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。     

区域导航卫星系统的星座设计与比较

区域卫星导航系统因其能以较低的建设成本为特定地区提供连续、全天候高精度导航定位服务而受到越来越多的国家和地区的关注。区域导航定位星座设计通常最关注的问题是以最少数量的卫星获得最佳的星座值(即CV值)。本文从降低工程建设的技术复杂度和系统成本的角度出发,设计了多种区域导航系统的星座,比较了各星座的几何特性、链路电平变化、天线波束、轨道星蚀时间、轨道保持等因素,提出了区域卫星导航系统的最优星座设计方案。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于北斗卫星导航系统的空间站姿态测量可行性分析

为了探索北斗全球卫星导航系统应用于中国空间站姿态测量的技术可行性,调研了中国未来空间站运营时北斗全球系统导航星座情况,给出了北斗系统对空间站的服务能力;基于载波相位高精度测量原理,对载人空间站利用北斗全球系统完成姿态测量所需的技术条件进行了分析,首次提出了在空间站三舱分别配置北斗天线,使用基于北斗导航信号载波相位的高精度测量算法进行组合体姿态测量的技术思路,初步给出并分析了相应的设备配置和工作方案,并对其在轨运行时的姿态角测量精度进行了仿真分析。在配置三天线组成两条10 m量级基线条件下,仿真的姿态角测量均方根误差约为0.05°。在具备相应信息处理和通信能力的条件下,利用北斗全球系统接收机可以完成空间站姿态测量功能,具有技术可行性。     

航天器利用跟踪与数据中继卫星系统导航的评述

NASA将利用跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)对地球卫星进行跟踪和通信。本文评述了利用TDRSS为航天器导航的能力。用加权最小二乘批处理技术拟合跟踪测量值,得到东TDRS卫星和几个用户航天器的轨道解。所研究的用户航天器有太阳峰年卫星(SMM),陆地卫星-5,地球辐射预算卫星(ERBS)和太阳散逸层探测器(SME)。以相继轨道解的一致性作为度量,评定了东TDRS卫星的轨道精度。将TDRSS跟踪获得的用户航天器轨道与同一时间由地面跟踪获得的结果进行比较,确定了用户航天器的轨道精度。研究了跟踪测量值特性和摄动力模型计算对轨道解的影响。介绍了东TDRS卫星和用户航天器的轨道确定结果,对这些结果进行的分析和评价以及由此得出的一些重要结论。     

利用GPS进行近地轨道确定和会合导航

本文介绍了GPS用于近地轨道确定和会合导航的性能研究结果。目前为陆地、海上和空中导航开发的一些技术正在扩展到空间环境。对两个近地航天器上的GPS接收机系统的实际工作情况进行了仿真研究,以此评价了GPS系统的相对和绝对导航精度。为该性能仿真研究提供一个逼真的基础,拟制了一些动力学和环境模型。仿真研究获得了两项重要结论:1)轨道上用一台GPS差分基准接收机给其附近另一些GPS接收机提供信息,可以将这些接收机的绝对定位精度提高到基准站所能达到的精度。2)从同4颗GPS卫星测得测量值的两台同型号接收机,其相对定位精度(1σ)每轴向可以达到1.8m(P码)和20m(C/A码)。相对速度误差每轴小于0.04m/s。当接收机拉开相当距离时,差分GPS和相对导航技术的精度下降不明显。     

北斗高动态双频相对定位技术

"北斗"卫星导航定位系统可以进行高精度单点定位和相对定位。本文针对该系统提出了一种相对定位选星策略,分析了几种双频组合方法及适用范围,给出了一种利用B1和B3频率进行双频载波相位差分的方法,并针对具体应用进行了仿真器环境试验验证,为"北斗"卫星导航定位系统建成后高精度相对定位应用提供参考。     

相对测量在编队卫星自主定轨中的应用

针对编队卫星自主定轨问题进行了研究,设计了一种完全不依赖于地面站和GPS系统的自主导航方案。利用星间测量信息进行卫星编队相对轨道状态的自主确定;并在利用磁强计进行卫星绝对轨道自主确定的基础上,引入星间测量信息提高绝对定轨精度;设计扩展卡尔曼滤波器进行卫星编队轨道状态估计,数学仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。     

北斗卫星系统在气象数据传输中的应用研究

介绍利用北斗导航定位卫星系统的短信通讯功能,实现载人航天任务气象数据传输应用的基本思路与实现方法,对北斗系统在气象领域推广应用,以及与指挥控制信息一体化方面的工作提出了建议。     

区域覆盖星座构型优化及协同控制策略研究

针对区域覆盖卫星星座的回归特性和构型维持需求,利用轨道半长轴和倾角与升交点赤经漂移和相位角漂移变化率之间的线性关系来优化星座构型参数,提高卫星星座构型的长期稳定性,同时通过协同控制轨道半长轴和倾角漂移量来实现区域覆盖星座构型维持。最后对区域覆盖天基雷达星座进行了构型优化设计和仿真,仿真结果表明了星座构型优化设计和维持策略的有效性。     

导航卫星辐射光压建模进展及发展趋势

辐射光压模型是导航卫星精密定轨的研究热点之一。辐射光压的建模方法主要有经验方法、半经验方法和解析型方法。经验方法由于简单易用、无需知道卫星相关信息等特性而得到广泛应用。但是经验光压模型得到的卫星轨道质量还有进一步提高的空间。在辐射光压建模中引入更多航天器相关的信息可以弥补经验模型的缺陷。中国北斗卫星导航系统2020年建设完成并向全球提供服务,卫星的轨道精度是系统服务性能的重要指标。更好的辐射光压模型可提高北斗卫星轨道的质量。对辐射光压建模技术及研究进展进行梳理可为开发更精准的北斗卫星辐射光压模型铺路。首先根据辐射源的不同将辐射光压分为主动类型和被动类型。然后分析了经验模型、半经验模型以及分析型物理模型的优缺点。聚焦于北斗卫星,也梳理了北斗卫星辐射光压建模的研究进展。根据以上讨论分析了目前辐射光压建模研究未解决的问题。在北斗辐射光压建模中,建议联合解析模型和经验模型的优点,切勿在精密定轨中盲目估计经验参数。     

一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法

利用卫星导航系统对高轨航天器进行自主导航与高精度定轨,对接收机的捕获灵敏度要求极高,双块补零(DBZP)算法是无辅助下卫星导航弱信号捕获的理想方案,然而受限于数据处理量大,DBZP实际应用难度大。在深入分析双块补零机理的基础上,结合矩阵重构的思想,提出了一种改进双块补零北斗导航接收机弱信号捕获方法。该方法对参与块内相关运算的基带信号和本地测距码分别进行重构,解决了块内点数与快速傅里叶变换输入点数之间的矛盾,提高了北斗导航接收机弱信号捕获性能。仿真实验结果分析表明,改进双块补零算法对信噪比没有损失,可以保证对低至15dB·Hz的弱信号进行有效捕获,能够满足高轨航天器定轨、室内外无缝导航等对接收机高灵敏度的需求。本方法是在块内运算层面对DBZP进行优化,具备良好的通用性和可移植性,与优化相干积分策略的各种改进DBZP算法可以无缝对接,进一步提高北斗导航接收机信号处理的效能。同时,重构的思想也适用于其他采用码分多址信号的卫星导航系统的弱信号检测和捕获,对提升多星座卫星导航系统的基带信号处理性能具有参考意义。     

对低轨导航系统发展趋势的思考CSCD

全球卫星导航系统成熟的产业推广和技术应用极大地牵引了卫星导航发展需求,使相关学者愈来愈关注恶劣电磁环境下的抗干扰技术以及分米、厘米级高精度导航定位服务。低轨星座优越的平台/轨道特性使其被誉为未来极具潜力的卫星导航手段。特别是近十年商业航天的蓬勃发展,带动卫星平台技术及火箭运载技术突飞猛进,大大降低了低轨卫星制造与发射成本,使得面向低轨星座的导航定位技术成为研究热点和发展方向。首先深入地剖析了不同历史阶段低轨导航的应用方向和技术体制,梳理归纳了低轨卫星星座独立定位及低中高轨卫星联合定位两种应用模式的技术特点,然后分析了未来低轨导航在整个卫星导航系统体系中的应用前景和技术挑战,为未来低轨导航系统建设和发展提供设计参考与技术借鉴。     

共轨迹卫星星座的优化设计及应用探讨

引入了初始卫星和时差的概念,通过仿真实验和优化设计,给出了一种针对我国区域特性的共地面轨迹中轨卫星(MEO)星座。同时利用该星座所具有的较好二重覆盖特性,提出了综合运用静止卫星(GEO)和MEO星座组成卫星区域导航系统的方案,并通过仿真模拟确认了该方案的可行性。     

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。     

惯性辅助的北斗导航故障自适应方法研究

北斗导航系统完好性是指北斗导航系统不能用于导航服务或导航精度超出给定范围时,具备及时发现故障并通知用户的能力.针对北斗导航完好性检测问题,为改善北斗导航定位系统的精度、连续性、完好性和可用性,研究了基于惯性辅助的北斗导航故障检测方法,设计了北斗导航系统的量测修正与故障检测实现方案,构建了基于新息正交性的自适应滤波北斗/SINS紧组合导航架构,根据滑动窗口内新息动态变化特性修正系统量测噪声方差,在北斗导航信号受到较大干扰、发生异常的情况下,对品质较差的卫星测量信号进行识别,并对检测超出一定阈值的突变卫星信号实现故障隔离,从而提高系统适应能力,增强北斗/SINS紧组合导航系统容错性.构建了北斗/SINS组合导航系统仿真验证模型,结果表明,基于惯性辅助的北斗导航方法能够有效检测出卫星信号故障,提高了系统的适应性和定位精度.