北斗空间信号精度误差特征提取与提升方法

The signal-in-space accuracy is the premise for navigation service. There are several disadvantages for the BeiDou navigation satellite system (BDS), such as serious multipath error, pseudorange delamination, regional tracking stations and devices unsteadiness. The signal-in-space accuracy of BDS has obvious gap compared with the GPS, owning certain improvement space. The error characteristic will be distilled and mined from the BDS signal-in-space accuracy in the project. The Ka-band inter-satellite link (ISL) technology will be employed from the new generation BDS satellite, in order to extract and separate satellites multipath errors from receivers. The BDS multipath error model will be established by the spherical harmonics method. The influence from asymmetric spectrum will be analyzed in pseudorange biases, seeking the quality control method for the pseudorange delamination in the new generation BDS satellite. The BDS signal-in-space accuracy will be improved with the augmentation of the ISL technology, with the establishment of the clustering processing method and model for two different ISL systems. In order to solve the instability of BDS signal-in-space accuracy, the neural network and limited-element sampling methods will be employed to detect the abnormity and to resume the signal-in-space accuracy as quickly as possible. A series of fast systematic error calculating methods will be established, consisting of the BDS satellite-to-station, station-to-station and ISL observation data. The URE (User Ranging Error) index superior 0.5 m will be realized for the BDS signal-in-space accuracy , promoting technical support for BeiDou global navigation satellite system.

空间信号精度是导航系统服务的前提，受顽固多径、伪距分层、区域布站和设备不稳定等因素影响，北斗空间信号精度与GPS存在差距，具有较大提升空间。本项目以北斗空间信号精度的误差特征提取为切入点，充分利用新一代北斗卫星的Ka星间链路技术，提取、分离和拟合卫星及接收机的多径误差，尝试构建基于球谐函数的北斗多径模型。针对新一代北斗导航卫星的伪距分层问题，分析频谱特性等因素对伪距测量的影响规律，设计卫星、地面系统和用户的质量控制方案。尝试利用星间链路数据增强北斗空间信号精度，构建不同体制星间数据的聚类处理方法与模型，实现星地/星间数据融合的精密定轨与时间同步。针对北斗空间信号精度的异常问题，研究利用神经网络和有限元样本等方法实现异常快速定位与空间信号精度快速恢复，构建星地/站间/星间一体的系统差解算方法与模型。最终实现北斗空间信号精度URE优于0.5m的研究目标，为提升北斗服务性能提供理论和技术支撑。

空间信号精度是导航系统服务的前提，受顽固多径、伪距分层、区域布站和设备不稳定等因素影响，北斗空间信号精度具有较大提升空间。本项目以误差特征提取为切入点，采用时间序列分析、频谱分析、特征挖掘等方法，提取、分离和拟合了卫星及接收机的多径误差，提出了卫星预失真滤波器参数调整等多方法相结合解决了北斗伪距分层问题。充分利用北斗Ka星间链路显著提升了北斗卫星钟差和轨道精度，实现了多源数据融合的精密定轨与时间同步。针对北斗空间信号精度的异常问题，提出了基于贝叶斯网络的风险评估及薄弱环节识别方法、基于人工智能的北斗系统异常探测方法和卫星钟差快速恢复方法，北斗空间信号精度URE综合为0.19m。.1）详细分析了北斗空间信号精度的误差特征，提取了主要特征参数，为误差建模和空间信号精度提升提供依据。基于事后精密星历评估北斗系统空间信号精度为0.49m，北斗星基增强和精密单点定位精度均达到指标要求。.2）伪距数据的多径误差约为1m，载波相位多径噪声为厘米级，采用实时多径改正方法能够有效减弱多径噪声的影响。提出了基于卫星高度角的GDV建模方法，模型精度为20.18%，扣除各类测距误差后，定位精度提升了45%。.3）提出了超短基线双差伪距O-C方法，完成了北斗伪距偏差问题的定位。提出了接收机环路参数调整等多种优化方法，B1I伪距偏差由0.63m降低至0.36m。提出了星基增强P1/C1频内差修正方法，BDSBAS单频定位精度水平方向由1.70m提升至1.38m，高程方向由2.83m提升至2.29m。.4）提出了基于星间链路整网平差算法的卫星钟差参数优化方法、基于星地星间联合定轨的星间链路设备时延标定方法，将预报2h卫星钟差精度由0.72ns提升至0.17ns，星间链路时延精度由0.18ns提升至0.14ns；星间数据增强后北斗GEO轨道预报24h时URE从0.3m提升至0.15m，MEO轨道预报24h的URE从0.25m提升至0.04m。.（5）提出了基于贝叶斯网络的风险评估及薄弱环节识别方法，构建了北斗监测站、地面段和空间段等贝叶斯网络模型。提出了基于长短期记忆神经网络模型的北斗卫星地影期时间和定位精度预测方法，准确度达到93%。提出了卫星钟差快速恢复优化方法，基于15min数据的卫星钟差参数2h预报精度由0.88ns提升为0.41ns。.研究成果已经在北斗系统研制建设和精稳运行中得到应用。