导航星座抗毁组网结构研究

为提高整个二代导航卫星网络的抗毁性能,对其抗毁组网结构进行了研究。基于分群管理、链路冗余与修补方法,提出并设计分析了一种基于GEO星层、MEO星层以及地面节点联合组网的二代导航卫星网络组网结构,根据快照周期内位置固定的方法对星座中MEO星层进行分群管理,设计其群首的备份选择机制,以及群首MEO替代失效群管理者GEO机制,提高了星座网络的通信链路的抗毁性。通过分析二代导航卫星网络中数据传输过程与类型,设计网络结构中群内、星层以及整个二代导航星座的通信链路,特别是对星座中MEO星层的通信链路进行充分的冗余设计,启用视距范围内间隔失效卫星间次相邻卫星节点链路连接的链路设计,并同时提高了整个二代导航卫星网络的通信性能和通信容量,可以满足各种不同业务需求的数据包传输。     

利用广播星历确定BDS卫星飞行区域

针对北斗卫星导航系统(BDS)采用异构星座,其GEO、IGSO卫星飞行区域并非全球覆盖,传统监测站覆盖性能分析方法不宜直接应用以及导航卫星在轨运行时受到多种摄动影响,其实际运行区域与设计区域有别等问题,提出采用实测数据界定BDS导航卫星飞行区域的方法,并以BDS试验评估系统国内跟踪站网及GPS/BDS测试评估系统跟踪站网为例,分析了监测网的覆盖性能。实验证明本文提出的方法可较为合理、能够较准确地描述BDS地面跟踪站网的监测覆盖性能。     

利用遗传算法实现导航星座局部优化设计

以异构区域导航星座(5GEO+5IGSO+4MEO)轨道参数为基础,以部分轨道参数为控制变量,建立以服务区域的网格采样点的加权PDOP值为目标函数,利用遗传算法对星座中对星座轨道参数进行了优化。利用优化结果计算了服务区域星座周期(7个恒星日)内的覆盖重数、PDOP值、覆盖连续性。为优先保证重点服务区域的星座性能,对目标函数进行了改进。改进的优化结果表明,原始星座在重点区域的高精度定位仍有一定的提高空间。     

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.      

持续性全球多重覆盖的圆轨道导航星座的设计

首先描述卫星覆盖的理论以及卫星星下点在地面上的轨迹规律,然后根据导航星座的特点,通过对星座基本参数特点的讨论,并在参考GPS和GLONASS星座的基础上,确定了导航星座的构成。最后,在理论上证明了最小覆盖性的条件,随着模拟实际数据进行了验证。     

GPS系统与BDS系统导航定位性能对比分析

本文在仿真出GPS系统与BDS系统卫星星座的基础上,对两种定位系统下的哈尔滨、武汉、广州、拉萨单个站点以及全球范围的卫星可见性、DOP值、定位精度进行了覆盖分析,并比较了两个系统定位性能的差异。实验结果表明,当前BDS系统在亚太地区与GPS系统的定位性能基本一致,可见卫星数比GPS系统稍多,但BDS系统的DOP值的波动却比GPS系统的要大,尤其在GEO与IGSO卫星覆盖的边缘区域,BDS的导航定位性能较差,在某些地区仍不能提供导航定位服务。      

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。     

一种基于改进PSO算法的高时间分辨率遥感卫星星座优化设计方法

针对定位、导航、授时、遥感、通信一体的天基信息实时服务系统对遥感信息高时间分辨率获取的需求,提出了基于改进粒子群优化（particle swarm optimization,PSO）算法的遥感卫星星座优化设计方法。基于6N和3+4P星座构型,以重访时间间隔作为优化目标,采用改进的PSO算法对星座优化模型进行求解,分别针对全球覆盖和区域覆盖任务进行了仿真对比试验。仿真结果表明,提出的方法适用于低轨遥感卫星星座设计,满足高时间分辨率要求。     

利用Walker星座实现全球导航卫星星座设计

分析了轨道面数、卫星数、轨道偏心率对星座性能的影响。通过对3种星座构型,6种轨道半长轴,46°~66°之间轨道倾角的对比计算,以回归周期内星座CV值作为指标确定了初选卫星星座。结合星座覆盖性能、最大DOP值以及精度可用性的分析,采用Walker-δ星座设计完成了全球卫星导航系统星座布设方案。探讨了采用增加GEO卫星实现区域增强的星座布局。     

分布式导航星座自主导航算法研究

针对卫星导航系统本身提供的服务中存在可用性、可靠性和地面测站布设不足的缺陷,一些国家和地区相继采用自主导航技术来提升导航星座性能。概要分析介绍了导航星座自主导航技术发展,讨论了EKF和UKF算法的发展情况,对新近发展的多模型自适应卡尔曼滤波、基于神经网络调节的自适应卡尔曼滤波、基于自适应因子的卡尔曼滤波和自适应抗差卡尔曼滤波算法等改进滤波算法进行了综合分析与比较,并对分布式自主导航方法的发展方向进行了展望。     

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...     

三种典型低轨增强星座与北斗系统联合应用的RAIM性能分析

接收机自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)是终端用户高可靠导航定位的保障,低轨卫星的发展为完好性监测带来新的机遇,然而不同低轨星座增强下的终端RAIM性能可能会存在显著差异。基于高轨道倾角(80颗)、中轨道倾角(120颗)和混合轨道倾角(168颗)3种典型的低轨星座,系统评估了低轨卫星增强下的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）RAIM可用性及故障检测效果。仿真计算结果表明：对于高纬区域,高轨道倾角增强下的RAIM可用性效果最好,而在中、低纬区域,中轨道倾角星座增强下的RAIM可用性效果最优;在全球范围内,高轨道倾角、中轨道倾角和混合轨道倾角星座增强下非精密进近阶段的RAIM可用性较BDS分别提升30.5%、29.0%和41.0%。由此可知,由不同轨道倾角组成的混合星座可较好地弥补可视卫星在空间覆盖上的缺陷,其全球RAIM可用性增强效果最优,增强下的RAIM可检测到的最小伪距偏差较之前平均减小33.3 m。     

On exact solutions of the multi-constellation GNSS navigation problem

In Global Navigation Satellite System (GNSS) positioning, the receiver measures the pseudorange with respect to each observable navigation satellite and determines the position and clock bias. In addition to the GPS, several other navigation satellite constellations including Glonass, Galileo and Compass can/will also be used to provide positioning, navigation, and timing information. The paper is concerned with the solvability of the navigation problem when the receiver attempts to process measurements from different constellations. As two different constellations may not be time-synchronized, the navigation problem involves the determination of position of the receiver and clock bias with respect to each constellation. The paper describes an analytic approach to account for the two-constellation navigation problem with three measurements from one constellation and two measurements from another constellation. It is shown that the two-constellation GNSS navigation problem becomes the solving of a set of two simultaneous quadratic equations or, equivalently, a quartic equation. Furthermore, the zero-crossover of the leading coefficient and the sign of the discriminant of the quartic equation are shown to play a significant role in governing the solvability, i.e., the existence and uniqueness of the navigation solutions.

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。     

低轨卫星导航增强星座地基观测仿真系统设计

现阶段整星座低轨卫星观测数据的缺失制约了LEO卫星导航增强研究,针对该问题,本文设计了LEO导航增强星座地基观测仿真系统,构建生成了LEO星座伪距和载波相位观测值的仿真模型;介绍了仿真系统设计流程和架构、仿真地基LEO观测数据;使用RTKLIB进行了标准单点定位（SPP）和精密单点定位（PPP）解算,验证了仿真系统搭建的正确性,以及伪距和载波观测值仿真的正确性。结果表明,相较于只考虑几何距离的地基观测数据,该系统考虑各误差模型后观测数据置信度高,可用于支撑LEO导航增强星座定位研究。     

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。     

Timeslot scheduling of inter-satellite links based on a system of a narrow beam with time division

An inter-satellite link (ISL) can enhance the performance of a global navigation satellite system. The system of narrow beams with time division is being increasingly used for ISLs. ISLs improve the performance of global navigation satellite systems via ranging and communication between satellites. When there are fewer antenna beams than targets, how to schedule timeslots for inter-satellite links to better perform the function of ISLs can become a problem. We describe the timeslot scheduling problem and propose a new method based on grouping to solve this problem of obtaining more range observations in a short time and communicating with a short delay between satellites and facilities. A series of 10,080 benchmarks of a typical constellation of a global navigation satellite system was run to demonstrate the feasibility of the proposed method. The regression cycle of constellations under test lasted approximately 7 days. The proposed schedule has a communication delay of less than 10 s and obtains more than nine different range observations in 60 s. Results show that the method effectively solves the scheduling problem and increases the scheduling success ratio remarkably.     

Conjugated asymmetry of the onset and magnitude of GPS scintillation driven by the vertical plasma drift

Traditional intersatellite communications for shared timing information rely on microwave transceivers such as those in Milstar, AEHF, and Iridium constellations. With extensive space heritage and well-established engineering and performance specifications, these methods have typified the field of high-performance satellite synchronization for decades, recently introduced into active GNSS satellite constellations such as BeiDou. Optical crosslinks, currently investigated as an augmentation or alternative to traditional microwave-based methods, can provide enhanced precision to intersatellite ranging and time transfer, performing beyond one-way or uplink/downlink microwave-based communications. The challenges of time transfer through optical links and crosslinks can significantly impact the systems architecture, optical terminal complexity, and agreements on international standards. Orders-of-magnitude precision enhancement can enable novel timing and ranging technologies allowing for advanced navigation capabilities. Additionally, basic scientific studies with a fleet of synchronized satellites could inform fundamental physics studies on a truly global scale. We evaluate the benefits, drawbacks, and potential applications of satellite synchronization through microwave and optical crosslinks for shared timing and ephemeris data in support of enhanced constellation state estimation and reduced range error. The risks and value associated with these technologies are also discussed with an emphasis on challenges for aerospace.