摘要：

本文介绍了德国航空航天中心最近提出的基于名为开普勒的未来GNSS系统精密轨道和地球参数确定的仿真结果。该系统的空间部分由24颗类似伽利略的中轨卫星(MEO)和配备超稳光钟的6颗低轨卫星(LEO)组成。所有航天器携带用于双向光学星间链路(ISLs)的终端，实现高速数据通信、全星座时钟同步和精确绝对测距。时钟同步被假定为创建一个基于光钟集合的极其稳定的参考时标。

定义了一系列模拟场景，以伽利略星座为基础，逐步纳入包括LEO、ISLs和同步时钟在内的附加特征，以评估对轨道、空间信号距离误差(SiSREs)和大地测量参数，如极移、日长(LOD)和地心坐标的影响。

精密定轨(POD)在观测域使用与实际数据处理相同的标准和设置，地面站网包含多达18个站。通过完善的模型和18个地面站得到的开普勒星座的MEO SiSRE误差为0.009厘米，比伽利略的1.4厘米误差好160倍。事实证明，对于开普勒系统的POD操作，如果要估计地球参数，地面站网可以显著减少到只有两个站点，或者只有一个站点。双站SiSRE值为0.037cm，单站SiSRE值为0.018 cm

为了获得更真实的结果，我们考虑了许多建模误差。这些涉及观测：多路径、GNSS码偏差和ISL距离误差，动力学：太阳辐射压力(SRP)、重力场、空气阻力、MEO天线推力、地球潮汐势，以及几何：海洋负荷和空间GNSS天线的相位中心偏移(PCOs)。任何其他卫星和台站设备对误差建模的贡献都被忽略了。

结果表明，开普勒的建模误差在ISL观测残差中清晰可见，而伽利略的建模误差在很大程度上被大量估计的时钟参数所吸收。利用这一点，通过估计经验加速度有效地减轻了动力建模误差。采用该配置，伽利略卫星的MEO SiSRE为5cm。对于有18个、2个和1个地面站，开普勒卫星MEO SiSRE分别为0.3cmm、0.4cmm和0.7cm。误差数值如此低的关键是ISLs和同步卫星时钟。

在具有单地面站的开普勒星座中，ISL距离偏差(RBs)高达5 mm和20 mm，SiSRE增加到0.74cm和1.67cm，在存在建模误差的情况下，不建议对ISL RBs进行估计，因为它们存在明显的偏差，这会导致SiSRE增加到22cm。

基于全球124个IGS站网的地球参数的确定也明显受益于开普勒星座。初步结果表明，与POD一样，建模误差对地球参数的影响可以在开普勒系统中有效地消除。由于综合建模误差，伽利略系统的综合LOD误差为30cm，对UT1-UTC有影响，而开普勒系统的综合LOD误差可降至0.5cm。地心Z坐标也是如此，在MEO方案中，其14mm的误差在开普勒方案中可以减少到0.2mm。当建模误差减少到只有MEO SRP和PCOs两个时，得到了完全无偏的地球参数。

ISL距离偏差5mm，对估计EPs的影响可以忽略不计。UT1-UTC的差异最大(可达0.2 mm)，其他参数的差异不超过0.02 mm。作为地球参数确定的一个组成部分，PCOs的估计也从开普勒的设计中受益匪浅。结果表明。即使在ISL偏差高达5 mm的情况下，仅使用10天的数据，就可以在所有三个空间方向上以mm精度估计MEO和亚亳米精度估计LEO。PCOs的这种精度是伽利略星座无法实现的。

1. 介绍

当前，全球卫星导航系统(GNSS)是由24颗以上中轨(MEO)卫星组成的空间段和许多监测站组成的地面段组成。它们用于系统运行，包括通信、信号和电离层监测，确定卫星轨道和时钟偏移，并由卫星向标准导航用户广播。空间信号距离误差(SiSRE)目前在分米到米级(Montenbrucket a1.2018)。对于精度要求较高的应用，使用区域增强系统的精密产品或IGS实时产品(IGS, 2020;Elsobeiey and Al-Harbi,2016)。此外，伽利略系统全面运行后，将提供高精度服务(HAS)，实现厘米级定位(Femandez-Hernandez等人，2018)。GNSS广泛应用于科学领域。本文考虑的一个需要最精确数据处理的例子是确定地球自转参数(ERPs)：日长LOD(或UT1-UTC，如果一个值为先验值)和地极坐标以及地心位置，称为地球参数(EPs)。

利用GNSS中的卫星间链路(ISLs)进行通信和测距的想法是由(Ferma'ndez.2011)提出的，他研究了包含ISLs时的IEO轨道和时钟精度。研究结果表明，利用ISLs可以将地面基础设施减少到6个站点，同时在假设完美的动力建模的情况下，可以达到厘米级的MEO轨道精度和分米级的时钟精度。Liu等人(2011)利用ISL和六个区域地面站对北斗导航系统进行了模拟，可以得到米级的MEO轨道精度，证实了相对于没有ISL的情况下的改进。Zhang等人(2019)模拟了BDS-2卫星的ISL数据，并将这些数据与实际地面数据相结合，评估了它们对POD的影响，再次确认了相对没有ISL的BDS情景下的改善，尽管与欧洲定轨中心提供的精确轨道相比，MEO轨道没有改善(图7)。

新一代北斗三号导航卫星目前配备了微波ISLs，可实现MEO之间以及MEO与IGSO卫星之间分米精度的距离测量(Yang eta1.，2017)。结果表明，将ISLs与地面POD数据相结合，可以显著改善MEO轨道重叠差，从很少到1分米左右。xie等人(2019)利用16个全球站和6个区域站，从轨道重叠的角度评估了ISLs对POD的影响。他们证明了42%(全球情况)和85%(区域情况)的改善，相应的RMS值为9.2cm和14.8cm。

德国航空航天中心DLR最近开发了ISLs的另一个概念。提出了一种名为“开普勒”的导航系统，该系统包括6颗LEO卫星，并使用光学ISLs进行通信、高精度测距和卫星时钟同步(Gu nther,2018:Giorgi et al.2019b)。基于该概念的一日模拟数据的初始精确定轨(POD)结果表明，即使是位于中纬度的单个测距站，也可以使导航卫星的径向轨道精度低于1厘米(Mchalak eta1.，2018:Giorgieta1.，2019a)。然而，该结果是在没有考虑GNSS天线相位中心偏移、时钟同步噪声、ISL距离偏差、GNSS多径误差的情况下获得的，并且假设有精确的ERPs可用。

在这篇文章中，我们通过执行更现实的全量模拟来深化对这一概念的分析，以评估扩展GNSS系统的好处，例如伽利略与开普勒用于POD和EP确定。

第2节概述了开普勒导航系统。数据模拟和处理方法的细节在第3节和第4节中给出。第5节定义了POD和地球参数确定所考虑的模拟场景，通过添加开普勒组件逐步扩展伽利略星座。POD结果在第6节中给出，包括完善模型(第6.1节)、单个(第6.3节)和组合建模误差(第64节)、动力建模误差削弱(第6.5节)以及ISL距离偏差的影响分析(第6.6节)和GNSS伪距硬件延迟估计(第6.7节)。在第6.8节中，我们分析了基于两个地面站的开普勒POD，这是估算ERP所需的最小数量。第7节提供了地球参数确定的结果，并分析了建模误差的影响。在第7.4节中，我们给出了GNSS空间天线相位中心偏移(PCOs)估计的结果，这是本贡献中地球参数确定的一个组成部分。总结和最终结论在第8节中提供。

...............................

太多不看......

...............................

8.总结和结论

在这篇文章中，我们评估了潜在的演化场景对轨道精度、空间信号距离误差(SiSRE)、地球参数(如erp和地心)以及卫星天线的相位中心偏移PCOs的影响，包括逐步扩展伽利略星座(包含6颗LEO卫星的开普勒组件)、星间绝对光学距离测量和同步卫星时钟。

为此，我们使用完美的模型和一些建模误差进行了全量模拟。后者涉及观测(多路径、GNSS码硬件延迟和ISL距离偏差)、动力学(SRP、重力场、空气阻力、MEO天线推力、地球潮汐势)和几何(海洋载荷、PCOs)。我们详细分析了单个和组合建模误差的影响，以确定哪些是最相关的。将得到的结果与具有完美模型的解进行了比较。POD基于多达18个标准伽利略观测站，用于大地测量地球参数确定和PCOs，利用了一个由124个站组成的大型全球站网，其中包括37个基准站。

结果证明，如果要估计erp，开普勒系统的POD可以在只有两个全球站的情况下完成，或者如果精确(例如预报)erp可用，则只需一个台站。这些台站的坐标必须是固定的，并用来定义整个星座的参考框架，因此它们的误差和环境影响必须最小化并能精确控制。

应该强调的是，我们的目的不是考虑到所有可能的和完全真实的建模误差，而是以其中几个为例，为未来进一步更深入和现实的分析铺平道路。

图文内容来源于“光明游侠”

分享、在看与点赞

我们一起关注行业