北斗新一代试验卫星星钟及轨道精度初步分析

北斗卫星导航系统新一代试验卫星星座由2颗高轨倾斜地球同步轨道卫星和3颗中轨地球轨道卫星组成,2016年2月全部发射入轨,其任务是验证北斗系统从目前区域导航定位授时服务走向全球服务的新技术体制设计及指标性能.导航卫星星载原子钟是最重要载荷之一,负责星上时间频率基准信号维持和产生,本文利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了试验星配置的新型高精度铷钟和被动型氢钟的实际性能,定量比较了相对于北斗区域系统卫星钟的性能提升.结果表明新一代试验星与北斗区域系统卫星钟差预报精度相比较有较大提高,地球倾斜静止卫星(Inclined Geosynchronous Orbit,IGSO)短期预报误差从0.65ns减小到0.30ns,中轨道卫星(Medium Orbit,MEO)短期预报误差从0.78ns减小到0.32ns,IGSO/MEO卫星中期预报误差均从2.50ns减小到约1.50ns.星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)是北斗全球系统最重要的技术体制设计之一,本文评估了试验卫星实现的星间伪距测量对提升空间信号精度,即轨道和钟差的贡献,得到在地面监测网无法连续覆盖到的境外弧段,高精度星间链路测量对轨道确定和钟差测定精度的提升尤为明显.加入星间伪距测量,MEO卫星重新入境时钟差预报误差由3ns减小至1ns以内.采用星地星间联合定轨方法估计的卫星轨道径向重叠弧段互差优于0.1m,三维位置重叠互差优于0.5m,预报24h径向重叠弧段互差优于0.2m,三维位置重叠互差优于1m,均较区域监测网L波段定轨结果有较大提升.为解决多星定轨处理时卫星钟差与轨道高度耦合问题,本文提出了卫星钟差半约束模式定轨处理方法.用户等效距离误差分析结果表明采用卫星钟差半约束的定轨模式,卫星轨道预报4h用户等效距离误差由1.04m减小至0.82m.     

GEO导航卫星多种观测资料联合精密定轨

针对跟踪站少、观测几何条件差以及轨道机动后GEO导航卫星精密定轨问题,提出了用激光观测数据解算无线电测距离观测数据设备时延、用CODE模型参数和多频载波相位数据进行电离层延迟精确修正的精密定轨和轨道快速恢复的处理体制.通过在轨实测数据实验证明,利用激光标定的距离观测数据组合设备时延精度优于1ns;基于3站观测数据GEO卫星精密定轨结果,RMS为0.25m;24h数据定轨结果重叠12小轨道径向互差0.55m,位置互差约1.62m;预报12h轨道重叠弧段互差为径向3.63m,位置互差8.51m;定轨结果与激光比对残差约0.10m,预报2h轨道比对残差约0.18m,预报24h轨道比对残差约2.04m.GEO卫星轨道机动后2～3h,动力学定轨结果能够恢复到与激光比对残差小于1m、与精密定轨结果比对位置互差约30m的水平.试验及分析结果表明,所提出的GEO精度定轨技术方案可靠、稳定.     

基于星间测距的导航卫星自主定轨新算法

受限于星载计算机处理能力,目前导航卫星自主定轨多采用序贯、分布式的定轨算法.但该类算法在节省计算资源的同时存在滤波发散与精度指标快速下降的问题,尤其在链路数量较少的情况下更为突出.本文提出一种快速、稳定的集中式自主定轨新算法.该算法借助空时分多址(STDMA)体制强大的高频星间测距功能,不依赖于动力学建模,在短弧内将卫星的真实轨道与长期预报轨道的差异用高阶次多项式描述,无需轨道积分和状态转移矩阵计算,算法极为简洁,大大节省了计算资源.同时,此算法还通过约束卫星升交点赤经实现了无锚固站支持条件下的自主定轨,减少了对地面支持系统的依赖程度.最后,仿真北斗全球导航系统星间链路测量,论证了星间链路数量、星间测量噪声对导航星座自主运行性能的影响,并对其计算量进行了理论分析.仿真结果证明,本文算法无误差积累,稳定性较高,在链路数少至3条时自主定轨也能够平稳运行;在链路数量?5时,不考虑地球自转参数(EOP)长期预报误差,自主运行60 d,轨道的用户距离精度(URE)平均为0.9 m,而总计算量仅为扩展Kalman滤波(EKF)分布式算法的七分之一.     

基于广播星历参数的卫星自主导航算法

在自主导航中,目前星载处理及传输能力还不足以支持传统模式下全星座集中式动力学定轨算法.为了尝试将集中式应用于星载处理的可能性.本文提出了一种以卫星长期预报星历为基础,以广播星历参数为变量,由观测数据直接获取广播星历修正结果的集中式运动学定轨方法.该方法在地固系下进行轨道计算,无需上注EOP参数,定轨结果无误差累积.并且该方法将轨道确定与星历拟合合并为一步进行,既省略了轨道积分计算,又直接获取广播星历,可有效降低处理的计算量.试验结果表明该方法在4 h弧段内可将数据采样间隔放宽至20 min,有效减低了自主导航对星间链路测量频度及数据处理频度的要求.在现有卫星轨道60 d长期预报精度条件下,可满足URE 1 m、位置3 m的定轨精度.为集中式定轨方法应用于星载处理提供了可能.     

地面大功率干扰源对导航星座星间链路的干扰分析

为了定量分析地面大功率干扰源对导航星座星间链路的影响程度,提出单星干扰解析模型,通过等效载噪比定量描述干扰强度,通过测距误差和通信误码率衡量干扰对单颗导航卫星的影响。根据导航星间链路的工作特点,对卫星受干扰导致整星座星地联合定轨及星间转发通信功能异常的原理进行分析。研究结果表明:星间链路系统具有较强的抗地面干扰的能力,地面单个大功率干扰源对星地联合定轨精度的影响小于厘米级,对星间转发通信的影响仅为部分卫星的链路传输代价增加以及直接干扰卫星一段时间内的通信异常。     

椭圆限制性三体问题模型下平动点拟周期轨道卫星的自主定轨分析

基于椭圆限制性三体问题,研究了平动点轨道卫星导航星座仅利用星间测距进行自主定轨的技术。分别分析了平面Lyapunov轨道和垂直Lyapunov轨道上卫星仅利用星间测距进行自主定轨的精度。为了提高拉格朗日轨道导航星座对月球空间的覆盖范围,设计了由地月系的L1、L2、L4和L5四个平动点附近的拟周期轨道上的卫星构成的导航星座,分别利用扩展卡尔曼滤波方法和无迹卡尔曼滤波方法进行了自主定轨仿真分析,结果表明:平动点轨道导航星座可以仅利用星间测距实现长期高精度自主定轨。     

基于无迹卡尔曼滤波的导航星座并行式自主定轨

针对卫星轨道动力学模型的高度非线性及星座自主定轨的高精度需求,基于星间双向测距观测信息,提出了采用无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）作为星载算法的导航星座并行式自主定轨方案,并且给出了UKF算法中可见星先验信息引入的额外方差矩阵,以保证滤波的稳定性.仿真结果表明,该方案可以实现星座的长期自主定轨并维持一定精度.
     

转发式测距和直发式伪距的GEO卫星联合定轨

GEO卫星是区域卫星导航系统空间段的重要组成部分.仿真模拟表明,在星座组网运行时通过差分策略可消除卫星钟差,但对只有GEO在轨运行的单星模式需要引进其他测轨技术才可能获得高精度的GEO轨道和钟差信息.本文提出联合转发式测距和直发式伪距数据的GEO卫星联合定轨和钟差估计方案,克服了转发式跟踪站数量和测距数据有限的问题,实现了对直发式伪距跟踪站星地组合钟差的估计,并且保持了卫星星历与钟差的自洽性.利用我国区域跟踪网对GEO卫星的实测数据进行了联合定轨试验,开展了详细的误差协方差分析说明了转发式和直发式两种测轨技术的贡献,结果表明：转发式测距数据的定轨残差为0.203m,直发式伪距的定轨残差为0.408m.定轨弧段内激光外符视向精度为0.076m,预报2h激光外符视向精度为0.404m,星地钟差估计精度约为1.38ns.对于基于单个转发跟踪站的转发直发联合定轨,激光外符视向精度为0.280m,预报2h激光外符视向精度为0.888m,星地钟差估计精度约为1.55ns.相关指标满足了导航服务的需求.     

考虑波束限制的改进导航星座星间链路方案

导航卫星星座系统由于卫星间的相对运动使卫星的相互可见关系不断变化,这给链路选择带来了挑战.本文研究具有同轨及异轨星间链路的导航星座网络,综合考虑星间链路状态,通过比较最短路径方案和K短路径方案,提出了一种考虑波束限制的适用于导航卫星星座的星间链路优化方案,并进行仿真研究,最后得出了有用的结果.     

区域监测网精密定轨与轨道预报精度分析

我国导航系统采用区域监测网提供轨道预报等导航服务．由于区域网不能覆盖地球中轨轨道（MediumEarthOrbit,MEO）SE星全弧段,并且受卫星相对于监测网几何条件限制,若采用与全球网相同的定轨和预报策略,预报精度难以满足我国导航系统的指标要求．预报精度决定于定轨获得的初轨和力学模型的精度．针对MEO卫星星座的区域监测网定轨预报问题,本文提出两步法策略,即首先解算部分动力学参数和轨道参数,然后强约束这部分动力学参数的估值,重新解算所有动力学参数和轨道,并利用得到的初轨和动力学参数进行轨道预报．利用实测GPS数据的实验表明,采用两步法定轨策略可获得对动力学参数的合理解算结果,并可提高轨道预报精度,预报1天轨道的平均用户距离精度（UserRangeError,URE）优于0．6m．     

应用卫卫跟踪数据恢复地球重力场的模拟分析

探讨了应用卫卫跟踪(SST)卫星星历、星间距离和星间距离变率数据来恢复地球重力场的数学模型和算法,利用卫星动力学法恢复了直到40阶的地球重力场模型.结果表明:在仅模拟5 cm轨道误差、10μm星间距离误差及1μm.s-1星间距离变率误差的情况下,采用星间距离恢复的结果比采用星间距离变率恢复的结果精度要高,说明SST距离测量比SST距离变率测量对重力场的扰动更敏感.     

基于星敏感器和星间链路的卫星星座自主定轨研究

以对地定位观测三星星座为例, 研究了联合星敏感器和星间链路测量信息的卫星星座自主定轨方法. 通过仿真三星星座星间链路观测和CCD星敏感器对背景恒星的观测, 生成两种类型的仿真观测资料, 基于这些资料建立了星座联合自主定轨的测轨方程, 在此基础上进行了星座自主定轨的仿真计算. 综合考虑各种定轨方案以及潜在的各种测量误差的影响, 对卫星星座自主定轨精度进行了比较和分析, 结果表明所采用技术手段应用于卫星星座自主定轨是可行的, 并形成了若干研究结论, 对于这种自主定轨技术拓展应用于更广泛意义下的卫星编队星座具有重要的参考价值.     

利用CAPS测距数据确定GEO卫星变轨期间的轨道

为调整轨道或者姿态,卫星每隔一段时间会进行喷气或者动量轮卸载,相当于对卫星产生了附加推力．由于变轨过程的复杂性和变轨加速度测量的不确定性,在一般的定轨过程中,通常是不采用变轨期间的测轨数据．但是在特殊情况下如导航卫星的RDSS服务需要提供不间断的包含变轨弧段在内的连续星历．文中利用高精度高采样率的CAPS测距资料,对某GEO卫星包含变轨弧段在内的6天长弧段进行了定轨分析,着重讨论如何利用变轨期间的遥测数据建立变轨推力模型,并将推力模型加入到定轨的动力学模型中,进行长弧段定轨．研究还表明,即使没有准确的遥测信息,基于CAPS系统的高精度高采样率测轨数据,可以解算推力参数．计算结果表明两种方案均取得了良好的数据拟合效果,变轨弧段的轨道位置误差最大约为20m．     

导航星座自主导航技术研究

导航星座自主导航日益成为新一代卫星导航系统的主要研究方向。在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上，重点提出了导航星座自主导航的关键技术，包括卫星星历与时钟参数的长期预报技术、星间测距与通信链路的建立和维持技术、星座卫星自主时间同步技术、星座卫星自主星历更新技术、自主导航信息处理的鲁棒滤波技术、星座整体旋转建模技术，以及地球自转及极移参数的长期预报技术。详细分析了关键技术实施途径，论证了相关数学模型。最后，对星座卫星自主时间同步与星历更新算法进行了系统仿真，结果表明：通过星载滤波器处理星间双向测     

火星探测器跟踪及VLBI测定轨分析

我国将于2020年首次发射由轨道器和火星车组成的火星探测器.火星探测器的跟踪及精密测定轨是完成工程任务和科学探测的前提.本文首先分析了火星探测器跟踪技术.然后在简述好奇号火星车VLBI观测频度和测定轨精度的基础上,以2020年7月发射的火星探测器为例,给出了深空机动、近火制动、平面机动、降轨前等关键测控弧段的太阳等离子体时延、各测站观测仰角等参数.分析了我国VLBI网对火星探测器的测定轨能力以及关键弧段的测定轨精度.用5 d的测距测速数据、测速测距+VLBI数据分别进行定轨并预报2 d至近火制动点,三维定轨误差(1σ,下同)由只用测速测距时的45.7 km降至18.8 km,近火点高度预报误差由28.2 km降至7.6 km,体现了VLBI在近火制动等关键测控弧段对定轨和轨道预报精度提高的贡献.在测距、测速和VLBI时延测量误差降低后,近火制动段定轨和预报误差会进一步降低.     

导航星座激光/微波星间链路协同时间同步方法研究

时间同步是卫星导航系统提供定位、导航以及授时服务的关键.星座自主运行模式下需要通过星间链路组网进行星座整网时间同步,以支持正常的导航定位服务.相比于微波链路,连续建链的激光链路可以提供时标统一的、更高精度的钟差测量结果.本文提出一种星座自主运行模式下激光/微波星间链路协同时间同步方法.通过连续观测的激光星间链路建立时间比对网络,基于加权平均算法生成星间时间基准;激光比对网络外卫星通过时分体制微波链路,利用分布式卡尔曼滤波算法溯源至星间时间基准,实现星座整网时间同步.基于新一代北斗星座进行整网时间同步性能仿真,激光/微波协同时间同步方法生成的时间基准相比微波星间链路生成的时间基准,短期、中期稳定度均有明显提高,整网时间同步误差标准差优于0.05 ns.     

转发器式卫星轨道测定新方法

基于卫星双向时间传递技术,提出了一种全新的卫星轨道测定方法——“转发器式卫星轨道测定方法”．该方法不但能高精度地测定卫星的轨道,而且能给出高精度的时间比对结果,其优点是观测精度高．发射信号和接收信号的不同组合,形成不同模式的卫星测轨观测方法：测站接收卫星转发自己站发射的信号,这种模式称作自发自收模式;所有测站接收卫星转发的某一个站发射的信号,这种模式称作一发多收模式;所有测站接收经卫星转发的所有站发射的信号,称作多发多收模式．给出了各种模式卫星定轨的严格归算公式及自发自收模式和一发多收模式的实际观测结果．结果表明自发自收模式和一发多收模式有很高的观测精度：测距精度优于1cm,一天观测弧段的定轨观测残差优于9cm．     

一种具有异轨星间链路的Walker星座网络拓扑与路由生成方案

Walker星座网络能否建立异轨星间链路是提升其通信能力的关键所在.研究了一种24/3/1 Walker星座,通过对卫星间的能见分析及星间链路特性分析,探索了建立异轨道星间链路的可行性.然后,按照时段接续的异轨星间链路方案,进行了24/3/1 Walker星座网络的拓扑仿真与生成,并在此基础上对星座网络采用K短路径和最短路径路由选择策略进行了对比仿真分析.结果表明,按照时间段接续建立异轨星间链路的方案是可行的,所生成的网络拓扑的切换时间间隔最小为30 s,最大为115 s,K短路径策略在总体上要优于最短路径策略.     

全球导航星座的远地/深空导航应用研究

全球卫星导航系统为低轨和地面用户提供导航服务已有广泛的研究.中高轨卫星以及深空卫星的定轨、定姿和时间同步,目前主要利用地面测控系统完成,存在设备复杂、投资高、无法同时支持大量飞行器、无法自主运行等缺点.本文研究中高轨卫星和深空卫星利用全球导航星座进行定轨、定姿和授时服务的可行性,实现其扩展应用,寻求全球导航星座作为天基网时空基准的高效途径,使得天基网的自主导航与自主运行成为可能.论文提供了一套解决方案,在不增加卫星设备的前提下,通过星间链路的巧妙设计,实现对远地、深空飞行器的无源导航服务,重点研究了卫星可见性、几何精度因子（GDOP）等内容,进行了定位、定时精度分析,为全球导航星座的建设提供思路.     

轨位偏置的GEO卫星轨道快速恢复技术

北斗系统中轨位资源相对匮乏的GEO卫星需要频繁轨控来保持轨位,其轨控后的轨道快速恢复问题,是制约卫星可用度和系统服务性能的重要因素.GEO卫星静地特性使得难以实现轨道参数与钟参数的有效分离,特别针对轨位偏置GEO卫星该问题更加突出.本文提出了星地钟差支持下的轨道快速恢复技术,通过无线电双向法实现星地时间同步和多星定轨实现高精度站间时间同步,实现了钟差与轨道的有效分离.本文同时提出具有先验约束的降相关方法和基于长弧约束短弧运动学和动力学参数的轨道快速恢复方法,有效解决了监测接收机系统差问题,实现了高精度的轨道快速恢复.基于北斗系统实测数据的试验分析表明:机动后轨道快速恢复时间由24 h缩短为4 h,SLR评估的预报2 h轨道视向精度优于1 m,UERE精度优于1.5 m,有效解决了轨位偏置GEO卫星的轨道快速恢复问题.