基于星间链路支持的导航卫星自主完好性监测设计仿真

针对导航卫星在区域完好性监测网可视弧段之外难以实现基于地面监测站的系统级完好性监测问题,提出一种基于星间链路辅助支持的导航卫星自主完好性监测方法。该方法通过利用星间组合观测值,分离星钟误差和星历误差,采用基于平稳时间序列的非稳态异常检测算法对导航卫星星载原子钟相位抖动及频率的异常漂移进行监测;采用基于轨道先验信息的非中心化开方分布异常检测算法对轨道异常机动进行监测,并利用星间链路组合观测量对卫星自主完好性监测及其对全球用户完好性性能的提升作用开展仿真分析与研究。仿真计算结果表明:该方法可以在地面监测网不可视弧度内有效减小空间段卫星部分的故障漏检概率以及系统完好性风险,缩短完好性告警时间,提高全球卫星导航系统的完好性服务水平。     

SBAS星历改正数及UDRE参数生成算法分析

星基增强系统(satellite based augmentation system,SBAS)通过地球同步轨道卫星实时播发导航卫星星历改正数和完好性参数,以提升用户定位精度和完好性。采用最小方差法解算GPS星历改正数,利用卡方统计进行改正数完好性检核,并依据星历改正数方差-协方差信息计算SBAS用户差分距离误差(user differential range error,UDRE)和信息类型28(message type 28, MT28)等完好性参数。利用中国区域27个监测站的实测数据,首先以国际GNSS服务组织的精密轨道和钟差产品为参考解算星历改正数,结果表明,钟差改正精度优于0.1 m,轨道改正精度优于0.4 m;然后解算广播星历改正数,并生成UDRE和MT28参数,广播星历残余误差卡方检验值均小于告警门限,保证了改正数的完好性;最后利用生成的改正数进行SBAS定位解算,得到定位结果的水平精度优于0.7 m,垂直精度优于1.0 m,对比GPS单点定位,所提算法的水平和垂直方向精度分别提升了30%和40%。     

北斗精密定轨及广播星历轨道精度评估

目前各类用户对基于北斗卫星导航定位服务需求在不断扩大,由于广播星历实时、易获取,北斗广播星历精度是实时导航定位用户关心的问题,也是检验系统是否达成设计指标的关键因素。文中基于国家基准站和MGEX站计算北斗精密轨道,重复弧段精度优于利用国际站计算结果。将计算的北斗精密轨道作为参考,更加准确地评估分析北斗广播星历轨道误差的精度。分析结果显示,北斗广播星历轨道径向精度优于法向和切向精度,且法向误差具有较为明显的周期性。各类卫星中,GEO卫星精度稍差,而IGSO和MEO卫星与GPS在同一量级。随着北斗卫星系统逐步组网完善,地面监测站分布趋于合理,北斗系统整体性能将会不断提高。     

低轨卫星与星间链路增强的北斗卫星联合定轨精度分析

为提升区域地面监测站条件下北斗卫星定轨精度,面向日益丰富的北斗星载数据和即将实现的星间链路技术,提出了联合运用地面监测站数据、低轨卫星星载数据与星间链路数据的北斗卫星精密定轨方法。讨论了低轨卫星星载数据与星间链路数据增强对于导航卫星精密定轨的影响,重点从低轨卫星数量、轨位分布及星间链路等方面进行了仿真分析。结果表明:加入少量低轨卫星与区域监测站联合定轨即可显著提高导航卫星定轨精度约73%,钟差解算精度略有改进但不明显;同等数量且均匀分布的低轨星座,其轨位分布对联合定轨精度影响不大;加入星间链路数据可大幅提升导航卫星定轨精度,且改进效率高于低轨卫星。     

GPS卫星广播星历轨道误差突变性分析

针对GPS卫星播发的广播星历存在误差突变的问题进行了有关研究。利用切比雪夫多项式,分别以不同的拟合时段计算卫星轨道坐标,然后分别与对应历元的IGS精密星历所提供的GPS卫星的坐标进行比较,发现了某些GPS卫星广播星历轨道误差变化的规律。这对如何削弱广播星历的轨道误差,提高导航与定位精度是十分有益的。     

基于SDP4模型的导航卫星仰角及方位角预报

地面站可控天线可以不借助接收机而直接监测导航卫星的信号质量,地面天线伺服系统根据卫星的实时位置计算出仰角及方位角来确定天线的指向。广播星历及历书等常用的计算卫星位置的方法虽误差较小,但其误差随时间迅速扩大,基于该问题,论文论述了双行星历（TLE）结合SDP4模型进行卫星轨道预报方法,利用SDP4模型计算GPS导航卫星的实时位置并预报卫星的仰角及方位角,采用IGS 事后精密星历对其角度预报误差进行了评估,同时,还将该方法的预报误差与广播星历、历书、STK高精度轨道预报等方法的预报误差进行了对比。实验结果表明：采用SDP4模型对导航卫星进行位置预报可满足误差要求,且时间有效性长、通用性好,具备实际应用价值。     

BDS监测站坐标确定及对定轨精度的影响分析

对北斗监测站(框架点)坐标的计算方法进行探讨,提出精密单点定位和联合MGEX数据网解两种处理方案确定北斗地面监测网各站在国际地球参考架下的精密坐标。利用北斗观测数据对两种方案进行验证,特别分析了地面监测网各站坐标精化对北斗导航卫星区域网定轨精度的提升。初步计算结果表明:精密单点定位处理方案得到的各地面监测站坐标水平和高程的重复性分别为2.3 cm和3.4 cm,联合MGEX北斗数据网解处理方案得到的坐标水平和高程重复性分别为0.8 cm和2.2 cm。利用网解方案对监测站坐标进行更新后:IGSO(inclined geosynchronous orbit)卫星3D重叠弧段精度平均提升15.4%,MEO(medium earth orbit)卫星3D重叠弧段精度平均提升25.8%;北斗二号卫星平均激光检核残差由0.39 m降至0.24 m,平均精度提升38%;北斗三号卫星平均激光检核残差由0.25 m降至0.18 m,平均精度提升28%。     

GPS卫星定轨研究及STK仿真分析

首先对GPS卫星的轨道定轨的原理进行了简单描述,以卫星的广播星历数据为基础,计算出卫星的16个轨道参数,进而得到该卫星任一时刻的瞬时坐标。以2017年4月7日的GPS07号卫星的广播星历数据为例,计算该GPS卫星当天的轨道坐标,并将结果与当天IGS提供的精密星历所提供的卫星轨道坐标进行比较,计算结果显示广播星历误差可达5 m。最后使用STK软件调用MATLAB软件读取数据进行仿真分析,模拟出卫星的轨道,并计算出卫星的坐标,数值结果可为轨道设计提供技术参考。     

基于RTCA标准的WAAS和EGNOS广播星历差分完好性服务性能研究

为了提高GPS卫星导航系统服务性能,很多国家和地区建立了独立的星基增强系统(SBAS),通过提供广播星历差分与完好性增强信息,满足高精度高完好性用户使用需求。本文介绍了美国WAAS和欧洲EGNOS等星基增强系统的广播星历差分完好性信息电文编码格式,并对实际星基增强系统的广播星历差分与完好性电文进行解析。由于不同的星基增强系统采用的信息处理模式不同,针对WAAS和EGNOS两个不同地区建立的星基增强系统,对广播星历差分慢变改正／快变改正的变化特征进行了比较分析。研究了星基增强系统广播星历差分完好性信息用户使用算法,基于国际GNSS服务组织(IGS)提供的GPS实测数据,对WAAS系统和EGNOS系统的广播星历差分服务精度和完好性性能进行了对比分析。结果表明,WAAS系统的伪距单点定位精度约为1.2 m, EGNOS系统的伪距单点定位精度约为1.8 m,与GPS基本导航服务相比,伪距单点定位精度可提高约22％和16％。两个星基增强系统利用完好性电文计算的完好性保护限值大致相当,均在16 m以内,能够对定位误差进行包络。      

卫星自主完好性监测技术

介绍了卫星导航定位系统完好性监测的主要技术手段,阐述了完好性监测技术对卫星导航定位系统的作用和影响.针对卫星自主完好性监测的性能需求和地基完好性监测的技术现状,参考国外最新卫星载荷情况,提出了通过接收卫星导航信号旁后瓣能量进行卫星自主完好性监测的实现方案.通过技术分析,得出了该方案是经济可行的结论.提出了我国卫星导航定位系统建设应具备或应具有扩展卫星自主完好性监测能力的建议.     

基于IGS精密星历的完备性监测指标SISA研究

在卫星导航定位系统中,空间信号精度SISA是反映完备性参数的重要指标之一。从SISE与SISA的基本概念出发,描述了SISA的计算算法,根据卫星星钟的不同,选取了不同类型的GPS卫星,并利用IGS精密星历,预报精密星历进行了SISE和SISA的计算,结果表明:IGR星历计算的SISA指标满足系统要求,SISA主要受卫星钟差的精度影响,不同原子钟类型的卫星计算出来的SISA值变化不大。该成果对于卫星导航的完备性监测数据处理具有参考意义。     

BDS轨道完备性监测设计与实现

针对北斗卫星导航系统(BDS)完备性研究较少的现状,该文提出了一种导航星历中轨道观测数据的完备性监测新方法。采用轨道积分方法分析了北斗卫星的轨道残差均方根值;通过概率统计的方法,分别计算所有北斗卫星的轨道残差极限误差值(告警限差),剔除误差超限甚至粗差卫星,实现事后轨道完备性监测。另外通过比较分析剔除监测标记出的误差卫星之前和之后对测站精密单点定位的影响,验证完备性的风险性。最后通过实测数据对该算法进行了验证和分析。实验结果表明:该算法可以实现卫星轨道的监测示警,标记误差卫星,达到轨道完备性监测效果。     

四大GNSS广播星历精度评估与对比分析

分析了 目前广播星历精度评估中存在的问题,详细论述了广播星历精度评估过程中对精密星历进行天线相位中心改正的取值方法,提出了利用单颗星单日钟差均值作二次差对广播星历钟差的系统性偏差进行改正的方法.选取2019-09-01-2019-11-01 共计62天的多模 GNSS 实验(multi-GNSS experiment,...     

区域监测站与低轨卫星数据联合测定MEO卫星轨道

我国北斗二代系统(BDS)地面运控监测站数量较少且为区域分布,短期内难以实现全球建站,因此对全球运行的中圆地球轨道卫星(MEO)难以形成连续多重覆盖观测,导致BDS的MEO实时轨道精度偏低。基于上述问题,本文考虑到低轨卫星星载GNSS数据可以有效弥补区域监测站在空间覆盖及几何结构上的不足,设计了一种将星载GNSS接收机作为高动态天基监测站,联合地面区域监测站数据对卫星导航系统的MEO卫星轨道进行实时解算预报的方法。算例结果显示:7个区域监测站联合1至3个天基监测站,其定轨精度可分别提升约21%、34%和55%,这也表明,地面区域监测站联合天基低轨卫星数据可有效提高MEO卫星的轨道精度。建议我国BDS在区域测站分布阶段可采用联合低轨卫星数据方法提高北斗MEO卫星实时轨道精度。     

广播星历参数拟合算法研究

导航卫星一般采用近圆轨道,当卫星轨道偏心率或者轨道倾角接近于0时,利用GPS卫星开普勒轨道根数拟合卫星广播星历会出现一些问题。当高轨卫星轨道偏心率接近0时,广播星历拟合精度下降甚至拟合失败,为此本文提出了减少拟合参数个数、固定轨道根数M0或者延长星历参数拟合弧段长度的方法;针对GEO卫星在小倾角情况下,广播星历可能拟合失败的情况,本文提出了改变坐标系参考轨道面,在新的坐标系下拟合广播星历的方法。结果表明,改进后的拟合方法能适用于各种类型的导航卫星轨道,拟合精度在cm级或者mm级。     

“北斗二代”地面监控站建设方案设想

针对我国自主研发"北斗二代"导航系统建立全球范围的地面监控站面临着巨大难题的现状,本文提出一种仅在国内建立地面监控站以实现对导航卫星进行实时监控、定位、授时等功能的设计方案。对照美国GPS的地面部分功能,从测定导航卫星的空间坐标、卫星钟差估计、导航电文的注入和大气数据采集四个方面分析了该设计方案的可行性,初步得到该方案具有成本低,满足精度要求,实时性较强的特点。     

利用SLR检核GPS35卫星广播星历精度

论述了利用SLR检核GPS卫星广播星历精度的基本方法。采用2005年9月1日至11月30日3个月的SLR观测数据对GPS35号卫星广播星历的精度进行了检核,检核结果表明,观测时段内,由广播星历误差所引起的用户等效距离误差约为35cm。由此我们可以得出结论,在观测时段内GPS35号卫星广播星历的精度能够保障导航和实时定位工作的要求。     

自主导航星上快速星历拟合算法研究

针对北斗卫星导航系统地面监测站布设范围有限,系统抗打击能力不足等问题,我国已计划实现卫星自主导航。通过地面演示验证发现,星上自主定轨与时间同步软件同星上广播星历拟合软件耗费同等的机时。该文的研究目标为在保证精度的前提下,降低星上自主星历拟合的计算量。通过试验分析表明,采用直接降低星历参数个数的方法,会损失精度,效果不佳。利用自主导航自身特点,以长期预报星历为基础,通过参数固定,可在保证精度的基础上使矩阵求逆运算量降低近6倍。以长期预报星历为初值,可有效降低迭代次数,使计算量下降近5倍。