导航卫星有效载荷技术现状及发展趋势

介绍了国内外导航卫星系统有效载荷技术发展状况，重点介绍美国全球导航定位(GPS)卫星系统和欧洲Galileo导航卫星的星上有效载荷技术，分析讨论了未来导航卫星有效载荷自主生存、星间链路、抗干扰等新技术以及有效载荷技术的发展趋势。     

全球导航星座星间链路技术发展建议

美国全球定位系统（GPS）的Block IIR和Block IIF系列导航卫星安装了UHF频段的星间链路收发设备,未来的GPS Ⅲ系列导航卫星将用Ka频段星间链路替代UHF频段星间链路,提高星间数据通信容量,增强抗干扰能力;俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）的新一代GLONASS-K系列导航卫星开始安装S频段星间链路收发设备;欧洲的伽利略（Galileo）卫星导航系统也在规划全球导航星座的星间链路体系;我国北斗（Compass）卫星导航系统正处在由区域覆盖向全球覆盖的过渡阶段,全球星座的星间链路正处在多种系统体制的抉择中。文章在对国外各种星间链路研究的基础上,从导航星座星间链路需求和特点出发,提出建议：1）建设高频段星间链路;2）加强星间天线与卫星总体的联合设计;3）星间网络协议要具有灵活性;4）尽可能保持每颗卫星的星间链路设备状态一致。文章考虑了现有国内技术储备和国外未来技术发展方向,提出的观点可以作为我国全球卫星导航系统对星间链路选择的参考,对我国Compass系统建设技术先进的星间链路有一定的指导意义。     

GNSS星间链路自主导航技术研究进展及展望

详细介绍了全球四大GNSS系统的星间链路（ISL）发展建设现状,并系统总结了国内外自主导航技术相关的关键性研究问题,得出对我国星间链路建设的启迪,指出我国星间链路自主导航亟需解决的研究重点和发展方向,为我国卫星导航系统的发展建设提供参考。     

双层规划求解兼顾测量与通信的星间链路设计

通过研究当前GPS下时分多址（TDMA）体制星间链路方案,并在分析星间链路测量和通信新需求的基础上,提出改进的分时体制星间链路方案,保证了测距和通信的同时隙执行。针对兼顾星间测量和通信的星间链路设计这一多目标优化问题,考虑测量与通信之间的依赖关系,构建双层规划模型求解,上层对星间测量进行优化,下层对星间通信进行优化,并分别设计上层启发式星间测量链路贪婪搜索分配算法（RL-HGSA）和下层基于全局“邻域”搜索的星间路由优化算法(ROA-SGN)。仿真算例表明,根据本文模型和算法构建的星间链路,星间测量链路利用率达到100%,星间通信采用最短时间最少跳数(MTMJ)的路由策略更优。     

导航星座星间链路运行管理模式研究

导航星座星间链路是我国首个网络化的星间链路,文章结合导航星座星间链路运行管理的实践,明确了星间链路运行管理的概念、内涵、功能等;从导航星座星间链路运行和管控的特点出发,对运行管理的模式及各模式下的场景进行了精细化设计和定义;分析了导航星座星间链路运行管理模式之间、场景之间的转化关系和转化条件,明确了各种模式下星间链路运行管理的重点内容。通过选取常规服务模式下节点故障处置恢复事件进行分解,证明星间链路的精细化运行管理有力地支持了导航星座的高效稳定运行。此外,基于导航星座星间链路运行管理的经验,提出了星间链路运行管理的一体化、网络化、服务化的发展方向。     

基于星间链路的分布式导航自主定轨算法研究

针对脱离地面支持自主定轨的导航应用需求,提出了基于星间链路双向测距的自主导航定轨算法。文章分析了导航星座星间链路双向伪距测量模型,给出了分布式自主定轨数据流程,设计了导航星座基于星间链路分布式自主定轨算法。根据国际卫星导航服务组织公开的真实GPS系统事后精密星历,对本文设计的自主定轨算法进行仿真验证,结果表明：采用该设计的自主导航算法在自主定轨90天末期,用户测距误差（URE）达到30 m左右,验证了该设计的自主定轨算法具有较高的自主定轨精度。     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

导航星座自主时间基准的相对论效应

从相对论框架下导航星座自主时间基准定义及其生成原理出发,对其实现要素进行了相对论分析及改正,包括卫星原子钟和星间链路测量量相对论效应,并以GPS、BDS为例计算说明。得出以下结论:1)卫星钟相对论常值由地面频率调整实现预修正,周期累积钟差则根据卫星星历实现实时计算和改正;在此基础上,2)星间链路伪距测量相对论效应主要是星间信号传播相对论效应,对中高轨卫星其最大影响为cm量级;3)星间链路多普勒测量相对论效应则是由卫星钟周期项频率变化引起,对小偏心率中高轨卫星而言,其对星间径向相对速度最大影响量在1 cm/s左右。分析结果有助于提高导航星座自主时间基准的准确度,并对深空测量和天基时间基准研究具有一定参考意义。     

星间链路关键性能指标评估的方案设计

星间链路分系统作为组网星座卫星系统的核心之一，是实现星间测量和星间数据传输的关键。针对星间链路系统星间测量和测控传输误码率两项关键指标，结合星座组网卫星单星和星座状态条件，引入信道静态和动态工作模式，对两项关键指标提出一套全面的评估方案，给出基于该方案的评估系统的实测情况，通过实测数据的比对分析，针对被测系统的星间测量和测控传输误码率指标性能，能够直观地给出综合评定结果，设计方案可以正确、有效地用于星间链路的系统评估，具有较高可行性。     

一种导航星座星间链路拓扑设计方法

利用星间测距和通信实现卫星自主导航是下一代导航星座的发展方向之一.为了确定星间测距和通信链路的网络拓扑结构,对walker24/3/2星座的卫星之间几何可见性、卫星天线之间的可见性进行了研究,给出了可见性判断条件,并针对三条轨道相互垂直的情况,推导了星间几何距离随时间变化的公式.对天线扫描区域为±60°对地圆锥的情况进...     

基于星间距离和方向观测的导航卫星自主定轨研究

研究了导航卫星自主导航问题,提出了基于星间距离和方向观测的导航卫星自主定轨方法,对该方法的可行性进行了分析。     

GPS失锁时基于神经网络预测的MEMS-SINS误差反馈校正方法研究

GPS信号失锁时,MEMS-SINS组合GPS导航误差会随着时间迅速积聚而无法导航.提出一种基于RBF神经网络预测的MEMS-SINS误差反馈校正方法,GPS有信号时对神经网络进行训练,GPS信号中断时用训练好的RBF神经网络预测MEMS-SINS的导航误差.地面车载跑车试验,证实了训练后的RBF神经网络能很高精度地逼近MEMS-SINS/GPS组合导航系统输入与输出间的关系,在4个50s以内的GPS人为失锁过程中,该方法导航结果与参考系统比较,平均位置误差为3.8m,平均速度误差为0.6m/s,平均姿态误差为0.5°.     

GPS／惯性组合导航系统导航性能的仿真与分析

本文从卡尔曼滤波的基本原理和几何精度因子GDOP的物理意义出发,并结合实例的仿真计算结果,讨论GPS/惯性组合导航系统的定位和测速精度。结果表明:由于位置和速度的双重组合,且由于卡尔曼滤波具有利用以前所有测量值的能力,以及综合利用GPS和惯导信息的能力,所以组合系统的精度虽仍与GDOP有关,但却高于单独利用GPS接收机点解法得到的定位和测速精度,其中定位精度的提高更为显著。     

偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法

为了提高微小型飞行器导航系统姿态测量性能，提出偏振光／地磁／GPS，SINS组合导航方法。推导了三维空间中应用偏振光／地磁辅助测姿原理，并证明了系统具有完全能观性，指出了观测结构具有退化现象和退化条件。采用联邦卡尔曼滤波方法实现了组合导航算法，利用Madab仿真方式对单独使用偏振光和同时使用偏振光／地磁辅助的组合导航系统的测姿修正效果和能观度改善效果进行了检验和比较。结果表明偏振光／地磁／GPS／STNS组合对测姿的修正能力优于单独使用偏振光辅助的情况。由此可以得出该方法能够改善导航系统能观性和精度的结论。     

一种提高导航卫星星座自主定轨精度的方法研究

针对近地导航卫星仅利用星间测距进行自主定轨时,因无法消除星座整体旋转误差而导致长期自主定轨精度不高的问题,提出了利用拉格朗日导航卫星星座与近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的方法。建立了拉格朗日轨道导航卫星星座和近地导航卫星星座联合仅利用星间测距进行自主定轨的动力学模型和观测模型。利用扩展Kalman滤波（EKF）算法和星间测距信息实现了拉格朗日轨道导航星座与近地导航星座的长期自主定轨。以4颗拉格朗日卫星组成的导航星座与12颗GPS卫星组成的近地导航星座作为仿真对象进行了仿真分析,仿真结果表明本文仅利用星间测距的联合自主定轨方法可以有效提高导航卫星星座的长期自主定轨精度。
     

一种兼顾卫星导航系统星间观测及通信的链路分配算法

卫星导航系统星间采用点波束建立星间链路时,由于星上波束数量小于可建立星间链路的卫星数量,因此便产生了如何有效分配有限波束来建立星间链路的问题。针对该问题首先利用星座运行的周期性提出了一种适用于星间观测及星间通信的拓扑处理方式,并以该拓扑处理方式为基础提出了一种链路分配算法。算法在保证星间观测数量最大化的前提下,以降低整网通信代价为优化目标,尽管为了保证星间观测数量会不可避免地导致通信性能的部分损失,但是仿真结果表明算法的性能整体上优于铱星系统所采用的网状链路分配方法的性能。     

北斗地基增强系统国产民机试飞性能评估

由于GPS在国际上的技术和标准优势,目前在民用航空领域使用的星基导航大多为GPS。随着我国民航领域的蓬勃发展和北斗卫星导航系统宣告全球组网成功,亟需开展北斗地基增强系统在民航领域的应用性能评估,以验证其是否可满足民航飞机对卫星导航系统的要求。针对民航飞机的I类精密进近过程,梳理了该航段中国际民航组织对卫星导航系统的性能需求,推导了北斗地基增强系统垂直保护级计算数学模型,制定了搭载试飞试验的加改装方案和飞行科目,在国产某型号民机上开展了北斗地基增强系统搭载试飞试验,并对定位精度和垂直保护级进行了分析评估。结果表明：在搭载试飞试验中,北斗地基增强系统可满足I类精密进近对卫星导航系统垂直精度的需求,同时系统不存在告警和误警。     

GPS模拟器在GPS/INS组合导航系统地面仿真试验的应用

详细介绍了GPS模拟器在GPS/INS组合导航系统半实物仿真试验中的应用。借助该GPS模拟器,某系统在仿真试验中对GPS/INS组合导航软、硬件系统进行了全面的考核,并在试验过程中发现了某款GPS接收机动态下速度定位不准确问题,然后根据通过模拟器测得的数据确立了一种补偿方案。经实物导航考核验证,通过GPS模拟器获得的试验数据可信。     

惯性系统速度辅助的GPS接收机性能分析

有关惯性速度辅助下的ＧＰＳ接收机的带宽、跟踪和捕获性能在本文中作了分析。研究结果表明，惯性速度辅助ＧＰＳ接收机可以有效地提高接收机的性能。