摘要

导航卫星播发的广播信息是提供用户PNT（Positioning Navigation and Timing）服务的基本产品，其中卫星广播星历和钟差模型是主要的两类参数，在很大程度上决定了系统的服务性能。北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System，BDS）采用区别于GPS的混合导航星座，其中GEO和IGSO两种卫星为高轨卫星，而且采用区域监测站进行卫星跟踪测量，无法实现卫星运行弧段的全部覆盖。在上述区域跟踪网和高轨卫星条件下，卫星定轨计算的观测几何强度有限，导致卫星轨道与钟差参数相关性增加，降低定轨估计轨道与钟差的精度。

对于卫星钟差的计算，北斗卫星导航系统通过布设专用的时间同步监测站，采用星地双向时频传递（Two-Way satellite Time and Frequency Transfer，TWTFT）获得高精度的卫星钟相对于地面系统时间（BDT）钟差，并拟合成偏差、钟速和加速度三个参数通过广播电文播发给用户，双向时频传递以及基于双向钟差的建模精度决定了广播钟差模型的精度，直接影响导航系统的服务性能。

星地双向时频传递技术不受卫星轨道误差、测站坐标误差和环境段传播时延建模误差的影响，直接反应卫星钟差的物理变化，加入星地双向时频传递测量的卫星钟差有助于减轻地面有限跟踪网和混合星座对北斗卫星广播星历计算带来的不利影响。

低轨卫星一般搭载GNSS接收机用以确定精密低轨卫星轨道。然而，低轨卫星也可以作为快速移动的测站，在导航卫星定轨中发挥重要作用。利用低轨卫星星载数据增强导航卫星定轨也是值得探讨的一种导航卫星定轨的新模式，尤其对于BDS不能全球建立监测站。利用地面监测网和少数低轨卫星的星载接收机观测数据，可以完成高精度GNSS卫星的轨道与钟差测定。

用户测距误差(User Range Error)是反映导航系统服务性能的重要指标。北斗系统初始运行阶段，已实现用户距离误差（URE）优于2.5m的性能指标。本文以用户距离误差（URE）优于1m为目标，研究基于区域监测网观测数据以及星地双向钟差的北斗卫星广播星历与钟差模型精度提升方法。

本文的主要研究成果和贡献如下：

1、北斗双向时频传递模型精化与广播钟差模型精度提升。本文对北斗星地双向时间比对的误差源进行分析，重点讨论了电离层延迟误差、卫星相位中心误差对不同类型卫星（GEO/IGSO/MEO）双向钟差精度的影响，实测数据分析结果表明，模型精化后钟差精度（RMS）优于0.15ns。分别用定轨估计钟差与双向钟差评估北斗星钟性能，发现双向钟差评估北斗钟的稳定性更高。采用TWSTF钟差测量为参考，分析了BDS广播钟差模型的精度，结果表明BDS广播电文的钟差模型精度优于2ns（数据龄期小于12小时）。结合BDS地面段的钟差模型计算策略，本文提出进一步提升精度的多种方法。对于预报时长小于6小时的短期预报，本文提出加权线性模型与混合区间线性模型的钟差拟合预报方法，短期预报的精度可提高35%以上。对于中长期广播电文参数预报（6 小时以上），本文采用谱分析钟差时间序列，并根据谱分析结果构造预报模型，与简单的二次多项式模型预报相比，预报6小时精度提高13%，预报12小时平均提高了21%。经过以上改进，本文对2017年1-6月的钟差数据重新处理，获得了新的广播电文钟差模型时间序列。利用北斗监测接收机定位精度评估，N、E、U 3个方向精度分别提高14.9%、28.4%、15.5%。

2、基于定轨估计钟差与双向钟差比对的轨道误差监视与预报。分析了BDS广播星历与钟差参数的相关性，结果表明广播星历存在幅度0.6m的径向误差，指出广播星历的径向误差和钟差参数的未标定时延偏差是影响广播星历与钟差参数自洽性的两个重要因素。不同卫星具备大小不等、符号不同的未标校时延，未标校时延序列的最大标准差超过1.0ns，必须进行实时修正，而不能当作常数。为实现本章基于单双向钟差比对的轨道监视与预报方法，编写了轨道性能优化软件BRDIMP。软件研制完成后，利用实际数据进行了试验和验证。2017年1月布署到BDS系统并实现在线运行，实现优化后的广播星历替换原有广播星历对用户进行播发。评估了新广播星历播发前后2年的空间信号误差（signal-in-space ranging error，SISRE），结果表明播发新的广播星历后，GEO的SISRE由1.14m提升到0.93m，IGSO卫星由0.99m提升到0.85m，MEO卫星由1.31m提升到0.96m，三种卫星平均提升幅度为19.8%。利用分布于我国不同区域测站的实测数据评估了新广播星历播发前后各卫星区域用户距离精度（

RURA，Regional User Range Accuracy）和用户导航定位精度，结果表明播发新的广播星历后，北斗导航系统的区域用户距离精度（RURA）平均提升了约32%，定位的精度提升了17%，定位三维误差小于2.50m。

3、约束双向钟差的北斗卫星轨道确定。分析表明多星定轨钟差与双向钟差一致性较高，均能表达卫星钟差历元间细致的变化。本文试验一种约束卫星钟差的多星定轨策略，将星地双向测量钟差为已知，不再单历元解算卫星钟差，而仅全局解算星地双向测量钟差中的未标定时延参数。试验结果表明，约束卫星钟定轨处理的伪距残差RMS与常规定轨伪距残差RMS相当，这表明约束卫星双向钟差的定轨策略实现了轨道动力学参数与其他参数和测量噪声的分离。解算的未标定时延参数与单双向钟差互差具有一致性很好，两者之差均值为0.04ns，RMS为0.61ns，说明约束卫星双向钟差定轨可以解算高精度的未标校时延。激光评估表明，约束卫星钟差的多星定轨可明显提升北斗卫星的轨道精度，其中GEO卫星激光残差由85.13cm减小至52.47cm，IGSO卫星的激光残差由35cm和40cm分别减小至约20cm，MEO卫星激光残差由50cm减小至约20cm。

4、低轨卫星增强北斗定轨仿真分析。参照北斗全球星座的组网，分析不同低轨卫星个数对北斗定轨的影响。分析结果表明：1）增加3个海外站使定轨精度略有提高，但由于海外站数量较少，跟踪弧段不足，精度提升幅度不大。2）增加3颗低轨卫星，进行星地及高低链路的联合定轨，定轨精度R方向可达到cm级，URE也有量级性提高。3）增加多颗低轨卫星与3颗低轨卫星相比，定轨精度基本相当，仅有个别卫星精度存在小量差异。4）中高轨卫星与低轨卫星联合定轨在钟差解算精度上略有提高，但幅度不大。