卫星信号仿真电离层闪烁模型研究

电离层闪烁会导致地空无线电信号产生随机起伏,影响各种地空信息系统的工作性能.为了满足电离层闪烁影响效应评估的应用需求,建立了一个卫星信号电离层闪烁模型.该模型是在对闪烁信号衰落特性进行统计分析的基础上建立的,它将信道函数分为直接分量和随机多径成分两部分.模型可根据输入的电离层闪烁指数和去相关时间仿真出信号振幅和相位的变化,并可直接嵌入到各类卫星信号模拟器中,用于卫星导航、卫星通信等系统的衰落信道仿真.     

产品与技术

泰雷兹导航公司(Ashtech)推出一种DG16GPS 基于卫星的增强系统 信标的接收机。这种接收机是一种可以亚米级的精度,把定位与导航应用合并到一起的OEM单板机,他是具有12GPS L1代码与载波信道、两个可供宽域增强系统,EGNO及MSAS选择的基于卫星增强系统信道和两个300KHz差分GPS信标信道的16信道接收机。通过采用Ashtech公司的尖端技术和选通相关器技     

基于北斗卫星信号的电离层环境测量

当卫星信号穿越电离层传播时,电离层会带来时延、闪烁等效应。基于卫星信号的变化可以提取电离层电子总含量、闪烁指数等参数信息。北斗系统的发展为在中国区域的电离层环境测量提供了更为丰富的信号源。文章介绍了基于北斗卫星信号的电离层测量设备的组成,电离层参数的计算方法,并给出了初步的观测结果。     

电离层扰动对局域增强系统的影响分析

卫星导航局域增强系统采用差分技术实现高精度定位能力。电离层扰动现象将对局域增强系统产生严重影响。电离层暴降低了电离层延迟空间相关性,进而影响差分定位的精度;电离层闪烁引起卫星信号质量和测量质量的降低,同时伴随闪烁产生的电离层电子密度不均匀体也会降低电离层延迟的空间相关性,影响差分定位精度。电离层扰动对局域增强系统的影响应通过接收机设计、增强系统设计、完好性实现方法等多方面的改进加以应对。     

集成电离层闪烁仿真的数字中频GPS信号模拟器设计验证

电离层闪烁造成GPS接收机测距误差增大、以致强闪烁条件下的频繁周跳和卫星信号失锁,集成闪烁仿真功能的GPS信号模拟器能够为接收机抗闪烁算法研究和性能测试提供必要的信号源。首先设计了基于AJ-Stanford模型和Cornell模型的电离层闪烁仿真软件,可以灵活配置闪烁时间、数据更新周期以及各模型参数,从而得到闪烁影响下的GPS信号幅度衰落及相位波动序列;然后开发了集成电离层闪烁仿真功能的数字中频GPS信号模拟器,该模拟器作为抗闪烁研究平台工具,可以灵活调整闪烁卫星号、模型及相关参数、开始时间和持续时间;其设计正确性通过实验室自研的软件GPS接收机得到了验证。     

GNSS电离层监测研究进展与展望

电离层作为近地空间环境的重要组成部分,对电波通信、卫星导航定位等都有重要影响。监测电离层形态结构有助于对电离层时空演化特征的理解及其建模和预测。随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的快速发展,GNSS电离层监测已成为重要的研究和应用方向。系统介绍了GNSS多维电离层监测及其应用的研究现状和进展,主要包括空基/地基GNSS联合反演电离层特征参数、层析技术反演电离层三维结构、电离层延迟建模、电离层异常扰动监测及机理认知等内容。     

电离层闪烁对全球导航卫星系统（GNSS）的定位影响分析

电离层闪烁是影响卫星导航系统定位性能的重要因素之一，中国南方区域是全球电离层闪烁多发区之一，开展电离层闪烁对卫星导航系统性能的影响研究具有重要意义。利用中国区域的电离层闪烁数据和GPS测量数据，对电离层闪烁情况下的用户定位性能进行了比较分析，发现电离层闪烁将引起用户定位误差的普遍增大，严重时可能出现定位异常，电离层闪烁对不同的定位应用方式具有不同程度的影响，电离层闪烁对卫星导航系统的多种影响是卫星导航系统的重要威胁之一。     

滑坡与地震监测中电离层扰动分析及其影响改正算法

<正>大型露天矿滑坡和地震是我国所面临的两种典型固体地球灾害。现有研究表明,电离层作为日地系统的重要组成部分,对日地空间环境的变化非常敏感,对穿过其中的电磁波信号产生极大影响,对身处其中的各种卫星系统产生严重干扰。因此,不管是保证星载合成孔径雷达干涉测量(InSAR)的可靠性以实现高精度的矿区滑坡监测,还是基于电离层对地震等大型事件进行监测预警,固体地球灾害空间监测中电离层研究均具有重要的理论意义和应用价值。随着全球导航卫星系统(GNSS)的快     

电磁监测试验卫星(张衡一号)数据处理方法和流程

电磁监测试验卫星(张衡一号)共搭载3类8种科学载荷,第1类是用于电离层电磁场探测的载荷,包括高精度磁强计、感应式磁力仪和电场探测仪;第2类是用于原位等离子体参数探测的载荷,包括朗缪尔探针、等离子体分析仪和高能粒子探测器;第3类是用于电离层结构探测的载荷,包括GNSS掩星接收机和三频信标发射机。电磁卫星载荷探测方式均不同于以往的成像遥感卫星载荷,其数据处理方法和流程也有本质差异。本文首先介绍了中国电磁监测试验卫星产出的科学数据种类、数据分级和各级数据的定义,根据电磁监测试验卫星的特点,科学数据分为0—4级。随后描述了1—4级数据的总体处理流程,最后详细描述了8种载荷1—2级数据处理的方法、流程以及关键的数据处理算法。该数据处理方法和流程将应用于电磁监测试验卫星应用系统,作为数据处理分系统设计和研发的依据。     

一种北斗网络模拟器的设计

北斗卫星导航系统的定位导航和通信能力在指挥信息系统中得到了广泛应用和推广,但在指挥信息系统的研制、联试以及部队模拟训练过程中,往往依赖于北斗设备。授权北斗用户过程周期长,过程复杂,给各项科研生产、训练活动带来诸多不便。为能够减少对北斗设备的依赖,针对现有北斗导航模拟系统未涉及到通信部分的现象,提出了一种北斗网通信模拟器的设计方法,对北斗卫星导航系统定位、通信原理及能力进行模拟。通过使用QT开发工具,开发了一套可提供应用系统间北斗报文通信的北斗模拟器。经过与现役系统的联试联调,证明了方法可行,达到预期设计,模拟器能够为信息系统研制、联试、模拟训练提供基础支撑。     

Ionospheric applications of the scintillation and tomography receiver in space (CITRIS) mission when used with the DORIS radio beacon network

The scintillation and tomography receiver in space (CITRIS) instrument will orbit the Earth near 560 km altitude to detect signals from the ground-based array of more than 50 DORIS UHF/S-band radio beacons established at sites around the world by the French Centre National d‘Etudes Spatiales (CNES) and the Institut Géographique National (IGN). The CITRIS receiver is on the US Air Force Space Test Program satellite STPSAT1, which is scheduled for launch in November 2006. CITRIS will record ionospheric total electron content (TEC) and radio scintillations with a unique ground-to-space geometry. The new instrument has been developed to study the ionosphere using data obtained with the UHF and S-band radio transmissions from the DORIS beacons because ionospheric radio scintillations can seriously degrade the performance of many space-geodetic systems, including the DORIS precise satellite orbitography system and GNSS (Global Navigation Satellite Systems). The ionospheric data will be based on radio signals sampled at a rate of 200 Hz by the CITRIS receiver. Numerical models have been used to predict that the DORIS signals measured by CITRIS may have 30 dB fluctuations in amplitude and 30 rad in phase as the satellite flies over kilometer-scale ionospheric structures. The data from the space-based CITRIS receiver will help update and validate theories on the generation and effect of ionospheric irregularities known to influence radio systems. By using simultaneous beacon transmissions from DORIS on the ground and from low-Earth-orbit beacons in space, the concept of reciprocity in a non-bilateral propagation medium like the ionosphere will be tested. Computer simulations are used to predict the magnitude of amplitude and phase scintillations that are expected to be recorded with the CITRIS instrument.     

Ionospheric threat simulation for GNSS using the Spirent hardware signal simulator

Ionospheric disturbances present a considerable hazard to single-frequency satellite navigation systems for airborne users. We discuss our implementation of three ionospheric threat models in the DLR “multi-output advanced signal test environment for receivers” global navigation satellite system simulator, which is based on Spirent GSS 7780/7790 signal generator. These threat models include the standard front-based threat model developed for the integrity assessment of ground-based augmentation systems (GBAS), a simplified plasma bubble model, and ionospheric scintillation, which can be combined with either of the two previously mentioned models. These effects can now straightforwardly be simulated at the German Aerospace Center’s research facilities. As an example, we simulate a GBAS ground facility with code–carrier divergence monitoring, affected by an ionospheric front, and we show the results of a simulation with coincidental occurrence of a plasma bubble and scintillation with an S ₄ index of 0.4.     

FORMOSAT-3/COSMIC science mission update

The FORMOSAT-3/COSMIC mission is a microsatellite mission for weather forecast, climate monitoring, and atmospheric, ionospheric and geodesy research. This mission is a collaborative Taiwan-USA science experiment to deploy a constellation of six microsatellites in low Earth orbits. The mission life is 2 years with a goal of 5 years. The final mission orbit has an altitude of 750–800 km. Each satellite consists of three science payloads: global positioning system (GPS) occultation experiment (GOX) payload, tiny ionospheric photometer (TIP) and tri-band beacon (TBB). The GOX will collect the GPS signals for the study on atmosphere, ionosphere, and geodesy. The TIP and TBB can provide the electron distribution information for ionospheric research. The deployment of the FORMOSAT-3 constellation and the resulting influence on the occultation sounding distributions are reported. Details are also given on GOX, TIP, and TBB payload operations and the contributions of the Taiwan Science Team.     

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务。本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面,对北斗三号系统组网前后(2020年5月1日至2020年7月20日)BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究,并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。研究表明,BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。上述时段内,以国际GNSS服务(IGS)发布的最终GIM产品为参考,BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%;以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考,BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%;当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时,在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。     

基于PXIe总线架构的GPS导航信号模拟源设计及实现

卫星导航信号模拟源为用户终端设备的设计、验证、测试提供输入信号源,是用户终端设备研发和卫星导航信号系统验证的重要工具.早期的射频合成技术产生的信号的精度和通道一致性较差,随后的模拟中频合成技术存在通道间偏差的问题,而目前常用的数字中频合成技术存在相位抖动问题,所以本文基于PXI Express(PXIe)总线的软件无线电架构,设计并实现了一款采用数字基带合成技术的软硬件结合模拟源.模拟源上位机数学仿真软件采用图形化编程语言LABVIEW开发,实现简单,开发效率高,最终生成数字基带合成信号;模拟源硬件则使用美国国家仪器公司(NI)模块化的虚拟仪器,接收并处理上位机产生的数字基带合成信号,最终产生用户终端设备可以接收的全球定位系统(GPS)射频信号.利用频谱分析仪观察模拟源输出信号的频率和带宽,验证了GPS模拟源仿真信号的正确性;利用商用接收机进行定位解算,分析静态和动态场景下的信号质量、定位结果及三轴定位误差,验证了GPS模拟源仿真信号的准确性和有效性.      

联合GNSS/LEO卫星观测数据的区域电离层建模与精度评估

高精度的电离层模型对于提高导航卫星系统的定位精度具有重要意义。低轨卫星的快速发展为建立高精度的电离层模型提供了新的契机。基于仿真数据模拟获得2017年1月1日—30日LEO(low earth orbit)和GNSS(global navigation satellite system)卫星观测数据,星座类型包括60、96、192和288颗卫星,以非洲区域为例,利用该数据研究GNSS和LEO卫星穿刺点的覆盖情况和联合建模精度。结果表明:加入LEO卫星后,穿刺点分布改善明显,能够大幅度提高穿刺点密度;单颗低轨卫星穿刺点的范围比GNSS卫星大,LEO卫星的高度角和方位角变化明显;随着低轨卫星数量的增加,融合建模的精度也随之提高;在12:00时东经30°不同纬度范围内,单GNSS建模和GNSS+288 LEO建模差值最大为-1.6 TECU(total electron content unit);随着建模时长的增加,融合建模结果和单GNSS结果差值逐渐变小。     

面向森林植被的星载大光斑激光雷达回波仿真

利用星载激光雷达的大光斑全波形数据估测植被结构参数、监测森林生态已受到广泛关注。为了更准确地理解森林植被的结构参数和光学特性对激光雷达回波波形的影响,利用实测森林植被数据提取植被空间分布的统计规律,考虑地形坡度变化和植被冠层反射特性的影响,生成参数化的森林植被空间轮廓反射模型,结合星载激光雷达的回波理论,建立了面向植被的星载激光雷达波形仿真器。由大兴安岭地区的实测植被数据提取的统计规律生成的森林目标仿真波形与地球科学激光测高仪系统（Geoscience Laser Altimeter System,GLAS）真实回波波形具有较好的一致性,平均相关系数R2达到0.91。通过波形仿真分析发现,光斑尺寸减小有利于大坡度地形的森林信息反演,研究成果对中国未来研制星载激光雷达载荷的系统参数设计具有参考意义。     

北斗/超宽带组合定位的室内外过渡区无缝链接方法

室内外无缝导航定位是万物互联之基石,具有广阔的市场前景和应用价值. 但目前对于室内外过渡区的无缝组合导航技术,仍存在诸多棘手问题亟待解决. 对此,从三个方面对BDS/UWB组合定位的室内外无缝链接方法进行了改进:一是提出了一种基于内引法和外引法的室内信标绝对定位方法,以解决室内外定位结果的坐标基准统一问题;二是提出了一种基于位置精度因子(PDOP)平稳变化的室内信标优化布局方案,以提高过渡区域的导航定位精度与信标可用性;三是提出引入自适应权重因子,来解决BDS/UWB组合定位的观测值合理定权问题. 通过具体实验验证:1) 利用基于内引法和外引法的室内信标绝对定位方法,可实现室内外坐标基准的统一,显著提高了用户使用的便捷性;2) 采用所提信标优化布局方案,可有效提高过渡区定位精度,相比无超宽带(UWB)信标,BDS/UWB组合定位的平均定位精度至少提高 355%;3) 自适应权重因子可实时调节不同时间、不同类型观测值的权比,增强了观测信息利用效率,相比北斗卫星导航系统(BDS)空旷区域,定位精度可至少提高22.5%.      

The ionosphere: effects,GPS modeling and the benefits for space geodetic techniques

The main goal of this paper is to provide a summary of our current knowledge of the ionosphere as it relates to space geodetic techniques, especially the most informative technology, global navigation satellite systems (GNSS), specifically the fully deployed and operational global positioning system (GPS). As such, the main relevant modeling points are discussed, and the corresponding results of ionospheric monitoring are related, which were mostly computed using GPS data and based on the direct experience of the authors. We address various phenomena such as horizontal and vertical ionospheric morphology in quiet conditions, traveling ionospheric disturbances, solar flares, ionospheric storms and scintillation. Finally, we also tackle the question of how improved knowledge of ionospheric conditions, especially in terms of an accurate understanding of the distribution of free electrons, can improve space geodetic techniques at different levels, such as higher-order ionospheric effects, precise GNSS navigation, single-antenna GNSS orientation and real-time GNSS meteorology.