基于“北斗二代”的卫星星座设计

针对"北斗二代"卫星导航系统,首先,设计适合我国区域导航定位需求的GEO+MEO的星座;在此基础上增加一个倾斜地球同步轨道卫星星座扩充成一个GEO+MEO+IGSO的全球卫星导航系统;进行GDOP值和可见星数仿真,根据仿真结果对星座参数进行优化。     

北斗GEO卫星实时求速算法研究

以北斗系统空间信号接口控制文件中规定的卫星位置计算标准算法为基础,研究了采用北斗广播星历实时计算北斗GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星速度的算法。首先,通过将开普勒参数和摄动改正项对时间求导,给出了计算北斗GEO卫星瞬时速度的直接求速算法并进行了验证测试。接着,探讨了微分步长对北斗GEO卫星位置微分求速精度的影响。进一步,采集真实北斗GEO卫星广播星历数据,选择代表卫星,采取不同微分步长,分别按照位置微分与直接求速计算卫星速度,并进行了比对测试。验证测试结果证明了北斗GEO卫星直接求速算法的理论正确性,该算法可作为计算GEO卫星瞬时速度的标准算法;比对测试结果则表明适用于北斗GEO卫星位置微分求速的合理微分步长应为1s。     

基于北斗混合星座的星历参数适用性分析

针对北斗全球卫星导航系统混合星座条件下不同星历参数表达方法的性能评估问题,采用了从信息占用量、轨道拟合精度、接收机首次定位时间3个方面统筹考虑的评价方法。针对北斗系统的混合星座构型,比较北斗广播星历16参数和新设计的广播星历18参数的参数定义及用户算法异同,分析了不同星历参数表达所带来的性能变化。仿真分析结果表明,两种星历参数表达虽然都能描述北斗混合星座中的地球同步轨道(GEO)、中间地球轨道(MEO)、倾斜地球同步卫星轨道(IGSO)的卫星轨道特性,但是它们的具体性能有明显的差异,星历18参数的轨道拟合精度比16参数的提高了2~3cm,但其信息表达却多占用了63bit,且接收机首次定位时间多消耗了1.26s。     

北斗GEO卫星南北控制对半长轴影响分析

在北斗GEO（Geostationary Earth Orbit，地球静止轨道）卫星南北控制期间，陀螺漂移、姿态控制、轨道平面变化等因素都会对卫星轨道半长轴产生影响，进而影响卫星星下点经度漂移，而在实际工程中难以提前准确预估南北控制对半长轴的影响。根据GEO卫星南北控制特点，分析了各因素对半长轴影响的原因，通过影响因素剥离的方法建立了各因素对半长轴影响的模型，利用在轨GEO卫星历次南北控制的实际数据，验证了模型的准确性并给出了各个因素的影响量级。结果表明，该模型可使得南北控制对半长轴影响的预测精度达到1 km以内，可用于北斗GEO卫星南北控制时半长轴补偿控制。     

18参数广播星历分析研究

针对18参数广播星历模型对混合星座（包含GEO（地球同步轨道）、IGSO（倾斜地球同步轨道）、MEO（中地球轨道））的拟合精度和稳定性问题,利用摄动理论中的分析方法研究18参数广播星历模型新增参数的物理意义,通过数值仿真比较分析18参数模型与16参数模型对混合星座的拟合精度和稳定性。分析研究表明,新增2个参数可以较好地逼近轨道变化的长周期项,相同拟合弧长的拟合精度比16参数提高了50%左右,但受短周期项影响,拟合不够平稳,同时由于轨道变化特征的差异,对GEO和IGSO卫星的拟合不如MEO卫星稳定。数值仿真结果表明,要保证稳定性必须增加拟合弧长,但拟合精度会有一定下降,18参数条件下,MEO卫星选用3h拟合弧长能保持很好的稳定性,GEO和IGSO卫星则需要选择5h拟合弧长。     

顾及多路径误差改正的GNSS大坝形变监测研究

在GPS短基线相对定位中,可以根据多路径误差周期约为1天的重复性特点建立误差模型,采用坐标域或观测值域滤波的方法进行多路径误差改正.北斗系统由GEO、IGSO和MEO三种卫星类型组成,其中MEO卫星类型接近7天的轨道周期与GEO和IGSO约为1天的轨道周期差异较大,因此对北斗观测值进行多路径误差改正时只能采用观测值域滤波方法.本文以某水库大坝形变监测网为例,对GPS和BDS观测值分别建立多路径误差模型,根据各自卫星轨道周期进行多路径误差改正,结果表明经改正后大坝形变监测精度有较大提高.     

天/地基多平台空间目标光电观测时效性分析

针对如何部署光学探测设备才能更好实现对空间目标的高精度高频度监视问题,考虑光照条件、相对关系及探测性能,构建了天/地基空间目标探测与成像仿真模型;按照轨道特征选取了94颗LEO（Low Earth Orbit,低地球轨道）卫星、63颗GEO（Geosynchronous Earth Orbit,地球同步轨道）卫星和18颗大椭圆轨道卫星,选用春夏秋冬典型季节的特定时间长度,仿真分析了国内地基、南北极科考站、LEO卫星、准GEO卫星等多平台光电手段的位置探测和成像观测能力;比对分析地基平台纬度和季节、天基平台轨道高度和倾角对探测能力的影响得出：南北极科考站相比于国内站点可提高重点季节的探测时效性,98°倾角LEO平台对低轨目标成像时效性方面更具优势,等.在此基础上,提出了我国空间目标光电观测设备天地一体的布局构想.     

北斗空间信号误差统计特征及描述方法研究

通过对比北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)广播星历与事后精密星历,提取了轨道和卫星时钟误差。基于北斗轨道误差及北斗卫星时钟误差统计特征分析,构建区别于全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的BDS空间信号用户测距误差(Signal-In-Space User Range Error,SISRE)描述方法,对BDS广播星历中用户测距精度(User Range Accuracy,URA)进行了验证。6个月的北斗数据测试结果表明,北斗GEO、IGSO和MEO卫星的URA分别为3.0m、1.9m和1.6m。     

基于伪距观测的SINS/北斗紧耦合方法

针对现阶段北斗卫星导航系统的星座布局与GPS 有较大不同的现实,提出 了一种基于北斗伪距观测量的SINS/北斗紧耦合方法。首先,模拟了北斗卫星导航系统 5GEO+5IGSO+4MEO 的星座,之后利用模拟的北斗星座以及SINS 输出进行了仿真。仿真 结果表明,在当前北斗星座布局下,在我国东部某地区可见卫星数目大部分时候为7～ 8 颗,紧耦合方法的位置精度优于10m,速度精度优于0.05m/s,北斗钟差估计精度优于 10ns,钟漂估计精度优于1×10-10。     

参考系选择对Kepler广播星历参数拟合精度的影响

通过对MEO、IGSO、GEO三类导航卫星广播星历的开普勒轨道根数拟合方法及其拟合精度的分析研究,得出结论:开普勒轨道根数拟合导航卫星广播星历的方法,能很好吸收坐标变换过程中岁差、章动、极移、地球自转等因素对卫星星历拟合精度的影响。     

Integrating BDS and GPS for precise relative orbit determination of LEO formation flying

Low-Earth-Orbit(LEO) formation-flying satellites have been widely applied in many kinds of space geodesy. Precise Relative Orbit Determination(PROD) is an essential prerequisite for the LEO formation-flying satellites to complete their mission in space. The contribution of the BeiDou Navigation Satellite System(BDS) to the accuracy and reliability of PROD of LEO formation-flying satellites based on a Global Positioning System(GPS) is studied using a simulation method. Firstly, when BDS is added to GPS, the mean number of visible satellites increases from9.71 to 21.58. Secondly, the results show that the 3-Dimensional(3 D) accuracy of PROD, based on BDS-only, GPS-only and BDS + GPS, is 0.74 mm, 0.66 mm and 0.52 mm, respectively. When BDS co-works with GPS, the accuracy increases by 29.73%. Geostationary-Earth-Orbit(GEO) satellites and Inclined Geosynchronous-Orbit(IGSO) satellites are only distributed over the Asia-Pacific region; however, they could provide a global improvement to PROD. The difference in PROD results between the Asia-Pacific region and the non-Asia-Pacific region is not apparent. Furthermore, the value of the Ambiguity Dilution Of Precision(ADOP), based on BDS + GPS, decreases by 7.50% and 8.26%, respectively, compared with BDS-only and GPS-only. Finally, if the relative position between satellites is only a few kilometres, the effect of ephemeris errors on PROD could be ignored. However, for a several-hundred-kilometre separation of the LEO satellites, the SingleDifference(SD) ephemeris errors of GEO satellites would be on the order of centimetres. The experimental results show that when IGSO satellites and Medium-Earth-Orbit(MEO) satellites co-work with GEO satellites, the accuracy decreases by 17.02%.     

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     

不同电离层模型对北斗共视的精度影响分析

GNSS共视时间传递已成为远程高精度时间同步的主要技术手段之一,我国自主研制的北斗导航系统已经服务于亚太地区,基于北斗共视进行高精度时间传递已成为我国时频领域的研究热点。为了提高导航系统定位精度,需降低或消除导航定位过程中的各类误差,其中电离层为影响北斗共视的主要误差。研究了常用的几种电离层修正算法,利用2014年7月份的观测数据分析不同电离层模型对北斗共视钟差的精度影响,给出了残差标准差和稳定度值。分析结果表明:经各种电离层修正后,钟差精度都有所提高,其中双频电离层修正最优,比VTEC格网模型和Klobuchar模型分别提高22%和30%。对于不同星座,GEO卫星计算的钟差修正后精度明显优于MEO、IGSO卫星。     

高能电子对地球同步轨道卫星的影响分析

为了厘清在轨GEO(Geosynchronous Earth Orbit,地球同步轨道)卫星不时出现异常的原因,提高卫星执行任务的可靠性,首先从机理上介绍了空间环境中的地球辐射带及高能电子的情况,引出GEO卫星所处恶劣空间环境的现实;其次基于我国SEPC(Space Environment Prediction Center,国家空间环境预报中心)以及NSMC(National Satellite Meteorological Center,国家卫星气象中心)的空间环境月报资料,结合某GEO环境业务卫星故障的实际数据,经统计归纳,分析得出了地球辐射带中的高能电子是导致GEO卫星发生故障的主要原因;最后按照事例技术分析、常规按需预报和特殊情况下的实时预报等3个层次对高能电子预报方法进行了初步探讨。通过分析可以看出,为提高卫星完成任务的可靠性、降低长期管理风险,需要加强GEO卫星所处空间环境高能电子的预报工作。     

导航辅助下基于LAS码的天基多目标测控

中继卫星的天基测控是解决中低轨道航天器大范围、长时间、多目标测控的有效途径,但用户星到中继卫星的时延误差、多普勒频移校正误差等参数会对多目标测控带来干扰。针对该问题,首先分析了定位误差引起的时延误差、多普勒频移校正误差等因素,设计了天基多目标前向链路遥控SMA(S-band Multiple Access,S频段多址)信号形式和反向遥测链路SMA信号形式,选择与时延校正误差相匹配的LAS(Large Area Synchronous,大区域同步)码作为反向遥测信息的扩频码,建立了导航辅助的终端时延和频率预校正方案模型,可以有效消除多用户干扰。仿真表明,当Eb/N0≥10.5dB时,前向遥控信息误码率pe≤1×10~(-6),反向遥测信息误码率pe≤1×10~(-6),使用LAS码比Gold序列约有2dB性能改善,为基于我国天链卫星的中低轨道卫星稳定运行、载人航天交会对接以及后续空间站建设等任务的测控提供重要参考。     

低成本GNSS接收机芯片载波相位测量技术

当前具备载波相位测量的GNSS接收机能够实现高精度定位,但其成本高、体积大,难以广泛应用于大批量的手机、平板电脑等消费电子产品。针对ST公司的STA8090接收机芯片并改进其软件和晶振以获得载波相位信息,采用双差和三差方程测试评估载波相位测量的精度,与测绘型接收机进行对比。基于改进的STA8090接收机芯片构建双天线定姿系统原型样机,静态测试评估了相对定位和定向精度。研究结果表明,千米级静态相对定位精度优于0.01m,在1.23m基线条件下定向精度优于0.1°。因此,采用低成本GNSS接收机芯片实现高精度载波相位测量的技术方案是可行的,具备广阔的市场应用前景。     

基于自适应SRCKF的空间非合作目标实时轨道确定

针对天基测角对非合作目标跟踪定轨的动力学模型简化误差问题,提出一种基于非线性预测滤波和SRCKF(Square Root Cubature Kalman Filter,平方根容积Kalman滤波)的自适应滤波方法.采用考虑地球J2摄动影响的轨道动力学模型作为状态方程,在跟踪滤波过程中,用NPF(Nonlinear Predictive Filter,非线性预测滤波)对动力学模型进行实时修正,利用SRCKF对修正后的动力学模型进行状态估计.将该方法应用于高轨航天器对非合作低轨目标的实时测角定轨任务中,进行数字仿真,仿真结果证明,该方法相比传统的滤波方法具有更高的精度、更强的鲁棒性和稳定性.     

双线程滑动窗口多系统GNSS超快精密定轨实现及评估

全球导航卫星系统（GNSS）超快精密定轨为GNSS实时应用提供了高精度空间基准。基于天地协同定位、导航与授时（PNT）网络服务中心实现了四系统GNSS卫星超快精密定轨,并对定轨结果进行精度评价。介绍了天地协同PNT网络的概念内涵以及网络服务中心部署的超快精密定轨软件架构和详细功能,并针对实时应用需求提出了一种双线程滑动窗口超快精密定轨策略。最后利用重叠弧段比较、与外部轨道产品比较以及卫星激光测距（SLR）检核3种方式对定轨结果进行了精度评价。结果表明,与武汉大学分析中心的最终事后精密轨道产品相比,四系统GNSS MEO卫星预报6 h弧段的径向均方根（RMS）误差整体在2~5 cm水平,BDS2 IGSO卫星最小一维RMS误差在10~15 cm水平;GPS和Galileo卫星的SLR检核残差均值在1~3 cm水平,标准差在3~6 cm水平,能够满足后续厘米级实时应用对空间基准的精度需求。