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.      

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.     

导航卫星的地面站定轨算法

导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分,而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此,研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测,将导航卫星钟差参数作为状态量,推导了滤波算法的状态方程、测量方程,并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导航卫星为例进行了2天的仿真试验,考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断,并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明,4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级,钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级,并且在滤波中断后重启滤波器,仍然可以达到此估计精度,表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。     

基于固定模糊度PPP的低轨卫星实时精密定轨

传统动力学定轨法受制于动力学模型精度，传统几何定轨法精度受限，只能达到亚米级，而基于精密单点定位（PPP）模式的几何定轨法一般采用浮点解，定轨精度及可靠性较基于双差模式的相对定位较差。为提高PPP模式低轨定轨的定位性能，利用中国区域内外的IGS测站计算出当前所有卫星的宽巷和窄巷相位小数偏差产品，对经过中国大陆区域上空的国产低轨卫星海洋二号（HY-2）和资源三号 (ZY-3) 卫星进行固定模糊度PPP的定轨解算，与事后精密轨道结果进行比较，分析其外符合精度。结果表明：仅利用约10min弧段的HY-2和ZY-3卫星数据，切向与径向的定轨精度可达2cm左右，法向为5cm左右，较浮点解定轨精度大幅提升。基于固定模糊度PPP的定轨方法能够满足厘米级的实时精密定轨。     

基于双频GPS观测的简化动力学最小二乘批处理精密定轨

星载双频GPS载波相位和伪距观测量已成为低轨卫星获取精确三维位置和速度信息的主要方式. 本文以非差消电离载波相位和伪距组合作为观测量,应用简化动力学最小二乘批处理方法进行地球低轨卫星的精密定轨,并给出完整定轨流程. 采用逐段常量的经验加速度对动力学模型误差进行补偿,描述了经验加速度敏感矩阵及稀疏带状矩阵求逆的有效计算方法. 利用GRACE-A卫星GPS观测数据对定轨位置精度进行分析,结果显示,三维位置定轨精度优于5cm,经验加速度在径向、切向和法向上的补偿水平不超过40nm·s-2,大气阻力系数和辐射光压系数的估计值符合物理实际,星载接收机钟差大致呈线性并具有短周期小波动.      

星载GPS几何法实时定轨有关问题的研究

首先讨论了星载GPS几何法实时定轨的绝对定位方法和各种差分技术。由于伪距差技术能克服GPS卫星的星历误差、卫星钟误差，特别是SA误差的影响，而且实现难度不大，所以应用它来实时定轨。实测数据的处理表明，它能明显提高定轨的精度。然后分析了星载GPS所受扰动影响的情况，对应用抗差估计削弱GPS卫星信号扰动的影响进行了试验，试验的结果说明抗差估计能进一步提高星载GPS几何法定轨的精度。     

环火星测量数据处理及精密轨道确定

为支持我国首次火星探测任务取得圆满成功，宇航动力学国家重点实验室将全自主开发的精密定轨平台系统，应用于环火星轨道确定中。为满足多对象、多弧段、多中心天体的定轨需求，平台系统设计了卫星结构、测站结构、观测结构和天体结构4大基础结构，并在4大基础结构之上，设计了灵活的弧段结构和估计结构。为验证平台系统是否具备环火星定轨能力，平台系统首先使用2020年上半年跟踪火星快车实验的数据对测量模型进行了检核，得到了理论测距和实测测距偏差（11m~21m）；其次，使用2009年实测双程测速和三程测速数据定轨，单独使用双程测速定轨，轨道与欧空局精密星历位置偏差最大不超过100m，测速残差的均方根（Root Mean Square, RMS）为0.0137(cm/s)。使用三程测速定轨，位置偏差不超过250m，三程测速RMS为0.0119（cm/s）；最后，使用两天三站测距仿真进行了自定轨验证，初轨和随机差都基本收敛回仿真初值。结果显示，宇航动力学国家重点实验室精密定轨系统能够满足我国首次火星探测任务的基本需求。     

精密GPS卫星钟差的改正和应用

分析了GPS卫生钟差的变化特性，探讨了利用GPS地面跟踪站的观测数据估算GPS卫星钟差的可行性，建立了相应的算法和软件系统，并把由地面跟踪站的实测数据估算的卫星钟差用于星载GPS定轨计算，得到优于1m的定轨精度。     

USB观测数据时标偏差影响分析与评估

USB系统是目前中国载人航天和月球探测任务的主要测控网.由于USB测量设备本身以及无线电信号传播媒介以及其他误差因素的影响,USB测量数据中包含了各种误差,需要在定轨时对观测数据进行误差修正.通常,例行的USB测量误差修正包括对流层折射修正、电离层延迟修正和通道延迟修正,但对定轨过程中可能影响观测数据计算精度的时标偏差并未作修正.针对USB测距测速观测数据,详细研究了观测数据时标偏差对观测值计算精度的影响,分析了误差影响特性,建立了相应的误差修正模型,并通过与卫星星历偏差对USB测距测速观测值计算精度影响特征的比较,发现时标偏差对测量的影响与轨道沿迹误差对观测计算值的影响等效,这使得在定轨过程中分离时标偏差的难度较大.提出了基于星载GPS定位数据分离时标偏差的方法,并利用某次任务的实测数据,分离出了该次任务中USB测量的时标偏差.最后针对目前USB数据时标偏差影响和观测误差量级相当的情况,建议将目前的观测时标精度提高到优于0.1ms的水平,使得时标偏差的影响降低到比观测误差小一个量级的水平.     

脉冲星方位误差估计的两步卡尔曼滤波算法

为了克服钟差和卫星位置误差对脉冲星方位误差估计的影响，设计了两步卡尔曼滤波（TSKF）算法。首先，介绍了脉冲星方位误差估计的传统模型，并通过分析和仿真验证了钟差、卫星位置误差以及2种误差同时存在时会使脉冲星方位误差估计结果产生较大偏差。其次，在传统的估计模型中加入了钟差和卫星位置误差，并将钟差和钟差变化率增广为新的状态量，从而推导出包含2种误差的新模型，并证明了该模型的完全可观测性；根据该模型并按照两步卡尔曼滤波原理，得到了TSKF算法的步骤。最后，通过仿真表明:在钟差和卫星位置误差同时影响下，传统脉冲星方位误差估计算法偏差较大且发散；TSKF算法则能够有效隔离2种误差的影响，使赤经和赤纬误差估计达到0.2 mas之内的精度。      

灰色模型在卫星钟差预报中的缺陷分析

卫星钟差预报是时间同步的关键技术之一,方法繁多。针对灰色模型在卫星钟差预报中的应用,以GPS Rb钟钟差预报为实例,从模型构造上分析了该模型在卫星钟差预报中存在的缺陷,有利于该模型的改进和完善。     

一种高精度GPS卫星钟差预报方法

为了获得实时高精度GPS钟差,提出了采用快速星历建模进行短期预报。文章先对钟差数据提取趋势项,再利用傅里叶分析研究其周期特征以确定建模与预报时间段长度,最后利用径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络建模实时预报钟差。由于RBF神经网络用于非线性数据建模效果良好,在提取线性趋势项并合理确定建模周期后,该方法能够得到较好的预报结果。实际预报结果表明,文中方法得到的预报钟差精度高于超快速星历,能够满足分米级实时精密定位的要求。     

Beidou wide-area augmentation system clock error correction and performance verification

On December 27, 2018, the Beidou-3 System (BDS-3) has completed the deployment of 18 Medium Earth Orbit (MEO) satellites combined as a space constellation. In addition to the augmentation information for the new system signals B1C and B2a, the BDS-3 is compatible with the three augmentation information broadcast by the BDS-2 system for B1I and B3I signals: equivalent clock error correction, User Differential Ranging Error (UDRE) and Grid Ionosphere Vertical Error (GIVE). In this paper, the observation data of Beidou monitoring network are used to analyze the pseudo-range observation quality of the smooth transition signals B1I and B3I of BDS-2 and BDS-3. At the same time, the relationship between the equivalent clock error correction and the prediction error of the satellite clock is analyzed by using the Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT) data. The results show that the correlation between the equivalent clock error correction and the monitored clock error by using the TWSTFT data is greater than 60%. We calculate the UDRE by using the equivalent clock error correction. The results show that the satellite equivalent clock error correction can improve the accuracy of User Equivalent Range Error (UERE) by about 50%. This paper also compares the positioning accuracy of the BDS-2 satellites with the BDS-2 satellites combined BDS-3 satellites. The results show that the three-dimensional positioning accuracy is improved by about 30% after the BDS-3 satellites are added.     

MEMS陀螺标度因数误差分析及分段插值补偿

动态条件下,标度因数引起的误差是MEMS(Micro Electromechanical System)陀螺主要误差源之一.为了提高陀螺精度,基于内框驱动式硅MEMS陀螺误差机理,分析了标度因数常值误差、非线性误差以及不对称误差的物理起因,构建了标度因数误差数学模型,提出了对陀螺标度因数按照角速度大小分段插值的补偿方法,消除了转速引起的陀螺标度因数误差.试验结果表明:MEMS陀螺标度因数误差高达4053.2(°)/h(1 σ ),采用分段插值法补偿后陀螺误差减小到79.0(°)/h(1 σ ),补偿精度比一次拟合及分段法分别提高了15.4倍和7.5倍,验证了MEMS陀螺标度因数误差模型的正确性,证明了标度因数实时分段插值补偿方法的准确性和适用性.      

广义回归神经网络在卫星钟差短期预报中的应用

近年来,神经网络(Neural Network,简称NN)在非线性系统的预测方面取得了广泛的应用。考虑到卫星钟差包含了复杂的非线性因素,所以将一种新型神经网络-广义回归神经网络(Generalized Regression Neural Network,GRNN)应用于钟差预报中。采用“滑动窗”方式构建样本数据以提高数据利用率,为提高网络的泛化能力,利用K重交叉验证法(K-fold Cross-Validation)对网络进行训练学习,并根据最小均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)确定最优平滑因子。利用国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)公布的精密GPS卫星钟差数据进行预报实验,并与传统二次多项式模型对比分析。结果表明：GRNN模型在24h的预报跨度内的误差可达ns级,并较多项式模型有更好的稳定性;对于线性钟差,GRNN模型要逊于多项式模型,而对于非线性钟差,GRNN模型则明显优于多项式模型,初步验证了GRNN用于钟差预报的可行性、有效性以及实用性。     

Performance improvement of real-time PPP ambiguity resolution using a regional integer clock

Obtaining reliable GNSS uncalibrated phase delay (UPD) or integer clock products is the key to achieving ambiguity-fixed solutions for real-time (RT) precise point positioning (PPP) users. However, due to the influence of RT orbit errors, the quality of UPD/integer clock products estimated with a globally distributed GNSS network is difficult to ensure, thereby affecting the ambiguity resolution (AR) performance of RT-PPP. In this contribution, by fully utilising the consistency of orbital errors in regional GNSS network coverage areas, a method is proposed for estimating regional integer clock products to compensate for RT orbit errors. Based on Centre National d’Études Spatiales (CNES) RT precise products, the regional GPS/BDS integer clock was estimated with a CORS network in the west of China. Results showed that the difference between the estimated regional and CNES global integer clock/bias products was generally less than 5 cm for GPS, whereas clock differences of greater than 10 cm were observed for BDS due to the large RT orbit error. Compared with PPP using global integer clock/bias products, the AR performance of PPP using the regional integer clock was obviously improved for four rover stations. For single GPS, the horizontal and vertical accuracies of ambiguity-fixed PPP solutions were improved by 56.2% and 45.3% on average, respectively, whereas improvements of 67.5% and 50.5% in the horizontal and vertical directions, respectively, were observed for the combined GPS/BDS situation. Based on a regional integer clock, the RMS error of a kinematic ambiguity-fixed PPP solution in the horizontal direction could reach 0.5 cm. In terms of initialisation time, the average time to first fix (TTFF) in combined GPS/BDS PPP was shortened from 18.2 min to 12.7 min. In view of the high AR performance realised with the use of regional integer clocks, this method can be applied to scenarios that require high positioning accuracy, such as deformation monitoring.     

用铷原子钟对PC进行时间校准及其误差分析

个人计算机（以下简称PC）的系统时间由其自带的RTC晶振提供,其时间频率准确度并不高。为此,综合考虑各种方案,采用外部校准时间的方法提高PC时间的准确度。通过时间间隔测量的方法获得了作为校准时间结果的钟差值,并对实验结果做了详细分析。测试结果表明,PC与铷钟同步标准偏差小于1ms。经过时间校准后的PC可以作为网络时间服务器。     

旋转激光陀螺惯导系统误差传播特性分析

设计旋转式惯导系统(INS, Inertial Navigation System)最重要的工作是理清旋转调制误差自动补偿机理、掌握补偿前后误差的传播特性,在此基础上设计合理的转位方案,并对其进行仿真和试验验证.结合单轴旋转式惯导系统工作原理和误差传播方程,解释了旋转调制误差自动补偿的机理,利用理论和仿真两种手段分析了单轴旋转惯导系统中惯性元件常值误差、随机误差、标度因数误差和安装误差的传播特性,得到了旋转调制对惯性器件误差的调制效果,验证了单轴正反转停方案的有效性和应用的合理性.研究结果为旋转式激光陀螺(LG, Laser Gyroscope)惯导系统的设计提供了理论参考和设计依据.     

基于卫星监视几何精度因子的UDRE值估计方法

星基增强导航系统(SBAS,Satellite Based Augmentation System)通过向用户提供用户差分距离误差(UDRE,User Differential Range Error),来保证广播星历和星钟改正数的精度并增强用户的完好性性能.给出了一种用于主控站的UDRE计算方法,提出了卫星监视几何精度因子(SSDOP,Satellite Surveillance Dilution of Precision)的概念.基于UDRE和SS-DOP的表达式,通过数学推导发现UDRE受到SSDOP和限制因子的影响,而限制因子可以用其统计平均值0.7438来替代,建立了由SSDOP估计UDRE的表达式.仿真结果表明:利用SS-DOP估计出的UDRE值,其误差不超过0.8 m,能够反映出当前卫星UDRE的特性,可以作为用户在无法接收完好性信息时快速推算UDRE的一种可行手段.