Performance Analysis for Regional Satellite Positioning System Based upon GEO/HEO Hybrid Constellation

Scheme of positioning constellation would greatly influence the positioning performance. In this paper, a GEO/HEO hybrid constellation with 3 HEO satellites deployed in 3 orbits and 3 GEO satellites for regional positioning is presented. Firstly, elements for 3 GEO and 3 HEO are optimized from regional visibility for the selected region of interest. Secondly, positioning performance is provided through GDOP(geometric dilution of precision) and PDOP(positional dilution of precision). Simulation results show that similar accuracy with GPS can be gained by this constellation.     

全球导航星座的远地/深空导航应用研究

全球卫星导航系统为低轨和地面用户提供导航服务已有广泛的研究.中高轨卫星以及深空卫星的定轨、定姿和时间同步,目前主要利用地面测控系统完成,存在设备复杂、投资高、无法同时支持大量飞行器、无法自主运行等缺点.本文研究中高轨卫星和深空卫星利用全球导航星座进行定轨、定姿和授时服务的可行性,实现其扩展应用,寻求全球导航星座作为天基网时空基准的高效途径,使得天基网的自主导航与自主运行成为可能.论文提供了一套解决方案,在不增加卫星设备的前提下,通过星间链路的巧妙设计,实现对远地、深空飞行器的无源导航服务,重点研究了卫星可见性、几何精度因子（GDOP）等内容,进行了定位、定时精度分析,为全球导航星座的建设提供思路.     

卫星定位误差的最优星座选择剖析

在分析定位误差的基础上,研究了星座最佳几何配置,以及几何位置相对较好、星的个数较少的4颗卫星的定位问题,并给出了星座的最佳几何分布与定位误差的关系仿真.结果表明,在卫星星座中,星的高度与分布的均匀性是决定星座几何精度的衰减因子,顶座星、底座星的仰角与方位角之差则是几何精度衰减因子的影响因素.通过计算和实验发现,在GPS系统的定位过程中,有一组最优的、由4颗卫星组成的几何配置星座,此时对应的几何精度衰减因子最小,为1.581 2.     

基于Flower星座的区域卫星导航系统

在Flower星座设计方法的基础上,提出了一种新的区域卫星导航系统设计方法.利用2个Flower星座,通过Flower星座模型精确计算导航Flower星座(NFC)中每个卫星的6个轨道参数,得到一个区域卫星导航系统NFC.NFC可以分阶段部署,开始由8颗卫星组成,补充发射6颗卫星以后组成完整的系统.对中国区域的几何精度因子(GDOP)仿真证明,NFC的平均GDOP值为2.113.与国内已经提出的几种区域导航系统及GPS,GLONASS,Galileo等全球卫星导航系统相比,NFC的GDOP性能与Galileo系统相当,远优于其他系统.NFC较高的导航精度和经济性证明基于Flower星座的区域卫星导航系统设计方法是有效的.     

北斗高精度相对定位选星方法研究

针对北斗系统中高轨卫星会带来较全球定位系统（global positioning system ,GPS）更为严重的法方程病态性这一问题,分析了双差载波相位观测方程系数矩阵对整周模糊度浮点解解算的影响,结合北斗系统三轨道星座混合的特点,研究了区域北斗高精度相对定位选星方法,以仰角最高的地球同步轨道（geostationary earth orbit, GEO）卫星作为参考星,优先选取仰角高于10°的中地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星,然后按照均匀分布的原则选取倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO）卫星。通过对实测数据进行试验和分析,证明了该方法的正确性和合理性,在进行区域北斗高精度相对定位时,能在一定程度上改善法方程的病态性,使模糊度浮点解较快收敛至真值附近,有利于模糊度的快速正确固定。     

低轨导航星座多普勒定位模型及性能分析

相较于北斗、GPS等全球卫星导航系统（GNSS）,低轨道卫星（LEO）具有更加显著的多普勒频移效应,有助于增强GNSS定位、导航和授时（PNT）服务性能。针对当前可用的LEO导航信号少,无法满足地面用户瞬时定位的问题,研究提出了基于一个由288颗LEO卫星构成的Walker星座,选取仿真了9个全球均匀分布的地面站多普勒观测值,建立了瞬时多普勒定位数学模型,并评估了其潜在的服务性能。结果表明：在中低纬度地区,LEO可视卫星为10~ 15颗左右,多普勒定位精度因子（PDOP）达到500 ~ 600;而在中高纬度地区,LEO可视卫星数达到30颗以上,对应的PDOP值降至180左右。静态多普勒定位可实现厘米至分米级精度,动态定位可实现瞬时分米至米级精度,高纬度地区的定位性能显著优于中低纬度地区。     

北斗卫星导航系统(一期)星座轨道稳定性设计

星座稳定性设计是星座总体工程设计的主要内涵.针对北斗卫星导航系统(一期)星座稳定性设计问题,在利用解析方法深入分析星座摄动运动规律的基础上,综合考虑系统覆盖、导航精度、几何构型等约束条件,提出一种将发射部署、被动摄动、主动控制相结合的星座稳定性一体化设计方案.北斗星座系统的部署和运行结果表明:在时间和空间尺度上,星座动态几何因子(DOP值)稳定,重点服务区域动态DOP值小于4.2,在受限于构型维持控制的卫星可用性指标方面:IGSO卫星可用性大于99%,GEO卫星平均可用性大于96.7%.     

紧藕合导航系统中的GDOP估算方法

提出一种针对低成本GPS/SINS（global positioning system/strap-down inertial navigation system）紧耦合导航系统的快速选星方法,充分利用SINS的输出估算几何精度因子（GDOP）,避免大量迭代带来的时间消耗,在卫星失锁后或星座分布发生变化时实现快速选星;并在该方法的基础上设计并实现紧耦合导航系统中量测噪声方差阵的在线修正,提高了组合导航系统滤波估计的精度. 试验结果表明,本文方法弥补了传统GPS/SINS紧耦合导航系统中选星时间消耗代价过大、收敛精度较低的问题,并可相应降低设备成本.      

地球静止轨道卫星数对广域增强系统性能的影响

为了评估广域增强系统(wide area augmentation system,WAAS)中地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星数对WAAS性能的影响,正确解码WAAS报文,对比分析GEO卫星和全球定位系统(global positioning system,GPS)卫星的伪距改正值和用户差分距离误差指数;将GEO卫星纳入导航定位解算,并基于WAAS监测站实测数据,解算分析GEO卫星数对WAAS报文延迟、中断和导航性能的影响.结果表明:当现有GPS卫星均正常工作时,GEO卫星数的增加可有效降低报文的延迟和中断,但对WAAS定位精度和完好性的提升并不明显.星基增强系统(satellite-based augmentation system,SBAS)中有两颗正常工作的GEO卫星是比较理想的状况.     

北斗二号/三号融合的分米级星基增强算法与性能分析

北斗卫星导航系统星基增强服务通过地球静止卫星向用户播发等效钟差、轨道改正数、电离层格网改正数和分区综合改正数等四重广域差分改正数,用户在此基础上利用载波相位观测值实现实时分米级的定位性能.本文介绍了分米级星基增强服务的参数匹配算法以及单频、双频用户精密定位模型.将系统播发的四重差分改正数应用于北斗二号与三号融合的精密单点定位,分析了不同频点及定位模型的系统精密定位服务性能.18个测站7 d的结果表明:北斗二号/三号融合的星基增强服务双频组合动态精密单点定位平均12.42 min收敛至0.5 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.15 m,高程0.2 m;相比仅使用北斗二号系统,不同定位模型收敛时间平均缩短了56.7%;而基于非差非组合的分区定位收敛速度更快,并且能达到与无电离层组合模型相同的精度水平.使用北斗电离层格网信息改正的单频动态定位PPP平均11.74 min收敛至0.8 m以内,收敛后的平均定位精度为平面0.2 m,高程0.3 m;相比使用广播星历电离层模型改正的结果,静态和动态定位平均收敛时间分别缩减了21.4%和25.2%.     

北斗单系统及多全球导航卫星系统组合极区定位性能

为了评估北斗单系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)及多全球导航卫星系统(global navigation satellite sys-tem,GNSS)在极区环境下的导航定位性能,从可见卫星数、位置精度因子、定位精度和高度角变化等多个性能指标对南北极四个测站进行分析.首...     

GEO与LEO卫星的联合被动定位

GPS的出现给定位技术带来了革命性的进步,但也造成了对GPS系统的依赖,这不利于某些特殊的应用场合。而要建设一个与GPS类似的系统在技术与成本上都还有困难,寻找新的定位方式已经成为必然。在分析了GEO和LEO卫星可能提供的定位形式后,提出了一种综合GEO卫星和LEO卫星的联合被动定位方案。经模拟仿真证实,在平面地球模型下,采用所提方案的普通接收机的定位误差均值为1．5km(典型值),而较为先进的接收机可以达到小于500m(典型值)的定位精度,并给出了较为全面的误差分析。     

卫星位置误差相关时的三星编队系统时差定位精度

为使三星编队卫星系统的时差定位数学模型更真实地反映现实,该文充分考虑编队星座系统联合观测定轨中存在的卫星位置误差相关性的特点,首次从星座系统整体出发,将单星误差变量转换为可反映误差相关性的具有明确物理意义的星间距离等独立变量,推导出辐射源定位精度的数学模型,并对星座系统整体漂移、几何构形畸变、星座平面旋转、翘动误差对定位精度影响进行分析和数值计算,指出引起星座翘动的非相关误差因素对定位精度影响最大、相关性误差对精度影响最小,并给出了满足系统定位精度达到4km、等精度曲线包含星下点附近直径为3000km区域的条件。     

Improvement of orbit determination for geostationary satellites with VLBI tracking

China’s COMPASS satellite navigation system consists of five or more geostationary (GEO) satellites.The roles of GEO satellites are to improve the regional user’s positioning accuracy and provide the continuous Radio Determination Satellite Service.The motion of GEO satellites relative to a ground tracking station is almost fixed,and regular orbit maneuvers are necessary to maintain the satellites’ allocated positions above the equator.These features present difficulties in precise orbit determination (POD).C-band ranging via onboard transponders and the L-band pseudo-ranging technique have been used in the COMPASS system.This paper introduces VLBI tracking,which has been successfully employed in the Chinese lunar exploration programs Chang’E-1 and Chang’E-2,to the POD of GEO satellites.In contrast to ranging,which measures distances between a GEO satellite and an observer,VLBI is an angular measurement technique that constrains the satellite’s position errors perpendicular to the satellite-to-observer direction.As a demonstration,the Chinese VLBI Network organized a tracking and orbit-determination experiment for a GEO navigation satellite lasting 24 h.This paper uses the VLBI delay and delay-rate data,in combination with C-band ranging data,to determine the GEO satellite’s orbit.The accuracies of the VLBI delay and delay rate data are about 3.6 ns and 0.4 ps/s,respectively.Data analysis shows that the VLBI data are able to calibrate systematic errors of the C-band ranging data,and the combination of the two observations improves orbit prediction accuracy with short-arc data,which is important for orbital recovery after maneuvers of GEO satellites.With the implementation of VLBI2010,it is possible for VLBI to be applied in the COMPASS satellite navigation system.     

GNSS autonomous navigation method for HEO spacecraft

For global navigation satellite system(GNSS) in the application of high earth orbit(HEO) determination, there are problems such as small number of visible satellites and weak signal magnitude. The transmitting and receiving errors of GNSS signal in the environment of HEO space are analyzed, and related compensating scheme is also proposed. Acquisition of GNSS signal is implemented by using weak signal acquisition technology based on Duffing. Precise tracking of weak GNSS signal is also realized by adopting dynamic detection and compensation technology based on Duffing chaotic oscillator. Simulation results show that, certain acquisition sensitivity and navigation precision can be reached, and the acquisition and tracking of weak GNSS signal can be realized by using the proposed technology, which provides good technology support for autonomous navigation of HEO and large elliptical spacecrafts.     

一种新型多层卫星星座组网设计

随着空间技术需求的不断增多,传统的单层卫星星座组网模式,由于其结构简单,在未来空间技术的发展中受到限制.近年来,采用多层卫星进行星座组网受到业界的普遍关注.鉴于多层卫星星座模型的优点,设计了一种新的基于GEO/MEO/LEO的三层卫星星座模型.本模型充分结合高、中、低轨道各自的优势,以尽量少的卫星数量实现了对地球的全面覆盖,较之传统单层模型更为立体化.最后,通过STK和MATLAB对所提出的多层卫星星座组网模型进行了数字化仿真,从星间链路的长度、链路通信俯仰角以及方位角等方面进行了对比和分析,验证了本模型的合理性和有效性.     

北斗GEO卫星微动条件下的GNSS-R土壤湿度反演

全球定位系统GPS发射的L波段导航信号源已被用于估测地球表面的土壤湿度,但由于卫星具有一定的重返周期,所以对固定区域土壤湿度反演的性能受到不断变化的星下点轨迹的限制。北斗GEO（geostationary earth orbit）卫星是地球静止轨道卫星,同时又存在着周期性的微动,利用它的反射信号来反演土壤湿度受到其微动特性的影响。针对这个问题,本文研究了利用GEO卫星反射信号功率进行固定区域内土壤湿度反演的可行性。本文首先分析了GEO卫星的微动特征和反射区域的变化;然后采用包络提取和三次多项式插值的方法来恢复SNR的趋势变化规律,以消除因为GEO卫星轻微运动带来的周期性波动和噪声,并且根据现场收集的部分实验数据确定的校准参数值对反射系数进行校正;最后,我们使用测试数据进行土壤湿度反演,得到每半小时固定区域的连续土壤湿度反演值。结果表明,土壤湿度反演值与原位土壤湿度值的变化趋势基本一致,反演的平均绝对误差小于4.63％。可见,BDS GEO卫星信号可以作为GNSS反射计的重要数据来源。     

Variation of satellite transponder delay

For precise orbit determination of geosynchronous earth orbit(GEO)satellites using transfer ranging observations,it is generally assumed that the variation of the satellite transponder delay is very small and that it can be solved as a constant parameter together with satellite orbit parameters.However,this assumption is too general and it reduces the accuracy of orbit determination for GEO satellites.To study and analyse the impact of the satellite transponder delay on GEO satellites orbit determination,two schemes were proposed.First,the satellite transponder delay was eliminated by forming single-difference observations between two ground stations;second,the satellite transponder delay was described as a constant parameter.The preliminary results demonstrate a difference of about1–2 m between the two schemes when used for precise orbit determination of GEO satellites.By fixing the GEO satellite orbit and other relevant parameters estimated by single-difference model,we inversed the instantaneous transponder delay from non-difference observation.It was found that the satellite transponder delay has a distinct diurnal variation,with an amplitude of 3–4 m.The findings of this paper are helpful in establishing an accurate model of satellite transponder delay and in improving the accuracy of GEO satellites orbit determinations and predictions.     

回归大椭圆轨道卫星轨迹保持策略与仿真

为了实现大椭圆轨道卫星星下点在一定经度范围内回归,保持对特定区域的长时间观测,对优化轨迹保持策略进行了深入研究。首先提出了必须根据共振大椭圆卫星的轨道演变规律进行轨迹保持。同时分析了大椭圆轨道卫星满足回归条件的轨道约束;其次分析了主要动力学模型的摄动规律,建立了轨道摄动对升交点赤经、半长轴以及轨迹漂移影响的计算模型;最后结合工程应用实际,给出了具体的回归大椭圆轨道的轨迹保持周期和保持策略。通过仿真实验及结果分析,表明了该策略的正确性和有效性,为回归大椭圆轨道卫星的轨道设计和测控实施提供技术参考。     

我国的静止轨道/中轨道跟踪与数据中继卫星系统的性能比较

在分析了我国可采用的静止轨道和中轨道跟踪与数据中继卫星系统的系统结构和特点的基础上,给出了2 个系统方案。通过仿真计算,对它们的覆盖性能和实现的复杂程度进行了比较。仿真结果表明,中轨道跟踪与数据中继卫星系统能够提供更好的覆盖性能,但实现难度大于静止轨道跟踪与数据中继卫星系统。因此,现阶段我国采用双星静止轨道跟踪与数据中继卫星系统是合理的选择。