GNSS技术在GEO、IGSO航天器中的导航精度与适用性分析

现阶段高轨道航天器导航主要依靠地基测控系统,为了研究全球卫星导航系统(GNSS)技术用于高轨道航天器导航的可行性,对GNSS技术在地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星航天器中的导航精度及适用性展开了分析研究. 采用2021年11月9日的两行轨道数据(TLE)仿真GNSS星座,以不同星下点的GEO卫星和不同倾角的IGSO卫星作为目标星展开导航仿真试验. 实验结果表明:为了满足GNSS解算所需的卫星数量,须通过接收旁瓣信号来增加可见卫星数目. 对GEO目标星而言,当接收机灵敏度高于?169 dB时,导航精度可达30 m;利用GPS对7个不同的GEO或IGSO轨道目标星进行导航实验表明,GPS对目标星导航的位置误差约为35 m;北斗三号(BDS-3)、GPS、GLONASS、Galileo的导航位置误差均值分别为28.03 m、21.16 m、37.15 m、25.09 m,具有良好的内符合精度,其中GPS精度最高,GLONASS精度最低,但大部分时段也在45 m内.      

基于转发式的北斗卫星导航系统地球静止轨道卫星精密定轨试验

地球静止轨道卫星(GEO)在北斗卫星导航系统(Compass)的卫星导航中具有特别重要的作用,除了利用导航系统自身的伪距相位以外,利用其他的测轨系统对其进行精密定轨有着重要的意义。利用国家授时中心的转发式测轨网对Compass的GEO卫星进行观测,获取转发式测轨数据,利用该数据对Compass的GEO卫星进行精密定轨分析。分别从观测数据的观测精度,定轨残差以及轨道重叠误差等方面分析GEO卫星的定轨精度。     

基于不同空间尺度测站网的BDS-3 GEO卫星轨道机动实时监测

地球静止轨道(GEO)卫星为保持地球同步特性,需要频繁进行轨道机动,及时准确的对卫星轨道机动的状态进行动态监测,有助于对卫星真实轨道进行修复,使其在机动过程中仍能提供基本可用的轨道参数. 利用基于历元差分测速原理的卫星轨道监测模型,对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的2颗GEO卫星各12次历史机动进行了分析. 结果表明:所选不同空间尺度测站网均可以对C59卫星的机动时间与轨道动态变化进行实时监测,且监测结果基本一致. 另外,本文所选的不同空间尺度测站网均可对C60卫星机动时间进行精准探测,但在对其轨道状态进行实时监测时,空间尺度较大的测站网监测结果更优.      

转发式测距数据支持的GEO导航卫星精密定轨

地球静止轨道GEO卫星定轨是精密定轨领域的难点.依托我国区域范围地面跟踪网实际,提出了转发式测距数据支持下的GEO导航卫星精密定轨方案.从定轨精度、设备时延和伪距站对GEO轨道精度影响等方面进行了深入分析.试验结果证明:1 ns的时延误差引进的GEO轨道径向和位置误差分别为0.121 m和3.505 m.在多个转发式测距跟踪站约束的条件下伪距对定轨精度贡献非常有限,但通过星地钟差的估计可以实现时间同步,同步精度优于1 ns.这为时间同步提供了一种新的方法.当转发式测距跟踪站有限时伪距对GEO定轨的贡献非常明显,1CC(转发式跟踪站)+7L(伪距站)联合定轨条件下的轨道精度优于5 m.从而解决了GEO卫星精密定轨问题,同时实现了星地和站间时间同步以及卫星轨道与钟差参数的自洽.     

BDS GEO卫星对GPS精密单点定位的影响分析

为了研究北斗卫星导航系统（BDS）GEO卫星对全球中圆地球轨道（MEO）星座精密单点定位（PPP）的影响,本文利用MGEX站点连续7天的观测数据,将BDS GEO卫星和MEO卫星进行组合,对可见卫星数,定位精度和收敛时间进行了分析. 实验结果表明,在MEO卫星中加入GEO卫星可以得到更好的空间几何构型,两者的定位精度相当;GEO卫星和MEO卫星组合可以缩短收敛时间,在MEO卫星定位较差时,加入GEO卫星可以提高定位的可靠性.      

利用两颗退役同步轨道卫星优化中国区域定位系统导航性能的分析

中国区域定位系统（CAPS）在试验验证阶段利用两颗同步轨道（GEO）通信卫星和两颗退役的GEO通信卫星组成导航星座,结合CAPS气压测高技术实现三维定位。根据CAPS的星座特点,分析了不采用气压测高实现转发式卫星导航定位的可行性和改变退役卫星轨道参数对星座PDOP值的影响。结果表明：调整两颗退役GEO通信卫星的轨道参数后,不采用气压测高技术也可以使CAPS在一天的较长时段内实现较高精度的导航定位。     

基于静地特性的GEO带目标混合函数型星历表征设计

地球同步轨道(GEO)卫星带是一类独具高空战略地位的轨道资源.长期以来GEO带编目目标采用双行轨道根数(TLE)和简化常规/深空摄动4模型(SGP4/SDP4)进行通用轨道计算,但该解析算法存在外推精度受限、使用过程复杂、用户难以理解等缺点.本文针对GEO的静地特性,结合经典开普勒根数和多项式-傅里叶级数设计了混合函数型参数星历模型,可用于高精度数值积分轨道的12～24 h轨位拟合和多组星历参数的同步发布,用户计算模型简单.对三颗代表性GEO目标为期一年的星历参数拟合实验表明,1 d拟合均方根(RMS)均值优于20 m;当缩短拟合时长至12 h,拟合精度可优于0.15 m.可为我国空间目标编目库的分级管理提供参考.     

混合星座的精度因子与定位性能分析

通过对静地同步卫星(GEO)、倾斜轨道同步卫星(IGSO)/GEO结合和MEO/GEO结合等星座的精度因子(DOP)计算和分析,初步探索了利用混合星座解决无高程辅助的纯GEO星座不能垂向定位和水平定位精度欠佳的问题。同时,结合我国卫星导航系统的发展,提出利用IGSO/GEO混合星座作为区域定位星座向全球定位星座过渡的观点。     

北斗二号对北斗三号伪距单点定位精度影响分析

针对当前BDS-2/BDS-3组合定位性能,基于国际GNSS服务(IGS)跟踪站对BDS-2/BDS-3的组合定位实测数据,分析了北斗二号(BDS-2)不同类型卫星对北斗三号(BDS-3)卫星B1I、B3I与B1I/B3I双频组合伪距单点定位精度的影响. 经研究发现,BDS-2不同类型星座卫星都能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在20%以内,而全部BDS-2卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在30%以内,整体提升关系为:BDS-2全部卫星>IGSO卫星>GEO卫星>MEO卫星.      

北斗卫星精密轨道与钟差精度分析

针对北斗卫星导航系统的卫星姿态模型、天线相位中心改正及卫星定轨数据处理策略未统一的现状,该文对比分析了武汉大学和德国地学研究中心提供的北斗事后精密轨道和钟差产品的差异及精度,结合实测数据,通过分析精密单点定位的定位精度来比较两中心精密轨道和钟差的差异。实验结果表明:北斗卫星的精密轨道精度与轨道类型有关,地球静止轨道(GEO)卫星的轨道精度为米级,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道精度为分米级,中地球轨道(MEO)卫星切向、法向和径向的精度分别为10.81、5.41和3.37cm;GEO卫星钟差精度优于0.38ns,IGSO卫星钟差优于0.25ns,MEO卫星钟差优于0.15ns;两家分析中心产品的北斗静态精密单点定位的平面精度相当;北斗静态精密单点定位的RMS统计值平面精度优于3cm,三维精度优于7cm。     

相位单差残差评估北斗区域导航系统载波相位观测量质量

由于北斗区域导航系统采用混合星座设计,其不同类型卫星载波相位观测量的质量得到广泛关注。当基线较短且模糊度正确固定后,卫星残差信息可有效反映观测数据质量。本文采用优化的站际单差算法获取不同卫星单差残差序列,并对其进行统计分析与假设检验。结果表明,北斗GEO与IGSO卫星数据质量无系统性差异,其质量随卫星高度角的降低而明显变差。良好环境下,GEO与IGSO卫星相位单差残差基本服从正态分布,可依据卫星高度角等信号质量指标建立合适的随机模型。     

GEO卫星对BDS-3伪距单点定位性能定量提升分析

地球静止轨道（GEO）卫星是北斗卫星导航系统（BDS）星座的主要组成部分,为分析其对北斗三号（BDS-3）定位性能的影响,本文基于MGEX跟踪站实测数据,分析了GEO卫星对BDS-3伪距单点定位精度的影响．经研究发现,GEO卫星能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,能有效提升BDS-3伪距单点定位精度,北斗二号（BDS-2）／BDS-3 GEO卫星使BDS-3伪距单点定位精度的提升量优于任一单系统GEO卫星,GEO卫星对BDS-3伪距单点定位水平向定位精度提升在30％以内,对高程方向定位精度提升在20％以内．      

关于建设北斗星基广域增强系统研究

鉴于GPS系统已经成熟,北斗导航系统建设尚不完善,本文考虑建设北斗卫星对GPS卫星的增强系统。一方面,采用GPS/Compass-Ⅱ组合卫星导航系统,可大大增加某一时刻的可见卫星数,增强导航定位系统的可靠性。另一方面,北斗现已发射第九颗导航卫星,其中包括5颗地球静止轨道卫星,本文重点探讨利用这5颗GEO(Geostationary Orbit,GEO)卫星对GPS系统进行外部增强,即北斗GEO卫星同时播发卫星导航电文和增强信息,提高用户定位精度。     

基于滑动式傅里叶级数的BDS精密星历内插分析

精密星历的内插是全球卫星导航系统（GNSS）高精度定位数据处理的重要工作之一，其内插的精度也直接影响着定位精度.本文综合滑动式插值理论与傅里叶级数算法，通过采用不同阶数的傅里叶级数和9阶切比雪夫多项式拟合内插北斗卫星导航系统（BDS）中的地球同步轨道（GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、中圆轨道（MEO）卫星精密星历，来分析傅里叶级数插值在BDS精密星历内插中的插值效果.实验表明，不同阶数，傅里叶级数内插效果不同.其中，采用3阶傅里叶级数GEO卫星与IGSO卫星精密星历内插精度最高，达到毫米级精度，MEO卫星在采用4阶傅里叶级数时内插精度最高，达到厘米级精度.对比两种不同内插算法，9阶切比雪夫拟合更适用于GEO卫星与IGSO卫星，而MEO卫星使用傅里叶级数插值精度更高.      

联合GEO/IGSO/MEO的北斗PPP模糊度固定方法与试验分析

由于北斗地球静止轨道（geostationary earth orbiting,GEO）卫星轨道精度较低且其观测值受多路径误差和伪距偏差影响严重,目前各分析中心尚未针对北斗GEO卫星提供长期稳定的相位小数偏差（uncalibrated phase delay,UPD）产品,北斗精密单点定位（precise point positioning,PPP）模糊度固定技术研究主要针对倾斜轨道（inclined geosynchronous orbiting,IGSO）和中地球轨道（medium earth orbiting,MEO）卫星。本文采用Wanninger和Beer的高度角模型消除了IGSO/MEO观测值伪距偏差,并通过小波变换提取低频分量修正伪距观测值的方法削弱了GEO卫星多路径和伪距偏差的影响。由于窄巷UPD估值受未模型化误差影响较大,本文改进了窄巷UPD估计的策略,该策略利用上一历元成功估计的窄巷UPD对当前历元的浮点模糊度进行改正,剔除了残差较大的浮点模糊度,修正固定错误的整周模糊度,从而提高了窄巷UPD的精度和稳定性。利用估计得到的UPD产品,本文实现了联合GEO、IGSO和MEO卫星的北斗非差PPP模糊度固定,并对其定位性能进行分析。结果表明：联合GEO、IGSO和MEO卫星的PPP固定解的首次固定时间和收敛时间均可以缩短到30 min以内;6 h后的E、N、U方向的定位误差由（1.35、0.35、2.75）cm减少到（1.07、0.26、2.24）cm,分别减少了20%、27%和18%。     

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．      

北斗/GPS组合定位方法

随着北斗卫星导航系统的逐渐完善,有关北斗系统定位的研究越来越深入,为了对比分析北斗系统和全球定位导航系统(GPS)定位的差异性,充分利用北斗地球静止轨道卫星(GEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)高轨道卫星的特殊性,本文提出一种新的组合选星方法,选取卫星数较少且Position Dilution of Precision(PDOP)最小的北斗/GPS组合,分别对比分析北斗系统、GPS系统及其组合系统在楼顶开放环境和楼间恶劣环境下的定位效果。实验结果表明:北斗比GPS有更加稳定的定位效果,依据本文组合选星方法,利用少量卫星即可获得较好的定位精度。     

北斗导航定位系统单点定位中的一种定权方法

北斗卫星导航定位系统星座复杂、不同种类卫星高度差异较大,本文将全局性非线性最小二乘算法(Bancroft算法)应用到北斗单点定位中,Bancroft算法主要依据四维空间下的一种Lorentz内积实现,将Bancroft算法中的Lorentz内积方程写成误差方程形式,推导此方程的权,得到一种新的北斗观测值定权公式。为了验证上述定权方法,基于伪距相位差值(CC组合)组合观测值分析了北斗GEO、IGSO和MEO卫星的测距信号质量,基于多路径(MP组合)组合观测值分析了多路径效应对单点定位的影响。结果表明,新算法提高了北斗单点定位精度。     

“一带一路”沿线及周边地区BDS定位性能动态分析

本文通过STK软件对BDS全球组网时至当前的星座结构进行了动态仿真,确定了“一带一路”沿线及周边地区最小可见卫星数、GDOP值以及定位误差的动态变化过程。结果表明,当前BDS已实现“一带一路”沿线大部分地区的覆盖,中国大陆、东南亚、南亚等地区的定位精度优于13 m,但北欧、东欧、西亚等小部分地区的定位精度仍有待提高;MEO卫星较GEO／IGSO卫星对“一带一路”沿线及周边地区定位精度的提升作用要大;同时发现,随着可见卫星数的增加,GDOP值逐渐减小,但当可见卫星数达到一定值时,随着可见卫星数的增加,GDOP值的减小幅度不明显,说明单纯增加可见卫星数有时并不完全能提高定位精度。