北斗全球导航卫星系统的基本性能和未来发展
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本文转载自微信公众号卫星导航国际期刊，撰稿：毛悦 、孙碧娇，编辑：《卫星导（英文）》编辑部，版权归原作者及刊载媒体所有。
新刊速递—Satellite Navigation创刊号2020年1月20日正式上线，创刊号涵盖了目前最为热门的研究领域：北斗三号服务性能，惯性导航技术，卫星导航信号干扰与欺骗等最新研究进展。期刊主编、中国科学院院士、北斗卫星导航系统副总设计师杨元喜教授为创刊号撰写综述性文章《北斗全球导航卫星系统的基本性能和未来发展》。
Basic performance and future developments of BeiDou global navigation satellite system
Yuanxi Yang*, Yue Mao, Bijiao Sun
Satellite Navigation(2020)1:1
引用文章:
Yuanxi Yang, Yue Mao, and Bijiao Sun (2020), Basic performance and future developments of BeiDou global navigation satellite system, Satellite Navigation, 1(1), 1, doi: 10.1186/s43020-019-0006-0.
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https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-019-0006-0
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Editorial Summary
The basic performance evaluation methods and results of BeiDou global navigation satellite system（BDS-3）have been presented, indicating that the precision of the BDS-3 post-processing orbit in the radial direction can reach centimeter level, the average satellite clock offset uncertainty of 18 medium circular orbit satellites is 1.55 ns and the average signal-in-space ranging error is approximately 0.474 m. The results have demonstrated that the main performance indicators of BDS-3 can satisfy or surpass the design indicators under normal circumstances. Future possible improvements for the BeiDou navigation satellite system (BDS) are suggested from aspects of satellite deployment, space-borne payload, ground operation and control mode, architecture design, etc. It can be expected that the availability, continuity, integrity and accuracy of the BDS will be significantly improved.
本文亮点
1. 北斗全球系统（BDS-3）核心星座已经布设完成，具备全球定位导航授时（PNT）等核心服务能力。本文首先梳理了北斗核心服务性能评估模型。
2. 利用全球GNSS监测评估系统（iGMAS）详细评估了BDS-3的综合核心服务性能，并作了初步分析。结果表明，BDS-3核心服务性能满足设计指标要求。
3. 依据BDS-3设计星座及设计的特色服务功能，探讨了今后BDS-3在PNT服务及其他特色服务方面可以采取的改进策略。
内容简介
卫星导航系统的核心性能要素包括可用性、连续性、完好性、精确性。本文描述了北斗全球卫星导航系统（BDS-3）的基本性能，就改进定位、导航与授时（PNT）服务提出若干建议。BDS-3事后轨道精度达到厘米级，直到2019年9月，18颗中轨道（MEO）卫星平均钟差为1.55ns，平均空间信号测距误差（SISRE）约为0.474 m。此外，文章探讨了未来改进北斗系统性能可能采取的策略，建议：
（1）增大倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的轨道倾角，提高北极地区的PNT服务性能；
（2）IGSO卫星可完成部分地球同步轨道（GEO）卫星的功能，解决北半球用户关于GEO卫星服务的南部遮挡问题（“南墙效应”）；
（3）提出利用星载惯性导航或加速度计载荷解决卫星机动期间的轨道连续测定问题；
（4）提出利用高精度星载氢钟或铯钟维持自主导航状态的时间系统，维持时间基准的稳定性；
（5）提出统一BDS-3所有信号的电离层延迟改正模型，避免用户混乱，并提高定位精度；
（6）最后，提出建设综合PNT与弹性PNT体系，以克服卫星导航系统的脆弱性。
图文导读
I. 卫星导航系统空间信号精度评价方式.
全球卫星导航系统空间信号精度包括广播轨道精度、广播钟差精度、空间信号误差(SISRE)、广播电离层延迟模型精度等。其中广播轨道精度、广播钟差精度反映系统广播星历中的卫星位置、卫星钟差精度。空间信号误差(SISRE)为广播卫星轨道、钟差等引起的误差在卫星至用户视线上的投影。广播电离层延迟模型精度为广播电离层天顶延迟值的精度。
II. BDS-3最新空间信号精度评估结果.
（a）Broadcast orbit accuracy of the BDS-3 basic constellation
（b）Broadcast clock offset of the BDS-3 satellites
（c）Signal-in-space ranging error (SISRE)
（d）Evaluation of the ionospheric model accuracy in half a year based on CODG model
上图(a)~(d)分别为BDS-3广播轨道精度、广播钟差精度、空间信号误差(SISRE)、广播电离层延迟模型精度最新评估结果。从图中展示结果可以得出：广播轨道三分量（径向、切向和法向）精度分别为：0.059m，0.323m和0.343m，卫星钟差平均不确定度为1.55ns，平均SISRE为0.474m。在中低纬度地区，BDGIM模型的改正精度明显优于其它所有模型；在北中低纬地区，BDGIM的修正比接近75%。
III. BDS-3可能的改进策略.
上图梳理了BDS-3可能的改进策略，重点针对高纬区服务性能提升问题、“南墙效应”问题、轨道机动及恢复时效问题、自主导航时空基准漂移与旋转问题、电离层模型不一致问题、北斗系统脆弱性问题共6个方面，提出了提升系统服务性能、服务范围、服务连续性、系统可靠性可能的改进策略，对北斗和PNT体系后续发展建设具有指导意义。
作者简介
地理信息工程国家重点实验室
杨元喜，北斗卫星导航系统副总设计师，地理信息工程国家重点实验室主任，大地测量与地球物理联合会（IUGG）中国委员会主席。2007年当选中国科学院院士。先后主持完成了“2000国家GPS大地控制网数据处理工程”、“全国天文大地网与空间网联合平差工程”和“全球大地测量基准建设工程”。共完成学术专著2部，合著4部，发表论文300余篇，其中SCI收录论文60多篇，2项成果获国家科技进步二等奖，5项获省部级科技进步一等奖。1998年获国家杰出青年基金；1999年，获中国科协“求是杰出青年实用工程奖”；2011年获“何梁何利科技进步奖——地球科学奖”。
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