北斗导航卫星精密定轨及低轨增强体制研究

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1、分类号：P22810710-2014026003博士学位论文北斗导航卫星精密定轨及低轨增强体制研究计国锋导师姓名职称杨志强教授申请学位级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2018年4月20日论文答辩日期2018年6月4日学位授予单位长安大学ResearchonBDSPrecisionOrbitDeterminationandLEOs-BasedAugmentationSytemADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：JiGuofe

2、ngSupervisor：Prof.YangZhiqiangChang’anUniversity，Xi’an，China摘要北斗卫星导航系统（BDS）正处于全球部署阶段，预计2020年底完成全球系统建设。卫星轨道和钟差的确定以及信息的传播是维系导航系统运行和发展的关键因素。但是我国BDS的建设和运行时间较短，相应的精密定轨理论和方法尚不成熟。为了进一步提升服务性能，必须根据系统自身特点和发展现状对BDS卫星精密定轨的相关模型和算法进行精化。同时，BDS地面运控监测站难以实现全球布网，有限的跟踪弧段制约了卫星的轨道

3、精度和稳定性。尽管我国的星间链路技术已初步实现，但仍存在不确定性，设计相应的备份和增强方案是亟待解决的问题。因此，研究适用于BDS卫星精密定轨的模型、方法及新技术对于提高系统竞争力、促进系统推广应用具有重要的现实意义。本文围绕BDS卫星精密定轨问题开展了深入系统研究，并从探索新技术的角度对低轨增强技术进行了初步探讨，主要的研究内容和成果如下：1）针对BDS与其他GNSS兼容与互操作的发展趋势，开展了多GNSS融合定轨算法研究，给出了精密定轨的数据处理流程、相关处理策略；推导了多GNSS融合定轨的解析影响，并结合实

4、测数据进行了论证。基于上述理论和方法，确定了统一时空框架下的GPS、GLONASS、Galileo以及BDS卫星的精密轨道和钟差，结果表明本文产品与其他同类产品的精度基本相当。2）针对BDS存在不同类型卫星和多种姿态控制模式的现状，对比分析了不同姿态控制模式对IGSO和MEO卫星精密定轨的影响；分别采用添加伪随机脉冲和经验力参数的定轨策略提高了卫星在零偏模式下的定轨精度；同时基于实测数据验证了BDSIGSO-6卫星和BDS-3e卫星在连续动偏模式下，采用常规策略即可提供稳定可靠的精密轨道，为BDS-3组网卫星的姿

5、态模式确定提供了技术支持。3）针对BDSGEO卫星的光压建模问题，采用长期的精密星历数据对ECOM光压模型参数进行了反演，并基于实测数据对不同光压参数选取策略进行了对比分析。结果表明：ECOM模型的D方向周期项参数对GEO卫星精密定轨的影响较为显著，而Y方向周期项参数的影响较小，实测定轨结果与精密星历分析结论较为一致。因此，建议在GEO卫星地影期精密定轨时采用7参数或者9参数ECOM模型。4）基于地面和星载观测数据分析了BDS-2、BDS-3e以及BDS-3卫星的星端伪距偏差效应，推导了顾及此项误差的BDS模糊度

6、固定方法，实验结果表明：1）BDS-2IGSO和MEO卫星的星端伪距偏差效应对模糊度固定有一定影响，修正此项误差可以提高BDS-2IGSO和MEO卫星的定轨精度。2）BDS-3e和BDS-3卫星的多路径效应I呈白噪声分布，且BDS-3卫星的信号质量优于BDS-3e卫星，两者相比BDS-2卫星已无明显的星端伪距偏差。5）针对BDS区域监测网不能覆盖IGSO和MEO卫星全弧段的紧迫问题，提出布设低轨天基监测站的解决思路。分析了布设天基监测站的必要性及其技术特点，推导了星地监测网联合定轨的函数模型，并设计了相应的数据处

7、理流程。数据试验表明：1）引入2颗GRACE卫星后，GPS卫星在全球网和区域网条件下的三维定轨精度分别平均提高了20.0%和44.3%，区域网6h和24h的轨道预报精度分别优于10cm和13cm，天基监测站可以削弱导航卫星对地面监测站的依赖。2）低轨卫星可以显著改善BDSGEO卫星的观测几何条件，全球网和区域网的三维定轨精度均有m级的提升；但由于BDS星座尚不健全以及星载观测数据不理想等原因，IGSO和MEO卫星的定轨精度改善不明显。6）为进一步提升BDS服务性能，提出了基于低轨星座的系统服务性能增强方案。开展了

8、低轨导航增强系统的初步设计，规划了系统构成和任务分配，并探讨了低轨增强系统与BDS相兼容的工作模式及工作流程。基于自主研制的综合仿真软件探讨了低轨卫星数量对BDS区域网定轨的影响。仿真结果表明：在国内8个监测站的基础上，增加10颗低轨卫星可以有效提高BDS卫星定轨精度，陆续增加更多低轨卫星对定轨结果改善不明显。最后，从覆盖性和PDOP值角度分析了低轨导航星座对于BDS全球