面向星群的遥感影像智能服务关键问题EI北大核心CSCD

全天时、全天候和全球的遥感信息实时智能服务是对地观测系统建设的目标。近几年来,随着我国高分专项和商业卫星的发展,在轨卫星数量急剧增加,对地观测能力得到极大增强,使得传统的单星和星座卫星系统的运控、接收、处理和应用服务模式面临严峻挑战,亟须统筹规划卫星应用各环节资源,充分发挥多星协同优势,构建统一的遥感影像实时智能服务体系和系统。本文针对遥感星群卫星体系特点和对地观测用户需求特征,开展面向星群的遥感影像智能服务关键问题研究。提出了面向任务的全球多尺度语义描述网格,统筹全球动静态的任务语义描述,在此基础上重点分析了面向星群的自主任务管理、精准动态规划和协同智能处理等关键技术问题,形成集任务描述、任务管控、任务规划、在轨处理、终端分发一体化的星群智能服务技术体系。通过充分发挥星群协同的优势,结合在轨处理和人工智能技术来降低各环节时间延迟,提高数据处理精度,从而实现完全自动化和智能化的近实时星群智能服务,为对地观测的全天时、全天候快速高效智能服务奠定基础。     

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。     

自主卫星导航的空间基准维持

基于星间测距的自主定轨必然存在星座的整体旋转和漂移,即存在星座空间基准的衰减问题,因此,卫星星座的空间基准维持是自主定轨的主要目标,也是自主定轨的核心问题之一。重点讨论卫星自主定轨中的空间基准维持方法,系统分析星地观测、星间/星地组合观测和星间观测3种观测模式下的卫星轨道参数估计方法,及其对应的空间基准维持方式;提出卫星自主定轨强基准和弱基准概念。强基准是指在星地观测或星间/星地组合观测条件下,强化地面高精度基准站坐标的定轨方式,此时卫星星座基准与地面跟踪站基准一致;弱基准是指在仅有星间链路观测条件下,采用卫星轨道信息先验弱约束的定轨方式,即弱基准是以先验轨道所对应的卫星星座的几何重心建立的。强基准充分利用了星间、星地观测网中的各类信息,计算结果可靠且精度稳定,而弱基准虽然缺少地面观测信息,但先验卫星轨道同样是基于地面跟踪网精密定轨得到的,对卫星空间基准的维持同样可靠,且定轨计算更为简单。采用北斗试验星实测数据,分别开展无基准、弱基准和强基准支持下的自主定轨试验,试验结果表明,弱基准中仅对卫星轨道倾角和升交点赤经进行先验弱约束即可抵偿卫星星座的旋转和漂移,但定轨精度略低于强基准支持下的定轨精度。在无地面跟踪系统支持的特定环境下,建议采用弱基准方法,实现真正意义上的自主定轨。     

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。     

低轨增强北斗PPP-RTK定位方法与实验分析

低轨星座具有卫星数目多、几何构型变化快等优势，有利于精密单点定位(PPP)中模糊度参数的快速收敛，从而提升其收敛速度与定位精度.但由于未能精确消除大气误差的影响，难以实现瞬时厘米级定位.提出一种低轨增强北斗PPP-实时动态(RTK)方法，结合高精度大气增强信息与模糊度固定方法(AR)，进一步改进北斗快速精密定位性能.首先设计了包含192颗低轨卫星的极轨星座，仿真了22个地面测站的观测数据，在估计相位小数偏差与精密大气延迟改正数后，分别测试了低轨增强北斗PPP、PPP-AR与PPP-RTK的定位性能.结果表明：在低轨星座增强下，可视卫星数目增加6～8颗，22个测站北斗PPP的平均初始化时间由552.1 s缩短至102 s,提升了81.52%.模糊度固定后，初始化时间进一步缩短至1 min以内.通过180 km地面参考网增强后，低轨增强北斗PPP-RTK可以实现瞬时厘米级定位，定位精度相较于PPP提升98.5%.将地面参考网扩大至500 km后，低轨增强北斗PPP-RTK仍可以实现约10 s的快速收敛.     

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...     

多类用户的混合星座导航系统定位性能分析

本文针对地面用户与空间用户在测量环境与观测几何动态性等方面的不同,基于导航卫星可见性与加权精度因子(WDOP)对混合星座导航系统的定位性能进行了分析.给出了不同用户的星座天空视图与可视时长;从理论上讨论了权值选取对WDOP的影响.仿真表明,地面静态用户对不同类型导航卫星的可见性差异很大;而低轨卫星用户的可视时长更短,观...     

从珞珈系列卫星到东方慧眼星座

为了应对万物互联时代天基信息的实时智能服务需求,建设系统联通、时空融合、服务畅通的通导遥一体化(positioning, navigation, timing, remote sensing, communication, PNTRC)天基信息实时服务系统,支持各类用户在任何地方、任何时间的信息获取、高精度定位授时与多媒体通信服务,武汉大学布局了珞珈系列科学试验卫星,用于验证通导遥一体化天基信息实时服务的关键技术。为了进一步推动PNTRC系统建设,武汉大学联合山东省烟台市政府,提出东方慧眼(Oriental Smart Eye, OSE)智能遥感卫星星座计划,将通过通导遥一体化、卫星星座组网观测、在轨处理和人工智能等关键技术,实现卫星遥感从服务政府、服务行业到服务大众的服务模式创新跨越,开辟商业遥感的蓝海市场。     

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。     

低轨卫星导航增强系统半物理仿真平台设计与验证CSCD

低轨道地球卫星(LEO)具有相对地面几何构型变化快、播发信号链路损耗小等优点.随着低轨卫星载荷研制与发射成本的逐渐降低,低轨卫星导航增强技术成为当前卫星导航领域的研究热点.目前国内外的低轨导航增强技术研究均处于起步阶段,没有成熟的低轨卫星导航星座,缺乏有效的低轨导航增强系统的服务性能验证手段.文中开展对低轨导航卫星轨道外推方法、低轨卫星信号捕获跟踪技术的研究,设计构建低轨导航增强系统半物理仿真平台.在仿真平台的基础上对北斗/低轨增强系统组合应用的高精度快速精密定位方法进行验证,实现了精密单点定位(PPP)的快速收敛且具有较高的内符合精度,对于低轨卫星导航增强系统的建设与应用具有一定的科学与工程价值.     

基于RT-PPP的低轨卫星实时高精度时间同步方法

实现低轨导航增强的关键前提是实现低轨星座的整网时间同步,本文针对低轨导航增强系统,提出了一种基于实时精密单点定位(RT-PPP)的低轨卫星高精度时间同步方法,以解决低轨星座实时高精度时间同步的问题. 本文分析了在处理过程中存在的各类误差,介绍了低轨卫星采用状态空间(SSR)改正信息通过精密单点定位(PPP)实现实时高精度时间同步方法的处理流程,将此方法应用于气象、电离层与气候星座观测系统(COSMIC)卫星实测数据的处理,并将该方法与采用广播星历伪距的方法以及事后精密星历的方法进行了比较分析. 结果表明:采用SSR改正信息PPP的方式对2颗COSMIC卫星进行GPS双频观测值的解算,得到的轨道误差的标准差在分米级,钟差误差标准差分别在2.4 ns和2.3 ns左右,可以达到纳秒级. 通过对不同方法解算的结果进行比较可以看出,采用SSR改正信息PPP的方法明显优于采用广播星历伪距方法的解算精度,且与事后精密星历PPP的方法解算精度相当.      

GPS导航星座及低轨卫星的精密定轨理论和软件研究

全球卫星导航定位系统是20世纪80年代出现的最具划时代意义的航天技术和信息技术，其开发和应用研究已经成为世界各大国发展战略中高技术竞争的一个主要焦点。在卫星导航系统的研究中，导航星座轨道的精密确定和预报技术是保证卫星导航系统正常运行最核心的关键技术。导航星座的轨道精度是衡量卫星导航系统性能的一个重要指标，而利用导航星座进行低轨卫星精密定轨是导航卫星应用领域的最前沿、最具战略性的方向，高精度的低轨卫星轨道是提高卫星应用水平的基础。基于星载GPS数据的低轨卫星精密定轨一直是国际上的一个研究热点，也是我国提高低轨卫星精密定轨精度的最为有效的手段，但我国还鲜有高精度成果报道。因此，加大该领域的研究力度，建立自主产权的卫星导航数据综合处理软件势在必行。     

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。     

低轨增强北斗的星地一体化系统仿真及综合性能评估研究

北斗卫星导航系统将考虑纳入低轨星座,通过高中低轨星座融合,构建全球覆盖时空网络。然而,低轨星座正处于建设阶段,对低轨增强北斗系统的研究尚缺少仿真和多方位的性能评估。围绕低轨增强北斗系统高逼真仿真和增强性能多方位评估开展研究,构建了融合实际测量数据和空间物理理论模型的高逼真低轨星座仿真模型,提出了低轨增强系统综合性能评估方法,设计建立了低轨增强北斗的星地一体化系统仿真及综合性能评估平台,揭示了低轨星座对已有导航系统性能增强效果。结果显示,在系统侧方面,低轨增强在提升北斗精密产品精度的同时可减少地面测站数量及分布限制;在用户侧方面,低轨卫星的加入有望使北斗精密单点定位收敛时间缩短至10 min以内。研究成果可为低轨增强导航系统建设提供理论和应用支撑。     

Swarm卫星星载GPS精密定轨方法及精度分析

Swarm星座是ESA的首个用于测量来自地球核心、地幔、地壳、海洋、电离层等区域磁场信息的对地观测卫星星座。而高精度的轨道信息正是其有效利用卫星载荷完成上述任务的前提条件。目前国内关于Swarm卫星精密定轨的研究较少,为此建立并推导了Swarm卫星精密定轨的动力学模型、观测模型以及它们之间的数学关系,详细给出了Swarm卫星精密定轨模型与实现过程。针对Swarm卫星精密定轨中姿态数据的处理问题提出了相应的解决方案。利用Swarm卫星星载GPS实测数据,采用约化动力学定轨方法进行Swarm卫星精密定轨实验。通过轨道衔接点位置差异、与外部精密轨道比较以及SLR验证等精度评定方法分析表明:基于星载GPS的Swarm卫星约化动力学定轨各方向的精度都优于3 cm。     

联合地面和星载数据精密确定GPS卫星轨道

给出了联合定轨的数学模型,从6个试验的结果说明低轨卫星的星载GPS观测值对GPS卫星精密定轨的贡献。单天解的结果表明,相对于仅使用43个地面跟踪站的定轨结果,增加3颗低轨卫星的观测数据可以使GPS卫星的轨道准确度平均提高40%,即使仅用21个地面站和3颗低轨卫星也可以使GPS卫星的轨道与IGS最终轨道之差的RMS在5cm左右。     

空地协同移动智能服务平台研发及典型应用

面向万物互联时代的移动智能服务需求,亟须建立空地协同智能服务平台。由于核心设备和算法的限制,空地协同移动智能服务平台发展较为缓慢。由此通过攻关传感器实时位置和姿态测量的核心技术与数据处理和分析的关键算法,研制了高精度位姿测量设备,研发了机载和车载空地多平台协同组网遥感观测系统,实现了多源遥感影像质量改善与智能精处理,有效支撑遥感测绘服务,提升遥感信息自动化处理水平,从而解决了空地协同智能服务平台中“准、快、灵”的难题,实现“北斗+位姿测量仪”全球自主“定基准”、空地协同组网快速“找目标”、智能化精处理自动“查变化”。成果已被广泛应用于地理国情监测、智慧城市规划和建设、应急测绘保障等行业。     

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.      

集成型与智能型测绘卫星工程发展及其关键技术

航天对地观测已经成为全球对地观测的主要手段。本文简单梳理了国际上现有大地测量类对地观测卫星的概况,侧重分析了我国地形测量类对地观测卫星的贡献和存在的问题,未来对地观测卫星的发展趋势,载荷集成型综合测绘卫星发展的可能性及其面临的主要技术瓶颈。总体认为集成型测绘卫星尽管单星观测效率高,但是整体观测效益不高;分析了微小卫星密集组网型对地观测的可能性及其相应的关键技术,包括载荷模块化设计、卫星小型化设计、卫星最佳组网技术、数据传输技术、卫星在轨弹性调配技术和星上数据快速处理技术等;对未来智能卫星对地观测进行了展望,提出了相应的关键技术,包括星上观测智能识别技术、星间智能传输与星地智能传输技术、星上和地面智能数据处理技术等。此外,卫星的智能避障、运载火箭落点的智能跟踪和智能控制也是航天对地观测需要考虑的发展方向。     

高轨卫星天基定轨原理演示系统的设计与实现

以高轨卫星天基定轨原理作为理论基础,设计了一种在MATLAB仿真软件环境下运行的高轨卫星天基定轨原理演示系统。该系统实现了高轨及低轨用户星轨道仿真、全球导航卫星系统（GPS、GLONASS、Galileo和Compass）星座卫星仿真、高轨卫星及地面用户星对全球导航卫星系统的可见性仿真和高轨卫星天基定轨仿真。仿真结果表明：该系统具有效能高、清晰直观等优点,也具有较强的理论和现实意义。