不同光压模型在北斗三号MEO卫星中的定轨分析

针对不同太阳光压模型在北斗三号MEO卫星定轨中适用性不同的问题,借助全球卫星导航系统数据对ECOM1-9模型、ECOM1-5模型、ECOM2模型、ECOMC模型在北斗三号MEO卫星中的适用性进行了分析,并分别采用国际激光测距服务中心提供的卫星激光测距数据、重叠弧段数据进行内外符合精度评估。结果表明,采用ECOMC模型定轨时,不同北斗三号MEO卫星内外符合精度均最佳,外符合精度最佳时,RMSE为3.3 cm,STD为3.0 cm。与ECOM1-9模型、ECOM1-5模型、ECOM2模型相比,ECOMC模型定轨内符合精度在径向分别提升了39.54%、16.84%、12.55%;在切向分别提升了51.33%、27.43%、10.46%;在法向分别提升了48.99%、21.42%、11.22%。     

北斗三号MEO组网卫星数据质量评估

自2017年11月以来,北斗三号导航卫星开始进入高密度组网发射阶段。截止到2018年3月,已有4颗北斗三号中圆轨道(MEO)卫星投入试运行。本文选取全球分布的7个国际GNSS监测评估系统(i GMAS)跟踪站数据,从信号载噪比、观测噪声和多路径效应3个方面,对C19、C20、C27、C28这4颗北斗三号MEO卫星数据质量进行分析评估,并与同时段观测的北斗二号MEO导航卫星、GPS Block IIF导航卫星和Galileo FOC导航卫星的观测数据进行对比。结果显示,北斗三号MEO卫星数据质量良好,性能较优。其全球各地区测站信号平均载噪比高于42 d BHz,中高纬度地区观测站信号平均载噪比能够保持在45 d BHz左右;伪距观测噪声基本在0.5米以内;各测站各频点的多路径效应RMS值均不超过0.4米。     

北斗IGSO/MEO卫星姿态控制及光压差异分析

为规避GPS等国外卫星导航系统动态偏航姿态控制模式中的地影机动以及正午和午夜机动,北斗IGSO/MEO卫星采用了动态偏航和零偏航两种姿态控制模式。针对姿态控制模式引起的卫星本体、帆板受照及光压力的变化对定轨、定位解算造成的影响,该文通过对卫星姿态及受照的分析,查找由于姿态变化所造成的卫星光压摄动力变化的转换点,指出引起动偏、零偏下卫星光压摄动力差异的主要因素是零偏下入射太阳光线与太阳帆板不垂直,存在小角度夹角;两种姿态控制模式下光压摄动力的差异量级在10-8 m/s2。该研究成果可以为北斗卫星轨道确定提供技术支持。     

北斗三号卫星经验型太阳光压模型分析与精化

太阳光压摄动作为在轨导航卫星受到的最大的非保守力,是卫星精密定轨的重要误差源。ECOM模型、ECOM2模型,这两种经验型光压模型被广泛应用于导航卫星定轨。然而,ECOM模型和ECOM2模型分别是针对GPS和GLONASS卫星设计的,并不完全适用于我国北斗三号(BDS-3)卫星。针对五参数ECOM模型在BDS-3卫星低太阳高度角时期轨道不连续性增大的问题,本文提出在 D方向引入一阶周期项来吸收未被模型化光压加速度。结果表明,引入一阶余弦周期项 D_c,能将低太阳高度角时期CAST卫星的切向、法向、径向重叠轨道误差分别减小约60%、52%、29%。针对ECOM2模型中 D_2c和 D₀、D_2s和 B_s之间存在的强相关性,本文提出了不估计 D_2c参数的八参数ECOM2模型和不估计 D_2c与 D_2s的七参数ECOM2模型。结果表明,相较九参数ECOM2模型,不估计 D_2c参数的八参数ECOM2模型能够将CAST卫星和SECM卫星径向重叠轨道误差分别减少约18%和27%。在此基础上,继续移除 D_2s后(七参数ECOM2),径向重叠轨道误差可进一步减小5.2%~8.5%。综合考察重叠轨道精度和SLR检核精度,不顾及 D_2c和 D_2s的七参数ECOM2模型表现最佳。CAST卫星和SECM卫星重叠轨道切向、法向、径向精度分别为5.0、3.4、1.4 cm和5.4、3.5、1.5 cm;SLR检核残差标准差分别为3.1~3.2 cm、4.4~4.7 cm。     

基于省级区域地基增强系统的北斗三号系统卫星数据评估分析

导航卫星观测数据质量是影响地面增强系统定位精度的直接因素,北斗地基增强系统经过北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)适配性改造后能够获取的卫星观测值数量相较北斗二号卫星导航系统(BDS-2)适配改造提升了30%～50%,对这些观测数据的质量评估和分析尤为重要.本文利用数据完整率、多路径误差等基准站观测值质量评估方法,使用零基线测试和精密单点定位(PPP)测试两种方法,提出一种综合区域地基增强系统的BDS-3数据分析方法.对研究区域进行实证试验,结果表明：BDS-3卫星在亚太地区的数据质量已经与GPS相当;由于BDS-3卫星空间分布结构更优,地面测站可以获得的高仰角(高度角>50°)可用观测值较单GPS提升了200%以上.     

北斗三号PPP-B2b服务的卫星定轨精度评估

随着北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的成功组网,新启用的B2b信号由于承载着精密单点定位(PPP)服务而备受关注,但该信号的应用尚未普及,为探究PPP-B2b信号的服务性能,针对自研板卡接收的B1C和PPP-B2b导航电文数据,以德国地学研究中心(GFZ)提供的精密星历产品及其插值结果为参考基准,计算卫星定轨结果与参考基准的互差序列和均方根误差(RMSE),评估广播星历和PPP-B2b精密改正轨道的轨道精度.结果表明：广播轨道在径向(R)、切向(T)、法向(N)的精度均值分别为0.19 m、0.65 m和0.89 m;精密改正轨道在R、T、N的精度均值分别为0.13 m、0.32 m和0.29 m;自研板卡接收的PPP-B2b信号满足PPP的应用要求,为下一步开发基于PPP-B2b信号的相关产品提供数据参考.     

北斗二号与北斗三号完好性参数设计差异分析

针对能够标识北斗二号与北斗三号系统服务完好性的参数差异问题,该文从完好性参数定义、导航电文结构、参数内容和播发方式等方面对北斗二号和北斗三号系统完好性参数播发现状进行了比对分析,并对各类参数的工程实现情况进行了比较,结果表明:在兼容北斗二号基本导航服务相关系统完好性参数的基础上,北斗三号增加了可快速标识服务精度及预测精度的完好性参数;受多方面的约束与局限,北斗二号仅具备提供单频改正的广域差分增强服务的能力,且无相关国际标准规范支撑,而北斗三号为能获取国际民航组织测试认证,已立足于国际相关标准规范进行了可支撑单、双频改正的星基增强服务工程实现.     

北斗三号卫星系统总体设计

对于全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS), 观测值测距性能会影响系统基本服务能力。大口径抛物面天线能够较好地削弱地面设备和环境对信号采集的影响。基于抛物面天线数据分析北斗三号全球卫星导航系统(BeiDou-3 global navigation satellite system, BDS-3)的观测值特性和测距性能。结果显示, B1I、B3I、B1C、B2a和B2b 5个频点上均未发现与北斗二号卫星类似的相同量级卫星星上伪距偏差, 部分频点伪距多路径存在波动, 但与高度角的相关性不强, 所有卫星测距偏差变化的平均量级为0.1 m。使用载波三频组合分析北斗三号卫星各个频率载波观测值的多路径变化和噪声水平, 载波三频组合存在毫米量级的变化波动, 但这种变化并未显示出与时间或者高度角的密切相关性, 基于抛物面天线数据的载波三频组合均方根误差绝大部分小于0.6 mm。以上结果表明北斗三号卫星的伪距和载波观测值未出现系统性偏差, 具有良好的测距性能。     

利用非差观测量估计北斗卫星实时精密钟差

研究并实现了基于非差观测量的北斗卫星实时钟差估计算法,利用全球53个多模全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)实验跟踪网(multi-GNSS experiment, MGEX)站的北斗与全球定位系统(global positioning system, GPS)观测数据进行实时钟差估计,分析了实时钟差产品的精度与定位性能。多天统计结果表明,本文生成的GPS实时钟差与事后钟差符合较好,精度优于0.07 ns,略低于事后钟差产品,验证了基于非差观测量的实时钟差估计软件的处理精度。本文解算的北斗实时钟差的精度为0.1~0.15 ns,略低于GPS卫星。基于实时钟差进行模拟动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)实验,北斗与GPS在水平方向的定位精度为0.041 m和0.058 m,高程方向的精度为0.069 m和0.037 m,定位结果分别与事后钟差解算的结果符合较好,表明实时钟差与事后钟差差异不大。     

面向北斗三号的湖北省北斗地基增强系统建设

随着北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的全面建成,湖北省北斗地基增强系统需要进行整网软硬件升级与改造,以实现对BDS-3卫星的兼容. 本文详细介绍了此次升级的内容:包括72台True CORS R1接收机的板卡硬件升级与固件包升级,增加对BDS-3的支持;TrueNET平台的软件升级;升级之后进行了接收机回归测试及系统精度测试:开展了新增频点的数据质量分析及双差质量分析,以及对RINEX原始文件进行了卫星数、高度角等分析;接收机软件研发完成后进行了整机性能测试,各项指标均满足要求;系统精度测试结果标明:网络实时动态(RTK)定位精度水平优于3 cm,垂直优于5 cm;差分全球导航卫星系统(DGNSS)定位精度水平优于1 m,垂直优于2 m.      

BDS-3不同类型卫星对BDS-2伪距定位性能提升定量分析

针对北斗三号（BDS-3）不同类型卫星对北斗二号（BDS-2）伪距单点定位性能的影响,基于iGMAS机构发布的跟踪站实测数据,分析了BDS-3地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）、中圆轨道（MEO）、全部BDS-3卫星对BDS-2卫星可见数、位置精度因子（PDOP）值以及伪距单点定位精度的影响．经研究发现,BDS-3不同卫星对BDS-2卫星可见数、卫星空间几何结构以及伪距单点定位精度提升程度不同,MEO卫星的提升程度优于IGSO卫星和GEO卫星,三种类型卫星对BDS-2定位性能提升量之和与全部BDS-3卫星对BDS-2定位性能提升量相当．      

BDS-2/BDS-3的MEO卫星B3I频率数据质量对比分析

针对目前BDS-2/BDS-3数据质量情况,本文基于IGS连续跟踪站实测数据,从数据完整率、信噪比以及多路径三个方面对比分析了BDS-2/BDS-3的MEO卫星的B3I频率的数据质量。经分析发现,BDS-3新卫星的发射增加了北斗系统的服务范围,BDS-3卫星的数据完整率与信噪比要高于BDS-2,BDS-3卫星的多路径效应小于BDS-2,没有在BDS-3卫星中观测到存在于BDS-2卫星中的系统偏差。     

北斗三号观测数据质量及定位精度初步评估

开展BDS-3观测数据质量评估对于即将到来的BDS-3应用研究至关重要。本文从载噪比、伪距多路径及观测噪声3方面评估了BDS-3卫星的观测数据质量,在此基础上分析了其标准单点定位和短基线相对定位性能。初步评估结果表明：在载噪比方面,BDS-3卫星的B1I频点比BDS-2卫星高3~4 dB/Hz,B3I频点最高,其余频点大小相当;在多路径方面,BDS-3卫星伪距B2a、B2b和B3I与BDS-2的B3I大小相当,B1I和B1C与BDS-2的B1I、B2I大小相当,且BDS-3各频点的伪距多路径组合中不存在明显的与高度角相关的伪距偏差;在观测值噪声方面,BDS-3卫星与BDS-2卫星各频点大小基本相当。相比于仅使用BDS-2卫星,增加BDS-3卫星可以改善几何图形结构,一定程度上提高伪距单点定位和短基线相对定位的精度。     

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统(BDS-3)已经于2018年年底建成基本系统,并计划于2020年建成完整系统,而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道(MEO)卫星,评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度,利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测,进行了联合卫星轨道测定试验,并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较,分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明:北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9cm,测距精度约为4.4cm;仅采用区域测站定轨,重叠弧段三维位置误差RMS为66.7cm,加入星间链路后可降低至15.4cm,提高了76.9%,24h轨道预报位置精度也由114.1cm提升至20.3cm,提升了83.2%,激光检核径向精度为8.4cm左右,明显优于北斗二号卫星轨道精度。     

低轨卫星增强北斗三号导航星座性能分析

针对低轨卫星星座有待合理化设计的问题,深入研究了低轨卫星星座增强北斗三号系统定位性能。分析轨道高度、轨道倾角、星座构型对星座覆盖性能的影响,仿真北斗三号、GPS和3种不同类型的低轨星座,研究各低轨星座与北斗三号、GPS的组合系统在所选7个测站以及全球范围内的可见卫星数和PDOP值分布。结果表明低轨卫星对北斗三号的增强效果主要与低轨卫星数目有关,且不同轨道倾角的组合低轨星座有利于均衡系统在全球范围内的可见卫星数与PDOP值分布。低轨卫星有望通过改善卫星观测几何构型提高北斗三号系统的定位性能,且增强效果与低轨星座构型密切相关。     

BDS-3新卫星的标准单点定位结果分析

针对我国北斗卫星导航系统正按照三步走战略,从第二代区域性卫星导航系统走向第三代全球性卫星导航系统的现状。该文以BDS-3新卫星数据为基础,结合BDS-2系统卫星进行联合标准单点定位(SPP),实验证明新卫星与BDS-2系统之间具有很好的兼容性。由于BDS-3卫星所播发的新频点B1C与GPS的L1频点频率重合,该文进行了GPS/BDS-3双系统同频组合SPP定位实验,所得定位精度与GPS单系统定位精度相当,验证了BDS-3与GPS双系统间进行同频组合定位的可行性。     

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.