北斗卫星导航系统实时定轨与钟差处理策略

目前鲜有对北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS）实时精密定轨与钟差确定的研究,文章提出了BDS实时轨道与实时钟差处理策略,包括了观测与动力学模型、实时轨道与实时钟差处理流程与评估方法。尤其对于实时钟差,为了提高计算效率,联合使用两个独立并行的线程估计非差绝对钟差和历元间相对钟差。利用多模全球卫星导航系统试验(MGEX)与全球连续检测评估系统（iGMAS）实测数据进行了北斗实时轨道与钟差解算,BDS实时轨道径向平均精度对于GEO卫星优于20cm,对于IGSO与MEO一般优于10cm;钟差精度对于GEO卫星为0.5~4.5ns,对于IGSO／MEO为0.2~2.0ns。基于目前的轨道与钟差结果,实时精密单点定位（PrecisePointPositioning,PPP）结果可以达到分米量级。     

风云三号C星GNOS北斗掩星电离层探测初步结果

利用风云三号卫星C星GNOS掩星探测仪电离层数据,分析了2013年10月FY-3C GNOS探测的北斗掩星电离层廓线分布,将2013年10月1日至2015年10月10日期间FY-3C GNOS观测的F₂层峰值电子密度（N_mF₂）与地面电离层测高仪观测结果进行对比,验证了FY-3C GNOS北斗电离层掩星的探测精度.结果表明,FY3-C GNOS北斗电离层掩星与电离层测高仪探测的N_mF₂数据相关系数为0.96,平均偏差为10.21%,标准差为19.61%.在不同情况下其数据精度有如下特征:白天精度高于夜晚;夏季精度高于分季,分季精度高于冬季;中纬地区精度高于低纬地区,低纬地区精度高于高纬地区; BDS倾斜同步轨道（IGSO）卫星精度高于同步轨道（GEO）卫星和中轨道（MEO）卫星.FY-3C GNOS北斗电离层掩星与国际上其他掩星电离层数据精度的一致性对GNSS掩星探测资料的综合利用具有重大意义.      

北斗星基增强系统性能评估

以实际广播星历、精密星历和北斗星基增强系统(BDSBAS)增强报文为实验数据，通过计算BDSBAS轨道误差、卫星钟差、空间信号测距误差和BDSBAS格网电离层有效点、播发时间和电离层延迟误差6个指标，评估分析了BDSBAS空间信号的性能。结果显示：BDSBAS增强后的GPS卫星轨道误差在切向、法向、径向分别降低了34.57%,40.57%,30.90%；卫星钟差均方根降低了24.31%，卫星钟差标准差降低了16.8%；空间信号测距误差相比增强前降低了32.75%;BDSBAS格网电离层有效点覆盖了中国及周边地区；BDSBAS各点电离层延迟播发间隔均达到ICAO对精确差分定位的要求；电离层延迟在0°-5°N范围内误差在0.4 m以上，可信度均达到99.9%，在5°-55°N范围内误差小于0.4 m，可信度均为100%;BDSBAS水平定位误差提升超过25%，垂直定位误差提升超过50%，完好性均在99.9%以上。     

北斗卫星导航系统空间信号用户测距误差计算方法研究

按照空间信号用户测距误差（UserRangeError,URE）定义,参考GPS标准定位服务性能规范中URE的计算方法,结合北斗卫星导航系统（BDS）多星混合星座类型,在考虑仰角限制情况下,详细推导了适用于BDS的瞬时URE和均方根URE计算公式。利用广播星历和精密星历计算的卫星轨道误差和卫星钟钟差,带入所推导的公式,对BDSURE进行分析评估;并使用GNSS接收机原始观测量和伪距观测方程计算BDSURE,最后将两种计算结果进行对比分析。研究结果表明,两种方法BDSURE的计算结果基本一致,在95%置信度情况下均小于2.5m,满足北斗公开服务性能规范中对空间信号URE的基本要求。     

钟差和动力学参数联合约束下的北斗卫星轨道快速确定

受地球非球形引力、第三体摄动和太阳光压等摄动因素的影响,导航卫星位置存在长周期变化趋势,需要定期对导航卫星进行轨道机动,以保持卫星轨位和导航服务区.导航卫星机动后的定轨,特别是GEO卫星,其频繁轨控后的轨道快速确定问题,是制约卫星可用度和导航系统服务性能的重要因素.在基于伪距相位数据的轨道测定中,轨道与钟差的统计相关是制约卫星轨道快速确定的关键因素,特别是在观测弧段短的情况下,待估参数之间的相关性更强,动力学参数估计结果严重失真会导致轨道预报精度衰减明显.当卫星钟差与测站钟差通过外部手段高精度测定后,可以减少待估参数的估计,同时利用长弧定轨的动力学与运动学参数先验信息,对短弧定轨模式进行参数约束,卫星定轨精度将有很大的提升空间.通过钟差与力学参数的联合约束,实现了北斗卫星短弧快速定轨,解决了卫星机动后的轨道快速确定问题,SLR评估的卫星机动后4 h定轨外符视向精度优于0.71 m,比常规方法提高了3倍,预报1 h轨道视向精度为1.89 m,用户等效距离误差(UERE)精度达到1.85 m.     

北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡，北斗三号系统（BDS-3）通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息，包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后，等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征，并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差（UDRE）进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据，对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差（UERE）约为1 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.3 m；BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差，显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型，广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比，BDS-2/BDS-3卫星联合条件下，基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%；广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m，双频用户定位精度为1.7 m，单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。      

利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化

北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC（Vertical Total Electronic Content）峰值相差约60TECU.      

星地激光时间比对在卫星导航系统中的应用

星地精密激光时间比对具有精度高、系统误差少等优点,因此利用星地精密激光时间比对,不但可以对无线电时间比对进行外部精度检验,而且可以检验并分离无线电伪距测量的系统误差,分析检测设备时延的不稳定性和卫星钟的中短期性能指标,提高卫星钟差的预报精度。     

北斗系统UERE及定位精度评估

用户测距误差（URE）与用户设备误差（UEE）是影响定位精度的主要因素.民航是北斗系统的高端用户,监测其对民航机场的覆盖性和服务性能十分必要.本文根据华东、华南、华北、西北地区4个民航机场观测站的北斗实测数据,分析了各机场卫星的可见性.根据URE的解算方法、电离层修正模型、对流层修正模型以及定位精度的评估方法,给出了对应的性能评估结果.研究发现:可见星数均在6～14颗,满足定位要求; 95%置信度下,电离层延迟优于7.50m,对流层延迟优于13.28m,地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、中圆轨道卫星（MEO）卫星的URE值分别优于2.36m,1.72m,2.59m,满足北斗规范的要求;95%置信度下,定位精度水平方向优于3.63m,垂直方向优于6.98m.结果表明北斗系统在民航机场监测站的覆盖性及服务性能良好.      

基于三频数据的北斗卫星导航系统DCB参数精度评估方法

差分码偏差（Differential Code Biases,DCB）参数作为导航电文中重要的一项,是影响用户PNT服务的主要误差源之一。北斗卫星导航系统（后文简称“北斗系统”）发射三个频点的导航信号,在导航电文中需要发播卫星的2个TGD（Timing Group Delay）参数。文章首先介绍了北斗系统卫星DCB参数最小二乘解算与形式误差评估;其次根据北斗系统三频特点,提出了不同频点组合计算垂直方向电离层电子总含量（VTEC）互差的DCB精度定量评估方法,并与IGS(International GNSS Service)提供的GPS卫星DCB精度进行比较;最后,详细分析了DCB参数精度对用户等效距离误差（UERE）计算和定位计算的影响,分别采用卫星出场标定DCB参数和经过解算DCB参数进行评估。实测数据分析结果表明,北斗系统卫星DCB参数解算形式误差与IGS解算GPS卫星DCB参数形式误差相当,但受卫星类型和解算测站的几何分布限制,北斗系统卫星DCB参数解算不确定度相比IGS略差,估计精度优于0.5ns,不同频率组合计算VTEC互差绝对值均值优于0.6TECU。相比采用卫星出场标定值,采用系统解算DCB参数后,双频用户三维位置误差改善13.80%～47.42%。     

基于位置观测的北斗广播星历速度精度分析

利用广播星历计算导航卫星的速度向量是GNSS高精度实时测速的必要条件.本文分析了仅以卫星位置向量为观测量的北斗广播星历的速度计算精度.从广播星历拟合过程出发,推导了北斗18参数模型的速度向量计算公式.基于北斗13颗在轨卫星一年的实际轨道数据,分析了全年广播星历计算卫星速度向量的精度.结果表明,利用18参数模型计算的速度误差最大在10-4m·-1量级;在相同拟合时段条件下,地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的速度精度相当,高于中圆地球轨道（MEO）卫星.通过对位置残差序列分析,得出位置残差误差较小且变化趋势平稳是广播星历计算速度精度较高的原因.分析和计算结果验证了仅用位置观测量拟合北斗广播星历算法的有效性.      

北斗“双胞胎”入网很关键

随着第12、13颗北斗卫星成功入轨,北斗卫星首次"落户"中圆轨道(MEO轨道),我国的北斗区域卫星导航系统日趋成型。在此次双星发射之前,太空中已有5颗地球静止轨道(GEO轨道)北斗卫星和5颗倾斜地球同步轨道(IGSO轨道)北斗卫星,按照"5+5+4"的组网计划,会有4颗MEO轨道卫星上天。而此次发射     

基于北斗GEO卫星双频观测值连续监测电离层延迟

利用北斗GEO卫星观测数据直接计算电离层延迟。由于GEO卫星具有固定穿刺点和静地的特性,使得观测站监测电离层变化时可不考虑空间变化,并可进行连续不间断监测。通过分析北斗GEO卫星三种频率码伪距和载波相位观测值不同组合,选取B1&B2双频计算电离层延迟为最优组合,采用相位平滑伪距的方法计算电离层延迟TEC,相较其他电离层模型,该方法的优点是不会引入模型误差,可得到连续的高精度的电离层延迟监测结果。     

MGEX北斗差分码偏差两种精确处理方法对比分析

差分码偏差是北斗卫星导航系统（BDS）在高精度定位和电离层建模中需精确处理的系统误差之一.利用MGEX发布的2017年全年和2018年6月的BDS卫星的差分码偏差数据,比较分析了DLR和CAS分别解算的BDS卫星差分码偏差的日解值、月平均值和稳定性的变化特性.分析结果表明,DLR与CAS估算的BDS卫星差分码偏差值差异不大,具有较好的一致性;2017年CAS估算的BDS卫星C2I-C6I差分码偏差稳定性略优于DLR,C2I-C7I差分码偏差稳定性与DLR相当,且均具有较高稳定性;2018年6月DLR C2I-C6I差分码偏差月平均值稳定性优于CAS;C2I-C7I差分码偏差的稳定性明显优于C2I-C6I差分码偏差,卫星差分码偏差月平均值稳定性优于日解值稳定性.      

神经网络在导航卫星钟差预报中的应用CSCD

为提高导航卫星钟差预报精度,提出一种神经网络和多项式相结合的钟差预报方法,该方法在根据星载原子钟物理特性进行多项式模型预报后,采用神经网络对多项式模型预报误差进行建模,以实现导航卫星钟差预报精度补偿。为验证本文提出的预报模型的可行性和有效性,利用实测的COMPASS导航卫星钟差数据进行钟差预报精度分析,并与传统的多项式模型预报精度进行比较。结果表明:基于神经网络建立的组合预报模型能有效提高导航卫星钟差的预报精度。     

混合星座导航卫星广播星历相关问题研究

GPS卫星广播星历参数具有参数少、物理意义明确以及精度高等特点,可以考虑将它应用于包含MEO、IGSO和GEO卫星的混合星座卫星导航系统。分析了采用GPs卫星广播星历参数时MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合精度,并且比较分析了在一个卫星的轨道周期内,广播星历参数拟合结果的变化规律。仿真结果表明,MEO、IGSO和GEO卫星的广播星历拟合误差最大在分米量级;MEO和IGSO卫星在一个轨道周期内星历参数拟合结果的变化规律相近,但是与GEO卫星的差异较大。     

测量时刻偏差对单星定轨误差的影响分析

为评估测量时刻偏差对单星定轨等效测量误差的影响,根据单星定轨处理策略分析了其理论模型,指出测站接收机的测量时刻偏差由测站时钟钟差以及测量时刻不准确度等组成。试验数据分析表明,测站钟差经一阶多项式拟合后的残差可近似为零均值的测量噪声;数值仿真结果表明,卫星信号发射时刻1ms误差导致GEO、IGSO、MEO三种卫星的等效测距误差分别为006cm、40cm、80cm。     

神经网络在导航卫星钟差预报中的应用

为提高导航卫星钟差预报精度,提出一种神经网络和多项式相结合的钟差预报方法,该方法在根据星载原子钟物理特性进行多项式模型预报后,采用神经网络对多项式模型预报误差进行建模,以实现导航卫星钟差预报精度补偿。为验证本文提出的预报模型的可行性和有效性,利用实测的COMPASS导航卫星钟差数据进行钟差预报精度分析,并与传统的多项式模型预报精度进行比较。结果表明:基于神经网络建立的组合预报模型能有效提高导航卫星钟差的预报精度。     

定位精度“精”益求“精”——访北斗卫星导航系统卫星系统总设计师谢军

第8颗北斗卫星的成功发射入轨后,与在轨的多颗地球静止轨道(GEO)卫星和地球同步轨道(IGSO)卫星组成基本系统,已经具备在星座覆盖范围内提供连续的、稳定的、全天候的基本服务能力。那么北斗卫星导航系统的基本原理、定位精度和未来发展如何呢?北斗卫星导航系统卫星系统总设计师谢军为我们进行了详细的解答。     

卫星与测站钟差支持条件下的GEO卫星精密定轨

在基于伪距的GEO卫星精密定轨中, GEO卫星的静地特性导致定轨解算无法对星地组合钟差进行有效估计, 需要独立的时间同步支持. 本文讨论了卫星和测站钟差支持条件下的GEO卫星定轨原理, 利用仿真数据系统地分析了中国区域网跟踪条件下GEO卫星的定轨精度, 从定性和定量角度分析了钟差二次项、星地时间同步精度、站间时间同步精度及系统差等因素对定轨精度的影响.