低轨卫星增强北斗三号导航星座性能分析

针对低轨卫星星座有待合理化设计的问题,深入研究了低轨卫星星座增强北斗三号系统定位性能。分析轨道高度、轨道倾角、星座构型对星座覆盖性能的影响,仿真北斗三号、GPS和3种不同类型的低轨星座,研究各低轨星座与北斗三号、GPS的组合系统在所选7个测站以及全球范围内的可见卫星数和PDOP值分布。结果表明低轨卫星对北斗三号的增强效果主要与低轨卫星数目有关,且不同轨道倾角的组合低轨星座有利于均衡系统在全球范围内的可见卫星数与PDOP值分布。低轨卫星有望通过改善卫星观测几何构型提高北斗三号系统的定位性能,且增强效果与低轨星座构型密切相关。     

顾及星座稳定性及综合成本的低轨导航星座优化设计方法

利用低轨道地球卫星(LEO)进行导航增强首先需要设计低轨星座,在进行星座构型设计时,星座的稳定性及综合成本是需要考虑的两个重要因素,本文提出了顾及星座稳定性及综合成本进行低轨导航星座优化设计的方法. 首先,利用遗传算法对铱星星座进行了优化,优化后的铱星星座与未优化前星座相比较,全球可见卫星数均值由2.3颗增至2.9颗,可见卫星数标准差由2.3降至0.7,综合成本因子由5.3降至4.5,证明了本方法的有效性. 然后以Walker星座作为基本构型,在保证低轨混合星座稳定性的基础上,顾及导航性能和综合成本,利用遗传算法进行了混合星座的优化. 将优化后的低轨混合星座与北斗星座进行了组合,组合后的星座与北斗星座相比较,全球可见卫星数均值由6.9颗增至9.3颗,可见卫星数标准差由1.1降至0.4.      

风云3C增强北斗定轨试验结果与分析

首次搭载GPS/BDS双模接收机全球导航卫星掩星探测仪(GNOS)的风云三号C星于2013年9月23日的成功发射,为研究低轨卫星对BDS定轨增强提供了便利。本文首先对低轨卫星GNOS搭载的GPS/BDS双模接收机的观测数据进行统计,并分析了伪距测量精度。然后在全球测站、区域测站两种布局情况下,对无GNOS的BDS单系统定轨、无GNOS的GPS/BDS双系统定轨、有GNOS的BDS单系统定轨增强、有GNOS的GPS/BDS双系统定轨增强4种方案进行北斗轨道及钟差比较分析。结果表明,GNOS对北斗卫星轨道增强在全球测站下,GEO卫星切向精度提升最为显著,提升程度达60%,其次是法向和其他类型卫星切向,部分弧段个别GEO卫星径向精度稍有下降。双系统定轨增强中可视弧段钟差重叠精度RMS值有0.1ns量级改善。7个国内测站区域监测网的定轨试验中对轨道进行了预报,结果表明GNOS对北斗GEO卫星轨道预报精度切向提升达85%,其余方向及卫星有较大改善,平均21.7%。可视弧段钟差重叠精度RMS值有0.5ns量级改善。     

低轨卫星增强北斗系统完好性性能分析

针对完好性是北斗建设的重要内容,但增强北斗系统完好性性能未有完整评估的问题,对低轨卫星增强北斗系统完好性性能进行探究.本文通过仿真北斗导航卫星(BDS)和低轨卫星(LEO),利用最小可探测偏差(MDB)、空间信号精度(SISA)和故障检测率3个指标来衡量整个增强系统下的完好性性能.结果表明,MDB平均增强了 16.5％,故障检测率提高了 8％,BDS单颗卫星也满足SISA要求.因此,低轨卫星的加入可以有效提高北斗系统完好性性能.     

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。     

低轨导航增强GNSS发展综述

低轨星座具有地面接收信号强度高、几何图形变化快的优势，能够与中高轨GNSS星座形成互补，对增强GNSS的精度、完好性、连续性和可用性具有显著优势，已成为当前卫星导航领域的关注热点。本文首先简要介绍了现有的GNSS增强系统；总结了国内外低轨导航增强星座发展现状；针对低轨导航增强，对比分析了高中低轨导航星座的优缺点；重点讨论了低轨导航增强在联合定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等方面带来的机遇；分析指出了低轨导航增强的空间段、地面段和用户段所面临的挑战。     

GPS和GLONASS系统下RAIM空洞预报

接收机自主完好性监测（RAIM）是卫星导航系统完好性监测的方法之一。一定时空条件下的RAIM可用性，可以通过RAIM空洞直观的反映出来，可以为飞行提供预警；利用不同期GPS、GLONASS实际星座，仿真分析了单星座以及GPS／GLONASS组合星座RAIM可用性，绘制了RAIM空洞图，具有一定的参考价值。     

用户视角的当前GNSS星座性能比较分析

导航星座性能直接决定着系统性能指标的实现,不同的星座构型和轨道参数决定了不同的星座性能.为系统评估北斗三号全球卫星导航系统(BDS3)建成开通后四大全球系统星座、BDS3与其他系统组合星座的当前实际性能,利用2020-08-01—2020-08-10的星历数据计算了各星座的全球可见卫星数、星座PDOP(位置精度因子)可用性和全球空间覆盖率,比较分析了各星座在不同用户高度截止角下的性能,探讨了各星座PDOP值在全球的分布规律.结果表明,在5°、15°、30°和45°高度截止角下,北斗系统(BDS)星座性能最优,在30°E～180°E,90°S～90°N区域,单系统中BDS的PDOP值远小于其他系统,用户高度截止角较高时,BDS3+GPS组合能在保证高可用性的条件下提供更高的全球空间覆盖率.所得结论对不同类型的用户使用北斗系统以及将BDS3与其他系统组合使用具有重要的参考价值.     

典型低轨卫星星座导航增强性能对比性评估研究

选取国外的Iridium NEXT系统、国内的“鸿雁”星座和“微厘空间”共三个典型低轨星座对北斗卫星导航系统(BDS)从信号落地功率、可见卫星数和精度衰减因子(DOP)等方面进行导航增强分析.结果表明:由于星座结构和卫星数目的不同,低轨星座对导航系统的增强能力存在差异. Iridium NEXT系统和“鸿雁”星座等极轨星座对极地地区有较强的导航增强能力,但随着纬度的降低增强能力下降明显,而以倾斜轨道为主的“微厘空间”在中低纬度的导航增强能力更强.      

小型化LEO星座与BDS-3全星座联合定轨仿真

受限于区域监测站及地球静止轨道(geosynchronous earth orbit,GEO)卫星的静地特性,北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)定轨精度较差,加入低轨卫星(low earth orbit,LEO)星载数据可显著提升定轨精度.使用一种由24颗L...     

风云三号D星天基BDS实时定位性能分析

随着北斗三号卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system-3, BDS-3)开始向全球提供导航服务,独立使用BDS为在轨运行的卫星提供全球覆盖、全时段的定位服务成为可能。结合风云三号D星(FengYun-3D, FY-3D)全球卫星导航系统掩星探测仪(global navigation satellite system occultation sounder, GNOS)的真实在轨数据对天基BDS的定位性能进行了详细的分析。首先,使用BDS真实广播星历计算了在不同轨道高度下的可见卫星数和定位精度因子（position dilution of precision, PDOP）,并结合精密星历分析了广播星历的轨道误差、时钟误差及空间信号测距误差(signal-in-space range error, SISRE)。仿真结果表明,在95%的置信水平下,从地面到2 000 km的轨道高度,BDS在全球范围内最小可见卫星数为6,最大PDOP小于5,星座可用性已经达到100%,全球平均可见卫星数BDS比GPS(global positioning syste...     

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,...     

基于北斗星间链路的卫星自主导航可行性分析

北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3)在BDS-2基础上,设计实现了高速宽带星间链路网络,以期实现导航和通信的一体化建设,并为卫星自主定轨(autonomous orbit determina-tion,AOD)技术的实现积累宝贵的实测数据.首先,利...     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system, GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system, Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明:5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播星历轨道、钟差精度大幅度变好,切向轨道、法向轨道与钟差精度已赶超GPS;BDS的广播星历轨道精度离散度较大,钟差精度出现不稳定现象;QZSS的广播星历轨道与钟差精度的稳定性与离散度相对最差。以2018年1 a的广播星历与精密星历为例分析了各个系统当前的广播星历精度,结果表明,当前GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS的考虑轨道误差与钟差误差贡献的空间信号测距误差（signal-in-space ranging error,SISRE）分别为0.806 m、2.704 m、0.320 m、1.457 m、1.645 m,表明Galileo广播星历整体精度最高,GPS次之,其次分别是BDS、QZSS和GLONASS。只考虑轨道误差贡献的SISRE分别为0.167 m、0.541 m、0.229 m、0.804 m、0.675 m,表明GPS广播星历轨道精度最高,其次分别是Galileo、GLONASS、QZSS和BDS。GPS卫星广播星历中新型号卫星的钟差精度总体要优于旧型号卫星。     

Swarm低轨卫星星座的GPS接收机差分码偏差估计

差分码偏差(differential code bias,DCB)是指由全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)信号接收和发射硬件导致的频率相关的偏差项,对电离层估计有显著的影响,在利用GNSS观测数据提取电离层总电子含量时需要被精确修正,研究利用低轨卫星的星载GNSS观测数据估计DCB尤为重要。使用Swarm星座3颗卫星GPS接收机2016年1月的双频观测值,设计了独立估计和联合估计两种估计方案,采用附加限制条件的间接平差方法对GPS卫星以及星载接收机的DCB进行估计。以中国科学院和德国宇航中心的DCB产品作为参考,分析了两种估计方案的精度和稳定性,相较于独立估计方案,联合估计方案得到的GPS卫星DCB的稳定性较独立估计方案提高了16.6%,且与参考DCB具有更好的一致性。