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...     

Improving BeiDou precise orbit determination using observations of onboard MEO satellite receivers

In recent years, the precise orbit determination (POD) of the regional Chinese BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been a hot spot because of its special constellation consisting of five geostationary earth orbit (GEO) satellites and five inclined geosynchronous satellite orbit (IGSO) satellites besides four medium earth orbit (MEO) satellites since the end of 2012. GEO and IGSO satellites play an important role in regional BDS applications. However, this brings a great challenge to the POD, especially for the GEO satellites due to their geostationary orbiting. Though a number of studies have been carried out to improve the POD performance of GEO satellites, the result is still much worse than that of IGSO and MEO, particularly in the along-track direction. The major reason is that the geostationary characteristic of a GEO satellite results in a bad geometry with respect to the ground tracking network. In order to improve the tracking geometry of the GEO satellites, a possible strategy is to mount global navigation satellite system (GNSS) receivers on MEO satellites to collect the signals from GEO/IGSO GNSS satellites so as that these observations can be used to improve GEO/IGSO POD. We extended our POD software package to simulate all the related observations and to assimilate the MEO-onboard GNSS observations in orbit determination. Based on GPS and BDS constellations, simulated studies are undertaken for various tracking scenarios. The impact of the onboard GNSS observations is investigated carefully and presented in detail. The results show that MEO-onboard observations can significantly improve the orbit precision of GEO satellites from metres to decimetres, especially in the along-track direction. The POD results of IGSO satellites also benefit from the MEO-onboard data and the precision can be improved by more than 50% in 3D direction.     

北斗卫星导航系统单星授时精度分析

为研究北斗卫星导航系统单星授时精度,本文基于GPS单星授时原理,结合北斗卫星多种类型星座特点,编写了BDS单星授时软件。利用iGMAS站数据进行了试验,在对原始数据进行监测并将异常信息剔除后,将授时结果与中国测绘科学研究院北斗分析中心（CGS）钟差文件进行比对,分析了BDS不同轨道卫星（GEO/IGSO/MEO）下的BDS单星授时精度。结果表明,GEO卫星的授时精度为27.39 ns,IGSO卫星的授时精度为18.37 ns,MEO卫星的授时精度为18.62 ns。     

Orbit and clock analysis of Compass GEO and IGSO satellites

China is currently focussing on the establishment of its own global navigation satellite system called Compass or BeiDou. At present, the Compass constellation provides four usable satellites in geostationary Earth orbit (GEO) and five satellites in inclined geosynchronous orbit (IGSO). Based on a network of six Compass-capable receivers, orbit and clock parameters of these satellites were determined. The orbit consistency is on the 1–2 dm level for the IGSO satellites and on the several decimeter level for the GEO satellites. These values could be confirmed by an independent validation with satellite laser ranging. All Compass clocks show a similar performance but have a slightly lower stability compared to Galileo and the latest generation of GPS satellites. A Compass-only precise point positioning based on the products derived from the six-receiver network provides an accuracy of several centimeters compared to the GPS-only results.     

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。     

BDS卫星位置插值方法研究及精度分析

针对精密星历本身只能提供离散的而不是任意时刻的卫星位置,该文提出采用插值法计算任意时刻的卫星位置。利用德国地学中心(GFZ)提供的精密星历数据,依次使用了拉格朗日插值法、牛顿插值法、切比雪夫拟合法、勒让德拟合法计算地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中地球轨道(MEO)卫星这3种不同轨道卫星任一时刻的卫星位置,并对这4种插值方法的精度进行了深入分析。实验结果表明:在解算北斗3类不同轨道卫星中,C01卫星用牛顿插值法最优,C09和C12卫星用拉格朗日插值法最优。     

星蚀期北斗卫星轨道性能分析——SLR检核结果

星蚀期北斗卫星的轨道性能是北斗卫星导航系统性能分析的重要部分。了解北斗卫星导航系统星历中星蚀期轨道的精度,不仅可为系统服务性能评估提供支持,还有助于了解星蚀期精密定轨中相关模型可能存在的问题,进而为精密定轨函数模型改进提供参考。本文基于2014年1月至2015年7月的卫星激光测距资料,重点分析了星蚀期对北斗不同类型卫星轨道的影响,同时也对北斗广播星历和精密星历中整体轨道径向精度进行检核。结果表明:星蚀期内(尤其是偏航机动期间),IGSO/MEO卫星的广播星历和精密星历轨道均存在明显的精度下降;广播星历轨道径向误差达1.5~2.0m,精密星历轨道径向误差超过10.0cm。但仅从轨道径向残差序列中难以发现星蚀期对GEO卫星轨道是否有显著影响。非星蚀期间,IGSO/MEO卫星和GEO卫星的广播星历轨道径向精度分别优于0.5 m和0.9 m。IGSO/MEO卫星的精密星历轨道径向精度优于10.0cm,GEO卫星的轨道径向精度约50.0cm,且存在40.0cm左右的系统性偏差。     

Estimation of antenna phase center offset for BDS IGSO and MEO satellites

The BeiDou satellite navigation system (BDS) is different from other global navigation satellite systems (GNSSs) because of its special constellation, which consists of satellites in geostationary earth orbit, inclined geosynchronous earth orbit (IGSO), and medium earth orbit (MEO). Compared to MEO satellites, the observations of IGSO satellites cover only a small range of nadir angles. Therefore, the estimation of phase center offsets (PCOs) suffers from high correlation with other estimation parameters. We have estimated the phase center offsets for BeiDou IGSO and MEO satellites with a direct PCO parameters model, and constraints are applied to cope with the correlation between the PCOs and other parameters. Validation shows that the estimated PCO parameters could be used to improve the accuracy of orbit and clock offset overlaps. Compared with the Multi-GNSS Experiment antenna phase center correction model, the average improvements of the proposed method for along-track, cross-track, and radial components are 19 mm (31%), 5 mm (14%), and 2 mm (15%) for MEO satellites, and 13 mm (17%), 12 mm (21%), and 5 mm (19%) for IGSO satellites. For clock offset overlaps, average improvements of standard deviation and root mean square (RMS) are 0.03 ns (20%) and 0.03 ns (12%), respectively. The RMS of precise coordinates in the BDS-only positioning was also improved significantly with a level of 24 mm (30%) in the up-direction. Finally, the overall uncertainty of the estimated results is discussed.     

北斗/GPS组合定位方法

随着北斗卫星导航系统的逐渐完善,有关北斗系统定位的研究越来越深入,为了对比分析北斗系统和全球定位导航系统(GPS)定位的差异性,充分利用北斗地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)高轨道卫星的特殊性,本文提出一种新的组合选星方法,选取卫星数较少且Position Dilution of Precision(PDOP)最小的北斗/GPS组合,分别对比分析北斗系统、GPS系统及其组合系统在楼顶开放环境和楼间恶劣环境下的定位效果。实验结果表明:北斗比GPS有更加稳定的定位效果,依据本文组合选星方法,利用少量卫星即可获得较好的定位精度。     

联合GEO/IGSO/MEO的北斗PPP模糊度固定方法与试验分析

由于北斗地球静止轨道（geostationary earth orbiting,GEO）卫星轨道精度较低且其观测值受多路径误差和伪距偏差影响严重,目前各分析中心尚未针对北斗GEO卫星提供长期稳定的相位小数偏差（uncalibrated phase delay,UPD）产品,北斗精密单点定位（precise point positioning,PPP）模糊度固定技术研究主要针对倾斜轨道（inclined geosynchronous orbiting,IGSO）和中地球轨道（medium earth orbiting,MEO）卫星。本文采用Wanninger和Beer的高度角模型消除了IGSO/MEO观测值伪距偏差,并通过小波变换提取低频分量修正伪距观测值的方法削弱了GEO卫星多路径和伪距偏差的影响。由于窄巷UPD估值受未模型化误差影响较大,本文改进了窄巷UPD估计的策略,该策略利用上一历元成功估计的窄巷UPD对当前历元的浮点模糊度进行改正,剔除了残差较大的浮点模糊度,修正固定错误的整周模糊度,从而提高了窄巷UPD的精度和稳定性。利用估计得到的UPD产品,本文实现了联合GEO、IGSO和MEO卫星的北斗非差PPP模糊度固定,并对其定位性能进行分析。结果表明：联合GEO、IGSO和MEO卫星的PPP固定解的首次固定时间和收敛时间均可以缩短到30 min以内;6 h后的E、N、U方向的定位误差由（1.35、0.35、2.75）cm减少到（1.07、0.26、2.24）cm,分别减少了20%、27%和18%。     

基于预报钟差的轨道快速恢复

我国北斗卫星导航系统由GEO/IGSO/MEO混合星座构成,基本每7～10 d就会有一颗GEO卫星或IGSO卫星进行轨控操作。从卫星轨控开始,卫星存在5～6 h的不健康时期。造成机动卫星长期不健康的关键因素之一在于卫星和测站钟差数据的积累周期较长。本文提出了一种基于预报钟差的轨道快速恢复算法,通过结合星钟和站钟预报压缩机动卫星定轨观测数据积累的时间,从而缩短卫星恢复所需时间。6组机动试验结果表明:采用预报钟差策略在快速恢复初期的前几个小时对轨道预报的贡献尤为显著,对第1组定轨URE预报贡献最大可达84.82%。从3～8 h期间6组定轨平均情况来看,采用优化策略的预报URE,C01平均降低了26.06%,C04平均降低了31.58%,C03降低了9.95%。经测试该方法至少能将卫星不可用时间压缩1 h,对北斗系统建设具有重要工程应用价值。     

相位单差残差评估北斗区域导航系统载波相位观测量质量

由于北斗区域导航系统采用混合星座设计,其不同类型卫星载波相位观测量的质量得到广泛关注。当基线较短且模糊度正确固定后,卫星残差信息可有效反映观测数据质量。本文采用优化的站际单差算法获取不同卫星单差残差序列,并对其进行统计分析与假设检验。结果表明,北斗GEO与IGSO卫星数据质量无系统性差异,其质量随卫星高度角的降低而明显变差。良好环境下,GEO与IGSO卫星相位单差残差基本服从正态分布,可依据卫星高度角等信号质量指标建立合适的随机模型。     

北斗卫星轨道预报精度分析及改进

针对北斗GEO、IGSO、MEO的3种卫星类型和动态偏航、零偏航两种姿态控制模式,进行了以ECOM光压模型为基础的轨道预报精度分析。确定了北斗3类卫星的短期、中期、长期预报光压参数选择策略。采用光压参数修正法,通过对北斗卫星光压参数长期变化规律建模,有效提升了地影段轨道长期预报精度。研究结果可同时服务于北斗卫星轨道确定及历书参数生成。     

北斗卫星多天轨道合成方法及其精度分析

目前,北斗卫星多天解轨道主要是通过常规的数据累积解算获得,处理效率较低。此外,由于开通运行不久,北斗卫星力学模型尚未完善,限制了多天解轨道精度的进一步提高。针对以上问题,本文提出了附加伪随机脉冲的北斗卫星多天轨道合成方法,利用法方程叠加实现北斗卫星多天轨道合成,可有效提高轨道解算效率。同时,利用伪随机脉冲对力学模型的补偿作用,进一步提高了多天轨道合成的精度水平。实测数据分析表明:在多天轨道合成中,单天边界附加伪随机脉冲对北斗卫星轨道精度有明显改进作用。其中,3类卫星切向、法向轨道精度的改善程度大于径向,GEO和IGSO卫星轨道精度的提高幅度大于MEO卫星。一定范围内,随着定轨弧段的增长,北斗卫星定轨精度能够得到不同程度的改善,且主要表现在轨道切向。     

导航卫星的历书参数及其拟合算法

介绍了GPS卫星的历书参数,分析了它们在GEOI、GSO和MEO卫星应用中存在的问题。提出了一种改进的历书参数及其估计算法,并分别用于GEO、IGSO和MEO卫星。计算结果表明,改进的历书参数及其估计算法能同时适用于GEOI、GSO和MEO卫星,且历书参数的拟合精度损失满足卫星快速捕获的要求。     

GEO导航卫星定轨观测模型

根据GEO导航卫星的轨道特性,给出了严密的伪距观测和载波相位观测数学模型;讨论了其轨道和星钟差的解算条件,以及多星组差定轨的可行性。结果表明:在利用伪距时,如果测站钟差已知,需要4个以上站的数据才能进行定轨和星钟解算;如果站钟、星钟钟差已知,需要3个以上站的数据才能确定轨道。在利用站间组差伪距时,须有4个以上测站的钟差信息才能进行轨道和星钟解算;利用GEO卫星与MEO(IGSO)卫星组差定轨时,需要GEO卫星钟差已知且有3组星间组差数据。利用GEO卫星载波相位观测资料,不能单独解算轨道。     

导航卫星的历书参数及其拟合算法

介绍了GPS卫星的历书参数,分析了它们在GEO、IGSO和MEO卫星应用中存在的问题.提出了一种改进的历书参数及其估计算法,并分别用于GEO、IGSO和MEO卫星.计算结果表明,改进的历书参数及其估计算法能同时适用于GEO、IGSO和MEO卫星,且历书参数的拟合精度损失满足卫星快速捕获的要求.     

北斗卫星导航系统的星座性能分析

本文分析了星座结构为5颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和27颗MEO卫星的北斗卫星导航系统所能够提供的星座性能指标。初步分析表明北斗卫星导航系统能向全球用户提供理想的卫星可见数、PDOP值和定位精度,这些指标与GPS系统相一致。对于中国大陆区域内的用户来讲,由于有5颗GEO卫星和3颗IGSO卫星的增强作用,COMPASS系统所提供的性能指标明显优于GPS系统。     

混合星座星间链路的建立以及连通性和稳健性分析

首先,分析了混合星座的特点,并分别讨论了GEO卫星、IGSO卫星和Walker-δ星座的服务性能和星间链路的建立特点;然后,运用邻接矩阵给出混合星座连通性的判断标准,运用任意两颗卫星间相连途径的数目、割点、割边、k-连通度和k-边连通度给出星间链路稳健性的判断标准,并给出了星座达到k-连通所需要的最少星间链路的数目及其构建方式;最后,对模拟的3GEO+3IGSO+24MEO星座构型中各卫星之间的星间链路建立准则、连通性和稳健性进行了分析。     

小型化LEO星座与BDS-3全星座联合定轨仿真

受限于区域监测站及地球静止轨道(geosynchronous earth orbit, GEO)卫星的静地特性,北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)定轨精度较差,加入低轨卫星(low earth orbit,LEO)星载数据可显著提升定轨精度。使用一种由24颗LEO卫星组成的小型低轨卫星星座,在BDS-3全星座情况下,仿真分析了导航卫星与低轨卫星联合定轨对北斗卫星轨道的提升程度。分别进行仅地面测站定轨、地面测站与LEO联合定轨试验,包含全球均匀、亚太区域、亚海分布3类测站布局。结果表明:(1)仅地面测站定轨时,GEO卫星轨道三维精度在分米量级,加入LEO观测数据后,定轨精度在厘米量级,提升程度达80%以上;(2)区域地面测站时,导航卫星轨道三维精度在分米量级,加入LEO卫星后,所有类型导航卫星定轨精度均提升至数个厘米,提升效果显著;(3)全球均匀测站时,LEO的加入仍然可提升倾斜地球同步轨道/中高轨道卫星定轨精度,提升效果在毫米至厘米量级。