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。     

一种速度平滑高程的增强定位方法

为提高全球导航卫星系统定位精度与连续性,提出结合使用高程坐标分量与速度分量,设计构成一种组合滤波器。利用速度测量值不断对用户高程进行平滑与修正,获得高精度的高程坐标值,并由此对测量方程组形成高程约束条件,进而提高全球导航卫星系统三维定位精度及接收机钟差解算精度。同时,由于滤波器处理后的高程值序列具有较高的精度和良好的平滑性,因此特别适于拟合与外推,从而更好地辅助卫星信号缺失的非完备星座情况,实现连续三维定位。最后,通过全球定位系统实测实验对方法进行了分析,验证了其可行性与实用性。     

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.     

低轨通信卫星多普勒定位性能分析

为了研究低轨通信卫星多普勒定位性能,首先分析了低轨卫星的对地覆盖特性、信号传输特性以及多普勒频移特性,推导了多普勒定位原理和方法,提出了适用于多普勒定位的精度因子.基于已在轨的铱星和全球星系统,解算了全球范围可见卫星数和定位精度因子,并对相应测站进行了定位仿真实验和误差分析.结果表明:对于铱星和全球星系统,随着纬度降低,卫星可见数减小,多普勒几何精度因子变大;多普勒定位结果精度同时受到频率测量精度、卫星位置误差以及卫星速度误差影响,当卫星位置误差小于10 m、卫星速度误差小于0.1 km·s^-1时,对定位结果影响不大,此时频率测量精度成为影响定位精度的决定性因素,且当频率测量精度为0.01 Hz时,定位精度可达1.18 m.     

我国西部罗兰台站定位性能分析

罗兰导航系统(Long range navigation)是全球卫星导航系统的有效备份和补充.罗兰信号以地波形式沿地球表面传播,随着传播距离的增加,地波信号受到地面电参数的影响会出现一定程度的传播延时,信号的场强也会逐渐减弱.为分析我国西部罗兰台站的定位性能,从理论角度分析了不同介质类型中二次时延随距离的变化关系,并结合电磁波传播规律计算了场强随距离的变化.根据罗兰接收机最低性能标准,分析了西部台站的覆盖区域以及定位范围,计算了定位区域内的几何精度因子,结果显示定位范围内大部分区域的几何精度因子小于6.在计算区域内仿真西部台站定位误差,分析结果表明:就定位而言,西部台站几何布局较为合理,但是由于二次时延的影响,纬度和经度方向定位误差较大,必须采用差分等抑制观测误差的方法提高定位精度.为扩大西部罗兰台站的定位覆盖区域,接收机的接收能力有待提升.     

基于CAPS,BDS和GPS的组合卫星定位精度分析

随着GPS,GLONASS,Galileo和BDS等全球卫星定位系统的建设和完善,同时采用两个或两个以上定位系统信号进行多系统组合定位成为导航领域研究的热点。相比传统的单系统定位,多系统组合具有更好的定位、测速、授时性能以及更强的环境适应性。通过CAPS,BDS和GPS三个系统的静态单点联合定位解算,实现了转发式定位系统与直发式定位系统的联合定位,验证了中国区域定位系统参与多系统全球导航卫星系统定位的可行性,并分析了组合定位的性能与定位精度。分析表明,中国区域定位系统参与多系统联合定位解算是完全可行的,单点定位精度优于3 m,且还有提高的空间。中国区域定位系统的加入,丰富了全球导航卫星系统的选择,对提高全球导航卫星系统联合定位的多样性,改善联合定位性能具有研究意义及应用价值。     

一种转发式卫星授时新方法

为了减少对GPS提供的高精度授时服务的依赖,建设拥有自主知识产权的且具有投入成本低、精度高的授时系统。提出了一种利用地面高稳定度原子钟作为时频基准,通过通信卫星转发实现卫星广播授时的新方法。详细研究了利用地面高稳定度原子钟和通信卫星组成的导航星座进行多星授时、单星授时的原理和测量方法,分析研究了影响授时精度的原因。由于转发式卫星授时系统的时频基准源稳定度高,其测距精度也会相应的提高。只要精确扣除时延误差,同样可以实现高精度授时。粗码的授时精度可达20ns以内,短精码的授时精度可达10ns左右。总之该系统具有组建灵活简便、应用面广等优势和特色。     

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。     

NTSCGNSS-2型GPS/GLONASS时间传递接收机的性能测试

与全球定位系统(GPS)不同的是全球导航卫星系统(GLONASS)的P码未加密,向所有用户开放,更有利于时间比对.结合国内外需求,中国科学院国家授时中心研制了GPS/GLONASS时间传递接收机NTSCGNSS-2.介绍了GLONASS信号特点和对NTSCGNSS-2的初步测试结果.     

BDS-2导航电文的TGD参数精度及其对用户导航定位精度的影响

北斗二号(Bei Dou Navigation Satellite System-2, BDS-2)卫星播发以B3频点为基准的卫星钟差参数,并播发B1和B2频点相对于B3频点的群延迟(time group delay, TGD)参数。以差分码偏差(differential code bias, DCB)参数为基准,计算BDS-2群延迟参数的精度。在计算过程中,发现在2017年年积日202 d以前,各颗卫星TGD1参数精度较差,与DCB1参数互差在2～4 ns之间,TGD2与DCB2的互差约为0.5 ns。在2017年年积日202―203 d处,所有卫星群延迟参数均发生明显跳变,该跳变主要是因参与群延迟解算的北斗系统的接收机不再采用抗多径算法所致。跳变后,群延迟参数与MGEX (Multi-GNSS Experiment)公布的差分码偏差参数的差值小于0.5 ns,与GPS卫星播发的群延迟参数精度接近。进一步利用实测数据计算了群延迟参数改正精度对用户导航定位精度的影响。结果表明,使用跳变前的群延迟参数,单频定位精度为2.078 m,双频定位N方向精度为1.451 m,E方向精度为1.648 m,U方向精度为3.467 m;使用跳变后的群延迟参数,单频定位精度为1.968 m,双频定位N方向精度为1.361 m,E方向精度为0.998 m,U方向精度为2.789 m,在双频定位的N, E, U方向,双频定位精度分别提升6.2%, 39.4%, 19.5%。     

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.     

Communication-based positioning systems:past,present and prospects

This paper reviews positioning systems in the context of communication systems.First,the basic positioning technique is described for location based service(LBS) in mobile communication systems.Then the high integrity global positioning system(iGPS) is introduced in terms of aspects of what it is and how the low Earth orbit(LEO) Iridium telecommunication satellites enhance the global positioning system(GPS).Emphasis is on the Chinese Area Positioning System(CAPS) which is mainly based on commercial geostationary(GEO) communication satellites,including decommissioned GEO and inclined geosynchronous communication satellites.Characterized by its low cost,high flexibility,wide-area coverage and ample frequency resources,a distinctive feature of CAPS is that its navigation messages are generated on the ground,then uploaded to and forwarded by the communication satellites.Fundamental principles and key technologies applied in the construction of CAPS are presented in detail from the CAPS validation phase to its experimental system setup.A prospective view of CAPS has concluded it to be a seamless,high accuracy,large capacity navigation and communication system which can be achieved by expanding it world wide and enhancing it with LEO satellites and mobile base stations.Hence,this system is a potential candidate for the next generation of radio navigation after GPS.     

East-west stationkeeping requirements of 24-h satellites due to Earth's triaxiality and luni-solar effects

Ignoring luni-solar perturbations, analytical solution for longitude deviation of the ‘stroboscopic’ mean center of 24-h satellites ground trace in the neighborhood of a prespecified station is obtained. The initial semimajor axis for two-maneuver east-west stationkeeping is then deduced. Finally, the luni-solar long and short period effects on this initial semimajor axis are discussed.     

多模卫星导航系统的RAIM算法研究

研究了多模卫星导航系统的RAIM（接收机完好性自主检测）算法,根据多模卫星导航系统的定位模型,基于最小二乘法的原理计算伪距残差,构造奇偶矢量进行故障检测和故障排除。在只有一个观测量出现粗差的前提下,仿真了GPS与多模GPS／GLONAss／Galileo系统下的卫星可见数和DOP（精度因子）,对比了衡量RAIM算法可用性的水平保护门限值（HPL）及这2种系统下的故障检测率与故障排除率。仿真结果表明：与GPS相比,多模导航系统具有更多的可见星,RAIM算法的可用性更高,并且其故障检测和故障排除的性能更好。因此,多模卫星导航系统不仅能为用户提供更高的定位精度,还能为用户提供更好的完好性保障。     

接收机滤波器群时延对CAPS伪距测量影响的优化研究

在中国区域定位系统（Chinese Area Positioning System,CAPS）中,带通滤波器是用户接收机的重要组成部分,对于宽频测距码来说,其群时延特性是测距的重要误差来源之一.分析了接收机码跟踪环路,给出相关函数估算测距偏差,对带通滤波器群时延开展仿真分析,并研究了改进接收机设计以优化群时延特性的方法.研究对GNSS接收机的射频和环路设计有一定借鉴意义.     

高轨空间碎片的观测模拟

对高轨空间碎片进行了观测模拟。在观测模拟中，分别选取南京和云南两个观测站；采用2种跟踪方式：跟踪恒星和跟踪卫星；对于同一地理经度上的同步卫星进行了观测；提供了发现新目标的方法；并给出了新目标的初轨。这为我国空间碎片的数据库的建立作了有益的尝试，对于卫星和航天器的飞行安全具有特别重要的意义。     

The 1966 observations of the coorbiting satellites of Saturn S10 and S11

Most of the positions of faint satellite images obtained during the 1966 Saturn ring plane crossing fit the period of the coorbital satellites 1980 S1 and 1980 S3. In 1966 the satellites were separated by 137° in orbital longitude. Until the mutual interaction of the satellites is understood and applied to derive the precise orbital motion, the 1966 and 1980 observations cannot be linked.     

Sodium winds on Mercury

Solar radiation acceleration imparts anti-sunward velocities to sodium atoms in the Mercury exosphere. The Earthward-directed vectors of the Sun-accelerated atom velocities can be observed from Earth as small Doppler shifts, either added to, or subtracted from the Earth-Mercury Doppler shifts. We measured these small Doppler shifts using high resolution spectrographs capable of detecting sodium velocity differences as small as 0.1 km/s. We report here four sets of observations performed at different Mercury true anomaly angles. For these measurements, the spectrograph slit was oriented first east-west, and then north-south on the planet so as to get east-west and north-south transects of the velocities. The velocity patterns in east-west transects could be explained in terms of sodium flows outwards from the subsolar point, except for unexpectedly large Earthward velocities observed above the dawn terminator, which we interpreted to be the result of evaporation of sodium as the cold surface is heated by the rising Sun. North-south transects also showed a general pattern consistent with sodium flows outwards from the subsolar point. However, in all cases, the velocities were higher in one hemisphere relative to the other. For two cases, excess sodium emission was observed in the same hemisphere as the velocity excess. We interpreted these results to mean that there existed sources of sodium at high latitudes, which could appear in either hemisphere.