星载加速度计增强北斗自主定轨性能

卫星自主定轨是提高全球卫星导航系统(GNSS)可靠性、稳健性、完整性和生存能力的重要保证。新一代的北斗卫星已可以进行星间链路测距,从而达到提高卫星全球跟踪能力以及实现整个卫星导航系统的自主定轨。然而由于卫星运行会受到多种摄动力的影响,如果不能对这些摄动力进行精密的改正,在没有地面或其他天体提供绝对约束的条件下,导航系统会随着自主定轨时间的延长出现星座整体旋转。卫星所受摄动力分为保守力和非保守力两部分:对于保守力,如地球非球形摄动、潮汐摄动、太阳月球和其他三体引力,现在已有的力学模型可以很精确地进行改正;而非保守力(如太阳光压摄动),则难以用精确的模型进行改正,因此成为影响卫星定轨精度的主要因素。星载加速度计可以高精度地测量非保守力,并已成功应用于重力卫星(CHAMP、GRACE、GOCE)的重力场反演与大气研究中。本文研究主要探讨采用星上加速度计提高北斗卫星自主定轨精度和延长自主定轨时长的可行性。利用模拟的卫星轨道和星间链路数据,以及现有的星载加速度计误差模型,对北斗卫星系统分别使用星间链路数据和星间链路与加速度计组合数据,进行自主定轨与精度评定。计算结果表明,使用星间链路与星载加速度计数据进行自主定轨,较单纯使用星间链路数据精度具有明显改进。在模拟的星间测距观测数据具有0.33m随机噪声以及分米级系统误差,自主定轨两个月的情况下,联合使用加速度计数据的自主定轨IGSO和MEO卫星精度为分米级,而仅使用星间链路数据的定轨精度约为3~6m,比使用加速度计精度低一个量级。     

BD卫星星间链路定轨结果及分析

我国新一代北斗导航系统试验卫星搭载了高精度星间链路载荷并已经得到了实测数据。本文给出了星间链路数据预处理方法,并介绍了星间链路数据独立定轨和星间Ka测量与L波段数据联合定轨的方法和初步结果。利用3颗试验卫星和1个地面Ka站在轨试验,结果表明:独立采用星间链路定轨,其结果 R方向误差小于0.5m;星间链路数据与L波段数据联合定轨,其对L波段定轨结果有显著改善,轨道R方向误差小于0.3m;星间测量设备时延标校精度优于0.1m。     

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。     

国外卫星导航系统星间链路发展研究

利用星间链路提升卫星导航系统性能已成为全球卫星导航系统的重要发展趋势之一。以GPS为代表的国外卫星导航系统都在积极发展星间链路。我国北斗卫星导航系统也将在新一代全球导航卫星上搭载星间链路,目前已开展在轨试验。通过国内外文献查阅和跟踪研究,系统梳理比较了GPS,GLONASS和Galileo三大全球系统已投入使用和正在论证的星间链路技术方案。在此基础上归纳了星间链路的发展特点与趋势:1)星间链路的设计不再局限于实现自主导航,更倾向于通过星地联合实现增强提升导航性能;2)星间链路的发展当前以高频段射频星间链路为主,激光星间链路是未来的发展方向;3)星间链路测距通信将主要采用时分多址体制。相关研究成果对我国北斗卫星导航系统星间链路的发展具有借鉴意义。     

分布式导航星座自主定轨性能评估

针对星座自主导航定轨任务需求问题,该文分析了卫星自主定轨的原理,提出了一种基于分布式Kalman滤波的星座自主定轨性能评估方法,着重从星间链路有效数、星座布局、定轨精度等方面给出了评估结论。评估结果表明:合理的星间链路有效数和星座布局是实现分布式导航星座自主定轨的前提条件;仅依靠星间链路是无法提供足够的信息以区分星座中是否存在旋转,存在自主定轨星座旋转的不可观测性问题;对于全网交联且星间测距残差满足自主滤波条件的分布式导航星座,所有卫星的自主定轨精度基本相当。     

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。     

一种适用于卫星导航系统星间链路的可抢占时隙TDMA体制

针对传统TDMA体制数据传输时延较大的缺点,提出了一种适用于卫星导航系统星间链路的可抢占时隙的TDMA体制,并抽象出了该TDMA体制下的时隙编排优化目标,结合卫星导航系统星座的星间可视性,以顶点着色为理论基础提出了一种优化的时隙编排算法。仿真结果表明,与GPS星间链路的TDMA体制相比,所提出的TDMA体制可达到相同的卫星自主定轨精度以及系统用户等效观测误差(URE)性能,同时大幅提高了系统通信性能。     

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。     

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统(BDS-3)已经于2018年年底建成基本系统,并计划于2020年建成完整系统,而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道(MEO)卫星,评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度,利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测,进行了联合卫星轨道测定试验,并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较,分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明:北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9cm,测距精度约为4.4cm;仅采用区域测站定轨,重叠弧段三维位置误差RMS为66.7cm,加入星间链路后可降低至15.4cm,提高了76.9%,24h轨道预报位置精度也由114.1cm提升至20.3cm,提升了83.2%,激光检核径向精度为8.4cm左右,明显优于北斗二号卫星轨道精度。     

基于星间星地链路的整网批处理定轨算法仿真研究

导航卫星的轨道确定是支撑GNSS运行的关键技术,星间链路的应用给传统GNSS的运行模式带来新的变革。通过将轨道确定转化为线性最小二乘问题,结合整网平差原理和联合定轨理论,提出了基于星间星地链路的整网批处理定轨算法。给出了批处理定轨流程;建立批处理定轨仿真试验,将星地联合定轨与传统定轨进行比较,结果表明:星地联合定轨方案能显著提高定轨精度,验证了算法的可行性和有效性。     

北斗三号卫星星地星间联合精密定轨初步结果

截至2018年底中国已有19颗北斗三号卫星成功发射入轨,北斗三号卫星上都搭载了高精度星间链路载荷并成功实现了星间双向测距。介绍了北斗三号卫星星间链路观测模型,并利用L波段星地和Ka波段星间链路观测数据对8颗北斗三号卫星进行了星地星间联合精密定轨实验,L波段数据来自全球连续监测评估系统分布于中国境内的6个跟踪站。实验结果表明:星间链路观测值定轨残差RMS值优于6 cm,设备时延在±0.15 ns以内变化。在地面跟踪站限制在境内的情况下,增加星间链路能显著提高定轨精度。通过重叠弧段比较,联合定轨得到的卫星轨道在三维位置上的误差约为12 cm,径向误差约为3 cm,与仅国内6个站星地定轨相比提高85%。     

基于星间测距的导航星座自主定轨研究

导航星座的自主定轨是提高其生存能力的重要方面,利用星间测量信息可以实现星座的自主定轨。提出了一种利用改进的Kalman滤波融合动力学信息和星间测距信息,并实时修正积分初值的自主定轨算法。采用IGS精密星历仿真星间测量值,运算结果表明该算法能获得较高的定轨精度。     

基于北斗星间链路的卫星自主导航可行性分析

北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3)在BDS-2基础上,设计实现了高速宽带星间链路网络,以期实现导航和通信的一体化建设,并为卫星自主定轨(autonomous orbit determination,AOD)技术的实现积累宝贵的实测数据。首先,利用星间链路数据建立分布式AOD模型;然后,利用实测的BDS-3星间链路数据,分析了18颗中圆轨道(medium Earth orbit, MEO)卫星间的建链有效率、星座构型及星间测量噪声,并讨论了轨道初值、滤波处理间隔等因素对AOD精度的影响;最后,给出了基于北斗三号系统18颗MEO卫星星间测距数据的AOD结果,用事后精密轨道产品对其进行了评估分析。结果表明:(1)BDS-3星间链路运行稳定,每颗卫星基本可维持9条左右的星间双向测距链路,星间有效链路数和星座布局已能够支撑实现分布式导航星座的AOD;(2)轨道初始精度、滤波处理间隔等都会影响状态估计精度和收敛速度;(3)轨道初值位置精度为0.1 m、滤波处理间隔为60 s的条件下,AOD连续运行30天的用户测距误差(us...     

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。     

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。     

卫星导航系统星间链路分析

对全球卫星导航系统星间链路的几何特性进行分析、仿真,并且对星间链路应该采用的频段进行选择,进而根据星间链路应该达到的技术指标进行星间链路预算,为星间链路系统的设计奠定基础。     

利用C波段转发数据实现GEO卫星轨道确定

为了提高我国卫星导航系统GEO卫星定轨能力,针对我国卫星导航系统所特有的新数据和新方法,利用CAPS系统的C波段转发式测距数据进行了单GEO卫星定轨实验.在分析该方法技术特点的基础上,从定轨残差和轨道重叠弧段比较等方面,对定轨结果进行了分析.由于设备转发时延是影响该方法定轨精度的重要因素,因此同时还分析了系统偏差对定轨精度的影响,得出了一些有益的结论.     

综合星间和地面测距数据的导航卫星联合定轨

简要地论述了基于星间测距数据和地面跟踪数据的导航卫星联合定轨中的观测模型、定轨软件及数据模拟方法等,在此基础上,基于自编的联合定轨软件进行了不同方案的模拟计算。结果表明,采用星地联合定轨模式,不仅可以获得很好的定轨精度,而且可大量减少地面跟踪站的布设数目以及降低对地面站的几何分布要求;地面跟踪站数量的增加及其地理分布的改善对提高联合定轨精度作用有限。     

基于星间链路的完好性参数SISMA计算方法

地基完好性监测是利用四个或四个以上的精确坐标的监测站对卫星进行监测,计算其星历及星钟误差。该方法需满足四重以上监测站覆盖条件,对于自主导航和区域布站的导航系统不能实现导航卫星的全弧段完好性监测。对于不满足上述覆盖条件的卫星,采用基于星间链路的监测方法,利用四个或四个以上的具有一定坐标误差的卫星对该卫星进行监测。通过星历数据和星间测距数据计算SISMA,从而进行导航卫星全弧段的完好性监测。     

LEO导航增强星座设计与链路性能分析

现有卫星导航系统的PNT服务无法提供全空域服务,LEO卫星星座、星间链路是未来多源导航信息源的重要组成部分。本文根据极轨道星座设计理论,在LEO卫星个数较少的条件下,设计了一个LEO导航增强星座,并分析了该星座的全球覆盖性。然后,根据卫星间的几何特性,在星座中建立了星间链路拓扑结构,并采用图论知识讨论了该星间链路拓扑结构的连通性和稳健性。最后,分析增加5颗GEO卫星后的星座星间链路性能。