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北斗卫星导航系统精密定轨和广播星历轨道精度分析.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.48M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 北斗卫星导航系统精密定轨和广播星历轨 道精度分析# 耿涛，苏醒，许小龙，徐夏炎* 5 10 15 20 25 30 （武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079） 摘要：为了分析北斗卫星导航系统导航定位服务能力，本文基于 2013 年 IGS 组织 M-GEX、 Furgo、武汉大学 BETS 和 ILRS 等四个跟踪网观测数据，首先进行卫星精密定轨及精度评定， 然后采用与事后精密轨道比较、激光检核等方式进行广播星历轨道精度评定，最后分析了广 播星历轨道对用户定位的影响。结果表明：基于载波相位观测数据的北斗 GEO 卫星精密定 轨切向分量存在 m 级的常偏量误差，而基于时间比对和平滑伪距观测数据的广播星历切向 分量没有这一现象；北斗卫星精密定轨切向、法向精度分别可以达到 0.1m、0.2m；广播星 历切向、法向精度分别为 0.5m、1m 左右，轨道误差 URE 平均为 0.57m。 关键词：GNSS；SLR；北斗卫星导航系统；精密定轨；广播星历；导航定位 中图分类号：P228 Research on Precise and Broadcast Ephemeris Orbit of BeiDou Navigation Satellite System GENG Tao, SU Xing, XU Xiaolong, XU Xiayan (GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079) Abstract: The navigation and position ability of BeiDou Navigation Satellite System is presented using the data collected by IGS M-GEX, Furgo, WHU BETS and ILRS tracking networks. First of all, BDS Precise Orbit Determination is processed and assessed using PANDA software which is developed at the Wuhan University. Then, RMS of broadcast ephemeris orbit is analyzed with different methods, such as comparison with precise orbit, SLR residual, et al. Finally, URE of broadcast ephemeris orbit is discussed. The experiment results show that the along-direction in GEO precise orbit has constant error, the quantity of which is 1-4m; RMS in the radial-direction and cross-direction is 0.1m and 0.2m separately. Meanwhile, the radial-direction and cross-direction in broadcast ephemeris is 0.5m and 1m separately; URE of broadcast ephemeris orbit is 0.57m. Key words: GNSS; SLR; BeiDou Navigation Satellite System; Precise Orbit Determination; Broadcast Ephemeris; Navigation and Position 0 引言 35 我国北斗卫星导航系统BDS于2012年12 月完成区域系统建设，向亚太大部分地区正式 提供连续无源定位、导航、授时等服务（http://beidou.gov.cn/）。自从2011年IGS组织M-GEX 计划（ Multi-GNSS Experiment）开始研究新GNSS信号，包括GPS、Glonass系统现代化出 现的新信号和BDS、Galileo、QZSS等新系统信号。截止2013年12月份，M-GEX计划约有30 个配备不同类型接收机和天线的跟踪站跟踪BDS卫星[1-4]；武汉大学BETS跟踪网在亚太、欧 洲、中东、南非等地建立了13个跟踪站[4-5]；中国科学院国家授时中心转发式测轨网也可以 对BDS卫星进行跟踪观测[6]。除此之外，国际激光组织ILRS对4颗BDS卫星进行观测。 40 广播星历是卫星导航系统提供用户服务能力的前提，其精度评定方法主要包括与更高精 度的事后精密星历比较和激光捡核等。基于区域站数据，文献[6]光压模型主要估计BDS卫星 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20110141120076） 作者简介：耿涛（1982 年-），男，副教授，研究方向：大地测量学与测量工程. E-mail: gt_gengtao@whu.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 45 50 正对太阳的反射系数，文献[7]又增加估计Ybias参数和T或者N方向的经验力，事后精密定轨 的径向精度优于1m。基于武汉大学BETS跟踪网，文献[6、8]采用了BERNESE的ECOM 5参数 （D0、Y0、B0、Bs、Bc）、模型文献[9]采用了ECOM 9参数（D0、Y0、B0、Ds、Ys、Bs、Dc、 Yc、Bc）模型，获得事后精密定轨的径向精度约10cm，三维位置精度约50cm。基于IGS M-GEX 和Furgo跟踪网，文献[10]进行了BDS卫星的定轨精度分析，事后定轨精度与文献[6、8、9]一致。 卫星导航国际权威组织IGS中心CODE分中心于2013年10月27日公布了仅包括BDS倾斜地球 同步轨道IGSO和中轨道MEO卫星精密轨道，而没有地球静止轨道GEO卫星。基于武汉大学 BETS跟踪网，文献[11]对2012年北斗系统组网不同阶段下广播星历轨道精度进行了统计分析， 广播星历径向精度绝大部分优于0.5米，法向精度约为1米，切向精度明显比径向和法向精度 低，特别是相对于接收机几何变化较小的GEO卫星。 总体来说，上述研究采用测站比较少，区域星座整网阶段测试分析时间段较短。因此， 55 本文基于 2013 整年 IGS M-GEX、Furgo、武汉大学 BETS 和 ILRS 等四个跟踪网首先进行卫 星精密定轨，然后进行广播星历轨道精度分析，从而阐述 BDS 导航定位服务能力。 1 数据处理方法 1.1 数据说明 BDS 区域系统卫星星座包括 5 颗 GEO、5 颗 IGSO 和 4 颗 MEO 等三类，本文采用的数 60 据源包括 IGS M-GEX、Furgo、武汉大学 BETS 三个 GNSS 跟踪网和 ILRS 激光跟踪网（图 1）。2013 年 GNSS 跟踪站数目由最初的 28 增长到 70 个左右，同时有 12 个激光站跟踪 BDS 卫星。GNSS 跟踪网主要采用了 3 家公司的 7 种类型接收机（图 2），其中美国 Trimble NetR9 接收机最多，达到 30 个左右；其次为中国和芯星通 Unicore UR240-CORS 接收机。 65 图 1 跟踪网站址分布图 Fig.1 Distribution of ground tracking stations 1.2 数据处理策略 本文进行数据处理的软件是武汉大学自主研发的 PANDA 软件[12]。 1.2.1 卫星精密定轨策略 70 卫星精密定轨主要包括动力学模型、测量学模型和参数估计方法等，具体如下： 定轨中动力学模型：EIGEN_GL04C 地球引力场模型 10×10 阶；日、月和其他行星 （DE405）引起的 N 体引力摄动；顾及固体潮、海潮、极潮和相对论影响（IERS2003 规范）； 太阳光压摄动采用 BERNESE 的 ECOM 5 模型。 - 2 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 75 图 2 GNSS 跟踪站接收机类型统计 Fig.2 Tracking stations statistic 定轨中测量学模型：3 天定轨弧段；数据采样间隔为 300s；B1 和 B2 非差无电离层相位 和伪距观测值组合；原始相位和伪距观测值中误差分别为 2mm 和 2m，且加权方式随高度 80 角而变化；高度截止角为 7º；进行卫星 PCO 改正，不进行 PCV 改正；对流层改正采用 Saastamoinen 模型和 GMF 映射函数，并附加参数估计湿延迟量；顾及潮汐引起的测站坐标 偏移、相对论效应、天线相位中心和相位缠绕等改正。 参数估计方法：加权最小二乘方法；接收机和卫星钟差参数采用随机游走估计，固定基 准接收钟为 GPS 解算的接收钟差值；每 2 小时分段估计对流层湿延迟量常参数；卫星轨道 85 估计参数包括初始位置和速度、ECOM 模型（D0、Y0、B0、Bs、Bc）；GEO 卫星和处于 零偏状态下的 IGSO、MEO 卫星估计切向经验力常参数；模糊度参数未固定。 1.2.2 卫星轨道精度评定策略 卫星精密轨道精度评定方式：1 天重复弧段比较（图 3）、与 IGS 中心 CODE 分析中心 轨道比较、SLR 检核三类，其中重复弧段比较属于内符合精度，后两类属于外符合精度。 90 图 3 重复弧段比较示意图 Fig.3 Orbit overlap comparison 广播星历轨道精度评定方式分为与事后精密轨道比较和 SLR 检核两类，其中事后精密 95 轨道分为本文计算结果和 CODE 发布结果。 1.2.3 广播星历轨道对用户定位的影响分析策略 卫星可用性是指广播星历中卫星标记为“健康”的时段与总时段的比值，是卫星导航系 统提供用户服务能力的重要指标之一。 决定用户定位精度的因素是用户测距误差 URE 和几何精度因子 PDOP，PDOP 值是由 100 导航系统星座设计决定，因此本文主要探讨广播星历轨道误差引起的 URE。由于卫星轨道 高度的差异，BDS 系统 URE 的计算公式不同于 GPS，具体如下： - 3 - 020406080100120140160180200220240260280300320340360010203040506070 SEPT ASTERX3 SEPT POLARX4 SEPT POLARX4TR SEPT POLARXS TRIMBLE NETR5 TRIMBLE NETR9 UNICORE UR240-CORS ALL STATIONStation NumberDOY in 2013Arc1Arc2Arc31-day overlap
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn GEO/IGSO 卫星： MEO 卫星： (1) 105 (2) 其中， 、 、 分别表示广播星历轨道误差在切向、法向、径向的分量，并且径向 误差对 URE 更加敏感。 2 数据处理结果分析 2.1 卫星精密定轨精度分析 110 2.1.1 重复弧段比较 表 1 给出了 2013 年卫星 1 天重复弧段比较精度。由表可知，切向分量误差最大，径向 误差最小；三类卫星法向精度优于 15cm，径向优于 8cm； IGSO、MEO 卫星切向精度在 10-15cm；GEO 卫星切向存在 1-4m 量级的常偏量误差，且比 IGSO、MEO 卫星大，这一现 象与文献[8-10]一致，这是因为 GEO 卫星相对地面几乎静止不动，几何结构差，在基于载波 相位观测数据定轨中轨道参数与钟差、模糊度参数等严重相关，定轨法方程病态造成。需要 115 注意的是，相对于切向和法向，卫星径向误差对于用户定位更加敏感，因此在卫星定轨中最 重要的是提高径向精度。 表 1 精密轨道精度统计（单位：cm） Tab.1 Average RMS values of precise orbit (unit: cm) 1 天重复弧段比较 与 CODE 分中心轨道比较 Cross Radial Along Cross Radial 11.3 9. 7 10.5 9.0 13.9 11.8 12.7 13.6 11.3 11.0 8.3 8.5 8.4 8.7 6.2 6.9 6.6 7.2 7.4 4.0 4.2 5.2 3.6 3.8 3.5 3.6 3.5 3.5 - - - - - 25.1 45.7 37.0 26.7 33.3 10.1 10.5 13.7 13.7 24.3 40.3 37.1 24.8 21.7 12.4 12.5 15.6 15.9 4.5 10.1 5.8 5.5 4.1 3.9 3.5 4.4 4.6 PRN C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 C08 C09 C10 C11 C12 C13 C14 Along 369.5 234.8 376.9 222.3 217.9 12.1 11.7 14.8 10.8 11.0 11.7 12.1 12.5 12.6 120 2.1.2 与 CODE 中心精密轨道比较 IGS 组织 CODE 分中心于 2013 年 10 月 27 日公布了 IGSO、MEO 卫星精密轨道，与之 进行轨道比较，也是评定精密定轨精度的外符合手段之一。由表 1 可知，切向和法向精度 IGSO 卫星均在 20-50cm，MEO 在 10-16cm；卫星径向精度在 3-10cm；与重复弧段比较结果 基本一致。 - 4 - 222,10.98()127GEOIGSOURERAC22210.96()54MEOURERACACR
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 125 2.1.3 激光检核 由于精度高，激光检核目前是精密定轨精度评定的最有力外符合手段。图 4 给出了激光 站标准点（Normal Points）数目统计，其中澳大利亚 Yarragadee（7090）和中国长春站（7237） 跟踪数目最多，标准点超过 100 的共有 11 个激光站，约占所有标准点的 94%。 在数据粗差探测和移除后，各卫星被跟踪标准点和 3 天精密定轨中间一天结果的激光检 130 核残差（O-C）精度统计如表 2 所示。总体来说，C08、C10 和 C11 激光检核 RMS 在 10cm 左右；C01 卫星 RMS 达到 54.5cm，且存在的约 30cm 系统偏差（Offset）。SLR 检核残差是 轨道误差在激光站视线方向上的投影，主要是指轨道径向误差，但同时也包含切向和法向的 投影误差。前面所述 GEO 卫星存在着明显的切向误差，从而造成 GEO 的 RMS 和 Offset 均 明显偏大。 135 140 图 4 激光跟踪站标准点 NPs 统计 Fig.4 Normal points of SLR stations 表 2 精密轨道和广播星历激光检核精度统计 Tab.2 SLR residuals of precise orbit and broadcast ephemeris PRN NPs C01 C08 C10 C11 1061 1220 2588 2113 精密轨道（cm） 广播星历（cm） Mean -29.5 -7.1 -1.6 -2.8 Std 45.8 10.7 8.8 9.0 Rms 54.5 12.8 8.9 9.4 Mean 2.5 -8.8 -2.8 2.1 Std 47.3 31.9 31.1 35.7 Rms 47.4 33.1 31.3 35.8 2.2 广播星历轨道精度分析 2.2.1 与事后精密轨道比较 表 3 给出了 2013 年广播星历与事后精密轨道差异统计。由表可知，三类卫星差异法向、 径向分量分别约 1m、0.44m； IGSO、MEO 卫星切向精度平均为 1.6m；由于事后精密星历 145 比广播星历高一个量级，除 GEO 卫星切向分量外，可以认为上述差异为广播星历轨道精度。 2.2.2 激光检核 表 2 给出了广播星历激光检核残差（O-C）精度统计。总体来说，C01、C08、C10 和 C11 激光检核 RMS 在 40cm 左右，这与事后精密轨道比较结果一致。值得注意的是：相对 于精密星历激光检核残差，C01 卫星系统偏差 Offset 要小的多，这是因为广播星历是基于时 150 间比对和平滑伪距观测数据计算而来，不存在模糊度参数，且轨道参数与钟差参数也得到了 - 5 - 70907237783978217941784588347840740671057825711073087249712478417838740518731893182404008001200160020002400NPs
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 较好的分离，GEO 卫星定轨法方程几何结构变强。 表 3 广播星历与事后精密轨道比较统计（单位：m） Tab.3 Comparison between precise orbit and broadcast ephemeris (unit: m) PRN Radial Along Cross C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 C08 C09 C10 C11 C12 C13 C14 20.95 6.75 7.77 6.73 4.65 1.15 1.62 1.32 1.14 1.47 1.95 1.91 1.79 1.82 1.09 0.84 1.04 1.14 0.98 0.96 1.20 1.18 0.96 1.03 0.69 0.73 0.73 0.71 0.49 0.45 0.45 0.49 0.54 0.32 0.37 0.37 0.32 0.39 0.54 0.52 0.49 0.47 2.3 广播星历轨道对用户定位的影响 155 卫星标记为不健康的原因主要包括 GEO 轨道机动、正午机动、子夜机动等。由图 5 可 知，2013 年卫星可用性均在 93%以上，平均为 99.64%；除 C01 号卫星，广播星历轨道 URE 在 0.35-0.85m 之间，平均为 0.57m。 160 3 结论 图 5 广播星历可用性和轨道 URE 精度统计 Fig.5 Availability and orbit ure of broadcast ephemeris 经过 2013 年北斗卫星精密定轨和广播星历轨道精度分析表明： （1）在基于载波相位观测数据的北斗 GEO 卫星精密定轨中，轨道参数与钟差、模糊度 参数等严重相关，切向分量存在 1-4m 量级的常偏量误差；而广播星历是基于时间比对和平 165 滑伪距观测数据计算而来，不存在模糊度参数，而且轨道参数与钟差参数也得到了较好的分 离，切向分量则没有这一现象。 （2）北斗卫星精密定轨径向、法向精度分别可以达到 0.1m、0.2m；广播星历径向、法 向精度分别可以达到 0.5m、1m。 （3）北斗广播星历可用性平均为 99.64%；轨道误差 URE 平均为 0.57m。 - 6 - C01C02C03C04C05C06C07C08C09C10C11C12C13C149092949698100 Availability (%)PRN0.00.51.01.52.0 Broadcast ephemeris Orbit URE(Unit:m)
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 170 [参考文献] (References) [1] Springer T., et al. GNSS Analysis in a Multi-GNSS and Multi-Signal Enviroment[CD]. San Francisco, USA: American Geophysical Union, December 2013. [2] Prange L., et al. MGEX data analysis at CODE - first Experiences[CD].Olsztyn, Poland: IGS Workshop, July 2012. [3] Weber R.. The IGS Multi-Signals Tracking Campaign MGEX - Planning, Status, Perspectives[CD]. Olsztyn, Poland: IGS Workshop, July 2012. [4] Tao Geng, et al. Orbit and Clock Determination of BDS Regional Navigation Satellite System based on IGS M-GEX and WHU BETS Tracking Network[CD]. San Francisco, USA: American Geophysical Union, December 2013. [5] Shi C., et al. WHU's Developments for the GPS Ultra-Rapid Products and the COMPASS Precise Products[CD], Olsztyn, Poland: IGS Workshop, July 2012. [6] 雷辉, 李志刚, 杨旭海等. 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[J]. 测绘学 报，2011，40（Sup.）：31-33. [7] Zhou Shanshi, Hu Xiaogong, Wu Bin, et al. Orbit Determination and Time Synchronization for a GEO/IGSO Satellite Navigation Constellation with Regional Tracking Network[J], Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2011, 54(6): 1089-1097. [8] 李敏. 多模 GNSS 融合精密定轨理论及其应用研究[D]. 武汉：武汉大学，2011. [9] Maorong Ge, Hongping Zhang, et al. What Is Achievable with the Current Compass Constellation[OL], [2012-11-1]. http://www.gpsworld.com/what-is-achievable-with-the-current-compass-constellation/ [10] Xianglin Liu, J. Tegedor, K. de Jong, M. Stone. Towards Real-Time PPP and PPP-RTK by adding BeiDou and Galileo[CD]. Nanjing, China：CSNC，May 2014. [11] 胡志刚. 北斗卫星导航系统性能评估理论与试验验证[D]. 武汉：武汉大学，2013. [12] Liu Jingnan, Ge Maorong. PANDA Software and Its Preliminary Result of Positioning and Orbit Determination[J]. Wuhan University Jounal of Natural Science, 2013, 8(2B): 603-609. 175 180 185 190 195 - 7 -
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