GNSS中结合多普勒频移的DS-R定位新方法(英文)

在一些特定的GNSS定位应用中(比如城市或者山区),因为信号的遮挡,接收机无法同时跟踪到4颗以上的卫星以估算三维位置和钟差。提出一种新的DS-R(Doppler Shift-Range)定位算法:在任意历元,同时观测2颗可视卫星的多普勒频移和码相位,可以等效地获得4个观测方程。DS-R算法利用2颗可视卫星就能实现实时的三维定位。结合多频观测和三频相-码组合新方法,DS-R算法具有与标准单点定位相当的定位性能。DS-R算法为位置估算提供双倍的冗余信息,当可见卫星数较小、传统的定位算法失效时,可作为一个较好的替代定位算法。     

中国和欧洲导航卫星的后起之秀

中国将发射“北斗”导航卫星,欧洲也将发射两颗“伽利略”导航试验卫星。中国导航卫星在近年得到了长足的发展,2007年2月3日,中国战功发射第4颗“北斗”导航试验卫星。同年4月14日,又成功发射了首颗“北斗”导航卫星[又明北斗导航卫星--M1（COMPASS—M1）]。这次发射的卫星飞行在高度为21500千米的中圆轨道,它标志着我国自行研制的“北斗”卫星导航系统进入新的发展建设阶段。据悉,2008年中国还将把“北斗”导航卫星送上太空,另外。2005年7月28日,中国与欧盟就“伽利略“计划签署了3份应用项目合同．成为首个加入“伽利略”计划的非欧盟国家,拥有这一系统的部分所有权和全部使用权。     

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.     

利用卫星多普勒“传递定位”技术测定站间相对坐标

卫星多普勒定位主要误差源,星历误差和折射误差在同步跟踪一次卫星通过的两测站之间是相关的,因此卫星多普勒的同步观测能提高测站间相对定位的精度。利用这种相关性来改进定位精度的技术称之为“传递定位”(Traslocation)。本文利用国产的JSZ-4多普勒接收机的同圈观测资料进行了对“传递定位”技术的研究,介绍了进行多站多圈“传递定位”的计算方法,并对北京、上海两测站进行了“传递定位”的试测。利用1980年8月23,24日两天14圈的两站同圈观测试测的结果,两站相对坐标的内符精度为±2米,基线的长度与大地测量的结果相比相差1.5米。结果表明用这样的方法来测定站间的相对坐标是非常有效的。其相对定位的精度与单点定位的精度相比有了较大的提高。     

“伽利略”发现木星周围的岩石小卫星

当地基望远镜使木卫的数目达到60,并可能还会增加时,伽利略木星探测器拍摄到木星一些更小卫星的图像。在“伽利略”2002年11月飞掠木卫五期间,它的恒星跟踪器——飞船上用于瞄准某颗导航星为飞船定位的望远镜发现了9个亮闪光。飞掠期间恒星跟踪器     

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。     

北斗导航星座现状仿真分析与定量评估

北斗卫星导航系统是我国的重要基础设施建设项目之一。随着北斗三号系统建设进入收尾阶段,对当前北斗卫星导航系统的阶段性导航性能状况,许多导航用户依然十分关注。针对截至2019年5月已经在轨运行的北斗导航星座,利用卫星工具包软件(Satellite Tool Kits, STK)开展了北斗导航星座现状仿真分析与定量计算。选取国内有地理位置代表性的测站作为考察对象,给出了这些区域的北斗导航性能的仿真结果,同时以700 km高度的低地球轨道太阳同步卫星所在区域为考察对象,给出了高动态移动用户情况下北斗导航性能的仿真结果。仿真结果表明:在中国境内,当前北斗系统已经可以提供优于10 m的定位服务,具备为国家安全活动保障提供高精度的位置信息服务能力,当前北斗导航系统可以满足空间科学先导专项飞行器对导航位置的精度需求,仿真结果可供北斗导航系统开展全面测试提供数据参考。     

微分多普勒单站定位

本文给出了地固坐标系中含二阶项(包括相对论效应项)的卫星多普勒测速实用公式,导出以测站坐标三分量、频偏、卫星位置沿径向、切向和轨道面法向计七个未知量的观测方程。利用JSZ—4型接收机的48圈观测资料,按线性最小方差估计式逐圈进行单站定位计算,所得站坐标的均方差为8.44米,与测站坐标在DX—1坐标系中的值相比较的误差为±6.93米。     

第一代北斗星座卫星对GALILEO卫星导航定位系统增强性能仿真

第一代北斗星座已经于2003年布置完毕，基本实现了中国本土及周边的导航定位功能。中国作为GALILEO卫星导航定位系统开发的重要参与者，研究北斗系统和GALILEO卫星导航定位系统的集成问题十分必要和迫切。本文，就第一代北斗星座对GALILEO卫星导航定位系统的增强性能进行分析，主要对PDOP指标进行了仿真。给出了国内典型城市的PDOP及其一天内的变化曲线。     

“北斗”区域卫星导航系统建成

2012年10月25日,我国成功发射了第16颗“北斗”导航卫星,至此,我国“北斗”区域导航卫星星座建成。经过1～2月的在轨调试,“北斗”卫星导航系统将于2013年初向亚太大部分地区提供正式服务。     

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.     

Regional positioning using a low Earth orbit satellite constellation

Global and regional satellite navigation systems are constellations orbiting the Earth and transmitting radio signals for determining position and velocity of users around the globe. The state-of-the-art navigation satellite systems are located in medium Earth orbits and geosynchronous Earth orbits and are characterized by high launching, building and maintenance costs. For applications that require only regional coverage, the continuous and global coverage that existing systems provide may be unnecessary. Thus, a nano-satellites-based regional navigation satellite system in Low Earth Orbit (LEO), with significantly reduced launching, building and maintenance costs, can be considered. Thus, this paper is aimed at developing a LEO constellation optimization and design method, using genetic algorithms and gradient-based optimization. The preliminary results of this study include 268 LEO constellations, aimed at regional navigation in an approximately 1000 km \(\times \) 1000 km area centered at the geographic coordinates [30, 30] degrees. The constellations performance is examined using simulations, and the figures of merit include total coverage time, revisit time, and geometric dilution of precision (GDOP) percentiles. The GDOP is a quantity that determines the positioning solution accuracy and solely depends on the spatial geometry of the satellites. Whereas the optimization method takes into account only the Earth’s second zonal harmonic coefficient, the simulations include the Earth’s gravitational field with zonal and tesseral harmonics up to degree 10 and order 10, Solar radiation pressure, drag, and the lunisolar gravitational perturbation.     

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.     

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.     

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。     

中国区域定位系统的水平定位误差分布研究

中国区域定位系统（Chinese Area Positioning System,CAPS）是基于通信卫星的转发式卫星导航系统,基本原理是导航信号由地面导航站上行,经通信卫星转发向地面广播,用户接收机接收导航信号和电文实现导航定位。在试验验证阶段,CAPS仅采用同步轨道通信卫星进行信号的转发和广播,用户接收机利用气压测高技术实现高程辅助下的定位解算。为了描述CAPS水平定位误差的分布,作者定义了高程辅助算法下的东精度衰减因子（Dilution of PrecisionEast,EDOP）和北精度衰减因子（Dilution of Precision North,NDOP）。根据CAPS星座分布,分析系统覆盖范围内高程辅助下EDOP和NDOP数值,结果表明CAPS的EDOP和NDOP是关于赤道南北对称,关于同步轨道通信卫星的平均经度子午圈对称。在平均经度子午圈附近,EDOP出现最小值;在同一纬度圈上,离平均子午圈越远,EDOP数值越大。在CAPS覆盖区域内,任一格点上的NDOP总是大于EDOP,当用户由低纬度地区向高纬度地区移动时,在站心坐标系内卫星在南北方向拉开的距离增大,NDOP变小。利用北京、上海、长春、西安、乌鲁木齐和昆明6个CAPS测站进行仿真分析,结果表明本文提出的EDOP和NDOP可用于估算星座空间布局对用户伪距测量误差的放大程度,并可以解释CAPS接收机在高程辅助下水平定位精度东西方向总是优于南北方向的现象。进一步的实测数据分析表明,EDOP和NDOP可以用来估算南北方向和东西方向的定位精度。     

Tetrahedron formation of nanosatellites with single-input control

The present paper studies the formation flight of four nanosatellites forming a tetrahedron. The main goal of this research is to find the relative orbits of these satellites that, at least in the linear Hill–Clohessy–Wiltshire model, ensure finite relative motion and keep the volume and shape of the tetrahedron configuration. Since real motions of these satellites will differ from the linear ones, especially under the influence of the \(J_{2}\) perturbation, active control is necessary. In addition, the limited size of the satellites does not allow us to use a complex 3-axis attitude control system. In the present paper we consider the passive magnetic attitude control system and suppose that the thrust direction is always aligned with the local geomagnetic field. In order to increase mission lifetime the control algorithm that minimizes the propellant consumption and keeps the tetrahedron volume and shape is investigated.     

GNSS系统时间偏差的确定及其对定位结果的影响

由于GNSS各个导航系统都有独立的系统时间,在GNSS多模导航定位中需要对各导航系统之间的系统时差进行处理。以GPS／GLONASS双模导航为例,讨论了系统时差的解决方法以及系统时差对定位结果的影响。实验结果表明,在多模导航定位中考虑系统时差可以有效地提高定位结果的准确性,改善定位结果的精度。     

脉冲星在空间飞行器定位中的应用

利用脉冲星钟模型能高精度地预报脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间。基于脉冲星时、空参考架可实现各类空间飞行器的自主导航。讨论了脉冲星钟的模型和脉冲星导航系统的框架结构,描述了脉冲星导航的基本原理和算法。指出脉冲星导航系统对脉冲星脉冲到达探测器时刻的测量精度,是决定空间飞行器位置解算精度的关键因素。脉冲星导航观测采用的原子钟如果足够稳定,则空间飞行器位置的解算方法可以简化。在脉冲星导航系统计时观测精度达到或优于几十微秒量级时,脉冲星视差、相对论效应的影响是不可忽略的。对脉冲星导航系统开发设计中的关键技术和进一步研究的主要问题进行了初步分析和讨论。     

Relativistic positioning: errors due to uncertainties in the satellite world lines

Global navigation satellite systems use appropriate satellite constellations to get the coordinates of an user—close to Earth—in an almost inertial reference system. We have simulated both GPS and GALILEO constellations. Uncertainties in the satellite world lines lead to dominant positioning errors. In this paper, a detailed analysis of these errors is developed inside a great region surrounding Earth. This analysis is performed in the framework of the so-called relativistic positioning systems. Our study is based on the Jacobian (J) of the transformation giving the emission coordinates in terms of the inertial ones. Around points of vanishing J, positioning errors are too large. We show that, for any 4-tuple of satellites, the points with J=0 are located at distances, D, from the Earth centre greater than about 2R/3, where R is the radius of the satellite orbits which are assumed to be circumferences. Our results strongly suggest that, for D-distances greater than 2R/3 and smaller than 10⁵ km, a rather good positioning may be achieved by using appropriate satellite 4-tuples without J=0 points located in the user vicinity. The way to find these 4-tuples is discussed for arbitrary users with D<10⁵ km and, then, preliminary considerations about satellite navigation at D<10⁵ km are presented. Future work on the subject of space navigation—based on appropriate simulations—is in progress.