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.     

基于铱星突发信号的导航定位技术研究

全球导航卫星系统(GNSS)存在落地信号弱、易受干扰等问题,而低轨卫星系统因其较高的信号落地功率、较低的信号空间损耗以及较好的多普勒特性逐渐成为导航领域的研究热点. 铱星星座是目前唯一已实现全球覆盖的低轨卫星系统,其提供的授时与定位(STL)能力主要服务于美国军方,具体信号体制及接收处理技术均未公开发布. 通过对铱星STL突发信号体制开展深入研究及解析,提出利用STL突发信号实现非合作导航定位,并通过实收信号完成了定位解算算法验证,实收试验结果表明所提算法能够实现精度优于100 m的定位. 研究成果能够为我国低轨导航系统建设提供理论基础,有效推进下一代卫星导航系统持续发展.      

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。     

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...     

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。     

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。     

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.      

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.      

低轨卫星增强载波相位差分定位

针对低轨卫星快速空间几何变化和抗干扰能力强等特征,该文基于卫星工具包软件对全球导航定位系统和铱星系统星座进行了仿真,并假定铱星具有导航卫星的功能,分析铱星对GPS定位的增强作用。首先对GPS和铱星增强星座的可见卫星数量和几何精度因子值进行了分析,然后通过对不同的误差值建模,对GPS系统和铱星系统的观测值进行了仿真,分析了低轨卫星对双差定位浮点解和模糊度固定的增强作用,结果表明:低轨卫星的加入增加了可见卫星数量,几何精度因子也优于单GPS系统。单频双差模糊度浮点解的RMS值优于1周,双频双差模糊度浮点解的RMS值优于0.5周,与单GPS相比有了较明显的提高,同时,低轨卫星的加入更有利于单频短基线的模糊度固定。     

低轨卫星通信系统星座设计与性能仿真

低轨卫星通信系统在通信领域发挥着越来越重要的作用。针对不同类型星座覆盖能力和星际链路建立条件存在的差异,设计了极轨道和倾斜圆轨道低轨卫星星座,利用STK验证了两种星座的覆盖能力和星际链路AER特性,利用NS2对两种星座卫星网络的时延、吞吐量和丢包率等性能指标进行了仿真,并对所得数据进行了对比分析,结果表明：在由32颗卫星（轨道高度1450 km ）构成的低轨星座中,极轨星座的全球覆盖能力、星际链路建立条件和卫星网络性能优于倾斜圆轨道星座,更适合于构建全球低轨卫星通信系统。     

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。     

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.

     

小型化LEO星座与BDS-3全星座联合定轨仿真

受限于区域监测站及地球静止轨道(geosynchronous earth orbit,GEO)卫星的静地特性,北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)定轨精度较差,加入低轨卫星(low earth orbit,LEO)星载数据可显著提升定轨精度.使用一种由24颗L...     

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。     

Improving BeiDou precise orbit determination using observations of onboard MEO satellite receivers

In recent years, the precise orbit determination (POD) of the regional Chinese BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been a hot spot because of its special constellation consisting of five geostationary earth orbit (GEO) satellites and five inclined geosynchronous satellite orbit (IGSO) satellites besides four medium earth orbit (MEO) satellites since the end of 2012. GEO and IGSO satellites play an important role in regional BDS applications. However, this brings a great challenge to the POD, especially for the GEO satellites due to their geostationary orbiting. Though a number of studies have been carried out to improve the POD performance of GEO satellites, the result is still much worse than that of IGSO and MEO, particularly in the along-track direction. The major reason is that the geostationary characteristic of a GEO satellite results in a bad geometry with respect to the ground tracking network. In order to improve the tracking geometry of the GEO satellites, a possible strategy is to mount global navigation satellite system (GNSS) receivers on MEO satellites to collect the signals from GEO/IGSO GNSS satellites so as that these observations can be used to improve GEO/IGSO POD. We extended our POD software package to simulate all the related observations and to assimilate the MEO-onboard GNSS observations in orbit determination. Based on GPS and BDS constellations, simulated studies are undertaken for various tracking scenarios. The impact of the onboard GNSS observations is investigated carefully and presented in detail. The results show that MEO-onboard observations can significantly improve the orbit precision of GEO satellites from metres to decimetres, especially in the along-track direction. The POD results of IGSO satellites also benefit from the MEO-onboard data and the precision can be improved by more than 50% in 3D direction.     

基于卫星服务中断的GPS在中国服务区可用性分析

由于导航卫星硬件失效和轨道维持等原因,会引起卫星服务的暂时中断。卫星服务中断又会导致导航星座可用性下降。以GPS卫星4类中断的平均间隔时间、平均恢复时间为参数,建立了导航卫星的平均可用性及导航星座平均可用性数学模型。仿真分析了卫星服务中断的情况下GPS在我国服务区的可用性。仿真结果对于我国目前进行的区域卫星导航系统建设(北斗卫星导航系统建设的第2步)以及参与GPS市场竞争均具有重要作用。