基于原始星间链路测距数据的BDS-3卫星定轨和时间同步
Orbit Determination and Time Synchronization for BDS-3 Satellites with Raw Inter-Satellite Link Ranging Observations
Rengui Ruan*, Xiaolin Jia, Laiping Feng, Jun Zhu, Zongbo Huyan, Jie Li, Ziqing Wei
Satellite Navigation(2020)1:8
引用文章:
Rengui Ruan, Xiaolin Jia, Laiping Feng, Jun Zhu, Zongbo Huyan, Jie Li, Ziqing Wei (2020), Orbit Determination and Time Synchronization for BDS-3 Satellites with Raw Inter-Satellite Link Ranging Observations, Satellite Navigation, 1(1), 8, doi: 10.1186/s43020-020-0008-y.
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Editorial Summary
This paper presents a general observation model for orbit determination (OD) and time synchronization (TS) directly using non-simultaneous raw one-way inter-satellite link (ISL) data. The proposed model can be used for OD and TS based on inter-satellite pseudorange data together with monitoring station data or anchor station data. Data from eight BDS-3 satellites, two anchor stations, and seven monitoring stations located in China were collected to validate the proposed method. It is shown that by jointly processing the ISL data and monitoring station data, the RMS of overlap orbit differences in radial direction is 0.019 m, the overlap clock difference (95%) is 0.185 ns, and the stability of the estimated hardware delay biases for each satellite is greater than 0.5 ns. Compared with the results obtained with the stations alone, the improvements of orbits and clocks are 95.7% and 90.5%, respectively. By jointly processing pseudoranges from the satellites and the two anchor stations, the RMS of overlap orbit differences is 0.017 m in the radial direction, and the overlap clock difference (95%) is 0.037 ns. It was demonstrated that, even under the condition of unidirectional ranging links, the accuracies of orbits and clocks obtained by the above two modes are still significantly better than those obtained with the monitoring stations alone.
本文亮点
提出直接处理非同时观测数据(如原始的星间链路单程测距数据)实现定轨和时间同步的统一观测模型。
基于上述模型，展示了两种典型模式的BDS-3卫星定轨和时间同步应用：1）监测站+星间链路；2）星间链路+锚固站。
展示了该模型(方法)的一个重要优点：在单向星间链路条件下同样可以实现上述两种模式的定轨和时间同步。
对于8颗卫星的BDS-3最简星座，利用星间链路联合区域监测站或锚固站获得卫星轨道径向重叠段互差(RMS)优于0.02m，钟差重叠段互差(95%)优于0.2ns。
内容简介
星间链路是BDS-3赖以破解区域监测站困局和实现自主导航的关键技术。针对已有的基于星间链路数据的定轨和时间同步方法的不足，提出用于非同时观测数据的通用观测模型。该方法直接处理原始星间测距数据，可联合地面跟踪站数据同时确定卫星轨道、钟差和星间链路设备时延偏差，也可联合锚固站数据进行所谓的“集中式自主”定轨和时间同步。该方法的优点包括但不限于：只需要单向测距数据；无需进行历元归化及轨道与钟差的解耦；可直接解算星间链路信号接收和发射端硬件时延。
针对8颗卫星构成的BDS-3最简星座，利用7个中国境内iGMAS跟踪站、2个锚固站和星间链路数据进行了实验验证。结果表明：星间链路联合跟踪站数据得到的轨道径向重叠段互差的平均RMS为0.019m；钟差重叠弧段互差(95%)为0.185ns；设备时延偏差估值的稳定性优于0.5ns。与单独采用监测站数据的结果相比，轨道和钟差的精度分别提高了95.7% 和 90.5%。如果将设备时延固定到已知值，则轨道和钟差的精度进一步提高，其中卫星钟差重叠段互差(95%)可达到0.054ns。星间链路联合锚固站数据得到的轨道径向重叠互差的RMS为0.017m，卫星钟差重叠段互差(95%)为0.037ns。在仅采用单向链路数据的情况下，两种模式获得的轨道和钟差精度仍然显著优于区域监测站的结果。
I双向测距链路条件下各颗卫星的轨道重叠段互差.
实验一(EXP2，仅有监测站数据)：径向(R)的RMS都超过0.3 m，切向(T)的RMS大于1 m，法向(N) 的在1.2~2.3 m之间。实验二(EXP2，加入星间链路数据并同时解算星间链路设备时延)：R、T和N方向的RMS都分别小于0.025 m、0.1 m和0.15 m。实验三(EXP3，采用数据同实验二但将设备时延固定于实验二获得的多天均值)：轨道的R、T和N方向的精度较实验二有微小改进。实验四(EXP4，采用星间链路和锚固站数据并将设备时延固定于实验二获得的多天均值)：R方向的精度与实验二、三非常接近，T和N方向的精度明显比实验二、三的结果差，但仍然远远优于实验一的结果。这是因为仅有2个锚固站，对星座定向的约束较弱。
II双向测距链路条件下各颗卫星的钟差重叠段互差.
实验一(EXP1)的钟差重叠段互差(95%)在1.5~2.5 ns之间。实验二(EXP2)的钟差精度优于0.25ns。实验三(EXP3)的钟差精度进一步提高，都优于0.07ns。实验四(EXP4)中各颗卫星钟差重叠段互差(95%)都小于0.05ns。实验二的钟差重叠段互差包含了星间链路设备时延的估值偏差，所以明显大于实验三的结果。实验四的钟差精度优于实验三，暗示着在联合处理Ka频段星间链路数据和L频段监测站数据时存在没有完全消除的系统偏差。
III按接收端统计的Ka频段星间和星地测距数据的残差RMS.
所有卫星的星间链路残差RMS都小于0.08m，B27-B30这四颗卫星的残差RMS要比另外四颗卫星的大一些，其中28号星的RMS是所有卫星中最大的。就具体卫星而言，不同处理策略的残差RMS非常接近。实验二中，所有卫星平均的RMS为0.054 m, 其中B19-B22这四颗卫星的平均RMS为 0.040，而B27-B30这四颗卫星的平均RMS为 0.067 m。锚固站的残差RMS要明显大于卫星的。
注：卫星B19-B22由中国空间技术研究院研制；卫星B27-B30由中国科学院微小卫星创新研究院研制。
IV各颗卫星的星间链路接收和发射时延估值的时间序列.
各颗卫星的星间链路接收和发射时延(以卫星B21的接收时延为参考基准)的估值序列具有相当不错的稳定性，估值序列的STD都不超过0.15m(约合0.5ns)。
注：实际解算的发射时延为Ka频段星间链路信号发射时延与下行L频段导航信号群时延之差；接收时延为Ka频段星间链路信号接收时延与下行L频段导航信号群时延之和。图中每颗卫星的时延估值序列都各自扣除了一个大的值以便更好地比较它们随时间变化的情况。
V单向测距链路条件下各颗卫星的轨道重叠段互差.
三组实验各颗卫星轨道R方向的精度都优于0.05m。实验五(EXP5)和实验六(EXP6)得到的轨道R、T和N方向的精度都分别优于0.04 m、0.1 m和0.2 m，其中实验六中各轨道分量的精度都略微优于实验五。实验七(EXP7)中轨道R方向的精度与实验五、六非常接近，但T和N方向精度都在0.3m左右，明显比实验五、六的结果差一些。
注：实验五、六和七的处理策略分别同实验二、三和四，但前者仅采用单向测距数据（详见论文）
VI单向和双向测距链路条件下各颗卫星的钟差重叠段互差的对比.
与双向测距链路的结果相比，单向测距链路条件下各颗卫星钟差的精度都有明显降低，但仍然远远优于仅用区域监测站数据的结果。实验五(EXP5)中，各颗卫星的钟差重叠段互差(95%)在0.2 ns～0.35 ns之间，实验六（EXP6）和实验七(EXP7)中，各颗卫星的钟差重叠段互差(95%)相差不大，都不超过 0.2 ns。
作者简介
本文通讯作者
西安测绘研究所
▍主要研究领域主要从事GNSS精密定轨、定位和时间频率传递研究。
撰稿：原文作者
编辑：《卫星导航（英文）》编辑部
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