度的精密定轨。并将定轨结果分别与GFZ事后精密轨道、K波段测距结果进行比较,分析其内外符合精度。实验结果表明:与GFZ提供的事后精密轨道相比,GRACE-A卫星单天轨道固定解的精度为R方向2～3cm,T方向大部分优于2cm,N方向优于2cm,较之浮点解的定轨结果3个方向分别改善了约19%、30%、50%;GRACE-B卫星3个方向精度分别为2～3cm、2cm左右、1～2cm,较之浮点解各方向也有同等程度的改善。与K波段测距结果相比,浮点解的KBR残差STD均值为22.6mm,固定解为16.4mm,比浮点解提高了约28%。可见,PPP模糊度固定解明显改善了低轨卫星的定轨精度,能提供更可靠的轨道服务。     

不同观测技术的Jason-2卫星精密定轨评估

针对GPS、SLR和DORIS三种不同手段的各自定轨精度问题,本文基于不同的轨道评估方法进行了深入分析。以JASON-2卫星为例,分析了姿态模型误差及其对定轨精度的影响,分别讨论了GPS、SLR和DORIS的定轨策略和定轨精度,并基于轨道评估结果进行了轨道叠加。基于实测数据进行了试验,试验结果表明,JASON-2卫星姿态模型误差对DORIS、GPS和SLR轨道影响分别为0.040、0.036和0.033m;DORIS定轨结果优于GPS和SLR,SLR定轨精度最差;基于SLR验证和轨道重叠结果加权,对GPS、SLR和DORIS轨道进行轨道叠加,其精度一致,通过与JPL轨道比较,其径向精度为2cm。     

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统(BDS-3)已经于2018年年底建成基本系统,并计划于2020年建成完整系统,而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道(MEO)卫星,评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度,利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测,进行了联合卫星轨道测定试验,并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较,分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明:北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9cm,测距精度约为4.4cm;仅采用区域测站定轨,重叠弧段三维位置误差RMS为66.7cm,加入星间链路后可降低至15.4cm,提高了76.9%,24h轨道预报位置精度也由114.1cm提升至20.3cm,提升了83.2%,激光检核径向精度为8.4cm左右,明显优于北斗二号卫星轨道精度。     

资源三号卫星激光测距定轨精度分析

基于卫星激光测距定轨是目前遥感卫星在轨位置测量的重要手段之一,其测量精度关系到遥感卫星的应用水平。为了分析我国首颗民用立体测绘卫星——资源三号携带的国产激光角反射器在轨运行情况,该文利用全球激光联测期间卫星激光测距数据与GPS事后联合定轨结果,从遥感影像几何定位和轨道预报两个方面定量分析和评价卫星激光测距参与的定轨精度。试验表明,基于卫星激光测距与GPS定轨结果,影像几何定位无控精度较实时定轨精度提升1~2m,有效提升了卫星影像几何处理精度;轨道预报1d星下点位置较实际过境轨迹偏差优于250m,2d优于500m,1d预报侧摆精度达到0.035°,满足检校外业和成像计划精度需求。     

Precise orbit determination for the GRACE mission using only GPS data

The GRACE (gravity recovery and climate experiment) satellites, launched in March 2002, are each equipped with a BlackJack GPS onboard receiver for precise orbit determination and gravity field recovery. Since launch, there have been significant improvements in the background force models used for satellite orbit determination, most notably the model for the geopotential. This has resulted in significant improvements to orbit accuracy for very low altitude satellites. The purpose of this paper is to investigate how well the orbits of the GRACE satellites (about 470 km in altitude) can currently be determined using only GPS data and based on the current models and methods. The orbit accuracy is assessed using a number of tests, which include analysis of orbit fits, orbit overlaps, orbit connecting points, satellite Laser ranging residuals and K-band ranging (KBR) residuals. We show that 1-cm radial orbit accuracy for the GRACE satellites has probably been achieved. These precise GRACE orbits can be used for such purposes as improving gravity recovery from the GRACE KBR data and for atmospheric profiling, and they demonstrate the quality of the background force models being used.     

不同卫星天线参数对BDS定轨定位精度的影响

论证了BDS精密单点定位时卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品保持一致的必要性。基于4组不同卫星天线参数BDS精密定轨RTN3方向内符合精度,GEO卫星均在9.3、18.6、11.5cm左右,IGSO卫星均在1.7、4.2、2.7cm左右,MEO卫星均在2.1、5.1、4.8cm左右,在R方向的差异小于5mm,在TN方向的差异最大为2.4cm;定轨结果与GFZ的事后精密产品比较,RTN3方向外符合精度差异较明显,排除GEO卫星因定轨策略与GFZ差异较大的因素,IGSO和MEO外符合精度ESA和WHU相近,RTN3方向均在10cm以内,各分量上优于IGS和EST 1~10cm,其中TN方向差异最显著。在保持BDS PPP使用的卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品一致的前提下,4组卫星天线参数定位精度相近,其中静态定位最后一个历元水平和高程方向坐标偏差均在5cm以内,动态定位收敛后坐标偏差RMS水平方向在10cm以内、高程方向在15cm以内;使用ESA和WHU天线参数动态定位平均收敛时间在46min左右,IGS和EST天线参数动态定位平均收敛时间在56min左右,略差于基于GFZ事后产品的收敛时间,其平均收敛时间在34min左右。     

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。     

Reducing influence of gravity model error in precise orbit determination of low Earth orbit satellites

Based on the orbit integration and orbit fitting method, the influence of the characters of the gravity model, with different precisions, on the movement of low Earth orbit satellites was studied. The way and the effect of absorbing the influence of gravity model error on CHAMP and GRACE satellite orbits, using linear and periodical empirical acceleration models and the so-called “pseudo-stochastic pulses” model, were also analyzed.     

Reducing Influence of Gravity Model Error in Precise Orbit Determination of Low Earth Orbit Satellites

Based on the orbit integration and orbit fitting method, the influence of the characters of the gravity model, with different precisions, on the movement of low Earth orbit satellites was studied. The way and the effect of absorbing the influence of gravity model error on CHAMP and GRACE satellite orbits, using linear and periodical empirical acceleration models and the so-called "pseudo-stochastic pulses" model, were also analyzed.     

模糊聚类定权法对SLR定轨精度的影响

针对卫星激光测距(satellite laser ranging,SLR)精密定轨过程中存在的测站观测数据合理定权问题,将一种改进的模糊聚类算法引入到SLR观测数据定权中。基于国际激光测距服务(International Laser Ranging Service,ILRS)提供的全球SLR测站性能报告,对测站进行近实时滑动分类定权,改变SLR数据处理中权重的经验或者随意性选取模式。经过LAGEOS1卫星2014年1月至2016年12月3年全球SLR实测数据处理的测试。结果表明,当考虑LAGEOS标准点总数、LAGEOS标准点RMS值以及LAGEOS标准点合格率这3项测站质量控制因素确定的测站权值能最大限度地提高卫星定轨精度和观测数据的使用效率,对参与计算的365个3d弧段数据,91.46%弧段精度得到提高,平均提高约3.7mm,且每个测站的定轨残差RMS也得到了降低。这对于正在迈向毫米级测量精度的SLR技术至关重要。     

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。