BDS 轨道完备性监测设计与实现
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摘 要
针对北斗卫星导航系统完备性研究较少的现状，该文提出了一种导航星历中轨道观测数据的完备性监测新方法。采用轨道积分方法分析了北斗卫星的轨道残差均方根值；通过概率统计的方法，分别计算所有北斗卫星的轨道残差极限误差值(告警限差)，剔除误差超限甚至粗差卫星，实现事后轨道完备性监测。另外通过比较分析剔除监测标记出的误差卫星之前和之后对测站精密单点定位的影响，验证完备性的风险性。最后通过实测数据对该算法进行了验证和分析。试验结果表明：该算法可以实现卫星轨道的监测示警，标记误差卫星，达到轨道完备性监测效果。
引用格式
引用格式：刘艳国，秘金钟，张晶晶,等. BDS 轨道完备性监测设计与实现 [J].测绘科学,2017,42(6):99-103.
正文
完备性是卫星导航系统的主要性能指标之一，是指系统不能提供满足用户需求的服务时及时告警的能力，该指标包括3个方面含义：告警限差、告警时延、完备性监测风险。
卫星轨道完备性监测主要是指在利用国际GPS服务（international GPS service，IGS）卫星精密星历之前，对精密星历使用轨道积分和轨道拟合的方法，通过卫星轨道积分精度对卫星星历的质量进行评估。若某一卫星的轨道积分精度与其他卫星残差方差有显著差异，且超过告警限值。则认为该卫星轨道质量较差，应给出示警信息，实现卫星轨道的完备性监测[1]。该方法属于事后轨道完备性监测。
对于完备性的研究，主要有GPS增强系统WAAS系统的完备性监测[2]、GPS增强系统局域增强系统的完备性监测[3]、GALILEO系统的SISA、SISMA、IF、XPL 4个主要完备性监测指标[4]、多系统多频率的EGNOS系统完备性模拟分析[5]、GALILEO系统局域完备性监测设计与实现[6]、广域差分GPS监测站完备性算法[7]、基于Parity算法的多个粗差探测和分离的完备性算法[8]、GPS系统的IGS精密星历卫星轨道完备性监测[9]。
虽然国内外的完备性监测理论方法日趋完善，但对中国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）的完备性研究较少。本文从北斗系统卫星轨道误差出发讨论其对定位的影响，对北斗卫星精密星历 SP3 文件进行轨道积分，得到北斗卫星轨道参数，统计轨道ACR残差均方根（root mean square, RMS）值，再按照一定的概率统计以及数学方法实现对粗差卫星的探测和剔除[1,10]。
卫星轨道完备性监测通过卫星精密定轨、计算积分残差、剔除误差卫星、精密单点定位检验来实现。北斗卫星精密定轨选择北斗卫星观测实验网（BeiDou experimental tracking，BETS）的北斗/GPS双模观测数据。BETS各跟踪站网可同步观测到两个不同系统北斗/GPS的观测值, 因此可以充分利用GPS数据实施地面站的精密定位和时间同步, 然后进一步实施北斗卫星的精密定轨[12]。
不同BDS卫星的轨道积分精度不相同，由于GEO卫星是地球同步卫星，轨道区别于IGSO和MEO卫星，故本文对两者进行了区别对待，分别进行了轨道完备性监测。本文实验结果显示，GEO卫星的轨道积分精度较差，集中在50 mm之内；IGSO/MEO卫星轨道积分精度集中在20 mm之内。
本文通过计算轨道积分精度实现事后轨道完备性监测，标记出告警限差值，为用户提供安全保障。通过对卫星精密星历SP3进行轨道积分并求取其精度，根据数理统计原理反映出超过告警限差的卫星信息，尤其可以反映出粗差卫星信息。本文通过计算16 d的所有北斗卫星轨道精度，发现了其中有5颗卫星超限，包括1颗粗差卫星，建议剔除。
当剔除误差超限卫星尤其是粗差卫星后，测站精密单点定位精度都有不同程度的提高.根据卫星轨道误差超限大小不同，精度提高从毫米级到厘米级不等，保证了完备性监测的风险性，验证了本文的完备性监测方法比较可靠。
不同天的卫星轨道积分精度并无规律可循，对轨道积分精度要每天进行后处理计算，完备性要每天进行监测，以防止对误差漏判或者对真值误判，保证用户使用产品的安全性。
2017年（第42卷）第6期
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