【混合星座】3种轨道混合星座 |低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法 |对地协同观测混合星座多目标优化设计 |

北斗导航卫星系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)是我国自主建设、独立运行全球导航卫星系统。“三步走”发展战略,北斗二号系统(BDS-2)2012年宣布亚太地区提供定位、授时和短报文服务,北斗三号全球导航卫星系统(BDS-3)2020年7月31日正式建成开通并提供全球服务[1-3]。国际上其他全球导航卫星系统采用单一轨道卫星部署星座,我国北斗导航卫星系统首次采取了异构GEO+IGSO+MEO混合星座方案。目前,轨提供基本服务卫星共45颗,包括北斗二号5颗GEO卫星,7颗IGSO卫星和3颗MEO卫星以及北斗三号3颗GEO卫星,3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星。

北斗卫星轨道确定历来是学者研究热点问题。文献[4-7]研究了BDS单系统定轨方法,分析了BDS卫星轨道和钟差精度。文献[8-11]多GNSS融合定轨展开研究,采用GPS/BDS“两步法”联合定轨,轨道径向精度优于10cm。文献[12]了多系统融合定轨和单系统定轨,并两种方法下北斗星座卫星定轨精度进行了分析。文献[13-14]利用MGEX (multi-GNSS experiment)站和中国区域基准站BDS和GPS观测数据,进行了北斗定轨,分析了中国区域国家级基准站BDS定轨贡献。文献[15-16]进行了BDS-3和BDS-2联合定轨,并分析了地面站分布、度、卫星姿态模式因素轨道精度影响。文献[17-18]北斗GEO和IGSO卫星零姿态模式下定轨和卫星轨道机动后恢复进行了研究。文献[19-20]分析了光压模型优化和轨卫星增强北斗卫星定轨精度改进效果。文献[21-24]北斗三号卫星搭载高精度星间链路载荷,分析了星间链路测量噪声和测距精度,开展了联合星间观测和星间链路观测点卫星定轨试验,证明加入星间链路数据能够改善轨道精度。

北斗系统首创混合星座设计,实现区域、后全球服务发展思路同时,北斗卫星定轨带来了一些挑战。由于采用异构星座,星座卫星姿态控制模式、地面观测几何构型、动力学模型不尽相同,定轨精度有差异。是GEO卫星,其地面站观测静止不动,观测方程随时间变化,定轨解算过程中轨道参数和其他误差参数交联,分离求解,导致北斗GEO卫星定轨精度低于IGSO/MEO卫星,出现同一导航系统内星座卫星具有量级轨道精度现象。

传统导航卫星定轨方案中,无论是单系统定轨还是多系统融合定轨,习惯同一导航系统作为一个整体,采用先验信息和约束条件导航系统内所有卫星同时进行定轨计算。然而,由于北斗采用混合星座,GEO卫星轨道精度IGSO/MEO卫星一个量级,如果所有卫星同时进行轨道解算,是双差观测模型下,轨道和伪距观测精度一个量级GEO卫星IGOS/MEO卫星轨道解算带来不利影响。同时,由于GEO卫星“静地”特性,其形成约束,导致GEO卫星定轨精度。本文提出一种双差观测模型混合星座分层约束下定轨方法,传统GPS/BDS“两步法”基础上,北斗卫星分为GEO(IGSO/MEO)和GEO两部分,引入约束条件进行解算,达到提高定轨精度目的。

式中,x表示待估参数改进量;y表示实际观测值和参考轨道计算理论观测值差;H表示模型观测量参考矢量偏导数Jacobi矩阵;υy残差矢量。线性二乘问题法方程和解

一个理论模型中,一种类型观测数据会所有参数,这种情况下,法方程是。需要二乘求解中引入附加信息或约束来使法方程非,附加信息可以表示

式中,h表示引入约束信息;H表示约束信息参考矢量偏导数Jacobi矩阵;υh残差矢量。可以认为式(4)约束是增加伪观测量,或者作为假想观测量。重新考虑观测方程如下

式(6)显示,可以原始法方程中叠加ATWhA和ATWhh两项作为参数初始信息。

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北斗三号:3种轨道混合星座,抗遮挡、全覆盖、更精准

低轨通信和导航增强混合星座的优化设计方法

参数约束实现方式可以分为以下几种[25]:①约束,任何参数可以使用形如xi=0虚拟数据参数改进约束零,进而参数约束到它初值,这个虚拟观测量权重Wi可以参考该参数先验精度信息设置。②约束,可以使用形如xi-xj=0虚拟观测量来实现两个参数彼此约束。③零均值约束,一组参数估计改进量均值约束0,即∑xi=0。④参数,参数如果,不会作为未知量出现法方程系统中,而是作为已知量到其初始值。

本文解算流程如图 1所示,主要思想是:利用GPS解算结果北斗IGSO/MEO定轨形成约束,避免系统卫星同一模型中处理时GEO卫星轨道精度带来影响;利用GPS和北斗IGSO/MEO解算结果,北斗GEO卫星进行约束下轨道解算,达到同时改进GEO和非GEO卫星定轨精度效果。解算流程如下:

第2步,MGEX和iGMASGPS和北斗IGSO/MEO数据联合处理,形成双系统三星座观测值混合双差,引入并第1步解算得到GPS卫星轨道以及其他公共参数,解算北斗IGSO/MEO卫星轨道。

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对地协同观测混合星座多目标优化设计

北斗混合星座分层约束下的精密定轨方法

第3步,MGEX和iGMASGPS和北斗GEO/IGSO/MEO数据联合处理,形成双系统四星座观测值混合双差,引入并第2步解算得到北斗IGSO/MEO卫星轨道和第1步解算得到GPS卫星轨道以及其他公共参数,解算北斗GEO卫星轨道。

两种方案得到轨道进行重叠弧段(3d弧段,重叠2d),表 2给出了两种方案下各卫星径向(R)、切向(T)、法向(N)和三维位置(P)重叠弧段轨道方根误差(RMS),便于分析,图 2给出了其图示形式。统计结果表明,方案2,采用方案1解算北斗GEO和非GEO卫星三维重叠弧段轨道精度由1.501、0.152m提高0.688、0.042m,提升了54.2%和72.4%。北斗GEO卫星和非GEO卫星R、T、N方向上精度提升47.1%、60.1%、63.3%和66.8%、76.8%、70.1%。可以看出,本文提出定轨方案北斗星座定轨精度改进作用,且R、T、N方向上精度有所提高。

上述结果,分析如下:

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