LEO移动通信星座的网络综合连通度研究

 为了研究通信星座服务区域内不同地面用户之间的通信连通情况,提出了网络综合连通度(DCNC)的概念.作为服务可用性(AoS)的重要内容,网络综合连通度应该成为通信系统的一项重要性能评价指标,对系统的顶层设计起到主导作用.首先给出了星座网络综合连通度的相关定义,在此基础上基于星间链路约束和星座覆盖约束建立了LEO移动通信星座的网络综合连通度的评价模型.然后基于该模型,分别改变轨道高度和轨道倾角,就不同星座的网络综合连通度如何变化进行了仿真计算和分析.结果表明,二者都对星座的网络综合连通度有显著影响,适当减少轨道面数有利于改善网络综合连通度.最后研究了星座缺失卫星时不连通地面点的纬度分布情况,研究结论有助于在概念设计阶段对星座构型优化后的参数进行优选.     

月球导航星座轨道的地球GNSS可见性评估

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。     

GPS／GLONASS共用PDOP研究

对全球卫星定位系统的DOP因子进行了分析。对GPS/GLONASS共用系统的可用性和PDOP因子进行了理论分析和软件仿真,对星座的定位特性进行了评估。分析结果表明,GPS/GLONASS共用系统相对于单一的GPS系统在可用性和PDOP因子方面都有很大的改善,从而可以进一步改善定位精度,这就为GPS/GLONASS组合导航的进一步研究和应用奠定了基础。     

基于多目标粒子群算法的导航星座优化设计

导航星座的设计涉及诸多优化变量的选取,优化设计的目的是选取合适的优化变量使导航星座最大程度地满足人们需求。提出了将导航性能和卫星生产成本作为目标对导航星座进行多目标优化设计的研究方案,导航星座基本构型为中轨道(MEO)与地球静止轨道(GEO)卫星组成的混合星座,MEO卫星用于全球导航,GEO卫星用于增强星座对中国及周边地区的导航性能。探讨了MEO和GEO的轨道设计思路。阐述了星座导航性能与卫星生产成本的计算方法,并选取定位精度因子(PDOP)作为导航性能指标。介绍了基本粒子群算法和多目标优化的概念,提出了改进的多目标粒子群算法(MOPSO),给出了该算法的计算步骤和测试结果。讨论了导航星座多目标优化设计的数学模型,列举了优化设计变量的定义域,采用MOPSO算法对导航星座进行了多目标优化设计,通过分析优化设计结果,说明了导航星座多目标优化设计方案的可行性。     

卫星导航定位方程的病态条件

定位精度因子(PDOP)上限取值是导航星座设计及其性能评价的基本依据。本文系统地论述卫星导航定位方程及其精度评定算法以及线性方程病态条件,通过实测和仿真数值试验结果对比分析,详细论证PDOP与卫星导航定位方程病态条件的关系,进而确定PDOP上限取值,以满足实际工程应用需求。     

基于惯性辅助的北斗接收机完好性监测方法研究

针对传统卫星导航接收机在卫星数小于5颗及卫星星座构型不佳的情况下无法实现卫星故障识别与隔离的问题,结合卫星导航接收机在弹上的实际应用情况,利用惯导的辅助数据设计了一种基于多级Kalman滤波的北斗接收机完好性监测方案,给出了卫星导航接收机的RAIM滤波器结构与故障检测和隔离方法,并对其可用性进行了推导。该方案经过仿真分析及实验测试,结果表明在4颗可见星的条件下,可有效检测并隔离单星阶跃、慢速漂移、慢速随机等北斗卫星伪距和伪距率故障,从而使北斗接收机能够提供连续、精确的导航定位功能。     

基于地月三角平动点的卫星自主定轨

近年提出了利用地月系平动点建立深空导航星座的设想。在受太阳摄动的真实力模型下,地月系平动点是不稳定的,从而会导致导航星座必须通过控制才能定点在特定区域。针对此问题,引入一种特殊的平动点轨道,即动力学替代轨道。平动点轨道卫星星座可利用星间测距数据自主定轨,由于动力学替代轨道具有长期稳定性,整个自主定轨过程不需要来自地面的测控支持,且定轨精度可达到观测精度。研究结果表明,观测资料的长短、导航卫星垂直白道面的运动分量都将影响到导航星间的自主定轨精度。该研究成果可以应用在以后的地月系导航星座中。     

低地轨道小卫星星座优化问题研究

以低地轨道小卫星星座为研究对象，着重从星座覆盖性能考虑出发，详细阐述了局部覆盖小卫星星座优化设计的一般方法与思路。针对某一类型任务对两轨道面和三轨道面星座进行了优化设计，阐述了在一定约束条件下星座优化设计的关键因素以及不同轨道面数目下星座优化的特点，并进行了仿真分析。结果表明提供的优化模型对小卫星星座设计具有理论意义和实用价值。     

导航星座自主导航技术--自主星历更新

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精密确定和轨道短时预报两个方面的内容。本文在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上,重点提出星座卫星轨道精密确定的自适应Kalman滤波算法。系统仿真结果表明：通过星间双向测量数据的滤波处理,能够获得高精度的卫星星历和较小的用户测距误差（URE）,满足高精度导航定位需求,初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性。     

21世纪AMSS／GNSS空间段发展方向兼论卫星资源国际共享问题

航空移动卫星系统（ＡＭＳＳ）空间段采用单一的ＧＥＯ轨道卫星，未来将有ＭＥＯ和ＬＥＯ轨道卫星加入运行，仍然不排斥ＧＥＯ轨道卫星的使用。全球导航卫星系统（ＧＮＳＳ）空间段采用ＭＥＯ轨道卫星，未来将仍然以ＭＥＯ为主，可能有ＨＥＯ轨道卫星加入运行。２１世纪的空间段将为不同轨道卫星的多星座组合，采用一星多用、星座共用，形成多功能卫星和多功能星座。和平时期卫星资源的国际民间共建共营共享将更为普遍，要有全球观点，国内各行各业要有全局观点，对监测和增强系统统一筹建共用系统，防止分散投资、重复建设     

LEO navigation augmentation constellation design with the multi-objective optimization approaches

Low Earth Orbit (LEO) satellite for navigation augmentation applications can significantly reduce the precise positioning convergence time and attract increasing attention recently. A few LEO Navigation Augmentation (LEO-NA) constellations have been proposed, while corresponding constellation design methodologies have not been systematically studied. The LEO-NA constellation generally consists of a huge number of LEO satellites and it strives for multiple optimization purposes. It is essentially different from the communication constellation or earth observing constellation design problem. In this study, we modeled the LEO-NA constellation design problem as a multi-objective optimization problem and solve this problem with the Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm. Three objectives are used to strive for the best tradeoff between the augmentation performance and deployment efficiency, namely the Position Dilution of Precision (PDOP), visible LEO satellites and the orbit altitude. A fuzzy set approach is used to select the final constellation from a set of Pareto optimal solutions given by the MOPSO algorithm. To evaluate the performance of the optimized constellation, we tested two constellations with 144 and 288 satellites and each constellation has three optimization schemes: the polar constellation, the single-layer constellation and the two-layer constellation. The results indicate that the optimized two-layer constellation achieves the best global coverage and is followed by the single-layer constellation. The MOPSO algorithm can help to improve the constellation design and is suitable for solving the LEO-NA constellation design problem.     

Feasibility study of autonomous orbit determination using only the crosslink range measurement for a combined navigation constellation

In order to expand the coverage area of satellite navigation systems, a combined navigation constellation which is formed by a global navigation constellation and a Lagrangian navigation constellation was studied. Only the crosslink range measurement was used to achieve long-term precise autonomous orbit determination for the combined navigation constellation, and the measurement model was derived. Simulations of 180 days based on the international global navigation satellite system(GNSS) service(IGS) ephemeris showed that the mentioned autonomous orbit determination method worked well in the Earth–Moon system. Statistical results were used to analyze the accuracy of autonomous orbit determination under the influences of different Lagrangian satellite constellations.     

低轨星座/惯导紧组合导航技术研究CSCD

现有低轨(LEO)卫星导航研究主要以低轨星座独立导航定位和增强全球卫星导航系统(GNSS)导航定位为主,对低轨卫星和惯性导航系统(INS)组合导航技术研究较少。本文面向应用较小规模低轨星座资源实现米级定位精度的需求,提出了一种低轨星座/惯导紧组合导航方法,系统性地分析了不同规模低轨星座、不同精度级别惯导器件以及不同导航信号播发频度下组合导航定位的性能,并利用构建的仿真试验系统进行了低轨星座/惯导紧组合导航方法的仿真试验验证。试验结果表明,相较于低轨星座独立导航,低轨星座/惯导紧组合导航在星座不满足四重覆盖时仍能达到米级定位精度,并且在低轨星座规模较小和导航信号播发频度较低时,惯导测量精度对组合导航定位精度影响明显。研究结果表明,在利用低轨卫星进行导航时,通过引入惯性观测辅助低轨卫星导航,可有效提高导航效能和精度,为低轨星座和导航信号播发方式设计带来更多的选择。     

基于Markov过程的卫星星座备份策略研究

如何在满足星座可用性指标的同时降低卫星星座备份成本,是当前研究的热点问题。为了选出一种兼顾星座性能与经济效益的备份策略,研究不同备份策略对某低轨卫星星座性能的影响,建立考虑降级运行的星座可用度模型,利用 Markov 状态转移过程对星座可用度模型进行求解,并基于真实低轨卫星星座在轨运行数据对采用不同备份策略的星座在不同...     

Impact of one satellite outage on ARAIM depleted constellation configurations

Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring(ARAIM) is a new technology that will provide worldwide coverage of vertical guidance in aviation navigation. The ARAIM performance and improvement under depleted constellations is a practical problem that needs to be faced and researched further. It is a shortcut that improves the availability in position domain whose key idea is to replace the conventional least squares process with a non-least-squares estimator to lower the integrity risk in exchange for a slight increase in nominal position error. The contributions given in this paper include two parts: First, the impacts of one satellite outage on different constellations are analyzed and compared. The conclusion is that GPS is more sensitive and vulnerable to one satellite outage. Second, a constellation weighted ARAIM(CW-ARAIM)position estimator is proposed. The position solution is replaced by a constellation weighted average solution to eliminate the constellation difference. The new solution will move close to the constellation solutions with respect to the accuracy requirement. The simulation results under baseline GPS and Galileo dual-constellation show that the one GPS satellite outage will knock the availability from 91% to only 50%. The performance remains stable with one Galileo satellite outage. With the assistance of the CW-ARAIM method, the availability can increase from 50% to more than80% under depleted GPS configurations. Even without any satellite outage, the proposed method can effectively improve the availability from 91.29% to 98.75%. The test results under optimistic constellations further verify that a balanced constellation is more important than more satellites on orbit and the superiority of CW-ARAIM method is still effective.     

面向高轨空间的北斗导航性能增强星座选型研究

由于高轨空间超出北斗卫星导航系统的正常服务区域,导航信号微弱、可见性差,难以实现高轨飞行器全程稳定可靠的导航定位服务。提出了以空间卫星为时空基准传递平台,向高轨空间区域发射导航信号,从而提高高轨飞行器导航性能的方法,并展开面向高轨空间的北斗导航性能增强星座选型研究。基于卫星可见性、精度衰减因子（DOP）、信号接收门限和所需增强卫星数目等评估指标,仿真分析了基于LEO星座、MEO星座和HEO星座的北斗导航增强性能。     

Galileo卫星星钟故障前后信号质量分析

星载原子钟是卫星导航系统的核心器件,是影响导航信号质量的重要因素。2016年11月,Galileo系统利用一箭四星发射升空4颗新一代Galileo卫星。根据观测显示,截至2017年7月,仅能接收到其中1颗卫星发射的导航信号。在2017年1月,欧洲航天局通告称多颗卫星原子钟大规模故障。针对此,40m 大口径高增益天线系统设备对不同批次和星钟故障情况的3颗Galileo卫星E5频点信号进行了数据采集处理,对各信号分量的功率谱、星座图、码片波形、相关损失、相关峰、S曲线偏差等信号质量指标进行了分析评估。结果表明,此次星载原子钟的大面积故障并未影响Galileo卫星信号的可用性,足够的星载备份钟避免了信号质量的严重恶化。