2017, Vol. 37
2. 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安市雁塔路126号，710054;
3. 陕西省地震局，西安市水文巷4号，710068
BDS的GEO和IGSO卫星由于其轨道的地球同步特性需要进行不定期的轨道调整，而卫星播发的导航电文是利用地面监测站数据和轨道模型预报得到的[1]，故轨道调整时，导航电文信息无法反映卫星的真实运动状态，异常的轨道和钟差等信息将会对导航定位产生数十m甚至更大的误差[2]。目前国内外针对北斗卫星在轨状态监测与分析的成果较少，仅Heng等[3-5]分析了GPS和GLONASS系统的星历误差并提出一种星历综合法。
在二体问题意义下，卫星运动的轨道可通过以下参数表示：轨道平面参数(轨道倾角，升交点赤经)、轨道椭圆形状参数(轨道长半轴，轨道偏心率)、轨道定向参数(升交角距)[6]。考虑到卫星轨道参数是反映卫星在轨运行状态的重要指标，同时卫星钟差参数是导航系统时间基准的关键指标，因此，本文利用广播星历中上述轨道参数及卫星钟差参数，研究分析现阶段不同轨道类型的北斗卫星在轨运行状态。
1 轨道参数分析选取2014年第326天到2015年第043天共83 d的iGMAS(international GNSS monitoring & assessment system)提供的单天广播星历数据进行分析。
根据BDS卫星的3种轨道类型对各卫星的轨道倾角、升交点赤经、轨道长半轴平方根、轨道偏心率和升交角距序列进行分类分析。GEO卫星的时间序列见图 1。
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图 1 GEO卫星的轨道参数变化 Fig. 1 The orbital parameters variation of GEO satellites |
图 1表明：1)C01卫星2014年第333天11 h、第365天11 h和2015年第029天11 h长半轴平方根和偏心率发生跳变；2)C02卫星2014年第348天15 h和2015年第022天23 h，C03卫星2014年第342天14 h、2015年第005天15 h和第032天19 h，C05卫星2014年第360天09 h和2015年第026天06 h发生跳变；3)C04卫星2014年第335天20 h和2014年第336天13 h长半轴平方根、偏心率和轨道倾角均发生跳变。
以上参数表明，GEO卫星轨道调整时，变化最大的是轨道长半轴和偏心率，轨道倾角变化量次之。因此可以看出，卫星轨道调整后主要是轨道的平面参数和形状参数发生了显著变化。各卫星的轨道调整周期如下：C01约30 d，C02约40 d，C03约28 d，C05约31 d。
IGSO卫星轨道参数的时间序列见图 2。
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图 2 IGSO卫星的轨道参数变化 Fig. 2 The orbital parameters variation of IGSO satellites |
图 2表明：1)C06和C09卫星的轨道参数时间序列变化比较连续; 2)C07卫星2014年第329天15 h、C08卫星2015年第009天20 h，C10卫星2014年第356天14 h长半轴平方根、偏心率、轨道倾角和升交角距同时发生跳变。
对于IGSO卫星，轨道调整时轨道倾角、长半轴、偏心率和升交角距常同时发生改变，这表明卫星的轨道参数整体发生了微小变化，但在分析时段内并未获取到明显的卫星轨道调整周期。
MEO卫星不同轨道参数的时间序列见图 3。
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图 3 MEO卫星的轨道参数变化 Fig. 3 The orbital parameters variation of MEO satellites |
图 3表明，各MEO卫星的轨道参数变化时间序列比较正常。这也说明，MEO卫星较少发生轨道调整。
综上所述，卫星的轨道调整常发生在GEO和IGSO卫星上，同时轨道调整时卫星的形状参数会发生较明显的变化。
2 钟差参数分析GEO、IGSO和MEO卫星的钟差序列分别如图 4(a)、图 4(b)和图 4(c)所示。
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图 4 卫星钟差变化序列 Fig. 4 Satellite clock sequence |
图 4(a)表明：1)C01卫星2014年第336天18 h发生跳变; 2)C03卫星2014年第344天08 h和2015年第035天19 h，C05卫星2014年第336天03 h和05 h、2014年第360天09 h和2015年第013天01 h钟差序列发生跳变; 3)C02卫星的钟差时间序列在一段时间内发生了较多跳变，具体时间为：2014年第348天18 h，2014年第358天22 h，2014年第360天04 h、21 h、22 h和23 h，2014年第362天05 h和21 h，2014年第364天04 h，2015年第001天05 h和21 h，2015年第005天05 h和21 h，2015年第034天15 h; 4)C04卫星的钟差时间序列比较连续。
对于GEO卫星，不同卫星的钟差跳变频率差异较大。
图 4(b)表明：1)C06、C09和C10卫星的钟差序列比较连续; 2)C07卫星2014年第348天13 h，第365天14 h、18 h和2015年第026天04 h发生跳变；C08卫星2015年第018天00 h发生跳变。
以上表明，各IGSO卫星的钟差时间序列跳变较少。
图 4(c)表明：1)C11和C12卫星的钟差时间序列较为连续; 2)C14卫星2014年第342天09 h发生跳变。
综上所述，除去C02卫星的集中跳变外，GEO卫星的钟差跳变较多，其余卫星的钟差序列较为连续。
3 广播星历卫星不健康时刻统计根据广播星历参数中健康状态标识统计各卫星的不健康时刻，并结合轨道和钟差参数反映的卫星状态进行对比分析(表 1)。
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表 1 广播星历中标识的卫星不健康时刻 Tab. 1 Satellite unhealthy time identified in broadcast ephemeris |
表 1中加粗内容标记的是卫星轨道参数上的异常，灰色标记的是表现在卫星钟差上的异常，下划线标记的是同时表现在卫星轨道和钟差上的异常。从表 1可以看出，除去反映在轨道和钟差参数上的卫星异常外，广播星历中还会受到一些其他异常因素的影响。
4 结语本文主要从卫星轨道平面参数、形状参数、定向参数和卫星钟差的连续性方面分析了北斗在轨卫星的运行状态。对连续83 d的广播星历数据分析发现：GEO卫星轨道和钟差的异常跳变最为频繁，其中C02和C05卫星钟差序列跳变最多；IGSO卫星异常跳变较少；MEO卫星运行状态良好。从广播星历的健康状态标识分析结果可知，除了反映在轨道和钟差参数中的卫星异常外，北斗卫星还会受一些其他异常因素的影响。本文后续工作将结合观测数据对北斗卫星的异常状态及原因进行分析。
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张勤. GPS测量原理及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2005 (Zhang Qin. GPS Measurement Principle&Application[M]. Beijing: Science Press, 2005)
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2. Key Laboratory of Western China's Mineral Resources and Geological Engineering, Ministry of Education, 126 Yanta Road, Xi'an 710054, China;
3. Earthquake Administration of Shaanxi Province, 4 Shuiwen Lane, Xi'an 710068, China