北斗导航系统的运行控制策略

1、 摘要：根据北斗的任务及特色，介绍了北斗运行控摘要：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。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、北斗的任务及特色 （一）（一）北斗任务北斗任务

2、 任务：任务： 实现全球导航（实现全球导航（10m10m） 满足中国区域满足中国区域 ICAO CAT-1ICAO CAT-1需求需求 精度精度 18.2m/7.7m18.2m/7.7m4.4m(95%)4.4m(95%) 非连续性非连续性10-6/15s10-6/15s 非完好性非完好性 2 210-7/10-7/进近进近 告警时间告警时间 6s6s 可用性可用性 0.99750.9975 3 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 满足中国区域满足中国区域 位置报告及短电文通信位置报告及短电文通信 实现实现GNSSGNSS互操作互操作 GPSGPS：L1cL1c、L5L5，Galileo

3、:L1,E5Galileo:L1,E5 北斗特色：北斗特色： 突出区域服务能力突出区域服务能力 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、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 突出位置报告与短电文通信功能突出位置报告与短电文通信功能 位置报告与位置报告与RDSSRDSS定位业务同时完成定位业务同时完成 定位与位置报告最短完成时间定位与位置报告最短完成时间1s1s 定位与指挥调度于一体定位与指挥调度于一体 5 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 事件的内容与发生的地点时

4、间在一封短信中完成事件的内容与发生的地点时间在一封短信中完成 摆脱了摆脱了“先定位再报告先定位再报告”的若干苦恼与弊病（时的若干苦恼与弊病（时 间间 达达120s.120s.用户属性混淆、位置与时间错位）用户属性混淆、位置与时间错位） 6 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （二）（二）北斗运行控制任务北斗运行控制任务 1 1、观测数据采集、观测数据采集 采集地面站对卫星观测的观测参数采集地面站对卫星观测的观测参数 伪距观测量伪距观测量 载波相位观测量载波相位观测量 星地时间同步观测量星地时间同步观测量 7 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （二）（二）北斗运行控制任务北斗运行控

5、制任务 采集星间相互观测量采集星间相互观测量 星间双向时间同步观测量星间双向时间同步观测量 8 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （二）（二）北斗运行控制任务北斗运行控制任务 2 2、观测参数处理、观测参数处理 卫星钟差及预报参数卫星钟差及预报参数 卫星星历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电离层校正参数处理及预报 导航信息完好性处理及告警导航信息完好性处理及告警 9 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （二）（二）北斗运行控制任务北斗运行控制任务 3 3、卫星广播星历的形成、注入与发布、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卫星钟差

6、历书及精密轨道电离层参数 10 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （二）（二）北斗运行控制任务北斗运行控制任务 4 4、星座评定及管理、星座评定及管理 星座覆盖特性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非连续性中断处理与恢复 卫星可用性评价与管理卫星可用性评价与管理 卫星组网质量评价与调度卫星组网质量评价与调度 11 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （二）（二）北斗运行控制任务北斗运行控制任务 5 5、GNSSGNSS互操作与广域增强互操作与广域增强 提供提供GNSSGNSS互操作校正参数互操作校正参数 （系

7、统时间偏差、系统座标改正）（系统时间偏差、系统座标改正） 提供提供GNSSGNSS星历、校正参数星历、校正参数 提供服务区电离层校正参数提供服务区电离层校正参数 12 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （二）（二）北斗运行控制任务北斗运行控制任务 6 6、完成用户服务与管理、完成用户服务与管理 支持支持RDSSRDSS业务业务 实现授权用户的位置报告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、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （三）国外卫星导航运行控制基本形式（三）国外卫星导航运行控制基本形式 1 1、GPSGPS

8、地面全球布站运行控制地面全球布站运行控制+ +星间链路维持星间链路维持180180天天 自主运行自主运行 主控站（主控站（MCSMCS）美国科罗拉多州）美国科罗拉多州 喷泉城喷泉城 空军基地空军基地 备用主控站备用主控站 马萨诸塞州马萨诸塞州 盖塞尔斯堡盖塞尔斯堡 监测站监测站 全球布全球布5 5个站个站 地面网连接地面网连接 观测量伪距观测量伪距 14 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （三）国外卫星导航运行控制基本形式（三）国外卫星导航运行控制基本形式 上行注入站上行注入站 全球全球4 4个个 地面能见角地面能见角7272度度 处理数据：联合伪距解卫星钟差及轨道参数处理数据：联合伪

9、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 优势光压模型在优势光压模型在RR星以后提高一个数量级星以后提高一个数量级. . R R铷钟天稳定度铷钟天稳定度1 110-1410-14 15 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （三）国外卫星导航运行控制基本形式（三）国外卫星导航运行控制基本形式 控制数据：控制数据： 超差星历更新，超差星历更新，3 3次加载次加载/ /星星/ /日日 URE URE均方根值为均方根值为4.2 m(1 )4.2 m(1 ) 16 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （三）国外卫星导航运行控制基

10、本形式（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星间链路维持自主运行精度 GPS BlockR GPS BlockR 设有设有UHFUHF星间链路星间链路 机理：观测量伪距。充分利用机理：观测量伪距。充分利用6 6个轨道面优势和改个轨道面优势和改 进进1 1个数量级的太阳光压模型，定轨精度高之优势，个数量级的太阳光压模型，定轨精度高之优势， 在在180180天星历支持下相互定位，修正星历。典型情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况每颗星可观测另外8 81616颗卫星。颗卫星。DOPDOP值低值低 缺点：精度维持能力差，对病态卫星钟免疫力低缺点：精度维持

11、能力差，对病态卫星钟免疫力低 17 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 2 2、GLONASSGLONASS境内布站运行控制形式境内布站运行控制形式 地面控中心（莫斯科）地面控中心（莫斯科） 处理特点处理特点: : 监测接收机观测伪距监测接收机观测伪距 C C波段雷达观测量为距离波段雷达观测量为距离 、速度、速度 独立计算钟差独立计算钟差 由距离量和速度量求卫星位置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卫星钟误差对轨道精度耦合小 18 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 2 2、GLONASSGLONASS境内布站运行控制形式境内布站运行控制形式 监测站分布监测站分

12、布 仅确保俄领土内的高精度星历控制。仅确保俄领土内的高精度星历控制。 经度方向跨度为经度方向跨度为180180度度 注入站注入站 星历和时差注入星历和时差注入 1 12 2次次/ /星星/ /日日 激光站（激光站（2020套）套） 测定地球坐标测定地球坐标 地球引力场模型地球引力场模型 修正定轨精度修正定轨精度 19 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 2 2、GLONASSGLONASS境内布站运行控制形式境内布站运行控制形式 时间同步站时间同步站 观测量伪距观测量伪距 计算量时差计算量时差 1 1次次/ /星星/ /日日 星上时差参数更新星上时差参数更新 2 2次次/ /星星/ /日

13、日 特点：星历和时间同步分别解算特点：星历和时间同步分别解算 无星间链路无星间链路 20 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 3 3、GalileoGalileo全球布站全球布站 地面控制中心（一主一备）地面控制中心（一主一备） 欧洲欧洲 地面站地面站 上下行遥控遥测及测距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向卫星注入导航信息及时钟修正参数 2 2个位于欧洲，个位于欧洲，3 3个位于全球个位于全球 21 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 有：法国的有：法国的Toulouse Toulouse 德国的德国的WeiheimWeiheim 澳大利亚的澳大利亚的Pert

14、h Perth 美国的檀香山美国的檀香山 南美的南美的FalxlandsFalxlands 纬度跨越纬度跨越4848度度-52-52度度 经度跨越经度跨越360360度度 机理同机理同GPSGPS，但卫星钟及太阳光压的模型有差距，但卫星钟及太阳光压的模型有差距 星间链路星间链路 无无 22 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （四）北斗特色及运行控制形式分析（四）北斗特色及运行控制形式分析 优势：优势： RDSS+RNSSRDSS+RNSS两种体制两种体制 GEO+IGSO+MEOGEO+IGSO+MEO多钟轨道选择多钟轨道选择 RNSSRNSS应用应用+RDSS+RDSS定位及位置报告

15、应用定位及位置报告应用 23 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （四）北斗特色及运行控制形式分析（四）北斗特色及运行控制形式分析 差距：差距： 国土幅原有限国土幅原有限 南北南北3838度度 东西东西6060度度 地面观测量只能确保区域导航精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太阳光压模型精度低一个数量级 差距差距2020年年 卫星钟长稳、长漂低一个数量级卫星钟长稳、长漂低一个数量级 差距差距2020年年 24 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （四）北斗特色及运行控制形式分析（四）北斗特色及运行控制形式分析 2 2、运行控制形式分析、运行控制形式分析

16、 境内设地面观测站境内设地面观测站+ +星间双向时间同步观测星间双向时间同步观测 实现全球高精度星历控制实现全球高精度星历控制 不同高度卫星构成固定、非固定双向时间同步不同高度卫星构成固定、非固定双向时间同步 GEOGEO、IGSOIGSO星地链路构建稳定星间网络与地面星地链路构建稳定星间网络与地面 网络联合运行模式网络联合运行模式 25 一、北斗的任务及特色一、北斗的任务及特色 （四）北斗特色及运行控制形式分析（四）北斗特色及运行控制形式分析 RDSSRDSS分布式处理系统服务于定位与位置报告分布式处理系统服务于定位与位置报告 （短电文通信）（短电文通信） GNSSGNSS互操作与广域增强系

17、统联合运行模式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降低互操作系统及终端复杂度 提升互操作性能提升互操作性能 26 二、二、北斗运行面临的形势分析北斗运行面临的形势分析 （一）（一）不利形势不利形势 1 1、幅原有限，地面观测量、星地观测量难以、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境外设站缺乏稳定的地面网络支持 27 二、二、北斗运行面临的形势分析北斗运行面临的形势分析 2 2、卫星太阳光压模型缺乏考炼、精度控制能力差、卫星太阳光压模型缺乏考炼、精度控制能力差 定轨精度需磨炼定轨精度需磨炼

18、3 3、卫星钟与、卫星钟与R 1R 110-1410-14差距大、且优劣参差不齐差距大、且优劣参差不齐 4 4、星间链路模式需进一步探讨、星间链路模式需进一步探讨 28 二、二、北斗运行面临的形势分析北斗运行面临的形势分析 （二）有利形势（二）有利形势 1 1、具有星地双向时间同步、站间双向时间同步、具有星地双向时间同步、站间双向时间同步 应用成果应用成果 理论成熟理论成熟 机理清楚机理清楚 同一路径双向伪距观测是提高两站时间同步的关键同一路径双向伪距观测是提高两站时间同步的关键 已达已达2ns2ns同步精度同步精度 29 二、二、北斗运行面临的形势分析北斗运行面临的形势分析 2 2、具有高精

19、度时间同步下的定轨技术支持、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、精密轨道分别求解 时间同步精度高（显著优于时间同步精度高（显著优于GLONASSGLONASS） 30 二、二、北斗运行面临的形势分析北斗运行面临的形势分析 对病态钟的免疫能力强对病态钟的免疫能力强 病态卫星钟不影响系统时病态卫星钟不影响系统时 不影响其它卫星钟差精度不影响其它卫星钟差精度 对定轨精度影响弱对定轨精度影响弱 31 二、二、北斗运行面临的形势分析北斗运行面临的形势分析 3 3、具有多种定轨方式的联合评定方法具有多种定轨方式的联合评定方法 4 4、具有三种不同高度的卫星组网有优势可用

20、：具有三种不同高度的卫星组网有优势可用： 构成统一星间链路管理模式构成统一星间链路管理模式 降低星地工作频度（不须降低星地工作频度（不须MEOMEO星地链路频繁介入）星地链路频繁介入） 32 二、二、北斗运行面临的形势分析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）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 钟的时间同步精度钟的时间同步精度 境内一个星地时间同步境内一个星地时间同步/ /注入站的有效工作可注入站的有效工作可 在星间链路

21、协同下维持系统稳定工作在星间链路协同下维持系统稳定工作 33 二、二、北斗运行面临的形势分析北斗运行面临的形势分析 （三）跨越式发展的基本思路（三）跨越式发展的基本思路 1 1、面对差距，加强基础理论技术研究、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加强卫星原子钟攻关及生产建设达到RR卫星卫星 铷钟水平铷钟水平 积累三种轨道卫星光压模型精准度经验，积累三种轨道卫星光压模型精准度经验， 力争在力争在20202020年达到年达到RR卫星水平卫星水平 34 二、二、北斗运行面临的形势分析北斗运行面临的形势分析 2 2、提高对组网卫星连续观测弧段、提高对组网卫星连续观测弧段 提

22、高卫星钟时间同步处理及预报频度提高卫星钟时间同步处理及预报频度 由由1010小时小时1616小时间隔缩短至小时间隔缩短至2 23 3小时小时 提高卫星轨道处理及预报频度提高卫星轨道处理及预报频度 每每2 2小时预报周期均有新观测参数支持小时预报周期均有新观测参数支持 35 二、二、北斗运行面临的形势分析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（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是北斗运行控制的基本策略 包括：地面站对导航信号观测包括：地面站对导航信号观测 星地时间同步双向伪距观测星地时间同步双向伪距观测 星间时间同步双向伪距观测星间

23、时间同步双向伪距观测 36 二、二、北斗运行面临的形势分析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地双向伪距钟差处理 星钟利用星间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伪距定轨处理 星间、地面联合伪距定轨处理星间、地面联合伪距定轨处理 37 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 （一）（一）星间观测及数据交换任务分析星间观测及数据交换任务分析 1 1、星间观测量的定义星间观测量的定义 星间观测量为双向伪距同步观测量星间观测量为双向伪距同步观测量 定义：在定义：在t t时刻卫星时刻卫星A A、B B获得观测对方的伪

24、距为：获得观测对方的伪距为： （1 1） （2 2） 卫星卫星A A、B B钟差为钟差为 （3 3） 38 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 （一）（一）星间观测及数据交换任务分析星间观测及数据交换任务分析 为卫星为卫星A A对对B B的伪距观测量的伪距观测量 为卫星为卫星B B对对A A的伪距观测量的伪距观测量 为为t t时刻两星间的空间距离时刻两星间的空间距离 为求解的两星间钟差为求解的两星间钟差 39 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 （一）（一）星间观测及数据交换任务分析星间观测及数据交换任务分析 T T 为两星存

25、在的钟差为两星存在的钟差 是与伪距变化率和钟差有关的改正项，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，当相对距离等于常数时， 有钟差有钟差 （4 4） 40 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 （一）（一）星间观测及数据交换任务分析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同一轨道面固定两星间相对距离变化0 0 两星间的钟差精度与伪距观测时刻成松耦合两星间的钟差精度与伪距观测时刻成松耦合 所以，同一轨道面的星间钟差精度高所以，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非同轨道面的星间钟差观测精度低 41 三、三

26、、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 2 2、星间观测的任务、星间观测的任务 获得双向时间同步获得双向时间同步 获得定轨观测量获得定轨观测量 获得电离层校正参数获得电离层校正参数 交换观测量（数据）交换观测量（数据） 42 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 （二）（二）提高星间观测量精度措施提高星间观测量精度措施 1 1、合理的星间路由选择和连续测量是提高、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同轨道面星间观测优于异轨道面星间观测量 43 三、三、

27、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 （二）（二）提高星间观测量精度措施提高星间观测量精度措施 间双向时间精度高间双向时间精度高 异轨道面星间双向时间同步精度低异轨道面星间双向时间同步精度低 44 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略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不同高度轨道所在卫星精度低 与与 间同步精度低间同步精度低 优选同轨道面的星间双向时间同步观测路优选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非同轨道面的任务以数据交换为主 45 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 2 2、以

28、、以GEOGEO卫星为通信节点是提高数据交换效率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和安全性的有效方法 MEOMEO对地交换系统复杂度高对地交换系统复杂度高 GEOGEO对地交换系统复杂度低对地交换系统复杂度低 46 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 3 3、定向连续观测是确保星间链路强度的合适选择、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固定指向链路为优 以顺序分别指向链路为劣以顺序分别指向链路为劣 47 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 4 4、以稳定节点（、以稳定节点（GEOGE

29、O）卫星钟为构架的空间时间站）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削弱劣质卫星钟对全系统星历精度的影响 GEOGEO高质量星钟可同步全系统钟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避免劣质量对另外卫星星历精度的影响 48 三、三、星间星地及地面联合观测处理策略星间星地及地面联合观测处理策略 （三）（三）GEOGEO卫星与地面间观测参数与数据交换卫星与地面间观测参数与数据交换 1 1、任务、任务 实现太空时间站主钟与地面钟同步实现太空时间站主钟与地面钟同步 获得星座定向参数获得星座定向参数 实现实现GEOGEO与其它卫星间的伪距观测与其它卫星间的伪距观测 星间数据与注入参数交换星间数据与注入参数交换 49 三、三、星间星