低轨卫星增强导航星定轨试验及数据处理方法研究

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本文针对BDS地面测站网络布设不均匀、北斗地球静止轨道卫星定轨精度较差等问题,围绕使用星载GNSS数据及地面测站观测数据联合定轨以提升导航星轨道精度的试验展开研究。内容涉及星载数据质量分析、卫星端差分码偏差改正、周跳探测与修复、定轨增强试验及影响分析等。主要工作和结论如下:1.论述了卫星精密定轨的基本理论及GNSS数据预处理理论相关内容。重点推导了卫星的运动方程和变分方程;给出了两类无几何无电离层组合模型,并对历元间差分后的组合观测值进行了实测数据检验;对星载BDS观测数据进行了质量分析。2.考虑用户使用的频点与参考的钟差基准不一致情况,推导了卫星端差分码偏差在伪距单点定位、精密单点定位下的改正公式,并推导了由于BDS B1B2、B2B3、B1B3频点之间卫星端差分码偏差存在闭合差导致改正公式的不同表达。通过实测数据试验表明差分码偏差对伪距定位的影响在dm-m量级,BDS双频定位甚至比单频定位差;对静态、动态精密定位影响分别在mm-cm量级、cm-dm量级。通过伪距定位、精密定位实验验证了闭合差的存在,指出对动态精密单点定位影响在cm量级,需考虑该项误差。3.针对数据采样间隔大且电离层扰动的问题,提出了一种北斗三频非差观测数据实时周跳探测与修复的新方法。算法的核心创新点是:在实数域内优选出两组无几何无电离层组合,联合仅含B3相位的伪距相位组合,在较小搜索区间内两次直接取整即得修复值。此外,对算法作了如下优化:对含有电离层残差的组合观测量通过估计电离层延迟进行更新;对最不敏感周跳±(1,1,1)进行二次验证。选取不同量级大小的模拟周跳和频繁添加不敏感周跳两个实验验证,结果表明新方法可以修复北斗三个频点的所有周跳。4.评估了低轨卫星(LEO)增强导航星定轨试验结果。首先使用“两步法”检核了三颗LEO即HY2A、GRACE-A、JASON-2的定轨精度。其次评估了LEO轨道高度及倾角对定轨增强结果的影响,表明在区域测站分布时需视可视弧段具体分析,国内6个测站下加入1颗LEO时不同的LEO差异在dm量级,2颗LEO时差异在6cm。再次使用150个地面测站分析了14种测站布局联合3颗LEO的增强结果,提出了“亚海”、“亚太”测站分布等概念,比较了全球均匀与区域密集、不同区域密集之间的结果。最后评估了区域测站布局情况下星载观测数据的增强效果。5.分析了星载BDS对北斗卫星定轨增强的结果。使用搭载有GPS/BDS双模接收机的风云三号C星观测数据,在全球、区域测站情况下均进行BDS单系统、GPS/BDS双系统定轨增强实验。结果表明LEO的加入对BDS GEO卫星轨道切向精度改善在50%以上,其余卫星及方向也有改善,可视弧段钟差重叠精度提升在亚纳秒量级。对三种不同定轨策略的增强结果进行了比较,表明CODE 5参数+切、法向常量经验力定轨结果最优。
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