摘要
2020年，中国的北斗三号系统（BDS-3）全面建成，可在全球范围向用户提供全天候的导航定位授时（PNT）服务。作为全球卫星导航系统之一，北斗与其他GNSS在共同合作的基础上，又存在竞争关系。其中，导航系统的全球PNT服务能力直接反映了其技术的先进程度，并影响着其在GNSS领域的市场份额和国际话语权。因此，提升BDS-3的全球PNT服务能力对于中国卫星导航系统的发展至关重要。 空间信号精度是评估GNSS全球定位授时服务性能的重要指标。北斗卫星搭载星地星间多源观测载荷，具备全球全天候提供高精度导航授时服务的能力，但是随着其他GNSS的快速发展，如何提升BDS-3服务性能，保持BDS-3的核心竞争力，是BDS-3发展亟需突破的关键技术。 本论文以提升北斗三号卫星空间信号精度为目标，针对区域网条件下融合多种观测数据的卫星定轨和钟差测定中的多项关键技术展开研究，实现在区域监测站站构型下，更高精度的卫星钟差测定和轨道确定，为北斗系统进一步发展与完善提供科学积累。本文的主要研究成果和创新如下: 1）梳理了国内外GNSS的空间段和地面段发展现状，指出更高的空间信号精度是GNSS坚持不懈追求的目标。着重分析了星间链路在国内外导航中的应用情况，指出星间链路技术是GNSS未来发展的重要趋势。明确论文研究的必要性和意义。 2）详细介绍了导航系统空间段信号精度的评估方法，分别推导和计算了传统GNSS对低轨用户和地面用户，以及未来低轨导航系统对地面用户的SISRE系数。在此基础上，以地面用户为参考，评估了北斗、GPS、Galileo导航系统的SISRE特征，指出BDS-3卫星的SISRE为0.4m,优于GPS,但是与Galileo（0.14m）仍存在一定差距。与Galileo相比，BDS-3卫星的钟差参数误差大、钟差误差与轨道误差自洽性差，限制了 BDS-3卫星空间信号精度的进一步提升。 3）介绍了在区域条件下，利用多源观测数据生成卫星钟差参数和广播星历的基本原理。并分析限制BDS-3卫星空间信号精度提升的内在原因。分析结果显示:1）传统的“多跳法”时间同步策略未顾及双向链路的误差特性，其测量的星地钟差误差较大，是BDS-3卫星钟差参数精度差的主要原因。2）区域站构型下卫星定轨精度与EOP参数的预报精度高度相关，提升EOP的预报精度和更新频度可提升BDS-3卫星的切平方向轨道精度。 4）针对传统双向钟差估计策略中的不足，论文研究并设计了一整套的基于星间链路的高精度钟差参数生成策略。该策略第一步对星间链路采用顾及权重的整网平差处理，可实现高精度的星间钟差估计，其星间钟差的精度在1000s及更长的时间尺度上优于全球100个站解算的钟差精度，其小时尺度的预报性能与超高精度星间链路计算的钟差预报性能相当。该策略第二步通过3颗GEO卫星的L波段双向时间同步结果，平差实现所有卫星钟差向地基时间基准的溯源，其溯源误差优于0.1ns。该策略第三步在星间链路支持的多星精密定轨中，约束双向估计钟差，实现双向估计钟差与GNSS双频下行钟差的零值估计。在区域观测条件下，使用该方法估计得到的零值多天稳定度优于0.15ns。在全球GNSS观测支持下，零值多天稳定度可进一步提升至0.08ns。通过新的钟差参数生成策略，BDS-3卫星钟差参数精度可从1.05ns提升至0.29ns,约72％。 5)在高精度星间时间同步的基础上，本文基于BDS-3多台高性能原子钟的高精度比相结果，构建了可自主维持60天的天基时间基准。并以构建的天基时间基准为系统时间，实现了 BDS-3卫星钟差预报精度的进一步提升。结果显示，12颗BDS-3卫星构建的天基时间基准频率稳定度可优于1.0E-15@1day,2小时预报精度可以达到0.012m(＜0.04ns)。之后，论文利用高稳定的天基时间基准评估了 BDS-3卫星和地基时间基准的性能。评估结果显示，在天基时间基准下，BDS-3地基时间基准稳定度为1.0E-14@1day,BDS-3星载原子钟的频率稳定度可优于3.0E-15。以天基时间基准为系统时间，BDS-3铷钟的2小时预报精度可优于0.04m;BDS-3被动型氢钟预报精度可优于0.03m,相较于地基时间基准进一步提升约59％。 6)利用北斗三号星载高精度原子钟在轨数据验证了地球J2和日月引力对空间原子钟频率产生的广义相对论效应。基于IERS2010规范，本文推导了 BDS-3卫星高精度相对论修正模型，相较于目前通用的GNSS协议相对论修正模型，该模型更为精确。利用实测数据验证了本文推导模型的正确性。分析结果显示，更精细的相对论效应包括地球J2项引起半轨道周期项、月球公转引起的半月项、太阳运动引起的半年项、IGSO轨道共振导致的长周期项。上述周期信号均在论文提出的高精度星间同步结果中得到证实。采用更高精度的相对论数值修正模型后，不同时间尺度下的星间钟差拟合残差显著降低，半轨道周期和半月项周期对应的卫星频率不稳定度显著降低。采用更高精度的相对论模型后，卫星星间钟差预报精度可从0.183ns提升至0.156ns,约17％。 本文基于BDS-3系统现有测量能力和数据处理流程，从算法层面设计了卫星钟差测定优化算法、天基时间基准建立与维持方法、高阶相对性效应修正方法，并利用实测数据验证了方法的可行性和对卫星钟差预报精度提升的预期效果。上述研究成果可直接应用于BDS-3工程，采用论文提出的优化数据处理算法后，有望将BDS-3卫星空间信号精度提升至世界一流水平。
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