利用GNSS实现高轨卫星自主导航的新方案

针对GNSS应用于GEO卫星导航存在的导航信号弱、可见卫星少、定位几何差等突出问题,探讨了一种在GPS导航星冲天面安装导航天线并辐射导航信号的新方案,设计了冲天面天线和GEO接收天线的波束宽度和增益以及讨论了冲天天线所需发射功率,分析了新方案中GEO卫星对GPS卫星可见性、GDOP和定位精度。分析表明,新方案仅需从现有导航星引出一部天线,即可实现以小于10W的功率代价使得GEO卫星80%以上的时间里可以利用GPS系统定位,且定位精度约77m。通过仿真验证了本方案的可行性。     

基于RTS滤波的GPS+BDS 非差非组合PPP/INS紧组合模型

GPS高精度定位技术在动态复杂环境中,其定位精度、可靠性和连续性因卫星信号频繁失锁而变差。为此,提出了采用基于RTS滤波(Rauch-Tung-Striebel Filter)的GPS+BDS非差非组合PPP(Precise Point Positioning)与INS(Inertial Navigation System)紧组合模型的策略来克服GPS在动态定位中的弱点。其中,采用GPS+BDS双系统观测数据,可提高PPP解算中的可用卫星数,改善星站间定位几何强度和提高PPP收敛速度;采用PPP/INS紧组合,利用INS的自主定位特性和短期高精度特性,可有效改善复杂环境下的定位精度和连续性;采用RTS滤波,可进一步提高PPP/INS紧组合性能。首先推导了GPS+BDS非差非组合函数模型、PPP/INS紧组合函数模型和RTS滤波函数模型,然后利用一组车载动态数据,对动态GPS PPP、GPS+BDS PPP、GPS/INS紧组合、GPS+BDS PPP/INS紧组合和基于RTS的GPS+BDS PPP/IMU紧组合的定位、测速和定姿性能进行分析。实验结果表明,该方案可有效提高定位(58%～72%)、测速(74%～82%)和定姿(4%～23%)精度,特别是对卫星失锁期间的定位性能改善尤为明显。     

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。     

基于交互式多模型的飞机编队相对导航算法研究

在飞机编队飞行时,成员间的相对位置信息是实现系统协同作战的重要保证,为了提高机群编队飞行的相对导航定位精度,在无地面基准的机群编队飞行JTIDS/GPS/TACAN/IFDL组合的相对导航系统中,采用交互式多模型扩展卡尔曼滤波(IMM-EKF)算法,设计实现了多传感器相对导航系统,克服了飞机动态模型参数变化导致使用单一动态模型滤波精度下降的问题。仿真分析结果表明,交互式多模型算法可以提高相对导航系统的定位精度和可靠性,特别在GPS可见卫星很少的情况下,依然能够具有良好的定位性能。     

不同GNSS的单站时差监测评估

随着GPS、GLONASS导航系统的不断完善和更新,以及后续GALILEO、BDS等系统的逐步建立,多系统组合导航成为GNSS当前研究热点。为了实现不同GNSS系统之间的兼容和互操作,准确确定不同系统间时差是关键。基于此,利用天宝R9多模双频接收机输出的GNSS观测数据、导航电文以实现监测GNSS系统的时差。由于国际计量局(BIPM)T公报缺少BDS相关数据,只对GLONASS和GPS实测的时差数据和BIPM T公报中对应的时差数据进行评估,统计了BDS、GPS和GLONASS三系统时差数据的最大值、最小值、均值、标准差、均方根误差。利用2016年1月到10月的连续时差数据进行时差监测评估,结果表明:GLONASS与GPS时差与T公报结果的残差标准差为4.28ns,北斗与GPS、GLONASS系统时差的标准差最优可达到4ns和5ns。     

卫星导航增强技术

精度、连续性、可用性、完好性,是评价全球卫星导航系统(GNSS)及用户接收机设备性能的四项基本指标。其中,精度是指GNSS的定位和授时精确度,完好性是指GNSS定位和授时输出结果的可信度。没有完好性保证的GNSS定位和授时技术无法成为众多应用领域的主导航手段,尤其是那些与经济、财产、生命相关的应用领域(如航空导航、航海导航、武器制导、交通执法、不停车收费、气象探空、电力授时等),对GNSS的精度和完好性提出了较高要求,这些要求超出了GNSS基本系统的服务能力,因此需要在GNSS基本系统的基础上,建设专门的增强系统,以提高用户设备的精度和完好性,从而满足特定用户的使用需求。欧美等国针对GPS在航空、航海领域的应用,建设了多套GPS增强系统,中国针对BDS基本系统,建设了北斗地基增强系统。在分析GNSS精度和完好性指标的基础上,介绍GNSS增强系统和技术。     

中低纬地区混合LEO星座增强GNSS UPPP收敛性能评估

针对全球卫星导航系统(GNSS)精密单点定位(PPP)收敛时间过长的问题,提出了利用低轨卫星(LEO)几何结构变化快的优势,增强GNSS非差非组合PPP(UPPP)的收敛性能。选取中低纬度地区28个能接收GPS、GALILEO和BDS3信号的测站观测数据,比较了极轨和混合LEO星座的增强效果。结果表明：混合LEO星座增强GPS、GALILEO和BDS组合系统时,各测站收敛时间减少60%～80%,70%的测站收敛速度优于极轨星座。当混合LEO星座增强单BDS时,CL和GCL组合系统的收敛时间相当,ENU方向定位误差变化基本一致。收敛时间从10～20 min下降至3 min以内,原因是混合LEO增强BDS定位时,大大改善了卫星的空间结构。     

基于非合作LEO卫星辅助GNSS联合定位技术CSCD

针对全球导航卫星系统(GNSS)在受挑战的环境中,出现导航卫星信号被干扰或遮挡,导致可见卫星数目无法满足定位最低要求的情况。利用低轨(LEO)卫星具有信号到达地面功率高、抗干扰能力强,以及在未来将进行大量部署的特点,可为GNSS的导航服务提供备份与补充。提出了基于非合作LEO卫星辅助GNSS联合定位算法,不同于现有的LEO/GNSS联合定位算法将低轨卫星简单地视为轨道降低的导航卫星,该算法以LEO为通信卫星,从非合作、非导航特性的实际情况出发,将LEO的多普勒与GNSS的伪距、多普勒相结合求解用户位置信息,并以ORBCOMM低轨通信卫星联合GPS为例进行了仿真实验,实验结果验证了算法的可行性与性能。     

卫星授时与时间传递技术进展

近年来,卫星导航技术发展迅速.卫星导航系统以精密时间测量技术为基础,实现了伪距测量,进而实现定位.同时,卫星导航系统还提供了高精度授时功能.综述了卫星导航系统的授时和时间频率传递技术、基于通信卫星的授时技术以及双向卫星时间频率传递(TWSTFT)技术等.随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的建成和提供服务,BDS授时应用研究正在快速发展.基于BDS/GNSS多系统的精密单点定位(PPP)时间传递技术已成为重点研究方向,未来将会应用于国际时间比对.同时,随着卫星通信技术尤其是低轨通信卫星技术的快速发展,低轨通信卫星授时会成为一个有潜力的研究方向.     

动态自适应GPS/INS组合导航方法

为了提高导航测量系统的精度,改善其可靠性,提出了一种动态自适应高精度GPS/INS组合导航的新形式。这种新形式通过判断GPS可见卫星数目,动态自适应调整组合导航方法,保证了组合导航结果的高精度。在RTK GPS可靠基线范围内,且可观测卫星数目大于等于4的情况下,利用RTK GPS的cm级的定位定速结果与INS进行松组合;而在因信号干扰或建筑物阻挡造成卫星失锁时,利用GPS伪距、伪距率与INS进行紧组合。通过仿真验证了方法的高精度,具有良好的应用前景。     

多模GNSS PPP时间传递性能比对分析

精密单点定位(PPP)时间传递技术是国际时间比对的重要手段之一,为协调世界时的计算做出巨大贡献。为探究多系统融合PPP时间频率传递性能,选取3个国际授时实验室的测站数据组成2条链路,采用8种实验模式对比分析单系统、双系统、三系统和四系统PPP时间频率传递性能。实验结果表明：各多系统组合较单GPS系统在可见星数上均有较大提升,且极大改善了钟差精度因子,增加了时间比对结果的稳健性和可靠性。在时间传递稳定性方面：对于453.4 km的PTBB-BRUX链路,较单GPS系统,双系统中GPS/BDS组合提升效果最优,提升率约为10.39%,三系统中GPS/GLONASS/BDS组合提升率最优,约为11.86%,四系统组合提升率为11.98%,可从0.046 7 ns提升至0.041 1 ns;对于8 031.8 km的PTBB-NIST链路,GPS/BDS组合提升率约为4.89%,GPS/GLONASS/BDS组合提升率约为5.49%,四系统组合提升率为5.79%,可从0.114 0 ns提升至0.107 4 ns。在频率传递稳定度方面：在前10 000 s内双系统组合平均提升17.6%,三系统...     

基于低轨通信星座的导航增强技术发展概述

在我国北斗三号卫星导航系统全面完成组网建设的背景下,世界卫星导航步入新时代。各卫星导航大国均瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务,正在着手开展新一代系统建设和技术迭代。随着各国对于大型低轨通信星座的积极开发与广泛部署,应用低轨卫星技术实现导航增强与PNT系统备份能力,因其易与GNSS协同,具有提高全球自主导航精度、拓展全球卫星导航应用市场的巨大潜力而成为研究热点。面向低轨导航增强技术,首先总结了低轨卫星的最新态势,梳理了卫星导航增强服务模式,并详细分析了低轨通信星座导航精度增强及导航信号增强两方面的技术动向。在此基础上,重点针对导航增强频率的兼容互操作、通信/导航信号一体化设计、高动态导航增强信号捕获与跟踪等方面,对低轨卫星导航增强体系未来的发展机遇以及面临的技术挑战进行了展望。此外,还基于美国铱星系统实收采集信号开展了定位服务性能试验分析,结果表明600个历元内收敛定位精度优于100m,相关分析成果可为我国低轨导航增强建设提供参考和借鉴。     

一种适用于跑步状态的惯性/零速/GPS室内外无缝组合导航定位方法

目前,行人导航定位技术已经深入社会的众多领域,受到诸多学者的广泛关注。针对行人跑步状态,研究了一种惯性/零速/GPS室内外无缝组合导航定位方法。首先提出了可靠的、适用于行人跑步零速检测的方法,有效提高了在行人跑步状态下的零速检测的准确性。针对GPS信号容易受到高楼、高架等环境的干扰及在室内容易完全丢失的特点,提出了基于BP神经网络的GPS可用信号筛选方法,提高了GPS信息的可靠性与精准性。在此基础上,研究了基于可变量测的Kalman滤波器,实现了惯性/零速/GPS信息的有效融合,显著提高了在行人跑步状态下的导航定位精度。试验结果表明,所提出的这种适用于跑步状态的惯性/零速/GPS室内外无缝组合导航定位方法的平均定位误差可减小到行人跑步总里程的1%以内。     

不同GNSS星载原子钟周期特性分析

高精度的卫星时钟修正是全球卫星导航系统实时精密单点定位和授时服务的重要基础。为了提高GNSS钟差预报精度,需要对GNSS星载原子钟的周期特性进行分析。基于2016年全年的GNSS精密卫星钟差数据,利用中位数方法进行了数据预处理,使用多项式拟合模型分析了卫星钟的拟合残差,利用频谱分析法分析了BDS、GPS卫星钟差的周期特性,全面分析了BDS、GPS星载原子钟的周期特性。分析结果表明：除Cs钟外,其他卫星钟差都表现出较好的周期特性,BDS、GPS的主周期项基本在12h、24h、6h附近;同时不同的轨道、原子钟,其钟差周期项不同,而相同的轨道类型,其钟差周期项也存在一定差异;卫星的钟差主周期分别近似为其卫星轨道周期的1/2倍、1倍、2倍。     

天象一号低轨导航增强系统研究与在轨试验验证

如何实现GNSS全球瞬时高精度服务一直是GNSS领域的迫切需求和研究热点.采用低轨导航增强技术体制,利用低轨卫星运动几何变化快的特点,解决GNSS精密单点定位快速收敛问题和性能提升问题,是GNSS高精度定位服务未来发展的重要方向.从全球瞬时高精度服务内涵出发,阐述了天象一号低轨导航增强试验系统的技术体制,包括系统工作模...     

基于铱星/INS组合定位技术在船舶中的应用研究

GNSS拒止环境下惯性/GNSS组合导航系统的性能会严重恶化,通过利用并提取机会信号中的有用观测量,可以实现机会信号和惯性系统的联合动态定位。提出了利用铱星/INS组合定位技术实现船舶的动态定位。首先深入研究了铱星的信号体制,建立了利用铱星瞬时多普勒频移进行定位的算法模型;然后,提出了利用基于扩展卡尔曼滤波(EKF)技术的铱星机会信号与INS组合定位算法;最后,通过船舶航行实测数据对所提算法进行了试验验证。结果表明,提出的利用铱星机会信号和INS组合定位方法可以有效改善无GNSS信号条件下的INS定位精度,在GNSS信号拒止环境下解决了船舶定位问题,具有重要的研究意义和实用价值。     

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。