广播星历下多系统卫星位置、速度计算及精度分析

目前GNSS空间部分主要由GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4系统构成,在利用广播星历进行多星组合导航时,需要根据不同卫星星座广播星历精度信息实现多系统定位信息的组合。现有研究对GPS、GLONASS广播星历精度进行了充分分析,但对由Galileo、BDS广播星历计算卫星位置、速度及其精度的研究相对较少。本文利用精密星历对GNSS广播星历计算的卫星位置、速度精度进行了分析。结果表明,GPS广播星历解算的卫星位置误差小于2 m,GLONASS广播星历解算的卫星位置误差最大在4 m左右,Galileo广播星历解算的卫星位置误差最大在3 m左右,BDS广播星历解算的GEO卫星位置误差最大在40 m左右,IGSO卫星位置误差最大在9 m左右,MEO卫星位置误差最大在5 m左右。GPS、Galileo、BDS速度误差在1 mm/s内,GLONASS速度误差在2 mm/s内。     

GNSS广播星历的精度评定

由于卫星广播星历有能被用户实时观测到的特点,因此为导航和实时定位提供了方便。精密星历是高精度的事后星历,而广播星历是由全球定位系统的地面控制部分所确定和提供,并经过卫星向全球用户公开播发的一种预报星历。本文选取了GPS和GLONASS卫星系统,并对GPS和GLONASS广播星历与精密星历计算的卫星位置对比分析,最后得出广播星历的精度与卫星和原子钟的类型有关的结论。     

GLONASS卫星位置的动力学改进算法

为了减弱由于广播星历拟合引起的误差,本文提出了一种基于动力学轨道改进的GLONASS卫星位置算法。该算法仅采用GLONASS广播星历信息就能够提高GLONASS卫星位置坐标的计算精度。算例表明,该方法能够有效减弱GLONASS卫星广播星历的拟合误差,卫星位置的精度损失从0.5m降到mm级;外推2-3h,精度损失也仅在cm级水平。     

GLONASS广播星历用户算法精度分析

分析了GLONASS广播星历的用户算法，指出由于星历参数表示及用户算法的不完善对轨道拟合精度带来损失；分析了用户算法的误差源，并对其大小进行了计算。结果显示，在利用GLONASS广播星历采用数值积分时，由于模型的简化卫星位置计算的精度损失可达0．5m。     

GPS卫星轨道数值积分与广播星历及IGS精密星历的比较

本文采用作者自编的SPPORB IT程序,对GPS卫星轨道的运动方程进行Adam s数值积分求解,同时利用广播星历计算卫星轨道坐标,然后将两者结果同IGS精密星历提供的卫星坐标进行比较,并探讨其轨道误差,计算结果显示广播星历与精密星历差值在2m左右,而数值积分与精密星历的差值在2 cm左右,进一步的分析表明前者误差较大是没有考虑卫星所受的太阳光压、日月引力等影响,而后者考虑了这些影响。鉴于IGS提供的是地固系坐标,而本文数值积分是在惯性系坐标系下进行的,因此本文还举例对惯性坐标系和地固系之间的坐标转换进行了描述。最后,通过实例说明SPPORB IT程序的稳定性以及Adam s数值积分方法的有效性。     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system, GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system, Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明:5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播星历轨道、钟差精度大幅度变好,切向轨道、法向轨道与钟差精度已赶超GPS;BDS的广播星历轨道精度离散度较大,钟差精度出现不稳定现象;QZSS的广播星历轨道与钟差精度的稳定性与离散度相对最差。以2018年1 a的广播星历与精密星历为例分析了各个系统当前的广播星历精度,结果表明,当前GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS的考虑轨道误差与钟差误差贡献的空间信号测距误差（signal-in-space ranging error,SISRE）分别为0.806 m、2.704 m、0.320 m、1.457 m、1.645 m,表明Galileo广播星历整体精度最高,GPS次之,其次分别是BDS、QZSS和GLONASS。只考虑轨道误差贡献的SISRE分别为0.167 m、0.541 m、0.229 m、0.804 m、0.675 m,表明GPS广播星历轨道精度最高,其次分别是Galileo、GLONASS、QZSS和BDS。GPS卫星广播星历中新型号卫星的钟差精度总体要优于旧型号卫星。     

GPS/GLONASS组合导航中的数据融合

针对GPS/GLONASS组合导航中的时间系统与坐标系统不统一问题,本文分析了GLONASS卫星的广播星历格式、简化受力模型和星历计算方法,并给出了GPS/GLONASS组合导航的数据融合模型。     

GLONASS广播星历用户算法精度分析

分析了GLONASS广播星历的用户算法,指出由于星历参数表示及用户算法的不完善对轨道拟合精度带来损失;分析了用户算法的误差源,并对其大小进行了计算.结果显示,在利用GLONASS广播星历采用数值积分时,由于模型的简化卫星位置计算的精度损失可达0.5 m.     

GPS长距离和多测段定位中广播星历的改进方法

本文分析了广播星历误差对ＧＰＳ长基线和多测段定位结果的影响，由此提出了旨在减弱卫星轨道误差对于相对定位精度影响的一种简便而又实用的方法，即先按卫星运动的力学模型建立状态方程，其初始状态向量由某组广播星历得出，由每组广播星历建立观测方程，由数值积分得出的参考轨道由广播星历ｔｏｅ时刻的位置和速度观测值的最小二乘平差所得的改正后的轨道，不仅可消除各组广播星历间的不一致性，而且其精度也高于任何一组广播星历     

GLONASS单点定位及精度分析

介绍GLONASS星夜发展计划,指出CLONASS定位的主要技术点,利用8阶RK法计算卫星星历和一组实测数据,给出目前GLONASS的广播星历精度以及单点定位精度,得出一些结论.     

广播星历参数拟合算法研究

导航卫星一般采用近圆轨道,当卫星轨道偏心率或者轨道倾角接近于0时,利用GPS卫星开普勒轨道根数拟合卫星广播星历会出现一些问题。当高轨卫星轨道偏心率接近0时,广播星历拟合精度下降甚至拟合失败,为此本文提出了减少拟合参数个数、固定轨道根数M0或者延长星历参数拟合弧段长度的方法;针对GEO卫星在小倾角情况下,广播星历可能拟合失败的情况,本文提出了改变坐标系参考轨道面,在新的坐标系下拟合广播星历的方法。结果表明,改进后的拟合方法能适用于各种类型的导航卫星轨道,拟合精度在cm级或者mm级。     

GLONASS卫星位置计算与程序实现

针对导航GPS/GLONASS导航数据处理的需要,分析了GLONASS广播星历、地固坐标系PZ-90下卫星加速度简略公式,推导了利用定步长四阶龙贝格-库塔对轨道进行积分的计算公式,提出一种新的不需要进行轨道拟合的编程实现方法,该方法具有结构简单、运算快的特点,最后根据实际计算结果对积分区间、积分步长与积分坐标精度之间的关系进行分析,给出了实际积分计算合适的步长.     

MGEX广播星历轨道和钟差的精度评估

为了对MGEX提供的广播星历产品进行精度评估,本文推导了广播星历计算卫星在地固坐标系下位置的数学模型,归纳了精密星历对广播星历进行评估的基本原理和方法,借助MGEX系统提供广播星历产品,对比分析了MGEX系统提供的GPS卫星广播星历轨道及钟差的误差平均值和RMS值。试验结果表明：除个别卫星轨道误差RMS超过4 m,钟差误差平均值大于8 ns外,MGEX提供的7 d和27 d的广播星历产品的轨道精度都优于3 m,钟差误差小于6.5 ns。本文为使用MGEX广播星历的用户提供了参考依据。     

BDS广播星历的轨道误差分析

北斗卫星导航系统(BDS)已经正式投入运行,在卫星导航市场面临着GPS和GLONASS的竞争与挑战。因此,系统的性能即成为决胜市场的关键。对于实时导航的用户而言,广播星历是其能够正常定位导航的前提。对BDS的广播星历精度进行评价,无论是对系统的建设和后期发展,还是对用户市场的拓展,都具有重要的意义。分析结果表明,BDS的IGSO和MEO的广播星历精度与GPS相当,但是GEO卫星要差一些。     

卫星加速度在CTS和CIS之间的转换

本文基于CHAMP卫星加速度在协议地球坐标系(CTS)和协议惯性坐标系(CIS)之间的转换，推导了加速度的转换公式。经过进一步的讨论，指出加速度转换公式的后两项是地球自转引起的惯性力，如果要转换的加速度是卫星的运行加速度(即位置的二阶导数)，转换公式就应该加上后两项；如果是实际存在的力产生的加速度应按一般的矢量来转换。最后，利用2002年1月2日一天0时到24时的CHAMP卫星精密星历对加速度转换公式做了验证。     

低轨导航增强卫星的轨道状态型星历参数设计

导航增强卫星从高轨拓展到低轨,需要设计可靠的低轨道LEO广播星历参数。GLONASS广播星历模型能够利用9个状态参数高精度描述30min内中高轨卫星的摄动运动,但不能直接用于低轨卫星。为了适应LEO的摄动力的短期快变化,设计了基于轨道状态型的21参数广播星历模型。分析了低轨卫星主要摄动力的短期变化规律,选取了二次多项式和基于轨道半周期的三角函数来补偿大气阻力等主要摄动在3个方向上的累计。基于星历拟合试验讨论了拟合参数个数、拟合时段和数据间隔对500~1200km轨道高度的LEO圆轨道的拟合精度影响。试验表明,当拟合时段为20min(约1/5个轨道周期)时,轨道高度大于700km的近圆轨道,拟合用户距离误差(FURE)精度优于0.05m;高度为1000km时,FURE平均精度达到0.03m。     

不同型号卫星的光压模型参数的拟合

随着GPS卫星型号的不断更新,目前共存在8种型号的卫星。每一种型号卫星的材质不尽相同,关于卫星的光压模型也略微不同。探究了不同型号卫星在body-fixed坐标系下光压加速度分量关于B角的约函数模型;利用IGS提供的精密星历,通过动力学轨道平滑过程来拟合8 d的数据,生成在solar-oriented坐标系下的加速度;把加速度在solar-oriented坐标系D-Y-B轴的分量转换到在body-fixed坐标系X-Y-Z轴分量;利用最小二乘法则拟合关于B角的约函数模型,建立关于B角的不同型号卫星的傅里叶光压模型,并进行轨道的外推。通过分析轨道外推的精度,验证GPS不同型号卫星光压模型拟合的精准性,为以后北斗卫星的光压建模提供理论依据。     

GPS/GLONASS定位系统融合的坐标转换研究

GPS和GLONASS卫星定位系统分别采用WGS-84和PZ-90坐标系。为统一两种卫星定位成果,欧、美、俄于20世纪90年代各自求出两坐标系之间的转换参数。目前三种参数尚未统一,对GPS/GLONASS联合定位造成较大影响。本文针对国外介绍PZ-90和WGS-84坐标系相互转换时常用的转换模型及三种不同转换参数进行比较分析。分别选用地面GPS参考站坐标和GLONASS卫星轨道坐标,用三种坐标转换参数进行转换,对转换结果差异及其对单点定位和相对定位精度造成的影响进行全面分析比较,得出一些有益结论。     

椭球参数对北斗与GPS广播星历计算互操作性的影响

多卫星系统之间的兼容与互操作能够减轻用户计算的负担,降低接收机生产厂商的成本,而目前的四大卫星导航系统(GPS、GLONASS、Galileo和北斗)在系统互操作方面仍然存在一些问题。本文分析了北斗与GPS椭球参数不同对广播星历计算互操作的影响,列出了北斗与GPS在广播星历计算时采用的地心引力常数和地球自转角速度;对于采用广播星历计算导航卫星位置,分别从理论和实际数据两方面计算分析了地心引力常数及地球自转角速度微小差异对北斗和GPS的影响。理论和计算表明,北斗与GPS间的地心引力常数差异可以造成卫星位置几米误差,而两者的地球自转角速度差异可以造成卫星位置十几米甚至是几十米的误差。     

BDS IODE字段制定方法研究

差分定位中要求参考站与流动站间使用同一组卫星星历和钟差参数。GPS、GLONASS和Galileo系统采用数据期卷IOD(GLONASS t_b)识别卫星星历和钟差参数, 即通过比较差分电文和导航电文中的IOD(t_b), 判断参考站和流动站是否采用同一组卫星轨道和钟差参数。BDS数据龄期(AOD)定义为星历/钟差参数的外推时间间隔, 其取值不能体现出BDS卫星星历和钟差参数的变化, 不能用于DBDS中卫星星历和钟差参数的识别。本文结合BDS ICD中星历参数的定义, 参考GPS、GLONASS和Galileo空间信号接口和差分协议中关于卫星星历识别参数的定义方法, 总结了BDS星历识别参数应具备的性质;在此基础上提出了3种BDS卫星星历识别参数生成方法, 对提出的3种方法进行了分析比较并给出了建议方案。