Abstract
BeiDou Navigation Satellite System (BDS), the Chinese component of Global Navigation Satellite Systems (GNSS), has come into operation and started to serve global users publicly since July 31st, 2020. BDS-3, i.e., the latest development of BDS, provides many services not only the traditional Position, Navigation and Timing (PNT) but also several featured ones such as Satellite-Based Augmentation Service (SBAS), Precision Point Positioning (PPP), Short Message Communication Service (SMCS) and Search And Rescue (SAR). Precise and accurate orbit and clock products are the perquisites of a GNSS to guarantee a high-quality service performance. BDS-3 is the first GNSS in which the Inter-Satellite-Link has been constellation-widely deployed. It has been preliminarily demonstrated that this new feature of BDS-3 improves the system’s survivability as well as its independence on the ground tracking. This study is devoted to the Precise Orbit Determination (POD) of BDS-3 with newly available ISL observations.
The inherent incapability of ISL measurements of sensing the absolute variations of Right Ascension of the Ascending Nodes (RAANs) of satellite orbits hinders the autonomous orbit determination free from ground support. Different approaches to constrain the constellation rotation have been studied in the literature. On the other hand, orbit determination using only ISL observations can serve to evaluate the performance of the newly carried Inter-Satellite-Link payloads. Depending on the satellite, the post-fit RMS of ISL range observations is 4.2~10.5 cm. Eliminating the effects of constellation rotations, orbit precision based on ISL range observations is around 7.0, 4.6, and 3.5 cm in the along-track, cross-track, and radial direction, respectively. The clock observations of ISLs are used to synchronize the clocks of satellites within the constellation. The post-fit RMS of ISL clock observations ranges from ~2.9 cm to 10.0 cm, differing for satellites. For most satellites, similar precision of clock offsets as the IGS MGEX ACs’ products can be obtained by ISL measurements, with STDs around 0.15 ~ 0.20 ns. Hardware delays of Inter-Satellite-Links estimated from the range and clock observations both show very good temporal stability, with a monthly average STD of 0.13 and 0.08 ns, respectively. Harmonic signals taking the orbit motion as the fundamental frequency are found in both the range and clock residuals. Although it turns out those harmonic signals only affect the results marginally, a Fourier-like periodic function model is proposed to absorb them and has been proved effective.
Several unresolved issues related to the POD of BDS-3 are investigated based on ground tracking data before studying the contributions of additional ISL observations. The effects of non-conservative perturbations from the Earth’s albedo and antenna thrust are significant and, therefore, need to be considered in the POD of BDS-3. The applicability of different empirical Solar Radiation Pressure (SRP) models and the necessity of an extra a-priori box-wing model are evaluated. Generally, the ECOM2 model shows superiority over the ECOM1 model as for BDS-3 satellites. And if the ECOM2 model is adopted,the additional a-priori box-wing model is unnecessary. In order to keep the backward compatibility of BDS-2, the strategy for integrated processing of BDS-2 and BDS-3, in which the legacy frequency combination B1I+B2I remains unchanged for BDS-2, is proposed and demonstrated.
The contributions of incorporating ISL observations to the POD of BDS-3 are assessed comprehensively. First, the benefits of additional ISL range measurements are demonstrated in cases of different ground tracking networks. Secondly, the somehow unexpected improvement in the orbit precision brought by incorporating ISL clock observations is displayed. Furthermore, integratedly processing the ISL derived range, ISL derived clock, and L-band ground tracking observations reduces the orbit DBD by ~39% and 42% in the along-track and radial directions, respectively, compared to using only ground-tracking data. Last but not least, the contributions of ISL measurements to the estimation of geodetic parameters are proved, especially for the geocenter coordinates. Strong correlations between empirical SRP parameters and the geocenter Z-component, which plague the community for a long time, are significantly reduced by adding ISL observations. The results are very promising not just in terms of establishing and maintaining a national BDS-based terrestrial reference frame but also improving the potential contribution of BDS via the IGS community to the International Terrestrial Reference Frame (ITRF).
Das BeiDou Navigation Satellite System (BDS), die chinesische Komponente von Global Navigation Satellite Systems (GNSS), ist seit dem 31. Juli 2020 in Betrieb und dient weltweit Benutzern öffentlich. BDS-3, dh die neueste Entwicklung von BDS, bietet viele Dienste, nicht nur die traditionelle Position, Navigation und Zeitmessung (PNT), sondern auch mehrere Funktionen wie der satellitengestützte Augmentation Service (SBAS), Precision Point Positioning (PPP), Short Message Communication Service (SMCS) und Search And Rescue (SAR). Präzise und genaue Orbit- und Clock-Produkte sind die Voraussetzungen für ein GNSS, um eine qualitativ hochwertige Serviceleistung zu gewährleisten. BDS-3 ist das erste GNSS, bei dem der Inter-Satellite-Link konstellationsweit eingesetzt wurde. Es wurde vorläufig gezeigt, dass diese neue Funktion von BDS-3 die Überlebensfähigkeit des Systems sowie seine Unabhängigkeit von der Bodenverfolgung verbessert. Diese Studie widmet sich der Precise Orbit Determination (POD) von BDS-3 mit neu verfügbaren ISL-Beobachtungen.
Die inhärente Unfähigkeit von ISL-Messungen, die absoluten Variationen der Right Ascension of the Ascending Nodes (RAANs) von Satellitenumlaufbahnen zu erfassen, behindert die autonome Umlaufbahnbestimmung ohne Bodenunterstützung. In der Literatur wurden verschiedene Ansätze untersucht, um die Konstellationsrotation einzuschränken. Andererseits kann die Bestimmung der Umlaufbahn, die nur ISL-Beobachtungen verwendet, dazu dienen, die Leistung der neu beförderten InterSatellite-Link-Nutzlasten zu bewerten. Abhängig vom Satelliten beträgt der Post-Fit-RMS der ISLBereichsbeobachtungen 4,2 bis 10,5 cm. Unter Eliminierung der Auswirkungen von Konstellationsrotationen beträgt die Orbit-Präzision basierend auf ISL-Entfernungsbeobachtungen etwa 7,0, 4,6 bzw. 3,5 cm in Längs-, Quer- und Radialrichtung. Die Uhrenbeobachtungen von ISLs werden verwendet, um die Uhren von Satelliten innerhalb der Konstellation zu synchronisieren. Der Post-Fit-RMS von ISL-Uhrbeobachtungen reicht von ~2,9 cm bis 10,0 cm, unterschiedlich für Satelliten. Bei den meisten Satelliten kann durch ISL-Messungen eine ähnliche Genauigkeit der Taktverschiebungen wie bei den Produkten der IGS MGEX ACs mit STDs von etwa 0,15 bis 0,20 ns erreicht werden. Hardwareverzögerungen von Inter-Satellite-Links, die aus den Entfernungs- und Taktbeobachtungen geschätzt wurden, zeigen beide eine sehr gute zeitliche Stabilität mit einer monatlichen durchschnittlichen STD von 0,13 bzw. 0,08 ns. Harmonische Signale, die die Bahnbewegung als Grundfrequenz nehmen, werden sowohl in den Entfernungs- als auch in den Taktresten gefunden. Obwohl sich herausstellt, dass diese harmonischen Signale die Ergebnisse nur marginal beeinflussen, wird ein Fourier-ähnliches periodisches Funktionsmodell vorgeschlagen, um sie zu absorbieren und sich als effektiv erwiesen hat.
Mehrere ungelöste Probleme im Zusammenhang mit dem POD von BDS-3 werden auf der Grundlage von Bodenverfolgungsdaten untersucht, bevor die Beiträge zusätzlicher ISL-Beobachtungen untersuchtwerden. Die Auswirkungen nicht-konservativer Störungen durch die Albedo der Erde und den Antennenschub sind signifikant und müssen daher im POD von BDS-3 berücksichtigt werden. Die Anwendbarkeit verschiedener empirischer Solar Radiation Pressure (SRP)-Modelle und die Notwendigkeit eines zusätzlichen a-priori-Box-Wing-Modells werden evaluiert. Im Allgemeinen zeigt das ECOM2- Modell eine Überlegenheit gegenüber dem ECOM1-Modell für BDS-3-Satelliten. Und wenn das ECOM2- Modell übernommen wird, ist das zusätzliche A-priori-Box-Wing-Modell überflüssig. Um die Abwärtskompatibilität von BDS-2 zu erhalten, wird die Strategie zur integrierten Verarbeitung von BDS- 2 und BDS-3 vorgeschlagen und demonstriert, bei der die Legacy-Frequenzkombination B1I+B2I für BDS-2 unverändert bleibt.
Die Beiträge der Einbeziehung von ISL-Beobachtungen in den POD von BDS-3 werden umfassend bewertet. Zunächst werden die Vorteile zusätzlicher ISL-Entfernungsmessungen bei unterschiedlichen Bodenverfolgungsnetzwerken demonstriert. Zweitens wird die irgendwie unerwartete Verbesserung der Bahngenauigkeit durch die Einbeziehung von ISL-Uhrenbeobachtungen angezeigt. Darüber hinaus reduziert die integrierte Verarbeitung der ISL-abgeleiteten Entfernung, des ISL-abgeleiteten Takts und der L-Band-Bodenverfolgungsbeobachtungen die Bahn-DBD um ~39 % bzw . Nicht zuletzt werden die Beiträge von ISL-Messungen zur Schätzung geodätischer Parameter, insbesondere für die Geozentrumskoordinaten, nachgewiesen. Starke Korrelationen zwischen empirischen SRP-Parametern und der Geozentrum-Z-Komponente, die die Community schon lange plagen, werden durch das Hinzufügen von ISL-Beobachtungen deutlich reduziert. Die Ergebnisse sind nicht nur im Hinblick auf die Einrichtung und Aufrechterhaltung eines nationalen BDS-basierten terrestrischen Referenzrahmens sehr vielversprechend, sondern auch hinsichtlich der Verbesserung des potenziellen Beitrags von BDS über die IGS-Community zum International Terrestrial Reference Frame (ITRF).
