BDS GEO卫星对GPS精密单点定位的影响分析

为了研究北斗卫星导航系统（BDS）GEO卫星对全球中圆地球轨道（MEO）星座精密单点定位（PPP）的影响,本文利用MGEX站点连续7天的观测数据,将BDS GEO卫星和MEO卫星进行组合,对可见卫星数,定位精度和收敛时间进行了分析. 实验结果表明,在MEO卫星中加入GEO卫星可以得到更好的空间几何构型,两者的定位精度相当;GEO卫星和MEO卫星组合可以缩短收敛时间,在MEO卫星定位较差时,加入GEO卫星可以提高定位的可靠性.      

基于非差观测量的BDS+GPS近实时钟差估计

卫星钟差的难预测性是影响实时高精度定位的重要因素之一。为快速获得高精度位置或对流层等信息,在非差观测模型的基础上,本文提出了一种延迟量约1 h的近实时钟差估计策略,该策略主要包含超快速轨道解算和钟差估计两部分。经验证,预报部分第2~5 h的GPS轨道三维平均精度为3.85 cm,BDS GEO和IGSO+MEO轨道三维平均精度分别为81.4和21.74 cm。基于超快速轨道可获得近实时钟差精度GPS为0.054 ns,BDS为0.12 ns。最后通过BDS+GPS静态PPP试验验证了轨道和钟差的可用性。     

基于BDS广播星历的卫星轨道拟合精度分析

在实时定位导航中,为了提高利用BDS广播星历计算卫星位置的效率,提出将卫星轨道拟合为一个多项式.首先利用切比雪夫多项式拟合法,将拟合时段固定为1 h,拟合间隔固定为5 min,每30 s选取一个检验点,利用不同的拟合阶数,分别对GEO、IGSO、MEO三类不同类型的北斗卫星轨道进行拟合分析;然后将拟合阶数固定为9,利用2～6 min的拟合时间间隔,将三类卫星作为整体进行轨道拟合分析.算例表明,只要选取合适的拟合阶数,三类不同类型的北斗卫星轨道拟合精度都较高,拟合误差最大值在厘米级,误差均值在毫米级,满足精度要求;固定9阶拟合多项式时,2～6 min时间间隔的拟合精度都可以满足精度需求.切比雪夫多项式拟合法适用于BDS广播星历的卫星轨道拟合.      

BDS广域增强系统性能初步评估

仿造GPS超快速轨道的解算模式,轨道服务器生成3 h间隔的BDS的超快速轨道作为实时精密轨道。钟差服务器接收实时观测数据,并固定实时精密轨道和参考站精密坐标实时解算精密轨道和钟差改正数,然后利用NTRIP播发给用户,用户利用这些改正数还原精密轨道和钟差进行实时PPP动态定位。以GBM的事后精密轨道和钟差作参考,GEO卫星实时轨道SISRE(orb)在0. 3～0. 9 m,IGSO/MEO卫星实时轨道SISRE(orb)在0. 08～0. 19 m; GEO实时精密钟差二次差STD在0. 6～1. 1 ns,IGSO/MEO实时精密钟差二次差STD在0. 2～0. 6 ns; GEO卫星SISRE在20 cm左右,IGSO/MEO卫星SISRE在4～11 cm。用户利用精密轨道和钟差改正数进行动态PPP定位,排除由于BDS星座不完善和GEO卫星相对地球静止的因素,单BDS能够收敛的测试组平均收敛时间在62. 5 min,收敛后NEU 3方向的RMS分别是7. 53、13. 84和15. 93 cm。     

低轨卫星对导航卫星星座轨道测定的增强作用

首先分析了GRACE-A、GRACE-B、FY3C 3颗低地球轨道(low earth orbit,LEO)卫星对于提升北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)卫星和GPS卫星可见性的影响,其中BDS中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星的提高最为显著,一重覆盖弧段提高了45.7%,四重覆盖弧段提高了10.7%,与GPS卫星相当。然后利用卫星位置精度衰减因子(satellite position dilution of precision,SPDOP)分析了LEO卫星对导航卫星定轨观测几何结构的增强作用。加入LEO卫星后,BDS地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星SPDOP值下降了49%;倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星SPDOP值下降了39.8%;MEO卫星SPDOP值下降了34.9%;GPS卫星SPDOP值下降了41.2%。最后利用7个区域监测站和3颗LEO卫星的实测数据分析了LEO卫星对导航卫星轨道精度的提升,GPS卫星轨道的外符合一维均方根(one-dimensional root mean square,1D RMS)由14.4 cm提高到10.2 cm,提高了29.1%;BDS的GEO卫星轨道重叠弧段1D RMS由359.8 cm提高到90.5 cm,提高了74.8%;IGSO卫星由175.6 cm提高到52.1 cm,提高了70.3%;MEO卫星由90.5 cm提高到30.4 cm,提高了66%。     

基于滑动式傅里叶级数的BDS精密星历内插分析

精密星历的内插是全球卫星导航系统（GNSS）高精度定位数据处理的重要工作之一,其内插的精度也直接影响着定位精度.本文综合滑动式插值理论与傅里叶级数算法,通过采用不同阶数的傅里叶级数和9阶切比雪夫多项式拟合内插北斗卫星导航系统（BDS）中的地球同步轨道（GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、中圆轨道（MEO）卫星精密星历,来分析傅里叶级数插值在BDS精密星历内插中的插值效果.实验表明,不同阶数,傅里叶级数内插效果不同.其中,采用3阶傅里叶级数GEO卫星与IGSO卫星精密星历内插精度最高,达到毫米级精度,MEO卫星在采用4阶傅里叶级数时内插精度最高,达到厘米级精度.对比两种不同内插算法,9阶切比雪夫拟合更适用于GEO卫星与IGSO卫星,而MEO卫星使用傅里叶级数插值精度更高.      

区域监测站与低轨卫星数据联合测定MEO卫星轨道

我国北斗二代系统(BDS)地面运控监测站数量较少且为区域分布,短期内难以实现全球建站,因此对全球运行的中圆地球轨道卫星(MEO)难以形成连续多重覆盖观测,导致BDS的MEO实时轨道精度偏低。基于上述问题,本文考虑到低轨卫星星载GNSS数据可以有效弥补区域监测站在空间覆盖及几何结构上的不足,设计了一种将星载GNSS接收机作为高动态天基监测站,联合地面区域监测站数据对卫星导航系统的MEO卫星轨道进行实时解算预报的方法。算例结果显示:7个区域监测站联合1至3个天基监测站,其定轨精度可分别提升约21%、34%和55%,这也表明,地面区域监测站联合天基低轨卫星数据可有效提高MEO卫星的轨道精度。建议我国BDS在区域测站分布阶段可采用联合低轨卫星数据方法提高北斗MEO卫星实时轨道精度。     

北斗卫星导航系统广播星历精度分析

针对系统地评估我国北斗卫星导航系统广播星历精度与保障实时导航定位服务的需求,对BDS广播星历提供的卫星轨道、钟差以及用户测距误差(URE)的精度性能进行分析,统计了2015年连续4周全部BDS在轨健康卫星的广播星历各项精度指标值。分析结果表明:BDS的MEO和IGSO卫星轨道精度优于GEO卫星结果,且径向精度优于法向和切向精度;BDS搭载的国产星载铷钟卫星钟差序列相对比较稳定,其均方根误差优于4ns;GEO/IGSO卫星的用户距离误差(URE)在6m以内,MEO的URE优于20m。研究结果对北斗系统的建设、后期的发展和用户市场的拓展,都具有重要的参考价值。     

星地SLR和星间链路的BDS-3卫星精密定轨EI北大核心CSCD

目前,BDS-3卫星上已全部搭载星间链路设备,可利用星间双向测量数据分离卫星相对钟差和相对几何距离解耦卫星轨道和钟差,再把星间距离作为观测量结合地面测量数据进行星地星间联合定轨。人卫激光测距(SLR)技术不受载波相位模糊度、钟差等因素的影响,数据处理过程相对于GNSS技术的数据处理更简单,可以作为一种独立于GNSS观测技术的测量手段。所有BDS卫星上已搭载激光角反射器,因此本文利用2020年1月北斗星间链路数据及少量SLR数据对11颗BDS-3卫星(MEO/IGSO/GEO)进行联合精密定轨试验。分析结果表明,基于SLR和星间链路的3类轨道类型的BDS-3卫星定轨精度相当,轨道精度径向为4.2 cm,三维精度为30.2 cm;卫星轨道预报12 h和24 h MEO卫星三维精度约40.0 cm,IGSO三维精度优于60.0 cm;GEO卫星三维精度约1.0 m。在精密定轨的同时解算地球自转参数(ERP),由于激光数据量少,极移精度约3.0 mas,日长变化精度为0.35 ms。利用少量SLR观测数据和星间链路测量数据联合可以实现导航卫星的高精度定轨,如果能够对BDS卫星加强激光观测,有助于提升轨道精度,为BDS自主可控空间基准参数解算提供参考。     

BDS/QZSS及其组合系统在中国和日本及周边地区的定位性能评估

利用多星座实验(the multi-GNSS experiment,MGEX)监测网的观测数据分别从可见卫星数、精度衰减因子(dilution of precision,DOP)、多路径效应、信噪比、静态/动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)几个方面对北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)/准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System,QZSS)及其组合系统在中国和日本及周边地区的定位性能进行评估与分析。分析结果表明:QZSS与BDS系统组合,卫星数增加,能提供较好的空间几何构型分布,从而保证了定位的精度、可靠性和可用性;由于QZSS卫星的星座结构与BDS卫星类似,其多路径效应的变化规律表现出与BDS卫星一致性的特点;BDS和QZSS卫星各频点信号的信噪比与高度角相关趋势几乎相同,相同高度角条件下,地球中轨道(medium earth orbit,MEO)卫星信噪比要比倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星高2～3 dBHz;静态PPP和动态PPP方面,在高度角较大时(40°),BDS+QZSS组合比BDS单系统在低高度角情形下改善更为明显。E、N和U方向静态PPP改善率可达20%以上,动态PPP改善率可达30%以上。QZSS系统卫星对日本、中国以及周边区域BDS定位具有一定的补充和增强作用,在信号易遮挡的复杂环境(如城市、建筑物密集区、山区、树林等)下,具有较好的应用价值。     

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。     

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。     

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%。     

北斗GEO/IGSO/MEO卫星定轨地面站构型影响分析及其优化

GNSS卫星定轨精度主要取决于卫星动力学模型精度和GNSS几何观测信息。由于北斗GEO/IGSO卫星静地、高轨特性,以及力学模型不精确等原因,地面几何观测信息对轨道改进至关重要。本文讨论了北斗GEO/IGSO/MEO卫星定轨地面站分布影响及优化改进方法。在简化动力学定轨模型基础上,探讨多历元几何观测信息累积对轨道的改进;研究了北斗导航卫星定轨理想几何构型条件,得到影响定轨精度的几何因子,包括测站数量、覆盖范围、分布密度;利用离散概率密度方法研究地面站构型,分析了3类卫星轨道改进机理和优化方法。通过算例,讨论了增加5个中国区域基准站改善离散概率密度指标,优化全球北斗卫星定轨构型,发现GEO和IGSO卫星精度改善最为明显,MEO卫星改善最小;其中GEO卫星提高了10%,IGSO卫星提高了16%,MEO卫星提高了4%。     

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.     

北斗卫星伪距偏差模型估计及其对精密定位的影响

现阶段北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）的同步地球轨道（geostationary orbits,GEO）卫星、中倾斜地球同步轨道（inclined geo-synchronous orbits,IGSO）卫星和中圆地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星均存在伪距偏差,该伪距偏差的存在对精密定位的研究及其应用产生了较大的影响。根据北斗IGSO和MEO卫星的伪距偏差与高度角和频率相关的误差特性,本文分析了测站数目及分布,以及观测时长对建模的影响,选择18个测站2015年全年的数据作为MEO卫星的建模数据,其中可以连续观测到全弧段IGSO卫星的4个测站用于IGSO卫星的建模,采用加权分段线性拟合联合抗差估计的方法建立了北斗卫星伪距偏差改正模型。模型改正后,北斗IGSO和MEO卫星的伪距偏差得到明显的削弱,相比于传统的伪距偏差改正模型,精密单点定位（precise point positioning,PPP）的定位精度和收敛时间均得到提升。     

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。     

北斗卫星导航系统混合星座的光压摄动建模和精度分析

卫星帆板及本体受照情况变化复杂,导致卫星光压摄动力的变化难以准确模制,既是动力学定轨的最大误差源,也是定轨预报精度降低的主要原因。针对此问题,采用北斗地面系统的区域监测网数据,详细比较了3种主要的经验模型（T20模型、ECOM5参数模型、ECOM9参数模型）对不同卫星的适用性情况。结果显示,在春秋分前后,地球同步轨道（geosynchronous earth orbit,GEO）卫星使用ECOM9参数模型最好,其解算的卫星钟差与星地双向钟差的互差标准差优于2 ns;对于倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO）卫星和中地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星,无论是在动偏期间还是姿态模式转换期间,T20模型表现出更好的适用性。不同于此前国内外学者的相关研究,试验表明,对BDS混合星座的不同类型卫星、同一卫星的不同时段,应采用不同的经验太阳光压模型,以获得更高的定轨和预报精度。