导航星座抗毁路由方法与技术研究

基于分群管理、群首备份、链路冗余、链路修补的二代导航卫星网络组网结构,提出并设计了一种基于GEO星层、MEO星层、地面节点联合组网的抗毁路由算法（DRRA）。基于二代导航动态卫星网络中卫星移动的动态卫星网络中,提出的DRRA算法在定位信号稳定、数据包路由抗毁、数据包路由最短延时等方面具有优势,并分析了其主要原因。     

一种基于局部激光高速节点骨干网络的星间链路拓扑规划与仿真优化方法

激光星间链路具有传输容量大和传输速率高等技术特点，具有激光星间链路功能的卫星节点可以在激光-微波混合星间链路网络中作为高速骨干网节点. 如何部署这些高速节点，使得构建的卫星网络拓扑达到最优目标，是星间链路由微波到激光过渡发展中的一个研究重点. 以包括24颗中圆地球轨道（MEO）、3颗地球同步轨道（GEO）和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的导航卫星星座为应用场景，在高速节点数量固定的条件下，综合几何可视性、星间距离和工程约束等约束条件， 以卫星网络接入节点到目的节点的平均端到端时延最小为优化目标，建立数学模型，提出一种基于多源最短路径策略的混合星间链路网络高速节点选取算法，求解局部激光高速节点骨干网络的最优拓扑结构. 仿真结果表明:本文算法得到的局部激光高速节点骨干网络拓扑结构能使整网传输时延更小，通信性能更佳.      

LEO导航增强星座设计与链路性能分析

现有卫星导航系统的PNT服务无法提供全空域服务,LEO卫星星座、星间链路是未来多源导航信息源的重要组成部分。本文根据极轨道星座设计理论,在LEO卫星个数较少的条件下,设计了一个LEO导航增强星座,并分析了该星座的全球覆盖性。然后,根据卫星间的几何特性,在星座中建立了星间链路拓扑结构,并采用图论知识讨论了该星间链路拓扑结构的连通性和稳健性。最后,分析增加5颗GEO卫星后的星座星间链路性能。     

混合星座星间链路的建立以及连通性和稳健性分析

首先,分析了混合星座的特点,并分别讨论了GEO卫星、IGSO卫星和Walker-δ星座的服务性能和星间链路的建立特点;然后,运用邻接矩阵给出混合星座连通性的判断标准,运用任意两颗卫星间相连途径的数目、割点、割边、k-连通度和k-边连通度给出星间链路稳健性的判断标准,并给出了星座达到k-连通所需要的最少星间链路的数目及其构建方式;最后,对模拟的3GEO+3IGSO+24MEO星座构型中各卫星之间的星间链路建立准则、连通性和稳健性进行了分析。     

星地监测网下的北斗导航卫星轨道确定

提出层间链路的星间链路方式,即以轨道高度区分的不同类型卫星间链路,在MEO卫星上安装星载接收机即可接收GEO、IGSO卫星观测数据。根据中国卫星导航系统星座构型,从卫星跟踪时间、三维位置精度因子PDOP、定轨均方差等评价指标,分别进行地面跟踪站区域和全球非均匀分布情况下的星地链路、星地链路联合层间链路、星地链路联合星间双向测距等多种场景的定轨仿真。结果显示,基于中国区域的7个地面跟踪站1 d观测值,联合波束角为41.25°的层间星间链路,GEO、IGSO和MEO定轨均方差值由6.1 m、1.3 m和5.9 m减小到1.0 m、0.8 m和2.0 m;联合卫星波束角为45°的卫星双向测距(残余系统误差为振幅30 cm的周期项),星座整体定轨精度优于20 cm。     

北斗混合星座分层约束下的精密定轨方法

针对北斗导航卫星系统首创的GEO+IGSO+MEO混合星座设计,本文研究了根据不同星座,采取不同约束条件和数据处理策略的北斗卫星精密定轨方法,提出了一种针对北斗系统混合星座的分层约束精密定轨方案。该方案首先将北斗卫星分为非GEO(IGSO/MEO)和GEO两部分进行解算,利用GPS解算的公共参数对北斗IGSO/MEO精密定轨形成有效约束,然后固定GPS和北斗IGSO/MEO解算结果,最后单独对北斗GEO卫星进行强约束下的轨道解算。利用实测数据进行了精密定轨试验,试验结果表明:采用本文提出的方法,北斗GEO卫星和非GEO卫星三维重叠弧段轨道精度分别为0.688 m和0.042 m,比传统方法分别提高了54.2%和72.4%。另外,采用激光测距检核和测站坐标静态精密单点定位的方法对轨道精度进行了验证,激光检核精度提高了44.3%,测站坐标在水平和高程方向上精度分别平均提升了21.5%和20.7%。     

BDS GEO卫星对GPS精密单点定位的影响分析

为了研究北斗卫星导航系统（BDS）GEO卫星对全球中圆地球轨道（MEO）星座精密单点定位（PPP）的影响,本文利用MGEX站点连续7天的观测数据,将BDS GEO卫星和MEO卫星进行组合,对可见卫星数,定位精度和收敛时间进行了分析. 实验结果表明,在MEO卫星中加入GEO卫星可以得到更好的空间几何构型,两者的定位精度相当;GEO卫星和MEO卫星组合可以缩短收敛时间,在MEO卫星定位较差时,加入GEO卫星可以提高定位的可靠性.      

北斗卫星导航系统单星授时精度分析

为研究北斗卫星导航系统单星授时精度，本文基于GPS单星授时原理，结合北斗卫星多种类型星座特点，编写了BDS单星授时软件。利用iGMAS站数据进行了试验，在对原始数据进行监测并将异常信息剔除后，将授时结果与中国测绘科学研究院北斗分析中心（CGS）钟差文件进行比对，分析了BDS不同轨道卫星（GEO/IGSO/MEO）下的BDS单星授时精度。结果表明，GEO卫星的授时精度为27.39 ns，IGSO卫星的授时精度为18.37 ns，MEO卫星的授时精度为18.62 ns。     

一种区域卫星导航系统导航策略

根据区域卫星导航系统星座结构的特点,针对GEO星、IGSO星存在的轨道机动问题,以及星座建设阶段存在可用导航卫星少于4颗的情况,给出了一种综合利用接收机自主完好性故障检测排除算法、三星定位方法、病态数据处理方法的解决策略,可以提高区域卫星导航系统在一般导航应用中的有效性和连续性。实际算例结果表明了所提方法的可行性。     

GEO/IGSO/MEO卫星对北斗伪距差分定位精度的作用分析

分析了GEO/IGSO/MEO 3种卫星在BDS伪距差分定位中对精度的影响,先只添加4颗GEO卫星参与定位,再在4颗GEO卫星均参加定位的条件下,逐次增加一颗高度角最大的IGSO卫星参与定位,最后在4颗GEO卫星和3颗IGSO卫星均参加定位的条件下,逐次增加一颗高度角最大的MEO卫星参与定位。分析3次实验HDOP、VDOP值和定位精度的变化。实验表明,在北斗卫星星座(5GEO+6IGSO+3MEO)条件下,只有GEO卫星参与定位时精度较差,当加入IGSO卫星和MEO卫星时能显著改善空间结构并提高定位精度。     

Improving BeiDou precise orbit determination using observations of onboard MEO satellite receivers

In recent years, the precise orbit determination (POD) of the regional Chinese BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been a hot spot because of its special constellation consisting of five geostationary earth orbit (GEO) satellites and five inclined geosynchronous satellite orbit (IGSO) satellites besides four medium earth orbit (MEO) satellites since the end of 2012. GEO and IGSO satellites play an important role in regional BDS applications. However, this brings a great challenge to the POD, especially for the GEO satellites due to their geostationary orbiting. Though a number of studies have been carried out to improve the POD performance of GEO satellites, the result is still much worse than that of IGSO and MEO, particularly in the along-track direction. The major reason is that the geostationary characteristic of a GEO satellite results in a bad geometry with respect to the ground tracking network. In order to improve the tracking geometry of the GEO satellites, a possible strategy is to mount global navigation satellite system (GNSS) receivers on MEO satellites to collect the signals from GEO/IGSO GNSS satellites so as that these observations can be used to improve GEO/IGSO POD. We extended our POD software package to simulate all the related observations and to assimilate the MEO-onboard GNSS observations in orbit determination. Based on GPS and BDS constellations, simulated studies are undertaken for various tracking scenarios. The impact of the onboard GNSS observations is investigated carefully and presented in detail. The results show that MEO-onboard observations can significantly improve the orbit precision of GEO satellites from metres to decimetres, especially in the along-track direction. The POD results of IGSO satellites also benefit from the MEO-onboard data and the precision can be improved by more than 50% in 3D direction.     

关于建设北斗星基广域增强系统研究

鉴于GPS系统已经成熟,北斗导航系统建设尚不完善,本文考虑建设北斗卫星对GPS卫星的增强系统。一方面,采用GPS/Compass-Ⅱ组合卫星导航系统,可大大增加某一时刻的可见卫星数,增强导航定位系统的可靠性。另一方面,北斗现已发射第九颗导航卫星,其中包括5颗地球静止轨道卫星,本文重点探讨利用这5颗GEO(Geostationary Orbit,GEO)卫星对GPS系统进行外部增强,即北斗GEO卫星同时播发卫星导航电文和增强信息,提高用户定位精度。     

北斗卫星精密轨道与钟差精度分析

针对北斗卫星导航系统的卫星姿态模型、天线相位中心改正及卫星定轨数据处理策略未统一的现状,该文对比分析了武汉大学和德国地学研究中心提供的北斗事后精密轨道和钟差产品的差异及精度,结合实测数据,通过分析精密单点定位的定位精度来比较两中心精密轨道和钟差的差异。实验结果表明:北斗卫星的精密轨道精度与轨道类型有关,地球静止轨道(GEO)卫星的轨道精度为米级,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道精度为分米级,中地球轨道(MEO)卫星切向、法向和径向的精度分别为10.81、5.41和3.37cm;GEO卫星钟差精度优于0.38ns,IGSO卫星钟差优于0.25ns,MEO卫星钟差优于0.15ns;两家分析中心产品的北斗静态精密单点定位的平面精度相当;北斗静态精密单点定位的RMS统计值平面精度优于3cm,三维精度优于7cm。     

北斗卫星伪距码偏差特性及其影响分析

在北斗导航卫星伪距码偏差特性分析的基础上,建立了倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和中轨卫星（MEO）的伪距码偏差多项式改正模型;并利用星间单差宽巷小数周一致性,分析建立北斗地球同步轨道卫星（GEO）卫星伪距码偏差改正模型。采用武汉大学北斗试验网、中国陆态网络和MGEX网不同位置、不同类型接收机观测数据进行分析验证,结果表明,北斗卫星伪距码偏差特性与观测值频率、卫星类型相关,所有GEO和IGSO卫星变化规律相同,所有MEO卫星变化规律相同,与接收机类型、测站位置和观测时间无关,偏差值大小随卫星高度角变化,其变化规律稳定,可以采用建立的两类改正模型（GEO/IGSO和MEO）进行修正。通过偏差修正后的伪距无电离层组合的残差、双频SPP以及单频PPP三个方面验证了伪距码偏差改正模型的正确性。     

北斗导航卫星位置计算方法研究

为了提高北斗卫星轨道的精确性和实时性,在分析星历文件中的开普勒轨道参数和轨道摄动参数的基础上,阐述了卫星轨道计算方法,用VisualC＋＋语言编程实现了卫星轨道位置计算,并用2013年1月13日的北斗导航文件计算出1、5号GEO卫星和6、9号MEO／IGSO卫星位置及其它们外推时刻卫星的位置,通过对比分析,验证了该算法的可行性。     

基于滑动式傅里叶级数的BDS精密星历内插分析

精密星历的内插是全球卫星导航系统（GNSS）高精度定位数据处理的重要工作之一，其内插的精度也直接影响着定位精度.本文综合滑动式插值理论与傅里叶级数算法，通过采用不同阶数的傅里叶级数和9阶切比雪夫多项式拟合内插北斗卫星导航系统（BDS）中的地球同步轨道（GEO）卫星、倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星、中圆轨道（MEO）卫星精密星历，来分析傅里叶级数插值在BDS精密星历内插中的插值效果.实验表明，不同阶数，傅里叶级数内插效果不同.其中，采用3阶傅里叶级数GEO卫星与IGSO卫星精密星历内插精度最高，达到毫米级精度，MEO卫星在采用4阶傅里叶级数时内插精度最高，达到厘米级精度.对比两种不同内插算法，9阶切比雪夫拟合更适用于GEO卫星与IGSO卫星，而MEO卫星使用傅里叶级数插值精度更高.      

BDS-3不同类型卫星对BDS-2伪距定位性能提升定量分析

针对北斗三号（BDS-3）不同类型卫星对北斗二号（BDS-2）伪距单点定位性能的影响,基于iGMAS机构发布的跟踪站实测数据,分析了BDS-3地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）、中圆轨道（MEO）、全部BDS-3卫星对BDS-2卫星可见数、位置精度因子（PDOP）值以及伪距单点定位精度的影响．经研究发现,BDS-3不同卫星对BDS-2卫星可见数、卫星空间几何结构以及伪距单点定位精度提升程度不同,MEO卫星的提升程度优于IGSO卫星和GEO卫星,三种类型卫星对BDS-2定位性能提升量之和与全部BDS-3卫星对BDS-2定位性能提升量相当．      

GEO导航卫星定轨观测模型

根据GEO导航卫星的轨道特性,给出了严密的伪距观测和载波相位观测数学模型;讨论了其轨道和星钟差的解算条件,以及多星组差定轨的可行性。结果表明:在利用伪距时,如果测站钟差已知,需要4个以上站的数据才能进行定轨和星钟解算;如果站钟、星钟钟差已知,需要3个以上站的数据才能确定轨道。在利用站间组差伪距时,须有4个以上测站的钟差信息才能进行轨道和星钟解算;利用GEO卫星与MEO(IGSO)卫星组差定轨时,需要GEO卫星钟差已知且有3组星间组差数据。利用GEO卫星载波相位观测资料,不能单独解算轨道。     

BDS卫星星内多径及其对宽巷FCB解算的影响分析

针对BDS卫星的伪距星内多径(SIMP)问题,提出和强调了在进行SIMP建模时应该采用天底角而非高度角作为自变量,这样获得的模型才能用于不同高程的接收机。收集全球分布的iGMAS和MGEX监测站数据,以天底角为自变量构建了北斗IGSO和MEO两类卫星B1、B2和B3频点的SIMP分段线性模型。利用FY3C星载北斗数据对北斗GEO、IGSO和MEO的SIMP作进一步分析。结果表明,当天底角小于7°时,GEO和IGSO卫星的SIMP非常接近,对B2频点尤其明显。这也许预示着可以将地面数据获得的IGSO卫星的SIMP模型用于GEO卫星。同时还发现在天底角小于12°(MEO)和7°(IGSO)时,所得到的SIMP估值与地面数据获得的模型有非常好的一致性。在此基础上,采用MGEX全球监测网数据进行宽巷小数周偏差(FCB)解算试验,结果表明,经过SIMP改正后,各颗卫星的星端宽巷FCB序列的重复性都有显著提高,改进幅度都超过了60%。具体的,IGSO和MEO的星端FCB重复精度小于0.05周;采用IGSO卫星的SIMP模型对GEO卫星进行改正后,C01和C02星的FCB重复精度分别达到0.023和0.068周。