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.     

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。     

漂移扫描CCD用于地球同步轨道卫星观测的初步结果

对于地球同步轨道卫星,目前国内主要采用两种观测手段,即小光电望远镜短曝光观测和天文望远镜跟踪恒星(或卫星)观测.事实上,这两种手段都各自存在不足,尤其对于暗弱目标问题更加显著.利用CCD漂移扫描模式和凝视模式相结合观测地球同步轨道卫星具有明显的优势,小口径望远镜(口径约25cm)就能够获得高质量的目标和恒星圆星像与高精度的定位结果.本文重点阐述了获得高精度地球同步轨道卫星光学位置与星等的原理、方法及步骤;最后,利用实测资料的数据处理结果,分析了所获得的地球同步轨道卫星的内部精度及其误差源.     

卫星轨道误差对定位精度影响的摄动分析方法

卫星导航系统定位精度受伪距测量误差、大气时延误差、卫星原子钟钟差及卫星轨道误差等多方面因素综合影响。传统通常采用基于精度因子与用户等效伪距误差的方法对定位误差进行评估,但在其精度表征公式推导过程中需对测量方程组系数矩阵H及用户等效伪距误差分布做若干假设,因此它实际上是一个近似评估公式。此外,各类误差源中的卫星轨道误差属于三维误差,需经过坐标转换,并利用经验参数模型才能换算至用户等效伪距误差。为此,提出采用矩阵摄动数学理论研究卫星轨道误差对定位方程组解的影响,利用谱范数条件数对方程组形态进行刻画。仿真结果表明,方法能够直接反映卫星轨道误差对定位精度的影响,无需进行轨道坐标及用户等效伪距误差换算,能够更加直接和准确地评估卫星轨道误差对定位解精度的影响。     

一种速度平滑高程的增强定位方法

为提高全球导航卫星系统定位精度与连续性,提出结合使用高程坐标分量与速度分量,设计构成一种组合滤波器。利用速度测量值不断对用户高程进行平滑与修正,获得高精度的高程坐标值,并由此对测量方程组形成高程约束条件,进而提高全球导航卫星系统三维定位精度及接收机钟差解算精度。同时,由于滤波器处理后的高程值序列具有较高的精度和良好的平滑性,因此特别适于拟合与外推,从而更好地辅助卫星信号缺失的非完备星座情况,实现连续三维定位。最后,通过全球定位系统实测实验对方法进行了分析,验证了其可行性与实用性。     

中国区域定位系统的水平定位误差分布研究

中国区域定位系统（Chinese Area Positioning System,CAPS）是基于通信卫星的转发式卫星导航系统,基本原理是导航信号由地面导航站上行,经通信卫星转发向地面广播,用户接收机接收导航信号和电文实现导航定位。在试验验证阶段,CAPS仅采用同步轨道通信卫星进行信号的转发和广播,用户接收机利用气压测高技术实现高程辅助下的定位解算。为了描述CAPS水平定位误差的分布,作者定义了高程辅助算法下的东精度衰减因子（Dilution of PrecisionEast,EDOP）和北精度衰减因子（Dilution of Precision North,NDOP）。根据CAPS星座分布,分析系统覆盖范围内高程辅助下EDOP和NDOP数值,结果表明CAPS的EDOP和NDOP是关于赤道南北对称,关于同步轨道通信卫星的平均经度子午圈对称。在平均经度子午圈附近,EDOP出现最小值;在同一纬度圈上,离平均子午圈越远,EDOP数值越大。在CAPS覆盖区域内,任一格点上的NDOP总是大于EDOP,当用户由低纬度地区向高纬度地区移动时,在站心坐标系内卫星在南北方向拉开的距离增大,NDOP变小。利用北京、上海、长春、西安、乌鲁木齐和昆明6个CAPS测站进行仿真分析,结果表明本文提出的EDOP和NDOP可用于估算星座空间布局对用户伪距测量误差的放大程度,并可以解释CAPS接收机在高程辅助下水平定位精度东西方向总是优于南北方向的现象。进一步的实测数据分析表明,EDOP和NDOP可以用来估算南北方向和东西方向的定位精度。     

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.     

中高轨卫星广播星历精度分析

GPS广播星历参数具有物理意义明确、参数少、精度高等优点,可以考虑将它应用于其他卫星导航系统。但是GPS系统的卫星构成比较单一,而其他卫星导航系统可能包含中地球轨道 (MEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和地球静止轨道(GEO)等多种不同类型的中高轨卫星。分析了采用GPS广播星历参数时,MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度,特别讨论了轨道倾角接近于0的GEO卫星的广播星历拟合精度,并给出了相应的改进措施。计算表明,对于 MEO卫星,2 h的广播星历拟合精度(三维位置)可达厘米级;对于IGSO卫星和轨道倾角较大的GEO卫星,4 h的广播星历拟合精度约为0．1 m,径向位置误差在厘米量级;而对于轨道倾角接近于0的GEO卫星,若不采取特殊措施,由于轨道倾角和升交点经度统计相关,其广播星历拟合精度很差,为此提出了一种坐标转换方法。采用此方法后的广播星历拟合精度可达0．1 m,径向位置误差为厘米量级。     

太阳光压模型中面质比误差对IGSO卫星轨道预报的影响分析

太阳光压是影响高轨卫星轨道精密确定的主要因子之一,这种摄动的有效模制将进一步改进卫星轨道的预报精度.主要对太阳光压模型中面质比误差对地球倾斜同步轨道卫星轨道预报的影响进行了分析.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星位置预报影响仿真结果显示:一天内前16h,x、z分量的预报误差幅度相对较小,y分量误差相对较大;一天内最后8h,x、y、z各分量误差发散明显,但z分量的误差发散程度较大.20％面质比参数标定误差对地球倾斜同步轨道卫星速度预报影响仿真结果显示,一天内,x、y、z各分量的预报误差幅度不超过1 mm/s.     

卫星圆轨道假设对GPS无线电掩星反演地球大气参数的影响

给出GPS无线电掩星反演地球大气参数过程中计算大气折射角的解析表达式，以圆轨道假设下的大气折射角计算值为先验约束，采用迭代法对不引入圆轨道假设情况的大气折射角进行归算，在此基础，利用反演方法得到了引入和不引入圆轨道假定两种情况下大气参数（气压和温度）的差分序列，结果表明：卫星圆轨道假设对GPS无线电掩星反演大气参数的影响，在气压方面为1mbar左右，而在气温方面为1K左右，这一结果支持了目前无线电掩星定性误差估计研究中通常引入卫星圆轨道假设这个近似处理方法的合理性，同时也表明：若在高精度反演地球大气参数时，摒弃圆轨道是必要的。     

多模卫星导航系统的RAIM算法研究

研究了多模卫星导航系统的RAIM（接收机完好性自主检测）算法,根据多模卫星导航系统的定位模型,基于最小二乘法的原理计算伪距残差,构造奇偶矢量进行故障检测和故障排除。在只有一个观测量出现粗差的前提下,仿真了GPS与多模GPS／GLONAss／Galileo系统下的卫星可见数和DOP（精度因子）,对比了衡量RAIM算法可用性的水平保护门限值（HPL）及这2种系统下的故障检测率与故障排除率。仿真结果表明：与GPS相比,多模导航系统具有更多的可见星,RAIM算法的可用性更高,并且其故障检测和故障排除的性能更好。因此,多模卫星导航系统不仅能为用户提供更高的定位精度,还能为用户提供更好的完好性保障。     

卫星定位中的一种分步加权解算方法

卫星定位中,当可视卫星数目多于4颗时常采用加权最小二乘(Web Login Server,WLS)算法,对各卫星解算权重进行重新评估而获得最优解。然而由于受到多重因素的影响,权矩阵W的构造与确定一直是各类加权算法中的重点和难点。从线性测量方程组出发,通过研究迭代解算过程中用户等效伪距测量误差对坐标位置误差的传递与放大规律,提出了一种新的加权最小二乘解算方法,及其权矩阵的具体构造与实现方法,从而对各未知数进行分步加权与分离解算。通过全球定位系统(Global Positioning System,GPS)实测实验,对方法的可行性和精度水平进行了分析与验证。结果表明,使用该分步加权方法进行定位,解算结果准确度更高、稳定性更好。     

北斗卫星地球辐射压摄动建模研究

在对卫星所受的非保守摄动力研究中,对太阳辐射压摄动建模的研究发展迅速,而对地球辐射压摄动的研究相对缺乏,特别是其对中高轨卫星轨道影响的研究。在高精度人造卫星轨道确定中,地球辐射压摄动对于具有大面质比的导航卫星的影响越来越不可忽略。针对中国北斗导航卫星,基于地球辐射压的原理和影响机制,探讨了地球辐射压摄动建模的方法。针对北斗导航系统特点,利用地球表层的反照率和红外发射率的分布格网数据,建立了精确的地球辐射压模型,并利用全球MGEX站观测数据和中国区域监测站数据,进行了对北斗卫星引入地球辐射压模型的验证试验,分析了其定轨精度,检验了模型的正确性和可靠性。试验表明,对北斗卫星来说,在加入地球辐射压模型ERPM2(Earth radiation pressure model 2)后,轨道精度比不加入地球辐射压模型提高约4 mm;加入ERPM1模型则相应提高约2 mm。对部分卫星,加入地球辐射压模型后,其轨道精度修正量可达5～10 mm。通过卫星激光测距(satellite laser ranging,SLR)检核发现,加入ERPM2模型后,北斗中轨道地球卫星正常姿态时的轨道径向精度提高3.1 cm,GPS 036卫星轨道径向精度改善0.8～1.4 cm。因此,地球辐射压摄动模型在北斗导航卫星高精度轨道确定研究中具有一定的意义。     

有高程数据库支持的弹道预警信息生成方法

在基于目标轨道运动特征的预警信息推算中, 引入高程信息库的支持, 使对地球的假设从参考椭球体变为更真实的形态, 并探讨在此情况下提高发、落点位置和时刻的预报精度的方法. 采用数字高程模型进行的数值实验结果表明, 在原方法的基础上增加少量高程迭代计算的情况下即可提高预报精度, 发、落点位置高程越高的地区精度提高越明显.     

一种计算垂线偏差的抗差最小二乘严密解法

针对当前利用大地水准面模型求解垂线偏差精度不高、稳健性差的问题,设计了一种严密的垂线偏差抗差最小二乘解法.首先,基于大地水准面与垂线偏差的关系,采用EGM2008 (Earth Gravity Model 2008)重力场模型计算参数初始解;然后,引入中位数抗差法,并选用Huber权函数计算等价权,迭代计算出稳健的垂线偏差最小二乘解;最后,结合两个实测算例对设计方法进行验证.试验结果表明,该方法计算的垂线偏差分量与约定真值最大偏差在0.5′′左右,相较于对比方法精度更高;同时,该方法能有效抵抗粗差值的影响,具有较强的稳健性.     

地球同步轨道动态监视光学系统研制进展

由于卫星发射活动日益频繁,地球同步轨道己成为一种稀缺资源,并受到世界各国密切关注和保护。作为地球同步轨道必不可少的监测手段,光学手段可以在目标动态监视和空间事件发现领域发挥重要的作用。中国科学院上海天文台研究团队利用两年时间研制了新一代地球同步轨道动态监视光学系统,即FocusGEO。FocusGEO的望远镜采用单机架三镜筒赤道式结构,具有约260(°)~2超大视场,15 min内即可对台站上空地球同步轨道带完成一次扫描观测。2017年8月开展的试验观测表明,即使在夜天光背景较亮的上海市佘山地区,FocusGEO的望远镜对地球同步轨道目标的观测效能也接近85%,方位和俯仰方向观测精度均优于3",可靠性也满足常规观测条件。详细介绍FocusGEO的软硬件组成、观测模式,以及初步观测结果,并介绍了下一步要开展的工作。     

卫星测地中最小二乘估计递推算法的误差分析

本文就卫星测地情形,对最小二乘估计的递推算法进行误差分析。结果表明,在目前的卫星测地中可以采用该方法,从而可大大节省存贮量和计算量,而又不明显降低估计精度。     

利用卫星多普勒“传递定位”技术测定站间相对坐标

卫星多普勒定位主要误差源,星历误差和折射误差在同步跟踪一次卫星通过的两测站之间是相关的,因此卫星多普勒的同步观测能提高测站间相对定位的精度。利用这种相关性来改进定位精度的技术称之为“传递定位”(Traslocation)。本文利用国产的JSZ-4多普勒接收机的同圈观测资料进行了对“传递定位”技术的研究,介绍了进行多站多圈“传递定位”的计算方法,并对北京、上海两测站进行了“传递定位”的试测。利用1980年8月23,24日两天14圈的两站同圈观测试测的结果,两站相对坐标的内符精度为±2米,基线的长度与大地测量的结果相比相差1.5米。结果表明用这样的方法来测定站间的相对坐标是非常有效的。其相对定位的精度与单点定位的精度相比有了较大的提高。     

基于SLR精密轨道的天文定位精度分析

利用全球卫星激光测距服务系统(ILRS,International Laser Ranging Service)标准点资料对Ajisai卫星进行精密定轨,残差均方根(RMS)优于3 cm,得到该星的精密轨道.进而对长春站40 cm空间碎片光电望远镜获得的Ajisai卫星的天文定位资料进行精度分析,外符合精度约3″左右.单独利用天文定位数据进行轨道改进,内符合精度优于3″.改进轨道的x、y、z坐标3分量在观测数据覆盖范围内的精度在100 m之内.同样地对Jason-1卫星作数据分析,结果和Ajisai卫星精度相当.分析各个弧段的精度变化,发现定标星个数减少,会导致天文定位精度下降.据此提出可以把最少定标星比例作为评定数据质量的参考指标之一.     

一种近地卫星联合摄动的计算方法

本文提出一种近地卫星联合摄动的计算方法,给出近地卫星轨道在地球形状摄动和大气阻力摄动同量级时的计算公式。它适用于近地点地面高度在160公里≤z_0≤250公里,轨道偏心率在0≤e≤0.01的近地卫星。