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。     

两种GPS广播星历参数算法的比较

介绍了新GPS广播星历参数,分析了新旧GPS广播星历参数及其用户算法的区别,导出了卫星位置矢量对新GPS广播星历参数的偏导数,并与旧GPS广播星历参数偏导数进行了简要的比较分析.计算结果表明,两种GPS广播星历参数算法都能很好地描述MEO卫星的轨道特性,且广播星历参数拟合算法的精度损失仅为数厘米.      

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%。     

北斗区域Klobuchar改进模型及其修正精度分析

北斗卫星导航系统采用Klobuchar模型修正单频接收机用户的电离层延迟误差,由于此模型从亚洲地区应用角度考虑,在某一特定区域的修正精度甚至不足50%。为进一步提高区域电离层延迟修正精度,提出在原模型8个改正参数的基础上增加5个关键参数的Klobuchar改进模型,并采用松弛迭代与直线搜索法中的黄金分割相结合的算法对新增参数进行求解。以天津及其附近区域为例,利用GPStation6接收机采集到的实测数据对改进模型与原模型进行计算。将国际全球导航卫星系统服务组织（International GNSS Service,IGS）发布的全球电离层格网数据作为参考值,对比分析改进模型与原模型的修正精度。结果表明,区域Klobuchar改进模型在天津及其附近区域的电离层延迟平均修正精度比原模型提升了10.46%,平均修正精度达到77.51%。     

北斗三号电离层模型性能分析

根据北斗卫星导航系统三步走战略,北斗三号系统空中星座在2020年左右完成部署,信号的覆盖范围从亚太大部分地区扩展至全球.实际上自2018年底北斗三号系统已经可以初步提供全球服务.相应地,北斗系统的单频电离层模型从只适用于亚太大部分地区的BDSKlob模型发展到适用于全球范围的BDGIM模型.为分析北斗三号电离层模型的性能,以IGS GIM最终数据为参考,比较了2019年3月1-31日期间北斗BDGIM模型、BDSKlob模型以及GPSKlob模型在不同时段不同地区的改正效果.结果表明：北斗三号BDGIM模型在中国区域的改正率达75%以上,优于BDSKlob模型59%的改正率;在全球范围的改正率达60%,优于GPSKlob模型49%的改正率.除南半球高纬度地区外,BDGIM模型的电离层误差值均小于GPSKlob模型,其在垂直方向的电离层均方根误差值优于6TECU.     

中国北斗布好基本阵

在地震时立过大功的中国北斗导航系统，从2011年12月27日开始正式提供试运行服务，向东经84度到160度，南纬55度到北纬55度之间的中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。试运行服务期间，位置精度为平面25米和高度30米。到今年年底，北斗卫星导航系统提供正式运行服务，服务精度会达到10米左右。     

GPS 16参数广播星历改进参数的变化规律分析

在2004年发布的GPS界面接口控制文档中提出一种对GPS 16参数广播星历进行改进的GPS 18参数广播星历.本文介绍了GPS 16参数广播星历的拟合算法,对两类GPS广播星历参数进行比较,分析了改进参数的变化规律及特性.计算结果表明,GPS 16参数广播星历的改进参数具有明显的约12h和13.5d的周期变化特性,新提出的GPS 18参数广播星历能够更好地逼近GPS卫星真实轨道.     

基于改进FCM的北斗三频组合观测值选取

以北斗卫星导航系统三频双差为基础探讨了组合观测值及误差,针对以往采用聚类方法在研究GPS三频组合数据过程中的不足,提出了基于距离修正的增量模糊C均值算法.通过调节因子有效地修正了样本中心与聚类中心的距离,获得合理的隶属度,从而得到正确的分类;构造了基于距离修正的聚类有效性指标,自动获取最佳聚类数,避免了人为确定聚类数的不合理性;在此基础上引入增量的思想,数据增加时以原有的数据集为基础,根据阈值进行归类,不需要重新进行初始计算.通过矩阵变换法及实例验证了该方法的可行性和可靠性.     

基于北斗三号的长基线共视时间比对

卫星导航共视时间比对一直是远距离时间比对的重要方法之一。使用我国最新发射的北斗三号全球导航卫星,基于中科院国家授时中心(NTSC)和捷克光电研究院(TP)各自的时间产生和保持系统,开展了中捷北斗三号长基线共视时间比对试验。本文对中捷两站各自的北斗卫星可视数及其卫星高度角情况进行了统计分析,利用Vondark滤波对时间比对结果进行了降噪处理,最后将北斗三号共视时间比对结果与北斗二号及GPS共视时间比对结果进行了比较。结果表明:北斗三号在当前全球组网阶段中捷共视可视卫星数比北斗二号还少的情况下,其共视时间比对精度达到1. 16ns,较北斗二号提升约19%,与GPS更为接近。     

一种高精度的卫星星历模型

针对近圆的近地卫星轨道提供了一种高精度的计算卫星星历的数学模型,该模型利用10个固定参数来拟合轨道的长期和长周期变化部分,短周期变化部分利用已有的理论结果。充分利用近圆轨道的特点将田谐项引起的短周期变化部分进行同频合并后,最终的分析表达式相当简单。该模型还有相当大的灵活性,可以根据不同的精度要求进行相应的选择,其最大误差可控制在50m以下。     

Evaluation on real-time dynamic performance of BDS in PPP,RTK, and INS tightly aided modes

Since China’s BeiDou satellite navigation system (BDS) began to provide regional navigation service for Asia-Pacific region after 2012, more new generation BDS satellites have been launched to further expand BDS’s coverage to be global. In this contribution, precise positioning models based on BDS and the corresponding mathematical algorithms are presented in detail. Then, an evaluation on BDS’s real-time dynamic positioning and navigation performance is presented in Precise Point Positioning (PPP), Real-time Kinematic (RTK), Inertial Navigation System (INS) tightly aided PPP and RTK modes by processing a set of land-borne vehicle experiment data. Results indicate that BDS positioning Root Mean Square (RMS) in north, east, and vertical components are 2.0, 2.7, and 7.6?cm in RTK mode and 7.8, 14.7, and 24.8?cm in PPP mode, which are close to GPS positioning accuracy. Meanwhile, with the help of INS, about 38.8%, 67.5%, and 66.5% improvements can be obtained by using PPP/INS tight-integration mode. Such enhancements in RTK/INS tight-integration mode are 14.1%, 34.0%, and 41.9%. Moreover, the accuracy of velocimetry and attitude determination can be improved to be better than 1?cm/s and 0.1°, respectively. Besides, the continuity and reliability of BDS in both PPP and RTK modes can also be ameliorated significantly by INS during satellite signal missing periods.     

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.     

Time synchronization of new-generation BDS satellites using inter-satellite link measurements

Autonomous satellite navigation is based on the ability of a Global Navigation Satellite System (GNSS), such as Beidou, to estimate orbits and clock parameters onboard satellites using Inter-Satellite Link (ISL) measurements instead of tracking data from a ground monitoring network. This paper focuses on the time synchronization of new-generation Beidou Navigation Satellite System (BDS) satellites equipped with an ISL payload. Two modes of Ka-band ISL measurements, Time Division Multiple Access (TDMA) mode and the continuous link mode, were used onboard these BDS satellites. Using a mathematical formulation for each measurement mode along with a derivation of the satellite clock offsets, geometric ranges from the dual one-way measurements were introduced. Then, pseudoranges and clock offsets were evaluated for the new-generation BDS satellites. The evaluation shows that the ranging accuracies of TDMA ISL and the continuous link are approximately 4?cm and 1?cm (root mean square, RMS), respectively. Both lead to ISL clock offset residuals of less than 0.3?ns (RMS). For further validation, time synchronization between these satellites to a ground control station keeping the systematic time in BDT was conducted using L-band Two-way Satellite Time Frequency Transfer (TWSTFT). System errors in the ISL measurements were calibrated by comparing the derived clock offsets with the TWSTFT. The standard deviations of the estimated ISL system errors are less than 0.3?ns, and the calibrated ISL clock parameters are consistent with that of the L-band TWSTFT. For the regional BDS network, the addition of ISL measurements for medium orbit (MEO) BDS satellites increased the clock tracking coverage by more than 40% for each orbital revolution. As a result, the clock predicting error for the satellite M1S was improved from 3.59 to 0.86?ns (RMS), and the predicting error of the satellite M2S was improved from 1.94 to 0.57?ns (RMS), which is a significant improvement by a factor of 3–4.     

基于特征点位置及速度的空间非合作目标质心位置测量方法

对于空间非合作目标,地面上所用的质心位置测量方法难以实现。提出了一种应用摄像测量学实现质心位置测量的新方法。首先采用双相机对目标进行拍摄,通过特征点的匹配计算目标表面上特征点的位置及速度;再通过这些特征点的位置及速度,结合刚体运动学理论,计算目标的质心位置。仿真结果表明,本方法可以有效地实现目标的质心位置测量。     

Comparison of convergence time and positioning accuracy among BDS,GPS and BDS/GPS precise point positioning with ambiguity resolution

Precise point positioning (PPP) usually takes about 30?min to obtain centimetre-level accuracy, which greatly limits its application. To address the drawbacks of convergence speed and positioning accuracy, we develop a PPP model with integrated GPS and BDS observations. Based on the method, stations with global coverage are selected to estimate the fractional cycle bias (FCB) of GPS and BDS. The short-term and long-term time series of wide-lane (WL) FCB, and the single day change of narrow-lane (NL) FCB are analysed. It is found that the range of GPS and BDS non-GEO (IGSO and MEO) WL FCB is stable at up to a 30-day-time frame. At times frame of up to 60?days, the stability is reduced a lot. Whether for short-term or long-term, the changes in the BDS GEO WL FCB are large. Moreover, BDS FCB sometimes undergoes a sudden jump. Besides, 17 and 10 stations were used respectively to investigate the convergence speed and positioning errors with six strategies: BDS ambiguity-float PPP (Bfloat), GPS ambiguity-float PPP (Gfloat), BDS/GPS ambiguity-float PPP (BGfloat), BDS ambiguity-fixed PPP (Bfix), GPS ambiguity-fixed (Gfix), and BDS/GPS ambiguity-fixed (BGfix). The average convergence speed of the ambiguity-fixed solution is greatly improved compared with the ambiguity-float solution. In terms of the average convergence time, the Bfloat is the longest and the BGfix is the shortest among these six strategies. Whether for ambiguity-float PPP or ambiguity-fixed PPP, the convergence reduction time in three directions for the combined system is the largest compared with the single BDS. The average RMS value of the Bfix in three directions (easting (E), northing (N), and up (U)) are 2.0?cm, 1.5?cm, and 5.9?cm respectively, while those of the Gfix are 0.8?cm, 0.5?cm, and 1.7?cm. Compared with single system, the BDS/GPS combined ambiguity-fixed system (BGfix) has the fastest convergence speed and the highest accuracy, with average RMS as 0.7?cm, 0.5?cm, and 1.9?cm for the E, N, U components, respectively.     

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.     

低轨卫星的北斗反射信号海洋覆盖分析

北斗系统作为我国自行研制的导航系统,具有独特的混合星座特性,其反射事件在海洋上的空间分布和覆盖性能的研究成果较少。针对上述问题,模拟了北斗三号(Beidou System 3,BDS3)以及全球定位系统(Global Positioning System,GPS)空间星座,模拟不同性能参数的低轨接收卫星,在此仿真系统的基础上,计算反射事件在各仿真场景下的海洋覆盖率以及同时发生反射事件的卫星数量。结果表明:BDS3与GPS相比具有更大的反射事件海洋覆盖率,覆盖性能更优;仿真周期7天与1天相比,前者卫星产生的反射事件海洋覆盖率约为后者5倍;低轨道卫星(Low Earth Orbit,LEO)轨道高度越高,天线波束角度越大,反射事件海洋覆盖率越大; 3颗LEO卫星下同时发生反射事件卫星数的平均值约为单颗LEO卫星的3倍。可通过设计多星组网来提高反射事件海洋覆盖率。研究结果对星载反射技术海洋遥感应用方面有一定的参考价值。     

基于GNSS的高轨卫星定位技术研究

利用全球卫星导航系统(GNSS)进行导航定位具有全球、全天候、实时和高精度的优点,应用于高地球轨道(HEO)卫星的定位,能够提供精确的轨道和姿态确定,并且可以克服目前主要利用地面测控系统对HEO卫星进行定位的设备复杂、投资高等缺点,使得自主导航成为可能.本文对利用GNSS的高轨卫星定位相关技术进行了研究,分析了单一GNSS系统和多个GNSS组合系统的卫星可见性、动态性和几何精度因子(GDOP).通过仿真分析表明,利用组合GNSS系统并通过提高GNSS接收机灵敏度的方法,可以解决GNSS进行HEO卫星定位的相关问题,并能保证HEO卫星定位精度的要求.      

观测资料和卫星钟差对PPP参数收敛影响分析

在GPS 单点定位中, 参数解算的收敛时间和收敛稳定性是重要的研究内容之一, 影响收敛时间和收敛稳定性的因素很多, 本文主要就观测资料的不同采样间隔、卫星钟差资料的不同采样间隔、不同的定位精度要求对精密单点定位中参数收敛时间的影响进行了深入的分析探讨, 以中国上海GPS综合应用网中的12个测站资料为例, 分析了采样间隔、定位精度要求与收敛时间的关系, 并对不同采样间隔的收敛时间进行了统计分析, 得出一些初步结论.