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。     

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。     

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。     

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。     

基于空间密度的MEO星座长期碰撞风险研究

考虑到中轨道(MEO)区域将要部署越来越多的卫星,为确保星座的长期运行安全,有必要针对卫星离轨带来的长期碰撞风险问题开展研究。首先,列出了MEO区域的空间物体分布现状与国际规则;然后,以空间密度和长期碰撞风险等数学模型为基础,开展了不同离轨策略的MEO卫星带来的长期碰撞风险分析。研究表明：开展卫星离轨后的长期碰撞风险分析,对于MEO卫星离轨策略的确定具有明确的指导意义;MEO卫星离轨与自身星座、邻近星座以及坟墓轨道200年内碰撞风险在10^-5～10^-6量级,小于低轨(LEO)卫星的10^-3的碰撞风险阈值,当前MEO区域的空间物体运行是安全的。     

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。     

基于北斗卫星速度外推的GEO卫星速度解算方法

北斗二代导航系统是我国自主开发的区域卫星导航系统,该系统利用GEO卫星实现了区域卫星导航定位。针对GEO卫星的特点,现有的GEO卫星速度解算方法分为微分法与差分法两种,这两种方法各有优缺点。为了进一步提高GEO卫星速度计算的效率与精度,首先对两种计算GEO速度的计算方法进行了推导,从计算精度、计算量,计算时间和软件实现难易程度对两种方法进行了对比,同时提出了一种利用卫星加速度进行卫星速度外推的方法,仿真结果表明这种方法能够提高接收机的测速精度,且计算量较小,工程实现难度较低。     

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。     

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。     

BDS接收机星间载波相位偏差

BDS(BeiDou satellite navigation System,北斗卫星导航系统)的MEO/IGSO (Medium Earth Orbit/Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,中圆地球轨道/倾斜地球同步轨道)卫星在D1导航电文上调制了NH(Neumann-Hoffman,奈曼-霍夫曼)二次编码,而在GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星上未使用.利用北斗MEO/IGSO和GEO卫星进行差分定位时,采用不同NH码符号映射规则的接收机之间会出现半周载波相位偏差的问题,严重影响RTK (Real-Time Kinematic,实时动态差分)应用.通过分析半周载波相位偏差的形成机理,从单差、双差、三差应用角度分别研究了半周载波相位偏差的影响.分析结果表明,接收机NH码符号映射规则与卫星不一致时,接收机直接用乘法器对NH码解调将存在反相,也即引入了半周载波相位偏差;在满足特定条件下,单差和双差应用时会存在半周载波相位偏差的问题;三差应用时不存在半周载波相位偏差的问题.最后,提出了需在北斗接口控制文件中明确卫星NH码调制或映射规则的修订建议.     

空间激光通信进展及在天基网中应用构想

在分析国内外空间激光通信技术研究进展和试验验证的基础上,按照"全球覆盖、重点支持、便于组网、便于管理"的原则,重点对未来激光链路卫星星座构型进行研究,提出了基于已有轨位的4节点GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)星座、基于已有轨位的6节点GEO星座以及激光/微波卫星共存下空间激光宽带网络发展构想;采用高效资源分配算法和智能化运行管理系统,支持我国数百个航天器、非航天器的在线管理和高速数据传输服务,可以满足我国天基平台和全球骨干节点的高速数据传输需求。通过分析论证,提出构建我国的空间激光宽带网络,需要在超长距离激光通信技术、激光链路自主建立技术、星地激光大气效应研究、空间激光宽带网络协议、卫星星座智能管理技术等关键技术和重点研究方向上集智攻关,取得突破性进展,并对未来发展进行了展望。     

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.     

单锚固站辅助导航星座自主定轨分析

我国"北斗"卫星导航系统在建设过程中存在地面跟踪站无法全球均匀布设的问题。针对该问题,可采用依靠少量锚固站的星座自主定轨方法解决。通过推导星地测距对卫星轨道升交点赤经的偏导数,证明了星地测距对升交点赤经的可观性,并分析得出,在经度保持不变的情况下,锚固站纬度越大,星地测距对卫星轨道升交点赤经的偏导数的模越小,星地测距对升交点赤经的修正越差。其后,对单锚固站辅助导航星座自主定轨进行了仿真实验,在经度保持不变的条件下,随着纬度的增大,星座自主定轨结果的收敛速度越来越慢。仿真结果验证了理论分析,并得出锚固站纬度是影响星地测距对卫星轨道升交点修正程度的重要因素的结论。     

北斗卫星导航( 区域) 系统星座对中国载人航天器的服务能力仿真分析

载人航天器可以利用北斗卫星导航系统实现自主导航定位和相对测量以支持轨道确定和交会对接任务。为了评估当前星座条件下北斗卫星导航(区域)系统对中国载人航天器的服务能力,建立了当前北斗卫星导航(区域)系统的星座仿真场景。利用载人航天器轨道参数,对其轨道处北斗区域星座的覆盖特性和服务能力进行了仿真,分析了可以用于载人航天器绝对定位和相对定位的时间长度、可见卫星情况、位置精度因子等特性。分析结果表明,在载人航天轨道的一些持续时间段内,航天器可以利用北斗(区域)系统完成绝对和相对定位功能。     

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。     

MEO/LEO双层卫星网络中层间链路的连接度分析

作为未来卫星移动通信系统的一个重要的研究方向,提出了一种由MEO卫星和LEO卫星共同组成的双层卫星网络(Double-Layer Satellite Network,DLSN),以更好为用户提供多媒体服务.作为多层卫星网络的一个重要的研究内容,连接不同高度上卫星的层间链路(Inter-Orbit-Links,IOLs)的特性对于整个DLSN网络的性能会有很大的影响.根据所设计的多层卫星网络的星座参数,通过对层间链路几何特性的研究,分析了多层卫星网络中MEO卫星与LEO卫星的连接度性能.采用计算机仿真的方法,给出了层间链路连接度的特性.结果表明,为了提高网络性能,在多层卫星网络中应按照一定参数有选择的建立层间链路,而不是简单的采用视距可见原则建立层间链路.     

北斗实时精密轨道和钟差产品解算策略及精度评定

随着北斗卫星导航系统全球星座部署即将完成，其应用领域不断扩大，实时精密服务性能受到了极大关注。基于动力学精密定轨方法，设计了北斗卫星实时轨道、钟差算法流程和解算策略。利用不同频点信号，分别计算了BDS-2和BDS-3卫星的实时精密轨道和钟差，建立了完整的轨道和钟差精度评定方法，重点对解算的实时产品的精度进行了评定。结果表明：BDS-2和BDS-3实时精密轨道和钟差产品精度均可满足大部分实时用户的需求。对于B1IB3I频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度约为26cm，径向精度约为6cm，实时钟差精度约为0.45ns，且相较于BDS-2，性能更加稳定；对于B1CB2a频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度优于20cm，精度和稳定性较高。     

GPS仿真器设计

GPS是当今世界运行最为广泛的卫星定位、导航系统,研究GPS仿真器的设计,从而为飞机模拟器提供虚拟定位数据具有重要的现实意义.通过GPS卫星星座运动分析、最佳定位四颗星选择和GPS接收机设计,将由飞机仿真计算机得到的飞机位置信息转换成CPS信号输入飞控计算机,以实现GPS导航仿真实验.     

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。