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。     

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。     

星地SLR和星间链路的BDS-3卫星精密定轨EI北大核心CSCD

目前,BDS-3卫星上已全部搭载星间链路设备,可利用星间双向测量数据分离卫星相对钟差和相对几何距离解耦卫星轨道和钟差,再把星间距离作为观测量结合地面测量数据进行星地星间联合定轨。人卫激光测距(SLR)技术不受载波相位模糊度、钟差等因素的影响,数据处理过程相对于GNSS技术的数据处理更简单,可以作为一种独立于GNSS观测技术的测量手段。所有BDS卫星上已搭载激光角反射器,因此本文利用2020年1月北斗星间链路数据及少量SLR数据对11颗BDS-3卫星(MEO/IGSO/GEO)进行联合精密定轨试验。分析结果表明,基于SLR和星间链路的3类轨道类型的BDS-3卫星定轨精度相当,轨道精度径向为4.2 cm,三维精度为30.2 cm;卫星轨道预报12 h和24 h MEO卫星三维精度约40.0 cm,IGSO三维精度优于60.0 cm;GEO卫星三维精度约1.0 m。在精密定轨的同时解算地球自转参数(ERP),由于激光数据量少,极移精度约3.0 mas,日长变化精度为0.35 ms。利用少量SLR观测数据和星间链路测量数据联合可以实现导航卫星的高精度定轨,如果能够对BDS卫星加强激光观测,有助于提升轨道精度,为BDS自主可控空间基准参数解算提供参考。     

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%。     

联合少量地面控制源的空间信息网轨道确定与时间同步

全球低轨卫星通信星座的发展以及全球导航卫星系统卫星轨道和钟差确定技术的进步,为地基连续运行参考系统(CORS)向近地空间转移提供了必要的基础.空间信息网中低轨卫星节点的使用有助于突破地面参考站布设范围的限制,联合少量境内地面控制源可实现全球高精度空间基准服务.针对空间信息网具有的高动态、网络重构性和伸缩性强的特点,如何利用境内少量地面控制源准确确定空间信息网中低轨卫星轨道和时间基准,是实现天基CORS网全球服务的关键.本文研究了基于骨干网和接入网策略进行空间基准和时间基准统一的方法.试验表明,仅利用5个中国境内测站和2个南北极测站,结合12个低轨卫星节点,即可实现约7 cm精度的骨干网中导航卫星和低轨卫星精密轨道确定.在精确确定骨干网节点轨道的条件下,其他节点的实时定轨精度可达10 cm左右.在空间信息网的时间同步体系方面,提出了网络分层自治策略和新型星间链路用于星间和星地高精度时间比对的方法.结果表明基于通信信号体制可实现10 ns精度量级的时间同步性能.     

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。     

导航卫星自主定轨星座旋转误差的地面校正算法

目的 基于星间测距的导航卫星自主定轨不可避免地会出现星座旋转,导致轨道精度下降并对造成用户定位系统误差。对星座旋转现象的原因和影响进行了分析,指出轨道升交点赤经的系统偏差ΔΩ和地球定向参数EOP的预报误差是星座旋转的主要误差源,主要表现为星座绕地球自转轴(犣轴)的旋转。在此基础上,提出一种独立、实用的星座旋转的地面校正算法,利用区域地面站的伪距观测值估计并校正星座旋转误差。仿真结果表明,使用两个测站可以估计旋转误差的三个分量,较为完善地消除星座旋转误差,显著提高用户定位的精度;使用一个测站,仅考虑关于犣轴的旋转分量,也可以校正大部分旋转误差,但校正效果略差。     

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。     

分布式导航星座自主时间同步性能评估

针对星座自主导航任务需求,分析了基于星载钟性能和星间相对钟差估计星座自主时间同步精度的可行性,验证了星座中星载原子钟性能与卫星自主时间同步滤波结果的相关性,评估了有无时间参考基准、星间电文交互条件下的卫星钟差预报性能。评估结果表明:当缺少地面或参考星为基准且星间电文无交互时,单颗卫星的自主钟差预报结果是不可观的,会随着时间增长发生偏移,并在地面或基准星对其校准后迅速收敛,继续随星载钟性能和滤波状态参数发散;当缺少基准且星间电文正常交互时,卫星自主钟差滤波结果与精密钟差相比存在整体偏移;基于本文设计的验证条件,卫星自主运行15 d卫星钟差整体漂移量优于60 m;当以某颗卫星或锚固站为时间参考基准时,全网卫星可根据与基准时间的相对钟差进行自主校准,星间相对钟差RMS为0.6 m。     

基于星间测距的分布式自主星历更新算法

为了保证我国卫星导航系统在失去地面站支持条件下一定时间内维持导航定位能力,弥补区域布站在定轨几何结构及完好性监测方面的缺陷,我国全球卫星导航系统拟采用星间测距/通讯体制。给出了基于星间链路测量体制的分布式定轨算法,并用仿真数据进行了验证。结果表明,在一定数量星间测距链路支持条件下,采用Kalman滤波算法能够满足60d URE优于3m的星座自主定轨精度需求。     

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...     

Initial results of centralized autonomous orbit determination of the new-generation BDS satellites with inter-satellite link measurements

Autonomous orbit determination is the ability of navigation satellites to estimate the orbit parameters on-board using inter-satellite link (ISL) measurements. This study mainly focuses on data processing of the ISL measurements as a new measurement type and its application on the centralized autonomous orbit determination of the new-generation Beidou navigation satellite system satellites for the first time. The ISL measurements are dual one-way measurements that follow a time division multiple access (TDMA) structure. The ranging error of the ISL measurements is less than 0.25 ns. This paper proposes a derivation approach to the satellite clock offsets and the geometric distances from TDMA dual one-way measurements without a loss of accuracy. The derived clock offsets are used for time synchronization, and the derived geometry distances are used for autonomous orbit determination. The clock offsets from the ISL measurements are consistent with the L-band two-way satellite, and time–frequency transfer clock measurements and the detrended residuals vary within 0.5 ns. The centralized autonomous orbit determination is conducted in a batch mode on a ground-capable server for the feasibility study. Constant hardware delays are present in the geometric distances and become the largest source of error in the autonomous orbit determination. Therefore, the hardware delays are estimated simultaneously with the satellite orbits. To avoid uncertainties in the constellation orientation, a ground anchor station that “observes” the satellites with on-board ISL payloads is introduced into the orbit determination. The root-mean-square values of orbit determination residuals are within 10.0 cm, and the standard deviation of the estimated ISL hardware delays is within 0.2 ns. The accuracy of the autonomous orbits is evaluated by analysis of overlap comparison and the satellite laser ranging (SLR) residuals and is compared with the accuracy of the L-band orbits. The results indicate that the radial overlap differences between the autonomous orbits are less than 15.0 cm for the inclined geosynchronous orbit (IGSO) satellites and less than 10.0 cm for the MEO satellites. The SLR residuals are approximately 15.0 cm for the IGSO satellites and approximately 10.0 cm for the MEO satellites, representing an improvement over the L-band orbits.     

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。     

混合星座星间链路的建立以及连通性和稳健性分析

首先,分析了混合星座的特点,并分别讨论了GEO卫星、IGSO卫星和Walker-δ星座的服务性能和星间链路的建立特点;然后,运用邻接矩阵给出混合星座连通性的判断标准,运用任意两颗卫星间相连途径的数目、割点、割边、k-连通度和k-边连通度给出星间链路稳健性的判断标准,并给出了星座达到k-连通所需要的最少星间链路的数目及其构建方式;最后,对模拟的3GEO+3IGSO+24MEO星座构型中各卫星之间的星间链路建立准则、连通性和稳健性进行了分析。     

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。     

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。     

Timeslot scheduling of inter-satellite links based on a system of a narrow beam with time division

An inter-satellite link (ISL) can enhance the performance of a global navigation satellite system. The system of narrow beams with time division is being increasingly used for ISLs. ISLs improve the performance of global navigation satellite systems via ranging and communication between satellites. When there are fewer antenna beams than targets, how to schedule timeslots for inter-satellite links to better perform the function of ISLs can become a problem. We describe the timeslot scheduling problem and propose a new method based on grouping to solve this problem of obtaining more range observations in a short time and communicating with a short delay between satellites and facilities. A series of 10,080 benchmarks of a typical constellation of a global navigation satellite system was run to demonstrate the feasibility of the proposed method. The regression cycle of constellations under test lasted approximately 7 days. The proposed schedule has a communication delay of less than 10 s and obtains more than nine different range observations in 60 s. Results show that the method effectively solves the scheduling problem and increases the scheduling success ratio remarkably.     

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。