基于组合卫星导航系统的编队卫星分析

针对编队飞行中星间相对定位的任务需求,分析了卫星导航系统对编队卫星的动态观测几何问题,引入了相对定位精度衰减因子(RDOP)描述,并讨论了其性质。在对编队中单颗低轨卫星进行导航卫星GDOP分析的基础上,研究了不同编队宽度下编队集合的共视卫星和共视时段,仿真了一定场景下的编队卫星RDOP,并比较了与PDOP的大小关系。接收机的截止高度角对于导航卫星GDOP影响较大;编队宽度会影响到共视卫星的选择;而与采用单个GPS系统相比,采用GPS-Galileo组合卫星导航系统对编队卫星进行相对定位,RDOP数值明显减小,从而有利于高精度的星间位置确定。     

双频BDS实时精密单点定位算法和精度分析

为了对BDS实时精密单点定位性能进行评估,该文提出了一种适用于BDS系统的实时精密单点定位算法。采用无电离组合模型作为双频实时精密单点定位的数学模型,采用电离层残差法和Melbourne-Wübbena组合实时探测相位周跳,进而单历元实时估计坐标、模糊度等参数,实现了BDS双频实时精密单点定位算法。基于此算法,采用轨道钟差产品和采样间隔为1s的观测数据,模拟实时BDS双频精密单点定位算法,并评估其定位精度。实验结果表明:BDS双频实时定位的平面精度和三维精度均为0.2m左右。     

一种星间链路天线时延零值测试方法

星间链路收发天线的时延零值是星间测距时延的组成部分,其标定精度影响星间的测距精度,从而影响编队飞行的星座系统性能。提出的星间链路天线时延标定方法,利用星座系统配置多个星间链路天线特点,取待测天线两两组合,通过星间链路发射机和星间链路接收机组成测试系统,测量组合时延。根据各组合时延值、测试通道的零值校准结果以及收发天线的空间传播时延,通过数据处理得到各测试天线收发星间链路信号时的绝对时延。提出的测试方法不需要专门的校准天线,采用与星间链路传输信号体制一致的测试信号,测试结果能真实反映星间链路信号传输时延。试验系统的测试结果表明,采用提出方法的天线时延标定精度可以优于0.5 ns。     

基于GPS的微小卫星编队飞行自主导航

提出了利用GPS实现微小卫星编队飞行自主导航的方案设想，给出了编队飞行主星空间位置参数确定和利用主星空间位置参数及星间相对位置参数确定从星位置参数的算法，同时分析了利用该算法测得相关参数的精度及其影响因素。     

惯导辅助的无电离层与宽巷组合周跳探测与修复方法

由于卫星信号被遮挡、低信噪比或接收机运动等原因,载波相位观测值较正常值会发生周跳。为解决这一问题,基于精密单点定位与惯导组合系统,提出了一种有效的惯导辅助周跳探测与修复方法。该方法基于无电离层（ionospheric free,IF）组合与宽巷（wide lane,WL）组合,利用惯导短时高精度信息代替伪距消除站星几何距离,结合历元间差、星间差等建立惯导辅助的IF组合模型和惯导辅助的WL组合模型。惯导辅助的IF组合模型不受电离层延迟影响,但无法探测特殊比例周跳,惯导辅助的WL组合模型波长较长,却无法探测双频等周周跳,两者的综合使用实现了优势互补。实验结果表明,该方法不仅能有效探测出各种大、小、双频等周和特殊比例周跳,而且在一定卫星信号中断时间内能实现周跳瞬时校正。     

GPS RMBS起算点偏差对定位影响的研究

GPS RMBS(Relative Moving Baseline System)在工程中有许多重要的应用,例如,远洋编队航行、舰载飞机着舰、编队飞行、空中加油等,但在RMBS中需要伪距单点定位来提供起算点。本文讨论了伪距单点实时定位的精度,由于其精度有限,导出了该起算偏差对定位影响的模型。通过实验,其实算结果表明:由伪距实时单点定位来作为起算点,无论对于基线长还是基线分量都有影响,并且对基线分量的影响大于总基线,但对于10km范围内,其影响仍可以满足cm级高精度的相对定位要求。     

BDS实时动态相对定位卡尔曼滤波算法

为了实现BDS实时动态高精度相对定位, 本文提出了一种适用于单频或双频动态定位的卡尔曼滤波算法, 并对GEO和IGSO卫星残差特性进行了分析。该算法将位置参数和整周模糊度参数作为状态向量进行滤波估计, 滤波过程中将单点定位结果作为位置参数的一步预测值。通过实测数据验证, 单频相位B1相对定位E方向优于1.2 cm, N方向优于3 cm, U方向优于5.3 cm, 双频B1和B2相对定位E方向优于1.0 cm, N方向优于2.6 cm, U方向优于4.5 cm;GEO卫星相位差分残差值比较平稳, 频率间存在系统性偏差, 而IGSO卫星残差与高度角相关, 低高度角时差分残差较大。     

北斗广域差分分区综合改正数定位性能分析

目前北斗广域分米级星基增强系统在钟差改正数、轨道改正数的基础上，提出了基于相位观测值的分区综合改正数，介绍了分区综合改正数的概念及单频、双频用户的使用方法与定位模型。利用中国范围不同地区的北斗观测数据和对应的分区综合改正信息，统计了单频和双频用户分区综合改正精密单点定位的精度，并对其收敛性进行了分析。通过与使用GFZ提供的北斗超快速精密星历的定位效果比较，验证了分区综合改正定位在实时定位中的优势。在此基础上进一步对中国范围内分区综合改正定位效果与分区中心距离的关系进行了分析，并对不同观测时间长度的定位效果进行比较。结果表明，经分区综合改正后的双频用户平均25 min内动态定位三维误差能收敛至0.5 m以内，收敛后的定位精度为水平0.15 m，高程0.2 m；单频用户平均20 min内动态定位三维误差能收敛至0.8 m以内，收敛后的定位精度为水平0.3 m，高程0.5 m。随着用户站距离分区中心越远，定位效果总体呈现变差的趋势。总体上，当用户在分区中心1 000 km范围内时，北斗广域分区综合改正数将能提供实时分米级定位服务。     

单双频智能手机GNSS定位精度分析

为分析单、双频手机在单点定位和动态导航中的差异,本文对单、双频手机观测卫星数、信噪比、静态/动态定位中原始观测值/卡尔曼滤波值进行了对比和分析。试验结果表明,在静态无遮挡的试验条件下,小米MI8双频手机原始观测值较OPPO Reno单频手机定位误差均值减小了1.70 m且能观测到更多的卫星数,进行卡尔曼滤波处理后,单频手机较双频手机而言精度提升更多,两者最终精度相当。而在动态有遮挡的试验条件下,双频较单频定位误差均值减小了5.24 m,进行卡尔曼滤波处理后,两者精度均有明显改善,双频相对单频误差均值减小了0.87 m。     

GPS单频载波相位相对定位的OTF算法及实现

利用单频接收机的C/A码伪距和LI载波相位观测值,采用星间和站间双差数学模删,消除卫星相关误差、接收机相关误差,削弱信号传播误差,利用LAMBDA算法高效快速地固定整周模糊度,从而实现高精度载波实时相对定位,对于短基线,可以获得厘米级的定位精度.     

Precise GRACE baseline determination using GPS

Precision relative navigation is an essential aspect of spacecraft formation flying missions, both from an operational and a scientific point of view. When using GPS as a relative distance sensor, dual-frequency receivers are required for high accuracy at large inter-satellite separations. This allows for a correction of the relative ionospheric path delay and enables double difference integer ambiguity resolution. Although kinematic relative positioning techniques demonstrate promising results for hardware-in-the-loop simulations, they were found to lack an adequate robustness in real-world applications. To overcome this limitation, an extended Kalman Filter modeling the relative spacecraft dynamics has been developed. The filter processes single difference GPS pseudorange and carrier phase observations to estimate the relative position and velocity along with empirical accelerations and carrier phase ambiguities. In parallel, double difference carrier phase ambiguities are resolved on both frequencies using the least square ambiguity decorrelation adjustment (LAMBDA) method in order to fully exploit the inherent measurement accuracy. The combination of reduced dynamic filtering with the LAMBDA method results in smooth relative position estimates as well as fast and reliable ambiguity resolution. The proposed method has been validated with data from the gravity recovery and climate experiment (GRACE) mission. For an 11-day data arc, the resulting solution matches the GRACE K-Band Ranging System measurements with an accuracy of 1 mm, whereby 83% of the double difference ambiguities are resolved.     

一种探测和修复周跳的新组合方法

针对GPS双频接收机定位的特点,结合目前较成熟的探测和修复周跳方法的优点,提出了一种探测和修复周跳的新方法,即基于电离层残差法和相位减伪距法的优点,将两种方法进行合理的组合。该方法根据接收到的载波相位,联合利用电离层残差法和相位减伪距法进行周跳的探测与修复。从理论上说明了该方法的可行性,实例分析表明:该组合方法原理简单,计算速度快,实用性强。     

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.      

Alternative mission architectures for a gravity recovery satellite mission

Since its launch in 2002, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission has been providing measurements of the time-varying Earth gravity field. The GRACE mission architecture includes two satellites in near-circular, near-polar orbits separated in the along-track direction by approximately 220 km (e.g. collinear). A microwave ranging instrument measures changes in the distance between the spacecraft, while accelerometers on each spacecraft are used to measure changes in distance due to non-gravitational forces. The fact that the satellites are in near-polar orbits coupled with the fact that the inter-satellite range measurements are directed in the along-track direction, contributes to longitudinal striping in the estimated gravity fields. This paper examines four candidate mission architectures for a future gravity recovery satellite mission to assess their potential in measuring the gravity field more accurately than GRACE. All satellites were assumed to have an improved measurement system, with an inter-satellite laser ranging instrument and a drag-free system for removal of non-gravitational accelerations. Four formations were studied: a two-satellite collinear pair similar to GRACE; a four-satellite architecture with two collinear pairs; a two-satellite cartwheel formation; and a four-satellite cartwheel formation. A cartwheel formation consists of satellites performing in-plane, relative elliptical motion about their geometric center, so that inter-satellite measurements are, at times, directed radially (e.g. parallel to the direction towards the center of the Earth) rather than along-track. Radial measurements, unlike along-track measurements, have equal sensitivity to mass distribution in all directions along the Earth’s surface and can lead to higher spatial resolution in the derived gravity field. The ability of each architecture to recover the gravity field was evaluated using numerical simulations performed with JPL’s GIPSY-OASIS software package. Thirty days of data were used to estimate gravity fields complete to degree and order 60. Evaluations were done for 250 and 400 km nominal orbit altitudes. The sensitivity of the recovered gravity field to under-sampled effects was assessed using simulated errors in atmospheric/ocean dealiasing (AOD) models. Results showed the gravity field errors associated with the four-satellite cartwheel formation were approximately one order of magnitude lower than the collinear satellite pair when only measurement system errors were included. When short-period AOD model errors were introduced, the gravity field errors for each formation were approximately the same. The cartwheel formations eliminated most of the longitudinal striping seen in the gravity field errors. A covariance analysis showed the error spectrum of the cartwheel formations to be lower and more isotropic than that of the collinear formations.     

空天网格化星间通视及路由路径规划算法

通信、导航、遥感一体的天基信息服务系统的建设将对跨境实时通信、动目标全球跟踪、灾害快速响应等提供有力保障,同时也对高效的网络通信,特别是卫星路由规划算法提出了新的要求。为优化通信链路,进一步降低时延,充分利用网格空间关系直视、编码计算效率高的优势,提出了卫星星座空间互联网格化计算方法。基于GeoSOT-3D(geographic coordinate subdivision grid with one dimension integer coding on 2nTree-3D)模型,构建了空天网格索引大表,并提出了一套通过查询网格通视情况来进行卫星通视分析以及星间路由规划的算法。通过仿真90/15/2的Walker星座,构建空天网格索引大表,进行星间通视分析、星间效率规划的实验验证与效率对比,结果发现,网格通视分析效率较传统算法提升2.2倍;基于预先建立通视大表的通视分析效率较传统算法提升20.9倍;网格化星间路由规划效率在最短距离约束下提升近25倍;在最小跳数约束下则提升约20倍。因此,该算法具有可行性与高效性,能显著提升星间通视及空间链路规划的计算效率。此外,该算法能够用于紧急通信、灾害预警、海上救援等方面,为卫星互联网建设作出贡献。     

一种快速的集中式自主定轨新算法

针对导航星座自主定轨,提出一种提高集中式算法效率的新思路,即充分利用高频、高精度的星间链路测距信息,在短弧内将卫星最优轨道与长期预报轨道的差异用多次曲线描述,得到卫星位置和速度的最佳估值。此方法无需动力学建模和计算状态转移矩阵,因此算法极为简洁。同时,对于自主运行期间缺乏空间基准,提出约束轨道升交点赤经的方法,以减小对地面系统的依赖程度。仿真结果表明,导航星座自主运行60 d,不考虑地球自转参数(EOP)长期预报误差,在无锚固站的情况下,链路数不少于5条时能够达到轨道URE优于1 m,位置3 m,速度毫米级的定轨精度。最后,通过比对验证了新算法比已有EKF分布式自主定轨算法的效率更高。     

基于北斗星间链路闭环残差检测的星间钟差平差改正

利用“闭环检测”思想检测和修正系统测量累积误差,是工程科学中的常用和有效手段。本文指出了北斗三号系统全球星间链路中所存在的有利闭环条件,并提出一种利用其进行闭合残差检测与分析的方法。在此基础上,构建了闭合残差整网平差模型,实现了对北斗三号卫星星间相对钟差的误差修正。基于在轨实测数据的计算表明,北斗三号系统全球星间链路中确实存在着明显的常数性或周期性非零闭合残差。通过对星间链路闭环残差的平差修正,基本消除了卫星星间钟差不闭合的现象,减少星间钟差随机噪声30%~50%,有效提高了星间相对钟差测定的精度,有利于提升北斗系统服务能力。     

北斗高精度长弧历书模型设计

历书参数可同时用于辅助常规导航和自主导航的信号捕获。延长历书参数的有效期不但可以使地面接收机启动时充分利用历书数据,对于基于星间链路观测的自主导航,历书参数的有效期还决定了地面注入历书的频度和占用的星上存储资源。通过对北斗3类导航卫星主要摄动力及其对轨道根数的长期项和长周期项的影响分析,设计了以6个轨道根数和5个摄动参数为播发参数的历书拟合模型。以一个自主运行周期90 d为时间尺度,对北斗在轨卫星进行了长弧段历书拟合试验,并同时分析了卫星位置和速度的拟合精度。结果表明新的历书拟合模型提高了历书拟合的精度,尤其对于地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星,拟合精度提高显著。对于GEO和IGSO卫星,位置拟合误差大约从200 km降低至十几千米甚至几千米,速度拟合误差大约从15 m/s降低至0.6 m/s,新方法拟合精度提高了约20~30倍;对于中圆地球轨道卫星,无论采用哪种历书模型,位置拟合误差都在5 km左右,速度拟合误差都在0.6 m/s左右,新方法拟合精度提高约15%。针对星间链路卫星10 km位置误差上限的使用需求,对比了新老历书模型的拟合弧长,常规模型最大拟合弧长约为14 d,而新历书模型的最大拟合弧长可延长至45 d,新历书模型延长了历书使用期限,优化了北斗历书模型设计。     

BDS星间单差法伪距单点定位精度分析

针对BDS星间单差伪距单点定位精度以及接收机钟误差影响定位精度的问题,该文分析了BDS非差、GPS星间单差、BDS星间单差的伪距单点定位的解算模型,研究了3种定位模式在观测时段内的卫星数、PDOP值以及伪距单点定位精度的差异,并对不同定位模式在同一时段内的定位结果与真值进行比较。实验结果表明:BDS星间单差定位结果的稳定与BDS非差结果相当,并且都略高于GPS星间单差的稳定性;从精度而言,BDS星间单差在E、N方向上精度相比其他两种定位模式得到了一定程度的提高,在U方向上精度介于其他两种定位方式之间。