BDS-3广播星历轨道、钟差精度分析

文章针对北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS),分析了北斗三号卫星(BDS-3)广播星历的轨道和钟差精度,给出了详细的精度评估方法;选取连续30 d的BDS广播星历数据,以精密星历为参考值从轨道偏差、钟差偏差、空间测距误差、单点定位(single point p...     

GNSS导航电文空间信号测距误差分析

空间信号测距误差(Signal-In-Space Range Error,SISRE)描述卫星广播星历误差和钟差参数误差在用户平均星站方向的投影,是影响用户定位授时精度的关键因素.本文以事后精密轨道和钟差参数为基准,分别评估Galileo,GPS和BDS-3卫星的广播星历轨道用户测距误差(User Range Error,URE)、钟差参数误差、SISRE的大小和特征.结果表明,Galileo,GPS,BDS-3的SISRE分别为0.14,0.49,0.35 m.三者的广播星历轨道URE分别为0.14,0.27,0.09 m.三者的钟差参数误差分别为0.14,0.41,0.35 m.Galileo广播星历径向轨道误差和钟差参数误差之间具有很强的相关性.两者相互抵消,可有效降低Galileo卫星的SISRE.不同类型GPS卫星的钟差参数误差和SISRE有明显区别.随着GPS卫星的更新换代,其钟差参数误差和SISRE会逐步降低.BDS-3卫星具备与GPS和Galileo卫星显著不同的特征:(1)BDS-3卫星广播星历轨道径向误差和钟差参数误差的相关性较小,自洽性较差;(2)BDS-3卫星广播星历轨道URE较小,而钟差参数误差较大.其中,BDS-3卫星的广播星历轨道URE小于Galileo和GPS,但是其钟差参数误差对SISRE的贡献显著大于Galileo和GPS.通过比对上述卫星的SISRE大小及特征,指出提高钟差参数精度是提高BDS-3卫星空间信号精度的关键.     

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.     

GPS电文用户测距精度参数设计分析

为了研究卫星导航系统完好性参数设计对用户端完好性的影响,该文对GPS电文完好性参数中用户测距精度(URA)参数的分级方式及用户算法的变化进行了研究。采用实际国际GPS服务(IGS)广播电文数据与精密星历星钟数据进行仿真分析,证明了细化GPS用户测距精度分级方式的必要性。在此基础上,证明了采用相互独立的星历和星钟用户测距精度值能更好地描述卫星段误差。考虑传输段误差影响,利用广播星历构造卫星星座仿真分析了最坏用户位置处的测距误差,并采用加权法和最大方差法分别计算用户瞬时测距精度。对电文改进前后的两种区间划分标准和不同URA更新周期下的用户测距精度索引值进行比较分析。研究结果表明,导航电文采用5 bits将用户测距精度细化为32个区间能更好地区分不同卫星的测距误差,改善用户的完好性性能。     

轨道动力学修正模型及其在北斗短时星历预测中的应用

对于具有低功耗和小型化需求的便携式卫星导航终端设备,准确的星历预测更有利于其快速定位,实现节能与器件小型化.在传统卫星轨道动力学模型预测方法的基础上,提出了含太阳、地球和月球的万有引力以及太阳光压之外的其他摄动力修正项的修正模型.利用导航卫星轨道位置的周期性特性,在轨道平面下对该修正项进行数值建模,通过北斗导航卫星的历史广播星历数据获得修正项参数的短时拟合值,进而对北斗导航卫星进行星历预测.最后,通过北斗导航卫星的实际星历数据验证了该修正模型对提高短时星历预测精度的可行性.     

GPS与北斗广播星历TGD参数对单点定位影响比较分析

卫星群延时间参数(Timing Group Delay,TGD)表征了卫星不同频率信号通道之间的延迟偏差,一般作为重要的信息在卫星导航系统的广播星历中播发给用户.由于不同卫星导航系统广播星历中的钟差定义的不同,卫星TGD参数的含义也有所差异,用户在利用广播星历进行定位授时中必须正确理解并使用广播星历卫星钟差与各个频率信号的TGD改正参数.本文针对GPS和北斗卫星导航系统(BDS),分别使用无电离层组合和单频观测对TGD参数在定位中的影响进行计算和分析,通过比较分析指出了目前北斗广播星历中的TGD可能存在一些问题需要进一步调查.     

北斗基本导航电文定义与使用方法

导航卫星发播的导航电文信息是用户导航定位的空间基准和时间基准.本文主要讨论了北斗卫星导航系统发展现状,介绍了北斗卫星导航系统发播信号特征与信息内容以及北斗系统时空基准与GPS(Global Positioning System)差异,在此基础上,详细给出了北斗基本导航电文中的卫星钟差与TGD(Time Group Delay)参数、卫星星历参数、电离层延迟模型参数的定义与使用方法,并结合实际应用,给出了用户使用北斗导航电文时需要特别注意的一些问题.     

北斗GEO卫星广播星历的直接拟合算法研究

针对因北斗地球静止轨道(GEO)卫星的小倾角特性,经典全球卫星定位系统(GPS)广播星历拟合算法不能直接应用于北斗GEO卫星这一问题,提出了一种基于无奇点变换的北斗GEO卫星广播星历直接拟合算法.该算法采用一组无奇点轨道根数代替经典轨道根数,解决了由GEO轨道的小倾角特性引起的经典广播星历拟合过程中法化矩阵奇异的问题;同时,避免了接收机GEO广播星历参数用户算法中坐标旋转的过程,减少了GEO用户算法的计算步骤.经仿真验证:该算法可很好地适用于北斗GEO卫星广播星历拟合,且拟合精度高,完全满足接收机导航定位的精度.但对于圆地球轨道(MEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星,该算法实用性较差,仍须进一步研究和改进.     

利用星间双向测距数据进行北斗卫星集中式自主定轨的初步结果分析

自主定轨是导航卫星自主导航的重要任务,是指在地面运行控制系统不可用的情形下,利用星间测距维持导航系统星历的自主更新.本文利用北斗新一代导航试验卫星搭载的Ka波段星间双向测距数据,进行集中式自主定轨试验.首先给出了星间双向测距数据的处理流程和数学模型,并分析了星间双向测距数据的测量特性.结果表明星间双向测距数据是一种高精度的距离测量.将星间双向测距数据用于定轨处理,残差标准差小于1 0 cm,均值好于1.0 cm,解算的设备零值稳定度好于0.2 ns.分别利用重叠弧段比较、用户等效距离误差评估和激光残差等方式评估了自主定轨的精度.结果表明,在一个地面锚固站支持下,自主定轨得到的卫星轨道径向重叠弧段互差优于6 cm,预报2 4 h径向重叠弧段互差优于1 0 cm.2 4 h预报轨道用户等效距离误差为0.4 3 m,优于L波段预报轨道的0.76 m,激光残差优于1 0 cm.星间链路对地观测为自主定轨提供空间基准,避免星座的整体旋转.本文讨论对地测量时长对自主定轨的影响.结果表明即使星间链路对地观测的截止高度角为60°,自主定轨结果和2 4 h预报轨道径向误差优于10 cm,三维位置优于1.5 m.     

北斗服务性能提升体系研究与集成验证

(1)空间信号精度提升总体设计。在最大程度兼容北斗卫星导航系统的基础上,从提升系统发播的空间信号精度方面,论证给出系统服务性能提升的指标分配与可行性分析、明确空间信号精度提升系统接口设计、完成空间信号精度提升总体设计,指导课题2(北斗空间信号精度提升关键技术)的工程实现。(2)地基导航信号网络总体设计。研究北斗地基导航信号影响服务精度的各种因素、实现定位精度5 m的指标分配、设计并论证地基导航信号网络信号体制、完成地基导航信号网络伪卫星布设方案与时间同步方案研究。指导课题3(北斗地基导航信号网络关键技术)的工程实现。(3)系统集成与试验验证。完成北斗空间信号精度提升系统集成方案设计、空间信号提升试验方案设计、地基导航信号网络布站方案的设计、地基增强示范系统集成方案设计、地基导航信号网络试验方案设计;实现空间信号提升系统集成、地基导航信号网络集成、搭建整个北斗服务性能提升试验系统;组织开展UERE优于1 m、定位精度优于5 m的技术指标试验验证,形成示范演示试验报告。(4)基于北斗的PNT体系架构及应用研究。该研究内容主要开展基于北斗的PNT体系需求分析、PNT体系应用模式及关键技术研究、PNT标准体系研究。最终形成"基于北斗的PNT体系构架及应用研究报告"。该年度主要研究内容为空间信号精度提升总体设计、地基导航信号网络总体设计、地基导航信号网络伪卫星布设方案与时间同步方案研究和基于北斗的PNT体系需求分析。     

基于Lomb-Scargle谱分析的分析中心GPS精密产品特性分析及修正

考虑到国际GNSS服务(IGS)提供的精密产品相对于全球大地测量观测系统(GGOS)时空基准准确度1 mm的要求仍存在量级差异,采用Lomb-Scargle谱分析算法分析了GNSS各分析中心精密产品与IGS最终精密产品之间的系统性偏差、周期性偏差,并在此基础上基于最小二乘法建立了偏差修正模型用于精密参数的修正.偏差修正结果表明,修正后卫星钟差标准差平均减小15.4%,卫星轨道径向标准差平均减小33.3%,卫星轨道径向与钟差综合偏差的标准差平均减小24.0%,同时空间信号测距误差也从cm量级降低至mm量级.15个测站的定位验证结果表明,偏差修正后使用单分析中心精密产品的定位误差与使用IGS最终精密产品定位误差的一致性有所提升,3个分析中心的定位误差一致性平均提升比例为14.3%,证明了该偏差修正模型能够有效提升GNSS各分析中心精密产品与IGS最终精密产品的一致性.     

利用广播星历计算GPS卫星位置及误差分析

为了提高GPS卫星轨道计算的精确性和实时性,通过对GPS卫星的广播星历进行分析,利用从广播星历中获取的开普勒轨道参数和轨道摄动修正项,以2005年11月6日的R INEX格式的广播星历为例,通过编程,计算了07号卫星当天24 h的轨道位置坐标,并将其与当天的精密星历所提供的卫星轨道位置坐标进行对比,并对广播星历的轨道精度进行初步的讨论。结果表明,该方法确实提高了GPS卫星轨道位置坐标计算的精度。利用广播星历计算GPS卫星位置的误差主要是由于时间外推方法造成的。     

北斗三号GEO卫星的RDSS定轨精度分析

有源服务模式RDSS(Radio Determination Satellite Service)所具备的通信、导航一体化特性是我国北斗卫星导航系统的重要特色之一.为进一步提高RDSS的通信服务能力,并保障RDSS服务系统的健壮性,北斗三号RDSS服务从系统架构到信号体制都进行了很大改进.本文首先分析了新的信号体制下,RDSS测距在测量模型和观测噪声等方面的误差特性,并比较了其与原有信号体制的不同.为了避免在RNSS(Radio Navigation Satellite Service)载荷故障时RDSS不能正常提供导航服务的情况发生,RDSS系统需要能够仅利用RDSS测距完成GEO测轨,以此作为原有RNSS测轨的备份保障.文章进一步分析了这种情况下,仅利用RDSS测距进行GEO定轨的精度.通过实测数据分析,我们发现其精度可优于10 m,利用该轨道信息的定位、定时精度可以满足服务指标要求.     

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.     

GPS卫星轨道位置计算方法的研究

在GPS导航与定位中,GPS卫星轨道位置的确定是实现其功能的首要条件.本文结合开普勒运动方程、卫星轨道摄动理论和空间直角坐标系转换理论等,详细推导并证明了使用广播星历计算GPS卫星轨道位置的一种方法.该研究弥补了现有文献资料推导证明的不足,对于教学和技术人员具有一定的参考价值.     

基于测距码信号设计的塔康测距精度提升方法

塔康系统作为我军主用的战术空中导航系统，是能够实现点源定位，而且性能可靠的传统陆基无线电导航系统，在战术编队、航路导航及归航引导等方面发挥重要作用。在当前卫星导航系统应用存在抗干扰性差，抗毁能力弱的现实条件下，发展能够降级使用的备份无线电导航手段具有迫切性和现实性。而开发利用塔康系统作为备份的前提是使其具有较高的导航定位精度。设计了一种新型测距信号，利用其自相关特性提取关键的定时信息，实现塔康定位精度的提升。在信号格式、测距精度、对系统性能的影响等方面进行仿真分析，结果表明新的信号形式能够在理论上有效提升塔康测距精度。在新体制信号的基础上分析测距效果，进而提高塔康导航系统的战技性能，并为新一代测距技术提供借鉴。     

北斗三号系统互操作实现与性能分析

针对当前国际卫星导航应用从单一GPS时代发展到多GNSS(全球卫星导航系统)时代带来的新趋势和新要求,本文从星座互操作、信号互操作、时间互操作和坐标互操作四个方面开展北斗三号系统与其他GNSS系统间的互操作设计.在星座设计方面,北斗三号的星座轨道高度与倾角设计与GPS,GLONASS和Galileo三大系统的星座充分互补,全球导航卫星PDOP平均可提升37.9%;在信号体制方面,北斗三号通过相同频率相似频谱设计实现与其他系统的互操作,并签署了兼容与互操作协议,可确保用户在不改变硬件设计的情况下同时使用各大系统导航服务;在时间基准与坐标基准方面,北斗三号系统建立与维持了与国际上高度一致的基准体系,实现与国际UTC,GLNT等时差偏差保持在50 ns以内,并与国际ITRF 2014坐标参数精度保持一致.因此,北斗三号系统通过四个方面的努力,实现了与其他GNSS的互操作,可联合美俄等全球卫星导航系统为全球用户提供更优质的服务.     

基于通用钟差模型的北斗卫星钟预报精度分析

卫星钟差参数的预报精度直接影响卫星导航系统的服务性能.影响卫星钟预报精度的因素有很多,其中钟差序列的建模质量是一个很重要的影响因子,只有最能反映星载原子钟自身物理特性和运行状态的模型才能获得更高的卫星钟预报精度.本文分析了北斗系统钟差序列的特性,提出了一种通用的钟差模型,该模型同时包含线性项、周期项和随机项,并且利用了AR模型对随机项进行建模,给出了周期项和AR模型参数的确定方法,该模型还能够根据实际星载钟特性进行退化与扩展.本文还给出了基于该模型的卫星钟预报方法,最后利用北斗实测数据进行了卫星钟预报精度分析试验,试验结果表明:所提出的通用模型能够最大限度地拟合钟差序列,从而大大提高卫星钟的预报精度,特别是针对一些稳定度较差的星载钟,实现了6 h预报精度2 ns,12 h预报精度5.5 ns.     

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     

GEO卫星机动后的星历快速恢复方法

GEO卫星可用于导航卫星,存在一个重要的问题是：GEO卫星机动较为频繁,卫星机动力不易建模．基于转发式测轨数据,常用的动力学统计定轨方法在无机动力的巡航状态下可以获得很高的精度,但当机动发生后,预报轨道将很快失效,一直到机动结束后较长时间内星历都不能有效使用．为改善这种状况,我们研究机动后星历的快速恢复方法．首先使用高精度转发式测轨数据,分析了GEO卫星机动情形下的运动规律．然后在卫星机动结束并进入巡航状态后,使用密集的短弧段观测数据,把公共系统偏差、各站系统偏差等作为常数,主要解算6个轨道根数,用统计定轨方法进行轨道预报,减少解算参数提高预报精度,实现卫星星历的快速恢复．结果表明：在目前的转发式测轨网布站情形下,对鑫诺一号卫星,利用15min数据预报2h,轨道精度（O-C）约为5m;利用30min数据预报2h,轨道精度（O-C）约为3m．