BDS精密定軌關(guān)鍵技術(shù)研究

張 睿

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，陜西 西安 710600

2012年12月27日，中國(guó)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)正式為亞太區(qū)域用戶提供定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)以及短報(bào)文通信服務(wù)，預(yù)計(jì)到2020年BDS將實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)并提供全球PNT服務(wù)。導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道產(chǎn)品是保障導(dǎo)航系統(tǒng)可用性的核心要素之一，衛(wèi)星軌道精度將直接影響用戶的導(dǎo)航定位性能，因此，如何獲取高精度的導(dǎo)航衛(wèi)星軌道是BDS目前關(guān)注的重點(diǎn)研究問(wèn)題。

我國(guó)BDS由三類衛(wèi)星組成，包括地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星以及中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星，獨(dú)特的星座構(gòu)成使其在亞太區(qū)域PNT服務(wù)中更具優(yōu)勢(shì)，但這種星座異質(zhì)性給精密定軌工作帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。同時(shí)BDS還存在系統(tǒng)尚未建設(shè)完成、跟蹤站尚未全球分布等諸多問(wèn)題，使得較為成熟的GPS衛(wèi)星定軌技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用于BDS衛(wèi)星定軌。如何解決現(xiàn)今BDS定軌面臨的諸多關(guān)鍵技術(shù)，獲取高精度的BDS衛(wèi)星軌道成為當(dāng)前亟待解決的研究熱點(diǎn)?；诖?，本文開(kāi)展了相關(guān)研究，主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下:

(1) 研究總結(jié)了衛(wèi)星定軌的基本原理、動(dòng)力學(xué)定軌方法、導(dǎo)航衛(wèi)星定軌模型、相關(guān)的時(shí)間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)以及動(dòng)力學(xué)軌道模型的參數(shù)估計(jì)方法，重點(diǎn)分析了定軌主要誤差源的原理、改正方法以及對(duì)定軌精度的影響。

(2) 針對(duì)GPS、GLONASS、GALILEO以及BDS的不同星座軌道特點(diǎn)，研究制定了不同導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星的定軌方法及策略，分析了各導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星定軌精度和特點(diǎn)，給出了多種定軌誤差源對(duì)BDS三類衛(wèi)星定軌精度的影響，并通過(guò)對(duì)比BDS和GPS定軌結(jié)果，研究得出了當(dāng)前BDS衛(wèi)星定軌面臨的主要問(wèn)題。

(3) 提出了利用衛(wèi)星位置精度因子(SPDOP)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)精度因子(DOP)定量描述定軌跟蹤站分布優(yōu)劣的方法，并推導(dǎo)了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。該方法可直接解算BDS定軌跟蹤站分布對(duì)定軌精度的數(shù)值影響，并據(jù)此給出BDS定軌跟蹤站分布的優(yōu)選方法。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，該方法可以作為優(yōu)選定軌跟蹤站分布方案的依據(jù)。

(4) 針對(duì)建設(shè)中的BDS、GALILEO等導(dǎo)航系統(tǒng)星座不完整的現(xiàn)狀，提出了聯(lián)合定軌的方法及策略，推導(dǎo)了多GNSS聯(lián)合定軌對(duì)系統(tǒng)間公共參數(shù)以及非公共參數(shù)求解精度的解析貢獻(xiàn)量，研究分析了BDS/GPS聯(lián)合定軌對(duì)軌道和鐘差求解精度的統(tǒng)計(jì)貢獻(xiàn)量。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，聯(lián)合定軌對(duì)系統(tǒng)間公共參數(shù)以及非公共參數(shù)求解精度的貢獻(xiàn)顯著，除GEO衛(wèi)星軌道精度外，其余軌道和鐘差求解精度均有顯著提高，其中對(duì)可視衛(wèi)星數(shù)較少區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)鐘差求解精度的貢獻(xiàn)尤為顯著。

(5) 為了提高衛(wèi)星處在地影和月影重疊部分時(shí)的定軌精度，研究建立了顧及地影和月影重疊部分的陰影函數(shù)模型計(jì)算方法，并對(duì)比分析了新舊陰影函數(shù)模型對(duì)定軌精度的影響。結(jié)果表明：利用新的陰影函數(shù)模型得到的GPS事后軌道外符合精度以及重疊弧段精度均有所提高。

(6) 為了得到不同時(shí)延的各類BDS軌道產(chǎn)品，研究設(shè)計(jì)了各BDS軌道產(chǎn)品的解算策略，并評(píng)價(jià)了各類BDS軌道產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)段的解算精度。結(jié)果表明，BDS各類軌道產(chǎn)品在長(zhǎng)時(shí)段解算中精度基本穩(wěn)定，各類產(chǎn)品GEO衛(wèi)星定軌平均精度優(yōu)于2.5 m，IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星定軌平均精度優(yōu)于10 cm，其中最終產(chǎn)品優(yōu)于5 cm。