BDS卫星实时精密定轨及低轨卫星增强技术研究

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1、分类号：P22810710-2014026004博士学位论文BDS卫星实时精密定轨及低轨卫星增强技术研究王乐导师姓名职称张勤教授黄观文副教授申请学位类别工学博士学科专业名称大地测量学与测量工程论文提交日期2017年10月25日论文答辩日期2017年12月20日学位授予单位长安大学ResearchonBDSReal-timePreciseOrbitDeterminationandTechnologyofEnhancedbyLEOsADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：WangLeS

2、upervisor：Prof.ZhangQinAssociateProf.HuangGuanwenChang’anUniversity,Xi’an,China摘要北斗区域卫星导航系统已于2012年12月27日开始正式向亚太区域提供服务，目前在轨服务卫星共计14颗，包括5颗GEO卫星、6颗IGSO卫星和3颗MEO卫星。拟于2020年建设成为包括5颗GEO卫星、3颗IGSO卫星和27颗MEO卫星的全球卫星导航系统。卫星轨道是导航系统的空间基准，是衡量系统服务能力的重要指标。随着北斗服务领域的不断深入和扩展，用户对实时服务的要求越来越高，高精度的实时

3、轨道是满足用户实时PNT服务的基础和关键。全球均匀分布的地面跟踪站对卫星定轨起着至关重要的作用，受限于国际政治因素和我国国土面积，完全受控的BDS地面运控监测站几乎均分布在中国境内，短时间内难以实现全球布站。因此，研究利用中国境内区域地面监测网进行卫星实时定轨对现阶段及全球组网后的北斗实时PNT服务具有重要意义。然而目前中国境内区域地面监测网无法实现对IGSO和MEO卫星的连续多重覆盖跟踪，导致北斗IGSO和MEO卫星定轨精度受限，同时GEO卫星由于其静地特性，卫星定轨精度也较差。因此，如何提高北斗卫星轨道尤其是实时轨道产品精度是目前BDS亟待

4、解决的重要问题。基于此，本文围绕卫星实时定轨问题开展深入系统研究，主要研究内容和成果如下：（1）针对BDS卫星轨道的高精度实时确定问题，研究了参数消去恢复法和双差模糊度固定关键技术，提出了长弧段滑动窗口实时定轨法，设计了优化的解算策略和流程。利用全球地面监测站数据，实现了BDS卫星轨道的实时精密确定，结果表明：北斗GEO、IGSO和MEO卫星实时轨道精度分别为253cm、27cm和17cm，相比于北斗广播星历，提高了近一个量级，相比于超快速轨道，也有较大提升。同样方法确定GPS、GLONASS和GALILEO卫星的实时轨道精度分别为5cm、12

5、cm和12cm。并率先利用8个iGMAS站观测数据揭示了四颗北斗三试验卫星的实时轨道产品精度。（2）针对BDS地面运控监测站数量较少且均分布在中国境内问题，利用长弧段滑动窗口实时定轨法，分析论证了部分模糊度固定、测站数量、观测弧长、太阳光压摄动和多系统联合定轨五大因素对区域站BDS卫星实时定轨精度的影响，设计提出了区域站BDS卫星实时定轨优选策略。数值试验结果表明：选取中国境内均匀分布的27个地面监测站，利用72h弧长观测数据，采用ECOM5参数太阳光压摄动模型，BDS/GPS双系统联合定轨可达到较好的BDS实时定轨精度，其中GEO卫星为113

6、.7cm，IGSO为11.6cm，MEO为9.2cm。若BDS单系统采用上述策略进行定轨，也可达到109.7cm、19.1cmI和14.4cm的近似等价定轨精度。研究成果对目前我国BDS广播星历和广域增强轨道精度提升具有参考意义。（3）为解决区域地面监测站测定BDS卫星轨道精度受限的难题，提出了利用低轨卫星联合地面监测站增强BDS卫星轨道确定技术，系统分析了技术特点及其定轨原理，构建了低轨卫星星载观测数据和地面监测站数据联合处理的数学模型，设计了具体数据处理流程和解算策略。数值试验表明：加入1至3颗低轨卫星，区域地面监测站测定GPS卫星实时轨道

7、精度由28.6cm分别提高到22.4cm、19.1cm和13.8cm，提升率分别为21.7%、33.1%和51.7%。同时，利用风云3C卫星数据进行低轨卫星增强BDS实时定轨精度试验，结果表明：北斗GEO、IGSO和MEO卫星实时轨道精度分别由774.7cm、108.5cm和203.9cm提高至110.4cm、91.1cm和106.6cm，提升率为85.7%、16.0%和47.7%。研究成果表明，低轨卫星增强技术可有效提升区域站BDS卫星实时定轨精度。（4）针对BDS的GEO卫星定轨精度有待进一步提升的难题，设计了低轨卫星联合全球地面监测站增强

8、BDS卫星定轨技术，利用风云3C卫星和全球29个地面监测站进行试验分析得出，采用本文方案可使GEO卫星实时轨道精度由225.3cm提高至115.3cm