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。     

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。     

GPS/GLONASS/BDS广播星历轨道误差分析

针对GPS、GLONASS、BDS组合定位中观测值定权的问题,利用广播星历计算卫星位置,以IGS提供的精密星历为参考,将卫星坐标的三维均方根误差与附有加权因子的用户等效距离误差作为精度指标,对各系统轨道误差进行对比分析,找寻其规律。对2013、2014、2015各年8月份轨道误差进行分析,结果表明BDS系统在逐步完善,GPS/GLONASS/BDS 3系统轨道误差的权比在3年间显示出5∶2∶1、5∶2∶2、5∶2∶3的变化。以后的组合定位观测值可参考2015年的权比定权。     

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。     

多GNSS融合精密轨道确定与精度分析

采用MGEX和IGS跟踪网数据,基于PANDA软件实现了同一时空基准框架下的GPS/GLONASS/BDS/Galileo四系统融合精密定轨,采用单天解边界不符值评定轨道精度。对2014年7月至12月6个多月的GNSS融合精密定轨精度、各单系统独立定轨精度进行比较,结果表明:GPS轨道精度与单系统定轨精度基本相当;GLONASS和BDS轨道精度均优于各单系统定轨精度,尤其是BDS卫星,其GEO、IGSO、MEO卫星平均三维轨道精度分别提高了24%、42%、63%;在多GNSS融合精密定轨中,Galileo卫星径向、法向、切向平均精度分别为9.53、8.20、20.17 cm。动态PPP验证结果表明:相比于单系统解算,多系统组合解可以显著加快收敛速度,同时提高了定位精度。     

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.     

风云三号C卫星星载GPS/BDS分米级实时定轨模型研究

风云三号C(Fengyun 3C,FY3C)卫星于2013年发射,搭载了全球导航卫星掩星探测仪(GNSS occultation sounder,GNOS),是国际首台兼容GPS和北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)的掩星探测仪,可同时提供GPS和BDS双频观测数据,为研究星载GPS/BDS组合定轨提供了机会。为了实现分米级精度的星载GPS/BDS组合实时定轨,首先推导了基于载波相位观测值的星载GPS/BDS实时定轨数学模型;然后重点分析了GPS与BDS广播星历误差的变化特性,对不同类型轨道的BDS广播星历误差在信号传播路径(location of signal,LOS)方向的投影进行统计,并以此为依据,建立载波相位观测值的伪模糊度待估参数及其随机模型,用来吸收LOS方向的广播星历误差,从而实现分米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件SATODS对FY3C卫星GPS/BDS实测数据模拟在轨实时处理,结果表明,在使用广播星历的条件下,基于星载GPS/BDS载波相位实时定轨,可以达到30 cm的位置精度以及0.3 mm/s的速度精度。加入BDS观测数据后,虽然BDS卫星的广播星历整体精度低于GPS,但是通过合理设置伪模糊度参数的随机模型,实时定轨结果相对于单GPS有了一定的提高,当FY3C卫星经过亚太地区上空时,实时定轨精度可提高10%以上。     

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。     

基于MGEX站多系统GNSS反演大气可降水量精度评估

2020年6月北斗卫星导航系统(BDS)完成全面组网,为分析其解算水汽信息的精度,选用15个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站2021年10月至11月的观测数据进行水汽反演. 利用GAMIT软件分别解算BDS、GPS、Galileo和GLONASS的观测数据,将得到的对流层天顶延迟(ZTD)与国际GNSS服务(IGS)发布的结果进行对比,并将解算的大气可降水量(PWV)分别与探空数据、ERA5数据计算得到的PWV对比. 实验结果表明:截止高度角设置为5°时,4个卫星系统估计的ZTD均方根 (RMS)均小于13 mm,GPS-PWV、BDS-PWV、Galileo-PWV、GLONASS-PWV与无线电探空可降水量(RS-PWV)相比,RMS平均值分别为2.25 mm、2.46 mm、2.52 mm和2.84 mm,RMS均小于3 mm;与ERA5-PWV相比,RMS平均值分别为1.63 mm、1.86 mm、1.76 mm和1.99 mm,RMS均小于2 mm. GPS探测水汽的精度最高,BDS探测水汽的精度低于GPS和Galileo,高于GLONASS,均满足气象学应用需求.