谭述森-北斗运行控制策略

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1、北斗运行控制策略,谭述森,二一年五月,摘要：根据北斗的任务及特色，介绍了北斗运行控制的任务，分析北斗运行控制的形式，阐述在该形式下面临的困难。提出了北斗星间、星地及地面联合观测处理策略。对该策略下的星间观测、星地观测具体任务、特点、处理内容进行重点介绍。最后就系统平稳过渡及稳定运行进行了总结。,2,一、北斗的任务及特色 （一）北斗任务 任务： 实现全球导航（10m） 满足中国区域 ICAO CAT-1需求 精度 18.2m/7.7m4.4m(95%) 非连续性 10-6/15s 非完好性 210-7/进近 告警时间 6s 可用性 0.9975,3,一、北斗的任务及特色 满足中国区域 位置报告及

2、短电文通信 实现GNSS互操作 GPS：L1c、L5，Galileo:L1,E5 北斗特色： 突出区域服务能力 中国区域广域增强是北斗的重要建设任务 广域增强系统是北斗运行控制系统的组成部分,4,一、北斗的任务及特色 突出位置报告与短电文通信功能 位置报告与RDSS定位业务同时完成 定位与位置报告最短完成时间1s 定位与指挥调度于一体,5,一、北斗的任务及特色 事件的内容与发生的地点时间在一封短信中完成 摆脱了“先定位再报告”的若干苦恼与弊病（时间 达120s.用户属性混淆、位置与时间错位）,6,一、北斗的任务及特色 （二）北斗运行控制任务 1、观测数据采集 采集地面站对卫星观测的观测参数 伪

3、距观测量 载波相位观测量 星地时间同步观测量,7,一、北斗的任务及特色 （二）北斗运行控制任务 采集星间相互观测量 星间双向时间同步观测量,8,一、北斗的任务及特色 （二）北斗运行控制任务 2、观测参数处理 卫星钟差及预报参数 卫星星历及预报参数 电离层校正参数处理及预报 导航信息完好性处理及告警,9,一、北斗的任务及特色 （二）北斗运行控制任务 3、卫星广播星历的形成、注入与发布 卫星钟差历书及精密轨道电离层参数,10,一、北斗的任务及特色 （二）北斗运行控制任务 4、星座评定及管理 星座覆盖特性评定及管理 星座可用性评价及管理 卫星非连续性中断处理与恢复 卫星可用性评价与管理 卫星组网质量

4、评价与调度,11,一、北斗的任务及特色 （二）北斗运行控制任务 5、GNSS互操作与广域增强 提供GNSS互操作校正参数 （系统时间偏差、系统座标改正） 提供GNSS星历、校正参数 提供服务区电离层校正参数,12,一、北斗的任务及特色 （二）北斗运行控制任务 6、完成用户服务与管理 支持RDSS业务 实现授权用户的位置报告 实现调度部门对授权用户的位置、通信监管,13,一、北斗的任务及特色 （三）国外卫星导航运行控制基本形式 1、GPS地面全球布站运行控制+星间链路维持180天 自主运行 主控站（MCS）美国科罗拉多州 喷泉城 空军基地 备用主控站 马萨诸塞州 盖塞尔斯堡 监测站 全球布5个站

5、 地面网连接 观测量伪距,14,一、北斗的任务及特色 （三）国外卫星导航运行控制基本形式 上行注入站 全球4个 地面能见角72度 处理数据：联合伪距解卫星钟差及轨道参数 全星座卫星钟差及轨道精度对病态钟免疫力低 优势光压模型在R星以后提高一个数量级. R铷钟天稳定度110-14,15,一、北斗的任务及特色 （三）国外卫星导航运行控制基本形式 控制数据： 超差星历更新，3次加载/星/日 URE均方根值为4.2 m(1 ),16,一、北斗的任务及特色 （三）国外卫星导航运行控制基本形式 星间链路维持自主运行精度 GPS BlockR 设有UHF星间链路 机理：观测量伪距。充分利用6个轨道面优势和改

6、进1个数量级的太阳光压模型，定轨精度高之优势，在180天星历支持下相互定位，修正星历。典型情况每颗星可观测另外816颗卫星。DOP值低 缺点：精度维持能力差，对病态卫星钟免疫力低,17,一、北斗的任务及特色 2、GLONASS境内布站运行控制形式 地面控中心（莫斯科） 处理特点: 监测接收机观测伪距 C波段雷达观测量为距离 、速度 独立计算钟差 由距离量和速度量求卫星位置 卫星钟误差对轨道精度耦合小,18,一、北斗的任务及特色 2、GLONASS境内布站运行控制形式 监测站分布 仅确保俄领土内的高精度星历控制。 经度方向跨度为180度 注入站 星历和时差注入 12次/星/日 激光站（20套）

7、测定地球坐标 地球引力场模型 修正定轨精度,19,一、北斗的任务及特色 2、GLONASS境内布站运行控制形式 时间同步站 观测量伪距 计算量时差 1次/星/日 星上时差参数更新 2次/星/日 特点：星历和时间同步分别解算 无星间链路,20,一、北斗的任务及特色 3、Galileo全球布站 地面控制中心（一主一备） 欧洲 地面站 上下行遥控遥测及测距 向卫星注入导航信息及时钟修正参数 2个位于欧洲，3个位于全球,21,一、北斗的任务及特色 有：法国的Toulouse 德国的Weiheim 澳大利亚的Perth 美国的檀香山 南美的Falxlands 纬度跨越48度-52度 经度跨越360度 机

8、理同GPS，但卫星钟及太阳光压的模型有差距 星间链路 无,22,一、北斗的任务及特色 （四）北斗特色及运行控制形式分析 优势： RDSS+RNSS两种体制 GEO+IGSO+MEO多钟轨道选择 RNSS应用+RDSS定位及位置报告应用,23,一、北斗的任务及特色 （四）北斗特色及运行控制形式分析 差距： 国土幅原有限 南北38度 东西60度 地面观测量只能确保区域导航精度 太阳光压模型精度低一个数量级 差距20年 卫星钟长稳、长漂低一个数量级 差距20年,24,一、北斗的任务及特色 （四）北斗特色及运行控制形式分析 2、运行控制形式分析 境内设地面观测站+星间双向时间同步观测 实现全球高精度星

9、历控制 不同高度卫星构成固定、非固定双向时间同步 GEO、IGSO星地链路构建稳定星间网络与地面 网络联合运行模式,25,一、北斗的任务及特色 （四）北斗特色及运行控制形式分析 RDSS分布式处理系统服务于定位与位置报告 （短电文通信） GNSS互操作与广域增强系统联合运行模式 降低互操作系统及终端复杂度 提升互操作性能,26,二、北斗运行面临的形势分析 （一）不利形势 1、幅原有限，地面观测量、星地观测量难以 支持全球稳定运行星历精度 境外设站缺乏稳定的地面网络支持,27,二、北斗运行面临的形势分析 2、卫星太阳光压模型缺乏考炼、精度控制能力差 定轨精度需磨炼 3、卫星钟与R 110-14差

10、距大、且优劣参差不齐 4、星间链路模式需进一步探讨,28,二、北斗运行面临的形势分析 （二）有利形势 1、具有星地双向时间同步、站间双向时间同步 应用成果 理论成熟 机理清楚 同一路径双向伪距观测是提高两站时间同步的关键 已达2ns同步精度,29,二、北斗运行面临的形势分析 2、具有高精度时间同步下的定轨技术支持 时间同步、精密轨道分别求解 时间同步精度高（显著优于GLONASS）,30,二、北斗运行面临的形势分析 对病态钟的免疫能力强 病态卫星钟不影响系统时 不影响其它卫星钟差精度 对定轨精度影响弱,31,二、北斗运行面临的形势分析 3、具有多种定轨方式的联合评定方法 4、具有三种不同高度的

11、卫星组网有优势可用： 构成统一星间链路管理模式 降低星地工作频度（不须MEO星地链路频繁介入）,32,二、北斗运行面临的形势分析 同轨道面内的卫星双向时间同步有利于提高 时间同步精度（相对距离变化量小） 布设于空间时间站的优良卫星钟可以提升劣质 钟的时间同步精度 境内一个星地时间同步/注入站的有效工作可 在星间链路协同下维持系统稳定工作,33,二、北斗运行面临的形势分析 （三）跨越式发展的基本思路 1、面对差距，加强基础理论技术研究 加强卫星原子钟攻关及生产建设达到R卫星 铷钟水平 积累三种轨道卫星光压模型精准度经验， 力争在2020年达到R卫星水平,34,二、北斗运行面临的形势分析 2、提高

12、对组网卫星连续观测弧段 提高卫星钟时间同步处理及预报频度 由10小时16小时间隔缩短至23小时 提高卫星轨道处理及预报频度 每2小时预报周期均有新观测参数支持,35,二、北斗运行面临的形势分析 （四）多手段、多链路信号观测，多任务并行处理 是北斗运行控制的基本策略 包括：地面站对导航信号观测 星地时间同步双向伪距观测 星间时间同步双向伪距观测,36,二、北斗运行面临的形势分析 星钟利用星地双向伪距钟差处理 星钟利用星间双向伪距钟差处理 星间伪距定轨处理 星间、地面联合伪距定轨处理,37,三、星间星地及地面联合观测处理策略 （一）星间观测及数据交换任务分析 1、星间观测量的定义 星间观测量为双向

13、伪距同步观测量 定义：在t时刻卫星A、B获得观测对方的伪距为： （1） （2） 卫星A、B钟差为 （3）,38,三、星间星地及地面联合观测处理策略 （一）星间观测及数据交换任务分析 为卫星A对B的伪距观测量 为卫星B对A的伪距观测量 为t时刻两星间的空间距离 为求解的两星间钟差,39,三、星间星地及地面联合观测处理策略 （一）星间观测及数据交换任务分析 T 为两星存在的钟差 是与伪距变化率和钟差有关的改正项， 当相对距离等于常数时， 有钟差 （4）,40,三、星间星地及地面联合观测处理策略 （一）星间观测及数据交换任务分析 同一轨道面固定两星间相对距离变化0 两星间的钟差精度与伪距观测时刻成松

14、耦合 所以，同一轨道面的星间钟差精度高 非同轨道面的星间钟差观测精度低,41,三、星间星地及地面联合观测处理策略 2、星间观测的任务 获得双向时间同步 获得定轨观测量 获得电离层校正参数 交换观测量（数据）,42,三、星间星地及地面联合观测处理策略 （二）提高星间观测量精度措施 1、合理的星间路由选择和连续测量是提高 星间观测量精度的基本手段 同轨道面星间观测优于异轨道面星间观测量,43,三、星间星地及地面联合观测处理策略 （二）提高星间观测量精度措施 间双向时间精度高 异轨道面星间双向时间同步精度低,44,三、星间星地及地面联合观测处理策略 不同高度轨道所在卫星精度低 与 间同步精度低 优选

15、同轨道面的星间双向时间同步观测路 非同轨道面的任务以数据交换为主,45,三、星间星地及地面联合观测处理策略 2、以GEO卫星为通信节点是提高数据交换效率 和安全性的有效方法 MEO对地交换系统复杂度高 GEO对地交换系统复杂度低,46,三、星间星地及地面联合观测处理策略 3、定向连续观测是确保星间链路强度的合适选择 以固定指向链路为优 以顺序分别指向链路为劣,47,三、星间星地及地面联合观测处理策略 4、以稳定节点（GEO）卫星钟为构架的空间时间站 削弱劣质卫星钟对全系统星历精度的影响 GEO高质量星钟可同步全系统钟 避免劣质量对另外卫星星历精度的影响,48,三、星间星地及地面联合观测处理策略 （三）GEO卫星与地面间观测参数与数据交换 1、任务 实现太空时间站主钟与地面钟同步 获得星座定向参数 实现GEO与其它卫星间的伪距观测 星间数据与注入参数交换,49,三、星间星地及地面联合观测处理策略 （三）GEO卫星与地面间观测参数与数据交换 2、基本策略 GEO为星地数据交换主链路 IGSO为星地数据交换辅助链路 MEO为星地设备验证链路,