卫星双向法与卫星测距

卫星双向时间比对是目前远距离台站时间比对精度最高的时间同步技术,时间比对精度达几百皮秒,比GPS共视技术的时间比对精度几乎高一个数量级。中科院国家授时中心根据多台站卫星时间比对经验,提出利用卫星双向比对技术进行卫星测距(称转发器定轨)。实验证明:利用卫星双向技术(卫星需要转发器)进行卫星测距,可得到高精度卫星轨道(内符精度为几厘米)和卫星预报轨道。     

GPS精度控制措施对差分修正的影响

第二批新型GPS卫星能控制标准定位信号(C/A码)的精度,其方法是抖动卫星时钟和扰乱星历数据相结合。这种能力就称精度控制(可用性选择,SA)。差分GPS工作除了能为基准站周围的用户消除电离层、对流层和其它慢变化误差的影响,还能大大减小SA的影响。设计基准站的一项主要技术问题是修正值的更新速率。直到最近还认为要保证5-10米的定位精度,需要每10秒更新一次GPS差分修正值。最近第二批新型GPS卫星发射入轨,就没有把握说这一更新速率已足够。本文介绍了从第二批GPS卫星最近获得的数据进行统计分析的结果,特别是位置、速度变化和相关时间。将差分基准站设备接收这些信号得到的伪距修正值加到导航接收机的伪距上,得到修正值更新速率对差分GPS性能影响的估值。     

利用GPS进行精密轨道确定

全球定位系统(GPS)完全布满卫星后,将成为近地卫星的精密轨道确定(POD)强有力的工具。该系统具有连续跟踪覆盖能力,不仅可实现传统的动力学精密轨道确定方法,而且还可进行运动学轨道确定。来自至少四个GPS卫星的伪距测量值,通过载波相位测量值的平滑,可测定天线相位中心的地心位置和用户卫星的时钟修正值,因而后一技术不需要用户卫星受力的动力学模型。运动学法对测量模型的影响非常敏感,如GPS星历误差(给定的或求解的)、信号的多径、接收机噪声等等;然而,动力学方法又受参数误差和/或力模型不完善的影响。为此研究出一种利用过程噪声补偿对运动学和动力学算法进行加权的混合方案。本课题的中心点是利用仿真辅以协方差分析,研究这几种定轨方法。建立了几种动力学和测量误差模型,这些模型造成的轨道不确定性与处理实际GPS数据而估计的星历误差大致相当。协方差分析经调整能反映这些误差,能看出各种滤波技术的特性。     

基于运动的GPS测姿解整周模糊的新算法

利用GPS载波相位技术可进行近厘米级精度定位。借助几个天线,利用载波相位可测定姿态。本文介绍一种基于运动的解整周模糊的算法,适用于可见GPS卫星较少的场合。当共视卫星数少于3颗时这种算法是一种基本手段。用作直升机自主样机和飞机的测姿设备实验中,这种算法非常成功。     

高精密GMS国际时间比对搬运接收机的开发

日本通信综合研究所负责产生和维持日本的标准频率和时间。为了更精密地比对时间,通信综合研究所已开发了一种集成化时间比对系统。该系统利用当前的空间技术,例如GPS、同步气象卫星(GMS)、甚长基线干涉仪(VLBI)、通信卫星(CS)和直播卫星(BS)进行时间比对。从事这一开发将有助于国际原子时(TAI)和世界协调时间(UTC)的确定。两站通过卫星进行高精度时间传递必须修正两站的时间传递接收机的内部延时。修正这种机内延时的最为有效的办法是“基准接收机搬运法(PRX)”。从各站的接收机和PRX之间延时差测量值,我们可以直接计算出两站接收机的延时差。PRX法的优点是能使各站测量条件变化所引起的系统性误差最小。我们已研制出一台GMS基准接收机样机。该机具有良好的温度特性,对接收功率和频率的变化特性也很好。日本通信综合研究所(CRL)、澳大利亚国家计量研究所(NML)和南朝鲜标准研究所(KSRI)已用该接收机进行了PRX实验,在提高时间传递精度方面确实有明显作用。     

基于3σ法的卫星共视时间传递算法设计

卫星共视算法作为高精度时间传递技术之一,具有设备简单、成本低廉和可连续运行等优点.在详细分析卫星共视时间传递设备中的数据工作过程的基础上,提出了利用莱特准则对数据进行处理,以解决由模型所带来的残差问题,同时减轻系统数据处理的负担.通过对实测数据的验证,该算法简单实用,大大减低了站间钟差的均方根值,提高了时间比对精度.     

用于精密定位的利用GPS的卫星跟踪系统

NASA正在研究一种以全球定位系统(GPS)为基础的测量系统,用以精密测量地球卫星轨道、测地基线、电离层电子含量和全球范围内跟踪站之间的时钟偏差。该系统将采用多种差分GPS观测技术,并将使用由九个固定地面终端所组成的网。GPS用于卫星跟踪时,卫星上或者配备GPS飞行接收机,或者配备星载GPS信标。整个系统将于1988年投入使用(卫星跟踪除外)。第一项大型卫星应用将是一项验证性应用,即在90年代初期确定TOPEX卫星的高度,使其精度达分米级。到那时,预计该系统对长基线测量的精度可达几厘米,而瞬时时间同步精度可达1毫微秒。     

用于靶场安全的GPS转发跟踪系统性能的实时评价

GPS转发跟踪系统用作靶场安全的主跟踪系统越来越普遍。这种系统的费用低于C波段雷达系统,并且试验场地的选择更加灵活。用于靶场安全,在飞行器上接收GPS信号,变换到S频段,转发到地面站。地面站处理该信号,估计出飞行器的位置和速度。利用该信息评价飞行器是否在靶场上空安全飞行。在靶场安全判决过程中必须知道所估计飞行弹道的精度。本文介绍了一种软件包一性能实时评价(PAR),它能计算出GPS转发跟踪系统状态矢量(位置和速度)估计精度的实时边界。该PAR已安装到一台GPS转发跟踪系统内,现已投入运行。本文介绍了几次靶场安全跟踪的结果。     

伪卫星共视法时间同步模型及其精度分析

时间同步技术是伪卫星系统设计的关键技术之一。根据卫星共视法时间同步原理,得出影响共视法时间同步模型精度的各项残差,进而对各项残差做深入分析。采用网格模型对共视法中电离层延迟残差进行分析,得出伪卫星相距的方向、距离以及用来共视的卫星高度角对电离层延迟残差的影响。采用Hopfield模型对对流层延迟残差进行分析,得出高度角对对流层残差项的影响,并进行仿真分析。     

GNSS超快速产品在全球标准时间复现中的应用

为满足大跨度空间范围内的时间同步需求,对基于共视时间比对原理的标准时间复现系统进行改进,采用全视时间比对方法解决原系统应用基线受限的问题.考虑实时性的要求,使用全球卫星导航系统(GNSS)超快速产品(预测部分)提供卫星位置和卫星钟差,以尽可能消除广播星历和钟差对复现结果的影响.分析了常用的几家机构发布的GNSS超快速产...     

时钟在GPS接收机中的作用

每个刚接触GPS的人首先了解到的是:时钟是该技术的核心。GPS卫星载有非常精确、超稳定、每个耗费数万美元的原子钟。然而,出于显而易见的原因,大多数GPS接收机中的时钟很便宜。除了跟踪卫星信号时,由于要求时钟信号中的相位噪声,对接收机时钟要求较高,其它应用对接收机时钟的要求都不是很高。这一要求通常用100美元左右或更少的温补晶振就可满足。     

美用德尔它2运载火箭发射GPS卫星

10月17日，美国用一枚德尔它2火箭，从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军站，成功地发射了一颗GPS2R-M导航卫星。这颗卫星是美国空军8颗GPS2R-M导航卫星中的第4颗，由洛克希德-马丁空间系统公司制造，被命名为GPS2R-17M。它的特点是，信号精度和可靠性比标准型GPS2R卫星有多项改进，其中包括：增加了2种军用信号，更好的保密性，功率更大的第2种民用信号。     

TAOS卫星GPS接收机验收

洛克韦尔国际公司研制了一种体积小、重量轻、适用于低轨道航天器的GPS接收机。这项计划由国防预研规划局(DARPA)发起,空军菲利普斯实验室监督。这种接收机的首次验收测试飞行已于1992年12月20日完成。这种接收机将安装在计划于1993年初发射的“自主操作强生存技术(TAOS)”卫星上。 这种接收机有六个通道,可连续跟踪四颗主用的GPS卫星,第五和第六通道可捕获跟踪其它健康的可见卫星。它可以完成伪距、连续载波、距离变化量的测量;用八态扩展卡尔曼滤波器估算带时标的用户的三维位置和速度。洛克韦尔公司的这种接收机重8磅,使用28伏直流电源,功耗12瓦。本文将介绍该接收机的设计和验收测试,并给出利用“多通道星戴GPS仿真评估系统”(SEVS)得到的性能测试结果。该仿真和评估系统产生六颗GPS卫星的L_1和L_2频段的射频信号,模拟低轨道航天器的信号环境。     

BRT和CEI技术用于数据中继卫星测定轨的分析比较

利用BRT(双边距离转发)系统对地球同步卫星进行测轨是一种传统的方法,在布站基线数千公里,测量精度3-5m的前提下,卫星的空间位置精度可达100m以内。如果由于地理条件的限制,不利于长基线布站,可考虑采用一种适用于短基线(几十公里)布站的CEI(实连站干涉)高精度测量系统。分析计算表明,要达到BRT同样的卫星空间位置测定轨精度,CEI需要10cm级的距离差测量精度(相当于μmd量级的测角精度),而且需要优于1ns的主副站时钟同步精度。     

基于北斗卫星的纳秒级全球授时系统

北斗三号系统的基础服务可以为全球用户提供精度优于20ns的信号,更高精度的时间同步应用,需要如GNSS共视、全视、PPP或卫星双向时频传递等专用方法,成本高,并且需要专业维护,只适合小范围应用。在研究了各种高精度时间比对技术的基础上,基于国家授时中心的标准时间UTC(NTSC),提出了基于北斗卫星实时共视、实时全视和实时PPP多种技术互补融合的纳秒级全球授时方法。结合时延绝对标定与分段标定组合的设备时延标定,以及振荡器动态驯服等技术,建立了标准时间远程复现系统,由服务端和用户端两部分组成。服务端由国家授时中心维护,用户仅需要安装一台标准时间复现设备,并通过互联网或北斗短报文信道自动持续从服务端获取服务数据,即可在本地恢复出溯源至标准时间UTC(NTSC)的时间频率信号。系统可为全球用户提供与UTC(NTSC)偏差小于5ns的1PPS信号,以及万秒频率稳定度优于5×10^-13、相对频偏小于5×10^-14的10MHz信号,授时A类不确定度优于2ns。目前已经为多个行业提供服务。     

卫星位置和速度的Lagrange插值算法分析

导航接收机中通常采用开普勒轨道参数法计算卫星的三维位置和速度.这种算法计算量较大,在资源有限的廉价用户机或要求高频度输出卫星位置和速度的高动态接收机中会使处理器资源非常紧张.采用Lagrange插值算法可以获得相同精度的卫星位置和速度,且大大降低计算量.利用GPS数据对不同插值区间长度和插值阶数的Lagrange插值法的计算精度和处理时延进行了定量分析.结果表明,Lagrange插值算法计算卫星位置和速度可以使处理时延降低十几倍,这在每个历元的导航解算需要同时计算多颗卫星位置和速度的接收机中具有重要意义.     

瞬时GPS姿态确定

本文介绍了瞬时GPS姿态确定方法,即只用单时刻测量值解GPS积分多普勒波长的模糊度。以前解相位模糊所用的大部分技术需要作某种形式的依赖GPS卫星和/或用户运动的时间历程处理,为消除不合理解提供足够的几何变化。本文介绍的算法假定使用两副以上天线(全部姿态确定需用三副以上天线),并从四颗以上卫星由一或两个GPS L波段载波测得积分多普勒测量值。利用专门的双差分处理得到测量误差不相关的观测量,用于计算天线相对位置及两个以上姿态欧拉角。针对利用4颗以上卫星及2副以上天线及一或两个GPS L波段载波频率(包括86cm宽巷道测量值),开发和演示了GPS姿态确定中快速解双差分载波相位模糊的算法。为希望瞬时GPS测姿的用户找出了实际设计极限。姿态快速确定中的重要因素之一是用户接收机跟踪的卫星数目,GPS金星座对此有很大好处。     

利用甚长基线干涉测量技术跟踪同步卫星

本文分析比较了用无线电干涉测量跟踪地球同步卫星的四种方法。以类星体为参考的差分甚长基线干涉测量技术(△VLBI)需要用非常灵敏的接收机,利用双基线系统可使位置精度达到米级。以卫星为参考的△VLBI使用简单、便宜的接收机,所得精度稍低一些。非差分VLBI利用GPS进行不太精确的传播修正及时钟校准,双基线系统的定位精度仍可达5～10米。对于倾角较大的轨道,这四种干涉测量方法都能用单基线给出上述定位精度的六个卫星状态分量。     

用全球定位系统对近地卫星进行高精度定轨

业已证明近地卫星在地球动力学和海洋学研究方面是非常有用的。但是,一项重要限制是卫星轨道状态的确定精度。一般通过处理由地面跟踪网所获得的无线电跟踪数据进行卫星定轨。使用这种地面无线电技术,目前所能达到的定轨精度为米级。对于地球动力学应用和完成海洋学的研究,必须将大地水准面测定到1m以下。本文研究一种应用GPS的定轨技术,采用新的测量方法和数据处理方法可改善定轨精度。我们利用干涉测量的方法来完成用户卫星的高精度定位。巧妙布置少量地面站,使任何一对地面站和用户星总能看见4颗以上的GPS卫星组成的星座。接着本文介绍了使用无线电干涉测量值定轨的误差分析结果,结果表明通过事后数据处理,用这种技术,卫星位置精度可达到所需要的分米级。给出的结果还表明无线电干涉测量对更精确的地球卫星轨道确定也是很有价值的。     

数字式跳频GPS/GLONASS接收机

在很多应用场合,对大量扩频导航卫星连续跟踪将获益匪浅。当接收机跟踪多于定位所需最小卫星数目时,通过优选卫星几何可提高卫星导航精度。动态定位可利用冗余卫星来实现更迅速的整周期判决和跳周修正。陆地导航利用额外的卫星可克服建筑物、树林和地形造成的遮挡。比较多个星座的测量值能获得有关导航稳妥性的度量。跟踪大量卫星的好处已引起人们研制能同时处理美国GPS和苏联GLONASS信号的接收机的兴趣。已经推出了几种接收机设计方案,但所有这些接收机中处理GLONASS信号的硬件都是与处理GPS信号硬件分开的。本文介绍一种高度综合的GPS/GLONASS接收机,接收机中的每一卫星跟踪通道都能随意指定它接收任一个GPS或GLONASS卫星。该接收机有一个模拟射频/中频(RP/IF)前端,用一个固定频率的本振(LO)。定制的数字专用集成电路(ASIC)跟踪选定的GPS/GLONASS卫星,并提供相关测量值送软件处理。本文介绍的GPS/GLONASS接收机利用了数字信号处理技术和有限脉冲响应(FIR)滤波器的新成果。该综合接收机的模拟RF/IF前端大大地简化了,然而其性能可与使用相当复杂模拟RF/IF电路的接收机相比拟。GPS和GLONASS之间的跳频完全在数字域中进行,不必象早期设计方案中那样用昂贵的跳频本振。深入利用数字处理技术,GPS/GLONASS接收机可采用大规模集成电路,将多个通道集成在一个芯片上。这样可大大减小体积,节省成本,不久即可推出商用多通道GPS/GLONASS接收机。