学术交流 | 北斗卫星轨道机动时定位测速定时服务异常的修复

以下文章来源于卫星导航国际期刊 ，作者涂锐

卫星导航国际期刊

Satellite Navigation 是中科院空天信息创新研究院主办的国际期刊。主编是北斗卫星导航系统副总设计师杨元喜院士。主要报道卫星导航技术与应用研究新成果。2020年在SpringerNature开放获取出版。欢迎关注和投稿。

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标题：北斗卫星轨道机动时定位测速定时服务异常的修复

作者：涂锐，张睿，张鹏飞，韩军强，范丽红，卢晓春

主题词：北斗卫星导航系统；卫星轨道机动；精密测速；载波相位观测

（图片来自作者）

PDF文件下载链接：https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-021-00048-w

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Editorial Summary

BDS: Orbital Maneuver Recovery

The BeiDou Navigation Satellite System (BDS) provides global Positioning, Velocity, And Timing (PVT) services that are widely used in various areas. The BDS satellites frequently need the orbit maneuvers due to various perturbations to keep satellites in their designed positions. During these maneuvers, PVT services may be abnormal if the data from a maneuvering satellite is used.

The authors developed an approach to recover the abnormal PVT services. They proved that by using BDS observations from multiple tracking stations, the orbital errors of amaneuvering satellite can be in real time obtained and corrected, and avoiding any influence on the performance of PVT services. In addition, the authors also proved that the approach can be used for the orbital maneuver detection and monitoring.

本文亮点

基于多个地面基准站的北斗观测值和广播星历，采用载波相位历元差分测速思想，提出了卫星状态变化的动态估计方法，实时精准获取了机动卫星轨道的修正值。

在卫星机动条件下，给出了用户端机动卫星轨道修正的方法，分析了机动卫星轨道修复与不修复以及删除机动卫星数据三种方案下对应的定位、测速和定时的性能。

验证了历元差分测速方法在卫星轨道机动实时识别中的有效性，讨论了本文研究成果在卫星健康状态的动态监测和卫星机动期间精密定轨方面的潜在应用。

内容简介

北斗卫星导航系统因采用混合星座设计，其轨道机动相比其它卫星导航系统更为频繁。在轨道机动期间，卫星调轨后的位置与原来轨道位置相差数十公里，如此大的轨道异常会对导航系统的精密定轨和用户端的导航定位授时产生严重影响。当前，卫星轨道机动的常规处理方法是识别轨道机动的卫星，在定轨解算和定位测速定时服务中删除机动的卫星数据，避免轨道机动的影响。这种处置方法在精准性、时效性上存在不足，导致大量的有效数据不能正常使用，直接或间接的影响导航系统的服务性能。

在多监测站网的条件下，如何基于地面的观测实现机动卫星轨道的实时补偿修正，从而使得用户可以正常的使用轨道机动的卫星数据，对于保障和提升北斗系统的服务性能具有重要价值。

基于载波相位历元差分测速思想，提出了卫星状态变化的动态估计方法，采用CUT0，JFNG，PNGM三个IGS站网的北斗数据，分析了北斗卫星C01，C02，C03，C04，C05在2019年到2020年期间几次轨道机动事件中，真实轨道相对广播星历轨道在径向、切向、法向的最大速度变化，得出北斗GEO卫星主要以东西方向机动为主。并以C01卫星为例，实时获取了机动卫星轨道的修正量，其三个方向的修正值从零值开始逐渐增加，其最后可达数百米至公里量级。

以DARW，HOB2，MAJU，MRO1，ULAB五个IGS站为例，分析了删除机动卫星数据、修复机动卫星轨道和不修复机动卫星轨道三种方案下对应的定位、测速和定时的性能，得出不修复轨道机动对定位测速定时的平均影响约为270m，184mm/s和2400ns；修复轨道机动相比删除机动卫星数据，不仅保证了正常服务，增加了多余观测，而且定位、测速和定时的精度分别提升了0.8m，0.1mm/s和0.16ns。

以几次典型的卫星机动事件为例，分析验证了历元差分测速方法在卫星轨道机动实时识别中的有效性，得出该方法识别轨道机动相比广播星历标记轨道机动时效性更好，其识别的机动开始时刻比标记的开始时刻早24分钟，识别的机动结束时刻比标记的结束时刻早29分钟，进一步提高了卫星机动期间数据的利用率。

图文导读

I.机动卫星轨道变化监测和轨道修正值生成结果

2020年1月9日，北斗C01卫星机动中，真实轨道相对于广播星历轨道的速度变化反应出本次机动主要是在径向和切向方向上，最大速度达到3.48 m/30s；其实际机动时间约为15分钟，但广播星历轨道异常时间约为5个小时。相对于广播星历的轨道修正量随着卫星机动的开始从零值开始逐渐增加，其最后达到数百米至公里量级。当卫星机动结束后，其速度变化和轨道修正值都恢复到零值。

图 1 北斗C01卫星机动期间实际轨道相对于广播星历轨道的速度变化序列。（a）全部速度变化序列。（b）关键时间段速度变化细节。黑色、红色和蓝色分别代表法向、径向和切向分量。

图 2 北斗C01卫星机动期间实际轨道相对于广播星历轨道的改正量序列。黑色、红色和蓝色分别代表X、Y、Z分量。

II.机动卫星轨道修复前后定位性能对比分析结果

以DARW，HOB2，MAJU，MRO1，ULAB测站2020年1月9日的数据为例，在不修复轨道机动且使用机动卫星数据的情况下，其定位结果发散至数百米至公里量级；在删除轨道机动卫星数据后，在观测卫星数量较多情况，可以提供正常定位服务；在修复轨道机动后，不仅保证正常定位服务，同时平均定位精度提升了0.8 m。

图 3 三种轨道机动处理方案下，不同测站单点定位结果的比较。（a）不修复轨道机动且使用机动卫星数据。（b）修复轨道机动。（c）删除轨道机动卫星数据。黑色、红色和蓝色分别代表E、N、U分量。从上到下依次代表DARW，HOB2，MAJU，MRO1，ULAB测站。

III.机动卫星轨道修复前后测速性能对比分析结果

以DARW，HOB2，MAJU，MRO1，ULAB测站2020年1月9日的数据为例，在不修复轨道机动且使用机动卫星数据的情况下，其测速结果发散至分米/秒至米/秒的量级；在删除轨道机动卫星数据后，在观测卫星数量较多情况，可以提供正常测速服务；在修复轨道机动后，不仅保证正常测速服务，同时增加了多余观测数，对卫星观测条件较差的情况下测速具有优势。

图 4 三种轨道机动处理方案下，不同测站测速结果的比较。（a）不修复轨道机动且使用机动卫星数据。（b）修复轨道机动。（c）删除轨道机动卫星数据。黑色、红色和蓝色分别代表E、N、U分量。从上到下依次代表DARW，HOB2，MAJU，MRO1，ULAB测站。

IV.机动卫星轨道修复前后定时性能对比分析结果

以DARW，HOB2，MAJU，MRO1，ULAB测站2020年1月9日的数据为例，在不修复轨道机动且使用机动卫星数据的情况下，其接收机钟差结果发散至数公里量级；在删除轨道机动卫星数据后，在观测卫星数量较多情况，可以获取正常的接收机钟差；在修复轨道机动后，不仅保证接收机钟差的正常获取，而且性能略有提升；同时，增加了多余观测数，对卫星观测条件较差的情况下接收机钟差获取具有优势。

图 5 三种轨道机动处理方案下，不同测站接收机钟差结果的比较。（a）不修复轨道机动且使用机动卫星数据。（b）修复轨道机动。（c）删除轨道机动卫星数据。从上到下依次代表DARW，HOB2，MAJU，MRO1，ULAB测站。

V.卫星轨道机动实时识别对比分析结果

以2020年1月9日C01卫星机动为例，采用CUT0单站的观测值进行历元差分测速分析，得出OMC值在非机动情况下很稳定，其STD值很小，可以根据STD值的变化和非机动条件下确定的STD阈值来识别轨道机动的开始和结束时刻。本例中，识别的机动开始时刻比广播星历标记的开始时刻要早近半小时，识别的机动结束时刻比广播星历标记的结束时刻要早近半小时。

图 6 轨道机动期间CUT0站C01卫星历元差分观测值计算的OMC的时间序列以及机动开始结束时刻。红线表示机动开始时刻，蓝线表示机动结束时刻，虚线表示广播星历标记的时刻，实线表示本文方法识别的时刻。

作者简介

涂锐 研究员

涂锐，研究员、博士生导师。2014年获德国波茨坦地学研究中心（GFZ）和波茨坦大学博士学位，2015年起在中科院国家授时中心工作。主要从事高精度、高质量、高安全的时空信息智能化感知与创新应用方面研究，在基于GNSS的实时形变监测、增强定位、精密时间传递等方面做出了特色和创新性成果。主持国家和省部级科研项目15项，发表学术论文140篇，第一/通信作者SCI论文75篇，授权发明专利10项，出版专著一本，获省部级等科研奖励4项。

END

引用文章：Tu, R., Zhang, R., Zhang, P. F. et al. Recover the abnormal positioning, velocity and timing services caused by BDS satellite orbital maneuvers. Satell Navig 2, 16 (2021).

作者：涂锐

来源：卫星导航国际期刊

原标题：《学术交流 | 北斗卫星轨道机动时定位测速定时服务异常的修复》

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