“北斗”区域卫星导航系统建成

2012年10月25日,我国成功发射了第16颗“北斗”导航卫星,至此,我国“北斗”区域导航卫星星座建成。经过1～2月的在轨调试,“北斗”卫星导航系统将于2013年初向亚太大部分地区提供正式服务。     

北斗卫星导航系统服务精度评估

精度是北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)服务指标体系的重要内容.给出了北斗卫星导航系统精度指标的含义及精度指标的评估方法,利用实测数据分析了北斗系统实际实现的精度指标,并将其与GPS系统实际实现的精度指标作比较分析.DOP(几何精度因子)值由卫星导航系统空间星座分布决定,是影响用户定位授时精度的重要因素,比较了北斗与GPS在中国区域DOP值分布的差异.GPS系统PDOP(定位几何精度因子)分布均匀,随用户经度和纬度变化不大,在1.0–2.0之间.而受混合星座影响,北斗系统PDOP分布随着测站经度和纬度变化较大,变化范围为1.5–5.0;且随测站纬度增加而变大,由中心经度(东经118?)向两侧不断变大.对于影响用户等效距离误差的空间信号精度进行了比较分析.利用IGS(国际GNSS服务组织)提供的事后精密轨道、激光跟踪数据和北斗双向时频传递测量的卫星钟差评估了北斗基本导航电文的精度.结果表明:北斗IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星和MEO(中轨道)卫星轨道径向误差约为0.5 m,大于GPS卫星轨道小于0.2 m的径向误差.北斗GEO(地球同步轨道)卫星激光残差约为65 cm,IGSO卫星和MEO卫星激光残差约为50 cm.受卫星钟差数据龄期影响,MEO卫星钟差参数误差明显大于IGSO卫星和GEO卫星,约为0.80 m.最后,采用MGEX(多GNSS系统试验项目)多模接收机进行了定位试验,分析了北斗系统和GPS在定位精度上的差异.结果表明:受星座构型影响,北斗卫星导航系统定位精度与GPS系统定位精度相比有所差异,但满足水平定位精度优于10 m、高程定位精度优于10 m的设计要求,双系统组合定位精度好于单一系统定位精度.     

导航卫星精密定轨与时间同步技术进展

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)通过播发卫星钟差和精密轨道信息实现时间和空间基准信息向导航用户的传递.随着高精度原子钟等导航卫星载荷、星间链路等天基/地基监测手段以及数据处理方法等技术的不断更新,卫星轨道和钟差产品的精度和实时性也逐步提升. 2018年12月,北斗三号卫星导航系统正式开通,为"一带一路"国家提供实时高精度、高可靠的基本导航定位服务.综述了北斗导航系统从北斗二号区域系统到北斗三号全球系统精密定轨与时间同步处理面临的困难和挑战,针对上述问题,阐述了北斗运行控制系统的解决途径和实现指标.与GPS等其他GNSS系统进行比较,分析了不同导航系统技术特点.最后展望了精密定轨与时间同步技术未来的发展路线图,为更高精度的GNSS导航定位授时服务提供参考.     

第一代北斗星座卫星对GALILEO卫星导航定位系统增强性能仿真

第一代北斗星座已经于2003年布置完毕，基本实现了中国本土及周边的导航定位功能。中国作为GALILEO卫星导航定位系统开发的重要参与者，研究北斗系统和GALILEO卫星导航定位系统的集成问题十分必要和迫切。本文，就第一代北斗星座对GALILEO卫星导航定位系统的增强性能进行分析，主要对PDOP指标进行了仿真。给出了国内典型城市的PDOP及其一天内的变化曲线。     

北斗/GPS双频静态伪距单点定位结果对比分析

北斗卫星导航系统于2012年12月对亚太地区正式投入运行。为了对相关性能参数进行全面的分析比较,利用2014年4月在北京采集的观测时间56 h历元间隔10 s的原始双频数据,分别得到北斗与全球定位系统的静态伪距单点定位结果。北斗的可见卫星数多于全球定位系统,但是由于星座布局尚未完善,北斗的位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)均值为2.49,略大于全球定位系统的位置精度因子均值2.12。北斗的单位权中误差均值为2.28 m,全球定位系统为2.50 m,说明北斗的测距精度优于全球定位系统。北斗粗差出现的频次为0.57%,全球定位系统为1.02%,北斗的可用性优于全球定位系统。剔除粗差值后,北斗在水平、高程的内符合精度(3.24 m,4.40 m)优于全球定位系统(3.90 m,5.57 m),但与标准坐标的差值(8.50 m,3.73 m,-0.80 m)不如全球定位系统(4.50 m,2.25 m,0.56 m),即稳定性优于全球定位系统,但准确性不如全球定位系统。可以预计,随着北斗星座系统的完善,定位性能会进一步提高。     

基于不同轨道高度iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究

基于通信卫星的导航系统可以利用比地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit,GEO）高约200 km的倾斜高圆轨道（inclined Highly Circular Orbit,iHCO）通信卫星组成导航星座.结合两种轨道高度的倾斜高圆轨道通信卫星,仿真分析了利用倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统（Chinese Area Positioning System,CAPS）的导航性能,并讨论了利用倾斜高圆轨道卫星组成的中国区域定位系统实现中国区域覆盖的最佳星座布局.     

北斗亚欧全视时间比对试验

基于卫星导航双频时间传递型接收机的伪码观测量,利用国际全球卫星导航系统服务组织(International Global Navigation Satellite System (GNSS) Service, IGS)提供的高精度卫星轨道和钟差产品,实现了北斗全视法时间比对.以IGS提供的时间尺度为两个待比对站的公共参考时间,首先使用双频组合法消除电离层对伪距观测的影响,然后将对流层和地球自转效应带来的时延利用理论模型在伪码观测量中进行扣除,分别获得两个比对站时间与公共参考时间之差后,将2者再做差,便得到了北斗全视时间比对结果.以中国科学院国家授时中心(NTSC)、德国物理技术研究院(PTB)和西班牙海军天文台(ROA)所保持的国家标准时间作为比对对象,开展了长基线北斗全视时间比对试验,获得北斗全视时间传递结果,最后利用阿伦方差和时间方差两项关键性能指标以及卫星双向时间比对对其进行性能评估.结果表明:北斗全视时间比对的天稳为10-14量级,可以满足国际时间比对需求.     

卫星导航信号稳定性分析方法研究

全球卫星导航系统空间信号分析是系统设计阶段与运行过程中的一项重要工作。首先给出了基于全球卫星导航系统监测接收机观测量的空间信号稳定性分析方法,然后通过数字仿真实验证实了方法的可用性,最后以北斗系统地球同步轨道卫星的实测伪距数据为例,从原始伪距观测数据、伪距拟合残差与伪距拟合残差标准差3方面对信号稳定性进行了分析,实验结果进一步验证了本文方法的可行性与有效性。方法对于保障卫星导航信号的连续性与可靠性具有一定意义。     

基于iGMAS的北斗三号组网星数据初步分析

北斗卫星导航系统目前已经完成北斗卫星导航试验验证系统和北斗区域卫星导航系统,正在建设北斗全球卫星导航系统,简称北斗三号系统.截至2018年11月,北斗三号系统已经发射19颗组网星.为了了解新发射组网星的信号、数据质量和目前能达到的定轨精度,基于2018年5月18日至28日22个国际GNSS (Global Navigation Satellite System)监测评估系统(iGMAS)跟踪站的数据,从观测噪声和伪距多路径两方面分析比较了最早发射的8颗北斗三号组网星新旧信号的数据质量,分别用旧信号B1I、B3I和新信号B1C、B2a对北斗三号组网星和GPS进行联合定轨实验.实验结果表明,新信号B2a的数据质量与旧信号相当, B1C的数据质量略差于老信号;比较3 d解重叠弧段(48 h)轨道和钟差结果,新旧信号的结果相当, B1I/B3I和B1C/B2a定轨的3维位置精度(3D-RMS)都在35 cm左右,钟差结果基本在0.5 ns以内.     

中国和欧洲导航卫星的后起之秀

中国将发射“北斗”导航卫星,欧洲也将发射两颗“伽利略”导航试验卫星。中国导航卫星在近年得到了长足的发展,2007年2月3日,中国战功发射第4颗“北斗”导航试验卫星。同年4月14日,又成功发射了首颗“北斗”导航卫星[又明北斗导航卫星--M1（COMPASS—M1）]。这次发射的卫星飞行在高度为21500千米的中圆轨道,它标志着我国自行研制的“北斗”卫星导航系统进入新的发展建设阶段。据悉,2008年中国还将把“北斗”导航卫星送上太空,另外。2005年7月28日,中国与欧盟就“伽利略“计划签署了3份应用项目合同．成为首个加入“伽利略”计划的非欧盟国家,拥有这一系统的部分所有权和全部使用权。     

基于星间链路的BDS导航系统实时星历和钟差分离修正

BDS导航系统授权服务通过提供实时广域差分改正,满足高精度导航用户的导航需求。研究独立时间同步支持下的BDS卫星导航系统的广域差分修正模型与方法,比较了星历和星钟误差的一维(即ICD文件中的等效钟差)和四维差分等两种模式的修正性能,利用DOP值分析了星历改正的误差传播规律。分析表明,一维差分模式的修正精度随轨道误差增加而降低,不适用于在轨卫星故障及GEO卫星轨道机动后轨道快速恢复等情况,并且会降低广域差分系统的可用性;而仅在星地观测条件下,广域差分的三维星历和钟差分离的四维差分模式稳定性较差,区域监测网分布严重限制了星历和钟差误差的分离精度。随着BDS全球系统发展,为满足星座自主导航的需求,系统将提供星间链路观测。通过建立仿真平台,对星间链路支持下的星历和星钟误差分离方法进行研究与分析,结果得出,增加星间链路观测,可以有效地分离星历和星钟误差,将星历误差传播放大因子降低约50%;与一维差分模型相比,将监测站布站稀疏区域内的用户差分改正精度提高约60%。     

北斗卫星导航系统SISURE初步评估

北斗导航系统自2018年12月27日提供全球服务以来,其服务性能受到了极大关注.以上海天文台iGMAS (International GNSS MonitoringAssessment System)分析中心发布的精密轨道、钟差产品作为基准,评估了2019年年积日3–12 d的北斗二号、北斗三号以及GPS广播星历的轨道、钟差和空间信号用户测距误差(Signal in Space User Ranging Error, SISURE,简称为URE),并且对北斗卫星导航系统结果进行了详细的分析.结果表明:在评估时间段内,北斗三号广播星历轨道精度、URE均明显优于北斗二号,且部分结果优于GPS.北斗三号广播星历轨道径向精度最高,优于0.2 m.北斗三号全部卫星URE均值优于0.4 m, URE RMS (root mean square)优于0.5 m.北斗二号每颗卫星URE均值、95%URE (置信度为95%的URE)、URE RMS小于2 m,北斗三号每颗卫星URE均值、95%URE、URE RMS小于1 m,均达到了系统公开承诺的服务性能标准.     

导航卫星姿态和光压模型研究进展

不同导航系统中卫星的形状、材料、轨道设计和姿态控制模式等都不相同,在进行多系统数据联合处理时,要获得高精度的卫星轨道,需要区别对待不同类型卫星的姿态模型和光压模型。作为导航卫星所受量级最大的非保守力,国内外许多研究是围绕光压模型的建立与精化等方面来开展,以便建立最合适的模型,从而获取更高的定轨精度。目前的研究表明,新的Galileo以及北斗卫星采用与之前不同的姿态控制模式,适用的光压模型也不同。总结了目前比较通用的导航卫星姿态模型,尤其是官方最新公布的北斗卫星的姿态模型,详细介绍了卫星光压模型研究进展和近几年来新发射卫星光压模型以及其先验模型的构建方法,并分析了各个模型的优缺点和适应性。通过对目前导航卫星姿态以及光压模型的分析,提出在更高精度的定轨任务中有待改进的问题,为导航卫星尤其是新发射导航卫星精密定轨中的光压和姿态模型的选择和建立提供参考。     

姿态卡尔曼滤波对FAST馈源舱 BDS/SINS组合导航位姿精度的提高

500 m球面射电望远镜(The Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)馈源舱位置和姿态测量精度直接影响望远镜接收机的对准精度.为了提高馈源舱位姿精度,提出姿态卡尔曼滤波算法,采用北斗导航系统的多天线技术解算馈源舱姿态,将它与捷联惯导解算的馈源舱姿态对比,两者的差值作为姿态卡尔曼滤波的量测量.为了降低北斗导航系统解算姿态的复杂度,采用了罗德里格矩阵解算方法.以望远镜跟踪观测模式时,北斗导航系统和捷联惯导解算的实际导航结果作为测试数据,测试结果表明采用姿态卡尔曼滤波的组合导航结果精度优于传统卡尔曼滤波的组合导航结果,尤其在航向角和yf轴的位置精度上.     

基于iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究

中国区域定位系统(Chinese Area Positioning System,CAPS)把寿命末期的地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)通信卫星推到比GEO轨道高约200 km的倾斜高圆轨道(inclined Highly Circular Orbit,iHCO),卫星相对地球向西漂移。利用该类卫星组建CAPS导航星座,可以实现全球范围内的导航通信覆盖。重点开展基于iHCO通信卫星的CAPS星座优化研究,结果表明:利用GEO通信卫星和iHCO通信卫星组成的星座可以实现较好的空间星座布局,可以满足一般导航用户的需要。     

空间信号精度的算法设计与实验分析

导航系统的完好性关系到用户的安全问题,空间信号精度(SISA)是反映卫星导航系统完好性的重要指标之一。针对导航电文中的广播星历和钟差参数信息处理问题,设计了SISA参数计算方法;利用GPS和BDS系统中的实际数据,分析了不同轨道类型卫星SISA参数对空间信号误差的包络特性,并将导航电文中URA参数与SISA参数进行比较,验证了SISA参数计算方法。实验结果表明,SISA能够准确反映广播星历的空间信号精度,并能够对空间信号误差基本实现平均98%的包络能力;目前北斗广播星历中的URA参数不能够精确反映空间信号的精度,不同卫星的空间信号精度相差较大,SISA能够准确反映和包络北斗空间信号误差。     

区域导航卫星精密定轨研究

区域卫星导航系统采用混合星座设计,GEO(地球同步轨道)卫星是系统的重要组成部分,其精密定轨技术也是导航系统的关键技术之一。GEO卫星的高轨特性致使地面跟踪基线长度有限,定轨几何条件不佳;其静地特性致使卫星轨道与钟差存在强相关特性,对于基于伪距的GEO卫星定轨模式,需要星地与站间时间同步技术的支持。因此,如何利用区域卫星导航系统的多种测量技术实现多模式、多层次的导航卫星精密定轨,是一项值得深入研究的课题。     

提升北斗RDSS完好性和可用性的信息处理设计

为更好地满足用户需求,作为北斗特色导航服务模式的卫星无线电测定服务需要建立完好性监测和发播体系,并优化系统资源动态调配策略,以提升服务的完好性和可用性。面向北斗用户对定位与位置报告、授时、短报文通信三大服务的精确性、实时性、成功率、安全性需求,分别分析了上述服务的处理流程和关键要素,提出了建立完好性监测、发播体系和可用性提升的信息处理策略,以保证北斗全球定位报告服务的高完好性和高可用性。     

基于GPS与三轴磁强计的联合导航算法

为了修正近地轨道(小于1000 km)地磁场模型,提高导航的精度,在地磁导航系统中引入GPS作为一个新的测量设备,提出了一种基于三轴磁强计与GPS的联合导航算法．该算法取卫星的位置和速度向量作为状态向量,建立状态方程;取卫星周围的磁场强度和GPS接收的信号作为观测量,建立观测方程;并以GPS确定的轨道状态量为标准量,去估计磁场模型参数的修正量,构成冷备冗余导航算法．仿真结果表明,提出的导航算法对轨道位置的估计误差小于50 m,速度的估计误差小于0．1 m／s,导航算法的精度和收敛性都优于使用单一地磁导航的系统．     

针对低轨星座的空间信号测距误差投影系数确定

随着低轨星座建设的不断推进,计算卫星空间信号测距误差(signal in space range error,SISRE)的面向对象不再局限于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)的地面用户,还包括GNSS的低轨星载用户和低轨导航系统地面用户。为更好地支持基于低轨星座SISRE的解算,根据SISRE的计算原理,分别研究了低轨星载用户和低轨卫星地面用户的SISRE误差投影系数的特征。计算结果显示,GNSS卫星对地面用户的误差投影系数并不适用于低轨星载用户及低轨导航星座地面用户。当低轨卫星轨道高度由2 000 km降低至300 km时,GNSS卫星对低轨星载接收机的轨道径向误差投影系数由0.96增加到0.98,轨道切法平面误差投影系数由0.20降低至0.15;低轨卫星对地面用户的轨道径向误差投影系数从0.72降至0.37,轨道切法平面误差投影系数从0.49增加至0.66。上述结果可为未来低轨卫星相关的空间信号测距误差分析以及低轨完好性研究提供重要参考。