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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

导航星座自主定轨抗差滤波算法

针对在复杂环境条件下星间测量值存在粗差的问题,提出将抗差滤波算法应用到导航星座自主定轨解算中。抗差滤波算法对观测向量应用极大似然估计准则,对状态预测向量仍使用最小二乘估计,通过等价权因子的作用,能够有效发现并降低粗差对解算结果的影响。仿真实验结果表明:粗差对星座自主定轨结果影响较大,在含有粗差的观测历元,自主定轨误差较大;抗差滤波能够有效降低粗差对自主定轨滤波结果的影响,且等价权函数采用指数幂函数的抗差滤波结果要优于采用Huber函数的结果。     

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。     

GNSS卫星精密定轨综述:现状、挑战与机遇

GNSS卫星精密轨道是高精度GNSS应用的基础与前提,GNSS卫星精密定轨技术也一直都是卫星导航领域的研究重点与热点。本文首先介绍了GNSS星座与跟踪数据概况,梳理了精密定轨函数模型、动力学模型及随机模型构建过程中的关键问题,归纳了低轨星载观测和星间链路观测等多源数据增强GNSS精密定轨的研究进展;然后,从应用的角度总结了当前GNSS精密轨道产品的基本状态,并进行了精度评估;最后,讨论了GNSS精密定轨在大网快速解算、多层次观测数据融合、太阳光压模型精化及高精度实时定轨等方面所面临的挑战,并展望了低轨星座、光钟、激光链路等新技术给GNSS精密定轨带来的机遇。     

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。     

圆型限制性三体问题下Halo-绕月轨道的星间测距定轨

在传统星座自主定轨中,SST(satellite to satellite tracking)可以同时提供轨道的大小、形状和星座相对方位信息,但不能确定星座的绝对定向。针对这一亏秩问题,联合圆型限制性三体模型CRTBP(circle restricted three bodyproblem)下的一种平动点周期轨道-Halo轨道飞行器,与二体问题轨道卫星组成扩展星座。利用两种力模型的特性差异,可以去除星座系统上的相关性,避免星座的整体旋转,从而确定星座的全部轨道状态参量。分析Halo轨道的力模型及性态特点,从系数矩阵的相关性角度讨论引进Halo轨道对定轨法矩阵正定性的改善作用,利用地月系L1平动点附近的Halo轨道与月球低轨卫星(LMO)的星间链路,在理想CRTBP框架下进行自主定轨仿真。初步验证了LMO-Halo星座定轨可行性,为开展附加平动点轨道的星座SST定轨提供了参考依据。     

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。     

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。     

基于星间测距/轨道定向参数约束的导航卫星自主定轨研究

研究了导航卫星自主导航问题，提出了基于星间测距和轨道定向参数约束的导航卫星自主定轨方法，通过该方法的可行性分析，得到一些有益结论。     

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。     

基于全球导航卫星系统的高轨卫星定轨理论研究及仿真实现

由于地基定轨系统的局限性,提出基于全球导航卫星系统(GNSS)的高轨卫星定轨方法,并设计实现了高轨卫星天基定轨仿真软件。结合高轨卫星天基定轨的特点和GNSS的建设现状,研究卫星可见性算法和星间观测模型,综合轨道积分和Kalman滤波方法的优点,提出确定高轨卫星轨道的积分滤波方法。仿真结果表明基于GNSS完成天基定轨增加了卫星的观测量,提高了定轨精度。最后在理论研究的基础上,自主开发了集STK、Matlab和Visual C++为一体的高轨卫星天基定轨仿真平台。为北斗系统应用于高轨卫星天基定轨提供了理论上的参考依据和模拟工具。     

导航卫星自主定轨的算法研究及模拟结果

讨论了利用卫星-卫星间的距离观测值建立导航卫星系统自主定轨的数学方法，并用GPS星座模拟星间观测值，采用滤波算法计算卫星的状态参数。模拟结果表明，在空间测距精度一定的情况下，自主定轨精度能高于GPS广播星历，因而能较精确地维持卫星系统的坐标框架。     

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。     

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。     

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。